Многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора и способ его изготовления

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для теплоснабжения и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок. Многослойное селективное поглощающее покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность теплоприемной панели солнечного коллектора, преобразующего излучение Солнца в тепло. Покрытие состоит из первого слоя титана толщиной d₁=λ₀/4n₁, второго слоя в виде окислов, карбидов или нитридов титана TiC_xO_y или TiN_x, толщиной d₂=λ₀/2n₂, третьего слоя в виде силицида титана TiSi толщиной d₃=λ₀/4n₃, причем показатель преломления третьего слоя n₃=(n₂×n₀)^1/2, где λ₀ - длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, n₀ - показатель преломления воздуха, n₁ - показатель преломления первого слоя титана, n₂ - показатель преломления второго слоя из TiC_xO_y или TiN_x. Покрытие изготавливается способом напыления в высоком вакууме слоя титана, после чего в атмосфере СО₂ или N₂ при давлении (2,5-8)×10^-2 Па производят реактивное распыление титана со скоростью, не превышающей 30Р₂, где Р₂ парциальное давление СО₂ или N₂, Па. В заключение, на обрабатываемую поверхность производят реактивное напыление силицида титана TiSi путем реактивного распыления титана в атмосфере паров моносилана при давлении (3-5)×10^-1 Па. Покрытие обладает повышенной по сравнению с известными покрытиями эффективностью. Способ нанесения покрытия экологически безопасен и обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известны селективные поглощающие покрытия для солнечных коллекторов типа «черный никель», «черный хром», состоящие из тонких слоев NiO_x или CrO_x соответственно, получаемых в результате гальванических процессов в электролитических ваннах (Solar Energy Matirials, v.8, 1983, p.349).

Недостатком известных покрытий является относительно высокое значение коэффициента излучения - έ, что приводит к увеличению потерь тепла за счет собственного излучения коллектора. Другим недостатком покрытий типа «черный хром», «черный никель» является необходимость использовать для их получения специальные электролиты, что обуславливает экологическую опасность процесса получения.

Известно многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора, состоящее из трех слоев последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=λ₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC_xO_y или TiN_x толщиной d₂=λ₀/2n₂, получаемых при реактивном распылении в вакууме титана в атмосфере СО₂ или N₂ соответственно, а третий слой выполнен из углеродсодержащего материала и имеет толщину d₃=λ₀/4n₃ и показатель преломления n₃=(n₂×n₀)^1/2, где n₀ - показатель преломления воздуха, n₁ - показатель преломления первого слоя покрытия, n₂ - показатель преломления второго слоя покрытия, а λ₀ - длина волны максимума спектра излучения Солнца (патент РФ №2133928). При этом х, у - стехиометрические коэффициенты вещества второго слоя. Значения коэффициентов 1≤х,у≤4.

Недостатком известного покрытия является неопределенность состава третьего слоя покрытия, что не позволяет в процессе нанесения покрытия получать воспроизводимые оптимальные характеристики солнечного селективного поглощающего покрытия, что в свою очередь снижает эффективность работы солнечного коллектора.

Известен способ изготовления многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СО₂ или N₂ слоя металлоида этого металла при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10^-2 Па, после чего в газовом 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 (патент РФ №2133928).

Недостатком известного способа является то, что оптические свойства второго слоя покрытия при определенном парциальном давлении газа зависят от скорости реактивного напыления этого слоя и для обеспечения получения покрытия с оптимальными оптическими свойствами должны быть установлены ограничения на величину скорости напыления второго слоя v₂ в зависимости от парциального давления реакционного газа Р₂.

Другим недостатком известного способа изготовления многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора является то, что по известному способу не обеспечивается для третьего внешнего слоя покрытия выполнение условия n₃=(n₃×n₀)^1/2, вследствие чего невозможно достичь максимального значения коэффициента поглощения покрытия в солнечном спектре. Действительно показатель преломления второго слоя по данным измерений составляет n₂=2,03, откуда n₃=1,43. Для известных материалов, которые могут быть нанесены в виде тонких слоев, такой показатель преломления имеет силицид титана TiSi.

Целью изобретения является повышение эффективности работы солнечного коллектора путем обеспечения воспроизводимости оптимальных характеристик селективного поглощающего покрытия за счет уточнения состава материала третьего слоя покрытия, обеспечение выполнения условия n₂=(n₂×n₀)^1/2 для третьего слоя покрытия, обеспечение получения при изготовлении покрытия максимального значения коэффициента поглощения в солнечном спектре А_с, а также обеспечение изготовления покрытия с оптимальными оптическими свойствами путем выбора оптимальной скорости реактивного напыления второго слоя покрытия.

Указанная цель достигается тем, что многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора состоит из трех слоев, последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=λ₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC_xO_y или TiN_x толщиной d₂=λ₀/2n₂, а третий слой имеет толщину d₃=λ₀/4n₃ и показатель преломления n₃=(n₂×n₀)^1/2, где n₀ - показатель преломления воздуха, n₁ - показатель преломления Ti, n₃ - показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно, а λ₀ - длина волны максимума спектра излучения Солнца. При этом в качестве материала третьего слоя покрытия выбран силицид титана TiSi толщиной от 0,10 до 0,20 мкм. При толщине пленки меньше 0,10 мкм область минимального отражения сдвигается в ультрафиолетовую область, а при толщине пленки больше 0,20 мкм область минимального отражения сдвигается в инфракрасную область, при этом в обоих случаях уменьшается эффективность покрытия.

