Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора и способ его получения

 

Многослойное селективное покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность солнечного коллектора, преобразующего электромагнитное излучение Солнца в тепло. Покрытие состоит из слоя титана толщиной слоя нестехиометрических окислов карбидов или нитридов титана TiC_xO_y или TiN_x толщиной и слоя углеродсодержащего материала толщиной осаждаемого из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений, причем показатель преломления последнего слоя где λ_o - длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, n₁ показатель преломления предпоследнего слоя, n'₁- показатель преломления титана. Покрытие изготавливается способом напыления в высоком вакууме слоя титана, после чего в парах СО₂ или N₂ при давлении 2,5 - 8 · 10^-2 Па производят реактивное распыление титана, и в заключение на обрабатываемую поверхность осаждают из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений при давлении паров от 10 до 20 Па твердый аморфный углеродсодержащий материал. Покрытие обладает повышенной по сравнению с известными покрытиями эффективностью. Способ нанесения покрытия экологически безопасен и обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

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

Известны селективные поглощающие покрытия для солнечных коллекторов типа "черный никель", "черный хром", состоящие из тонких нестехиометрических слоев NiO_x или CrO_x соответственно и получаемых путем осаждения тонких пленок NiO_x или CrO_x в электролитических ваннах (Solar Energy Matereals B, 1983, с. 349) Недостатком известных покрытий является относительно высокое значение коэффициента излучательной способности E, для покрытий этого типа E ≥ 0,08 при толщине, обеспечивающей значение коэффициента поглощения в солнечном спектре A_c ≅ 0,94. Другим недостатком покрытий типа "черный никель", "черный хром" является необходимость использования для их получения специального электролитического оборудования, экологическая опасность самого процесса нанесения.

Известно многослойное селективное покрытие, состоящее из твердого углеродсодержащего материала, осажденного из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений на металлическую или металлизированную поверхность, при это покрытие состоит из двух слоев, отличающихся толщиной и показателем преломления. Первый слой имеет толщину и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не более 0,2, а второй слой имеет толщину и обладает показателем преломления где: n₀ - показатель преломления внешней среды, n₁ - показатель преломления первого слоя, λ_o - длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения (патент РФ 2044964, МКИ: F 24 J 2/48).

Недостатком известного покрытия является относительно высокий коэффициент излучения покрытия E=0,07 - 0,08, что увеличивает тепловые потери коллектора за счет излучения, что обусловлено недостаточно высоким пропусканием первого слоя в инфракрасной области спектра при толщине Цель изобретения - увеличение эффективности преобразования коллектором солнечной электромагнитной энергии в тепловую путем уменьшения коэффициента излучения покрытия - E.

Указанная цель достигается тем, что в состав покрытия введен дополнительный слой титана толщиной , расположенный между поверхностью коллектора и первым слоем, причем первый слой выполнен из нестехиометрической смеси карбидов и окислов титана TiC_xO_y или нестехиометрической смеси нитридов титана TiNx толщиной где: n'₁ - показатель преломления титана, n₁ - показатель преломления TiC_xO_y или TiN_x соответственно.

Известен способ напыления в вакууме селективных поглощающих покрытий путем реактивного распыления в вакууме металлов и осаждения на медную подложку слоя металла толщиной около 0,05 мкм и последующего осаждения слоя нестехиометрического карбида этого же металла толщиной 0,06 мкм, получаемого при реактивном распылении материала катода в атмосфере метана при парциальном давлении паров метана в вакуумной камере 0,35 - 0,7 Па (Jaurnal of Vacuum Science and Technology, 13, N 5, c. 1071).

Селективное покрытие, получаемое известным способом имеет достаточно низкий коэффициент излучения в инфракрасной области E ≅ 0,035, однако имеет недостаточно высокий коэффициент поглощения в солнечном спектре A_c ≅ 0,8 - 0,9, кроме того при реактивном распылении металлов в атмосфере метана при парциальном давлении метана 0,35 - 0,7 Па в объеме вакуумной камеры образуется большое количество порошкообразных частиц углерода, что затрудняет возможность использования известного способа при массовом производстве селективного покрытия на больших площадях (более 4,0 м² за одну установку в вакуумной камере).

Цель изобретения - способ получения селективного поглощающего покрытия с коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c ≥ 0,94, коэффициентом излучения E ≅ 0,035, обеспечивающий отсутствие возникновения порошкообразных частиц углерода в вакуумной камере в процессе нанесения покрытия.

Цель достигается тем, что материалом распыляемого катода выбирается титан, реактивное распыление производится в атмосфере CO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах 2,5 - 8 · 10^-2 Па, после чего в тлеющем разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па наносится слой аморфного углеродосодержащего материала.

