ГЛАВА 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Прозрачные электропроводящие покрытия
Прозрачные теплоотражающие покрытия, которые пропускают видимое излучение и отражают инфракрасное, находят широкое применение в преобразователях солнечного излучения. В отличие от поглощающих покрытий, которые наносят на поверхность коллектора, прозрачные теплоотражающие покрытия создают на прозрачной изоляции. Теплоотражающие покрытия являются прозрачными для солнечного излучения и отражающими для инфракрасного. Особый интерес представляют описанные Друде идеализированные электропроводящие теплоотражающие покрытия, оптические свойства которых зависят от проводимости, обусловленной свободными электронами, поскольку эти покрытия обладают высокой прозрачностью в области длин волн, меньших пороговой длины волны плазменных колебаний, и высокой отражательной способностью относительно длинноволнового излучения. Положение и крутизна порога определяются подвижностью и концентрацией свободных носителей зарядов. Такие материалы, как легированные окислы олова, окислы индия, смесь окислов индия и олова и станнат кадмия, весьма перспективны для применения в качестве прозрачных теплоотражающих покрытий в солнечных коллекторах. Эти покрытия обладают термической стабильностью до температуры 300°С, хорошей адгезией по отношению к стеклу, устойчивы при воздействии химически активных сред и легко наносятся на прозрачную изоляцию коллектора. Такое покрытие позволяет превратить обычный коллектор в весьма эффективный. Установлена возможность нанесения покрытий на большие площади. Усилия в этой области должны быть направлены на дальнейшую разработку таких перспективных материалов, как смесь окислов индия и станнат кадмия, а также на поиски новых материалов.
В последние несколько лет особый интерес проявляется к использованию прозрачных электропроводящих покрытий в качестве активных составляющих фотоэлементов поскольку с помощью таких фотоэлементов можно создавать дешевые крупномасштабные преобразователи солнечного излучения. Снижение стоимости таких элементов обусловлено способом формирования перехода и отсутствием необходимости нанесения специальных просветляющих слоев. Имеются публикации об элементах структуры ITО-Si с эффективностью преобразования энергии 13%. Поскольку технология получения этих элементов включает низкотемпературные процессы, открывается возможность использовать в будущем поликристаллический кремний. Дальнейшие разработки должны быть направлены на достижение эффективности преобразования солнечной энергии, равной 10%, в солнечных элементах структуры окисный полупроводник - изолятор - поликристаллический кремний. Для достижения высокой эффективности преобразования энергии необходимо разработать методы создания очень тонких окисных пленок стехиометрического состава.
Покрытия, получаемые методом осаждения
Для применения в низкотемпературных солнечных коллекторах (при температурах 150 - 300°С) наиболее перспективными поглощающими покрытиями являются покрытия из черного никеля состава никель - сульфид цинка и из черного хрома, представляющего собой смесь хрома и окислов хрома. В настоящее время самые высокие значения а и ε покрытий из черного никеля, нанесенных на никелевые подложки, составляют 0,95 и 0,07 соответственно. Эти покрытия стабильны до температуры 300°С в вакууме. Они также устойчивы к воздействию ультрафиолетового излучения в вакууме, но неустойчивы при облучении на воздухе. Однако эти покрытия портятся при совместном воздействии высокой температуры и влажности.
Покрытия из черного хрома обладают хорошими оптическими свойствами (а = 0,95 и ε = 0,09) и являются наиболее прочными. Такое покрытие, нанесенное на подслой никеля толщиной 12,7 мкм, имеет срок службы более 20 лет. Однако слой никеля существенно удорожает покрытие (стоимость слоя никеля составляет около половины общей стоимости покрытия). Чтобы покрытие из черного хрома было экономически эффективным, необходимо в дальнейшем найти дешевую замену никелевому слою. Кроме того, требуются длительные натурные испытания этих покрытий. Самым дешевым электрохимическим покрытием является покрытие из окисла железа на железной подложке. Оптические свойства этого покрытия: а = 0,85 и ε = 0,1. Его прочность существенно возрастает при нанесении на него органических покрытий, так что этот материал перспективен для применения при низких температурах.
Покрытия из красок
В последнее время особое внимание привлекают краски как дешевые покрытия для низкотемпературных солнечных коллекторов большой площади. Селективные краски состоят из частиц полупроводникового материала, распределенных в термически стабильном связующем, прозрачном в ИК-области спектра. Оптические свойства селективных красок определяются оптическими свойствами красителей, размерами частиц и многократным рассеянием внутри композитного материала краситель - связующее. Из исследованных красителей лучшими оптическими свойствами обладает железо-марганцево-медный окисел. Селективные покрытия на основе этого металлического окисла имеют а = 0,92 и е = 0,13 с силиконовой смолой и а = 0,90 и ε =0,10 с полиуретаном в качестве связующего. Оптические свойства селективных красок в области солнечного спектра существенно зависят от поглощательной способности красителя относительно солнечного излучения, толщины покрытия и объемной концентрации красителя. Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации этих параметров. Поскольку связующие материалы поглощают в ИК-области спектра, покрытия из красок обладают высокой степенью черноты. Необходимо улучшать оптические свойства пигментирующих и связующих веществ. Благодаря органическим связующим повышается устойчивость селективных красок к воздействию окружающей среды, но эти покрытия обладают очень низкой механической прочностью. Необходимо улучшать адгезию покрытий из красок. В настоящее время очень мало известно об устойчивости покрытий из красок к воздействию атмосферы и влажности, а также об их стойкости при термоциклировании. Чтобы выяснить возможности применения этих покрытий, необходимо проводить их длительные натурные испытания. Требуется разработка технологии их изготовления в широком масштабе. Наиболее перспективными селективными покрытиями в солнечных установках представляются краски с металлическими порошками в качестве красителей, однако необходимо улучшить их оптические свойства и проводить дальнейшие испытания на прочность, чтобы выявить их возможности.