Указанная цель достигается также тем, что в способе изготовления многослойного селективного поглощающего покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме первого слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СО₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10^-2 Па второго слоя в виде металлоида Ti и последующего осаждения третьего слоя, согласно изобретению, производят реактивное напыление второго слоя в виде металлоидов Ti со скоростью v₂≤30P₂, где v₂ - скорость реактивного напыления, мкм/час, а Р₂ - парциальное давление газа СO₂ или N₂, Па, после чего производят реактивное напыление третьего слоя в виде слоя силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере моносилана (SiH₄), при давлении паров моносилана в интервале (3-5)×10^-1 Па.

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

Предлагаемое покрытие состоит из металлического подслоя 1, являющегося частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, слоя 2 Ti толщиной d₁ и с показателем преломления n₁, слоя 3 TiC_xO_y или TiN_x толщиной d₂ и с показателем преломления n₂ и слоя 4 TiSi толщиной d₃=0,10-0,20 мкм и с показателем преломления n₃.

Пример 1

Многослойное селективное поглощающее покрытие наносилось на внутреннюю поверхность цилиндра из алюминиевого листа диаметром 1,4 м и длиной 2,0 м. Коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с поверхности листа до напыления составлял 0,21, коэффициент излучения листа έ=0,03. Цилиндр устанавливался в цилиндрической вакуумной камере диаметром 1,6 м и длиной 2,5 м. Распыляемый катод из Ti устанавливался в вакуумной камере вдоль ее оси. Вакуумная камера откачивалась до давления 1,3×10^-2 Па, после чего на поверхность алюминиевого цилиндра напылялся слой Ti. Затем в вакуумную камеру подавался реакционный газ СО₂ или N₂ и устанавливалось динамическое равновесие между натеканием реакционного газа и его откачкой на уровне 4×10^-2 Па. Производилось напыление при двух различных скоростях v₂. При скорости v₂≥30Р₂ наблюдалось увеличение коэффициента излучения покрытия έ, что уменьшает эффективность работы солнечного коллектора. При скорости v₂≤30Р₂ оптические характеристики покрытия имели следующие значения: коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с=0,88-0,89, коэффициент излучения έ=0,03-0,035, что обеспечивает максимально высокую эффективность работы солнечного коллектора.

После нанесения в вакууме второго слоя покрытия наносится третий внешний слой покрытия в виде пленки силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере паров моносилана - SiH₄ при давлении паров моносилана в пределах (3-5)×10^-1 Па. При давлении паров моносилана в вакуумной камере меньше чем 3×10^-1 Па образуется покрытие с коэффициентом поглощения А_c≤0,93, что недостаточно для эффективной работы солнечного коллектора. При давлении паров моносилана больше чем 5×10^-1 Па происходит отравление катода и процесс реактивного распыления титана прекращается.

Пример 2

На цилиндре с нанесенными двумя первыми слоями покрытия после нанесения третьего слоя покрытия в виде TiSi при давлении паров моносилана в пределах от 3×10^-1 Па до 5×10^-1 Па коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с увеличился от значения 0,88 до значения 0,95, при этом коэффициент излучения не изменился. При давлении паров моносилана больше чем 5×10^-1 Па начинается окисление поверхности катода и уменьшение скорости напыления TiSi. При давлении паров моносилана меньше чем 3×10^-1 Па не удается достичь требуемого значения коэффициента преломления осажденного слоя n₃=1,4-1,43, что не позволяет обеспечить требуемых коэффициентов поглощения селективного поглощающего покрытия.

Многослойное селективное покрытие для солнечных коллекторов, изготовляемое по предлагаемому способу, обладает коэффициентом поглощения в солнечном спектре А_с≥0,95 и коэффициентом собственного излучения έ≤0,04.

Применение предлагаемого покрытия и способа его изготовления позволяет создавать коллекторы солнечного излучения с повышенной эффективностью, что в свою очередь позволяет увеличить максимальную 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 элементов коллектора, при этом не используются и не выделяются токсические или загрязняющие вещества.

1. Многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора, состоящее из трех слоев, последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=λ₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC_xO_y или TiN_x толщиной d₂=λ₀/2n₂, а третий слой имеет толщину d₃=λ₀/4n₃ и показатель преломления n₃=(n₂·n₀)^1/2, где n₀ - показатель преломления воздуха, n₁ - показатель преломления Ti, n₃ - показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно, а λ₀ - длина волны максимума спектра излучения Солнца, отличающееся тем, что третий слой выполнен из силицида титана TiSi толщиной от 0,10 до 0,20 мкм.

2. Способ изготовления многослойного селективного поглощающего покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме первого слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)·10^-2 Па второго слоя в виде металлоида Ti и последующего осаждения третьего слоя, отличающийся тем, что производят реактивное напыление второго слоя в виде металлоидов Ti со скоростью v₂≤30Р₂, где v₂ - скорость реактивного напыления, мкм/ч, а Р₂ - парциальное давление газа СО₂ или N₂, Па, после чего производят реактивное напыление третьего слоя в виде слоя силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере моносилана (SiH₄), при давлении паров моносилана в интервале (3-5)·10^-1 Па.