МНОГОСЛОЙНОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА Российский патент 1995 года по МПК F24J2/48 

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для тепло- и хладоснабжения жилых и промышленных зданий.

Для обеспечения высокой эффективности работы панели солнечного коллектора необходимо, чтобы относительный интегральный коэффициент поглощения поверхности коллектора в спектре излучения Солнца А_сприближался к 1,0, а относительный интегральный коэффициент собственного излучения ε поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, в интервале температур поверхности 50-200^оС приближался к нулевой величине. Чем выше значение отношения А_с/ ε, тем более эффективно коллектор преобразует электромагнитное излучение Солнца в тепло.

Известны многослойные селективные покрытия для солнечного коллектора, содержащие 2 слоя, один из которых выполнен в виде пленки окиси алюминия, поры которой заполнены частицами металла типа Ni, а второй слой выполнен в виде пленки из двуокиси олова и расположен первым по ходу солнечных лучей, причем между двумя этими слоями расположен дополнительный связующий слой в виде гидратированной пленки Al₂O₃ [1]
Недостатком известных покрытий является их относительно низкая эффективность. Для покрытий этого типа отношение А_с/ε составляет примерно 4,0-5,0, что обусловлено относительно высоким значением коэффициента ε (для покрытий этого типа при А_с ≥ 0,90, ε ≥ 0,20).

Известно поглощающее покрытие, состоящее из твердой аморфной углеродсодержащей поглощающей пленки, осаждающейся на металлических электродах из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений [2] Покрытие обладает достаточно высокой прочностью сцепления с подложкой, атмосфероустойчиво, имеет достаточно высокий интегральный коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с.

Недостатком известного покрытия является то, что оно одновременно обладает относительно высоким показателем преломления (n 2,3-2,6) в видимой части солнечного спектра, при этом коэффициент отражения покрытия R, определяемый по зависимости R (n-1)²/(n+1)², при n 2,3 составит не менее 0,15, т. е. интегральный коэффициент поглощения такого покрытия А_с ≅ 0,85, что недостаточно для эффективной работы солнечного коллектора. Для известного покрытия, начиная с толщины его слоя d ≥ λ_o/n наблюдается увеличение поглощения в ИК-области спектра, которое уже при толщине слоя 3 λ_o/n приводит к увеличению коэффициента излучательной способности коллектора с покрытием указанной толщины относительно излучательной способности чистой металлической поверхности коллектора на величину Δ ε 0,3. Таким образом, для увеличения эффективности солнечного коллектора покрытие на его поверхности должно иметь оптимальные оптические свойства в солнечном спектре и оптимальные толщины слоев, составляющие покрытие.

Цель изобретения увеличение эффективности преобразования коллектором солнечной электромагнитной энергии в тепловую, а также обеспечение стабильности воспроизведения оптических характеристик поглощающего покрытия на коллекторе в процессе его нанесения.

Цель достигается тем, что покрытие коллектора выполнено в виде двух слоев, последовательно осажденных из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений на металлическую поверхность коллектора. При этом первый слой, осажденный на поверхность, имеет толщину λ_o/2n₁ и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не большем чем 0,20, а второй слой имеет толщину λ_o/4n₂ и обладает показателем преломления n₂, который определяется из следующего соотношения: n₂ где n_o показатель преломления внешней среды; n₁ показатель преломления первого слоя; λ_o длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного электромагнитного излучения. Кроме того, интегральный коэффициент пропускания покрытия в солнечном спектре Т не должен превышать значения 0,15. Покрытие, обладающее указанными оптическими и геометрическими характеристиками, имеет согласно расчетным и экспериментальным данным коэффициент поглощения А_с ≥ 0,90, и коэффициент излучательной способности ε ≅ 0,07.

На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемого покрытия, а также ход лучей в покрытии, определяющий отражение покрытием некоторой части падающего на него электромагнитного излучения Солнца.