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, являющего частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, слой-2 толщиной из титана, слоя - 3, состоящего из TiC_xO_y или TiN_x толщиной и слоя - 4, состоящего из аморфного углеродсодержащего вещества, осажденного из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений толщиной где показатель преломления n_o - показатель преломления внешней среды, n₁ - показатель преломления слоя 3, n₁^' - показатель преломления Ti, λ_o - длина волны максимума спектра излучения Солнца.

Пример. Селективное поглощающее покрытие наносилось на внутреннюю поверхность цилиндра из алюминиевой фольги диаметром 1,3 м и длиной 1,6 м, коэффициент поглощения поверхности фольги A_c = 0,18, коэффициент излучения фольги E = 0,03. Фольга устанавливалась в вакуумной камере диаметром 1,6 м длиной 2,0 м. Распыляемый катод из титана устанавливался в вакуумной камере вдоль ее оси. Вакуумная камера откачивалась до давления 1,3 · 10^-2 Па, после чего напылялся слой титана до появления первого минимума отражения в солнечном спектре, что соответствует толщине напыляемого слоя 0,04 - 0,05 мкм. При меньшей толщине слоя титана недостаточна его оптическая плотность в солнечном спектре, а при большей толщине начинается увеличение коэффициента излучения E относительно его исходного значения. Затем в вакуумную камеру подается реакционный газ CO₂ или N₂ и устанавливается динамическое равновесие между натеканием рабочего газа и его откачкой на уровне 2,5 - 8 · 10^-2 Па. При давлении больше 8 · 10^-2 Па происходит отравление катода и прекращается процесс реактивного распыления, при давлении менее 2,5 · 10^-2 Па в осаждаемом веществе содержится избыток титана, что в свою очередь, приводит к увеличению излучательной способности покрытия.

Реактивное напыление TiC_xO_y или TiN_x производится до достижения второго минимума отражения в солнечном спектре, что соответствует толщине слоя 0,06 - 0,08 мкм. При меньшей толщине TiC_xO_y или TiN_x недостаточна его оптическая плотность для обеспечения максимально высокого значения A_c, при большей толщине слоя TiC_xO_y или TiN_x увеличивается коэффициент отражения за счет интерференции и соответственно снижается значение коэффициента поглощения в солнечном спектре A_c, а также увеличивается значение коэффициента E относительно исходного значения. После проведения реактивного напыления на поверхность алюминиевой фольги образуется селективное поглощающее покрытие с коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c = 0,84 - 0,87 и коэффициентом излучения E = 0,03 - 0,04. Для увеличения коэффициента A_c после реактивного напыления на поверхность осаждается твердый углеродсодержащий слой толщиной 0,04 - 0,05 мкм с показателем преломления n₂ = 1,4 - 1,5, осаждение слоев проводится в тлеющем разряде в парах бензола при давлении 10 - 20 Па, плотности тока разряда 0,2 - 0,3 А/м², напряжении горения разряда 400 - 450 B, переменного тока частотой 50 Гц. При меньшей толщине слоя не достигается эффект просветления, при большей толщине слоя увеличивается коэффициент излучения относительно исходного.

Селективное поглощающее покрытие, получаемое описанным способом обладает коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c ≥ 0,94, коэффициентом излучения E ≅ 0,035, а отношение A_c/E = 26,8, что в 2 раза превышает отношение A_c/E = 13,5 для известного покрытия.

Применение предлагаемого покрытия и способа его получения 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 коллекторов, при этом не используются и не выделяются токсические или загрязняющие вещества.

Формула изобретения

1. Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора, состоящее из двух последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность диэлектрических слоев углеродсодержащего материала, причем первый слой имеет толщину и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не более 0,2, а второй слой имеет толщину и показатель преломления где n₀ - показатель преломления внешней среды, n₁ - показатель преломления материала первого слоя, λ_o - длина волны максимума спектра излучения Солнца, отличающееся тем, что между поверхностью коллектора и первым слоем введен слой Ti толщиной а первый слой выполнен из TiC_xO_y или TiN_x, получаемых при реактивном распылении в вакууме титана в атмосфере CO₂ или N₂ соответственно, где n₁' - показатель преломления Ti, n₁ - показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно.

2. Способ получения многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме слоя металла и последующего реактивного напыления в вакууме слоя нестехиометрического металлоида этого металла, получаемого путем реактивного распыления, отличающийся тем, что в качестве распыляемого металла применяется Ti, реактивное напыление ведут в атмосфере CO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах 2,5 - 8 · 10^-2 Па, после чего в тлеющем разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па осаждают твердый аморфный углеродсодержащий материал.

РИСУНКИ

Рисунок 1