Предлагаемое покрытие состоит из металлического подслоя 1, являющегося частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, первого слоя 2, осажденного из тлеющего разряда в парах бензола при давлении бензола 1х10^-2 мм рт. ст. плотности тока разряда 0,7 А/м², напряжении горения разряда 4,0 кВ при частоте 50 Гц. Толщина первого слоя покрытия 0,12-0,14 мкм, показатель преломления первого слоя покрытия на длине волны λ_o 0,55 мкм, n₁ 2,3-2,5, коэффициент пропускания в солнечном спектре Т₁ 0,18-0,20, при этом показатель преломления и коэффициент пропускания регулируются параметрами разряда, а толщина осажденной пленки зависит от длительности процесса осаждения. Второй слой покрытия 3 расположен непосредственно на слое 2 и имеет толщину d₂ 0,09-0,11 мкм при показателе преломления n₂ 1,5-1,6, осаждение слоя производится из тлеющего разряда в парах бензола при давлении бензола 1х10^-1 мм рт. ст. плотности тока разряда 0,2-0,3 А/м², напряжении горения разряда 400 В переменного тока частотой 50 Гц. Интегральный коэффициент пропускания двух слоев покрытия в солнечном спектре составляет Т 0,14-0,16. Интегральный коэффициент поглощения покрытия описанного типа в видимой части солнечного спектра А_с 0,92-0,94, а коэффициент излучения покрытия при 100^оС ε0,07-0,08. Таким образом, эффективность преобразования солнечной энергии предлагаемым покрытием, определяемая соотношением А_с/ ε, увеличивается в 3,0-5,0 раз по сравнению с известными покрытиями, так как отношение А_с/ ε предлагаемого покрытия составляет 11,5-13,5. Стабильность воспроизведения оптических характеристик покрытия на площадях порядка нескольких квадратных метров определяется тем, что толщина предлагаемого покрытия находится в пределах первого интерференционного максимума отражения для различных длин волн видимого спектра солнечного излучения, что облегчает и упрощает контроль толщины слоев покрытия в процессе его нанесения.

Применение предлагаемого покрытия позволяет создавать коллекторы солнечного излучения с повышенной эффективностью, что, в свою очередь, позволяет увеличить выходную температуру теплоносителя, т.е. повысить КПД дальнейшего преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. Нанесение покрытия осуществляется за один прием в вакуумной камере сразу на всю поверхность коллектора, при этом не используются и не выделяются токсические или загрязняющие вещества.

Использование: многослойное селективное покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность поглощающей панели солнечного коллектора, преобразующего электромагнитное излучение сущности солнца в тепло. Сущность изобретения: покрытие сотоит из двух углеродсодержащих тонких слоев, получаемых осаждением из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений на металлическую или металлизированную поверхность. Толщина первого слоя покрытия, осажденного на поверхность панели коллектора, равна λ_o/2n₁ интегральной коэффициент пропускания первого слоя составляет не более 0,2, а толщина второго слоя покрытия составляет λ_o/4n₂ причем второй слой должен обладать показателем преломления где λ длина волны соответствующая максимуму спектра солнечного излучения; n₁ показатель преломления первого слоя; n₀ показатель преломления внешней среды, кроме того интегральный коэффициент пропускания покрытия не должен превышать 0,15. 1 ил.

МНОГОСЛОЙНОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА, состоящее из пленки твердого аморфного углеродсодержащего материала, осажденного из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений на металлическую или металлизированную поверхность, отличающееся тем, что пленка состоит из двух последовательно осажденных из тлеющего разряда слоев, причем первый слой, осажденный на поверхность, имеет толщину d₁=λ_o/2n₁ и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не большим 0,20, а второй слой имеет толщину d₂=λ_o/4n₂ и показатель преломления

где n₀ показатель внешней среды;
n₁ показатель преломления первого слоя;
λ_o длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения,
а интегральный коэффициент пропускания пленки в солнечном спектре не превышает 0,15.