Высокотемпературные селективные покрытия
В последние несколько лет большое внимание уделяется пленкам из композитных материалов, состоящих из очень мелких частиц металла, внедренных в изолирующие матрицы, поскольку их можно использовать как высокотемпературные селективные покрытия.
При исследовании поглощающих селективных покрытий из черного хрома методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что этот материал состоит из поликристаллов Сr2О3 и аморфного кремния. Оптические свойства покрытий ухудшаются из-за кристаллизации аморфного кремния при повышенных температурах. Ухудшение оптических свойств вызывается также окислением хрома при 350 °C на воздухе. Керметные пленки MgO-Au стабильны до температуры 400°C. При изучении структуры пленок было установлено, что как MgO, так и Au имеют форму кристаллитов с размерами менее 200 А. Керметы обладают достаточной прозрачностью относительно ИК-излучения и низкой степенью черноты, обусловленной металлической основой. Лучшие оптические свойства имеют покрытия с а = 0,9 и ε = 0,1. Композитные пленки Ni - А12О3, изготовленные методом одновременного испарения металла и диэлектрика с помощью электронно-лучевого испарителя, обладали стабильностью до температуры 500°С. Самые высокие оптические свойства получены для пленок Ni - А12О3 ( а = 0,94, ε = 0,1). В настоящее время опубликовано мало экспериментальных данных о керметных пленках, поэтому необходимо их дальнейшее изучение в эксплуатационных условиях.
Если частицы, входящие в состав композитных пленок, малы по сравнению с длиной волны излучения и расположены на достаточном расстоянии друг от друга, так что обеспечивается независимое рассеяние, то в этом случае можно воспользоваться поправкой Лорентца на локальное поле и оптическими константами массивного материала, а для объяснения экспериментальных данных применять теорию Максвелла - Гарнета. Оптические свойства керметных пленок Ni - А12О3 и W-MgO достаточно хорошо согласуются с результатами расчетов по теории Максвелла - Гарнета, а свойства пленки Au- MgO — нет. Это отклонение, возможно, вызвано влиянием взаимодействия частиц и многократного рассеяния, размеров и формы частиц и относительного объемного содержания компонентов кермета.
Магнетронное распыление
Магнетронное распыление — перспективный метод создания селективных поверхностей. Суть его в том, что параллельно поверхности катода прикладывается магнитное поле. Магнитное поле увеличивает ионизацию газа при данном давлении, в связи с чем разряд происходит при более низком давлении и, следовательно, увеличиваются скорость и эффективность нанесения покрытия. Поскольку материалы покрытия переходят в паровую фазу вследствие передачи механического импульса, а не вследствие химического или теплового процесса, этим методом можно наносить практически любые материалы. Кроме того, распыляющий разряд достаточно стабилен и хорошо регулируется. Для использования в концентрирующем коллекторе на трубчатые секции можно нанести покрытие из трех слоев: окисел - металл - окисел. Распыление особенно перспективно для создания таких покрытий, поскольку позволяет получать покрытия на достаточно больших площадях при умеренных скоростях осаждения. Необходима, однако, дальнейшая разработка этого метода с целью удешевления покрытий большой площади.
Литература
1. Гэ-Синь-Ши. Влияние селективной характеристики поглощающей поверхности на КПД гелиоустановки. - В кн.·: Теплоэнергетика /Под ред. В. А. Баума. - М.: Изд. АН СССР, 1960.
2. Кудряшова М. Д. Новые селективные покрытия для коллекторных поверхностей гелиоустановок. - Гелиотехника, 1969, № 4.
3 Крыжановский Б. П. Теплоотражающие слои на стекле, керамике и эмали. - Оптико-механическая промышленность, 1969, № 10.
4. Колтун М. М. Многослойное черное зеркало. — Журнал прикладной спектроскопии, 1970, т. 12, выл. 2.
5. Колтун М. М., Файзиев Ш. А. Новые покрытия для селективной прозрачной изоляции гелиоустановок. — Гелиотехника, 1974, № 3.
6. Лидоренко Н. С. и др. Оптимизация оптических и теплофизических характеристик покрытия для электромагниточистых солнечных батарей. Гелиотехника, 1983, № 1.
7. Колтун М. М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. — М.: Наука, 1979.
8. Газиев У. Х., Файзиев Ш. А., Ли В. В., Трухов В. С. Исследование светопоглощающих покрытий, полученных совместной конденсацией паров металла и диэлектрика. — Гелиотехника, 1980, № 1.
9. Гухман Г. А., Кудряшова М. Д., Милевская Н. Г., Эйдинова Г. Т. Селективные поверхности: оптические свойства и энергетические оценки эффективности применения в плоских солнечных коллекторах. - В сб.: Солнечные установки малой мощности (Материалы 1-го Советско-Индийского семинара по солнечной энергии). Труды ЭНИН им. Кржижановского, М., 1980.
10. Палатник Л. С., Тартаковская И. Х., Ковалева О. И. Стабильные селективные покрытия на основе низковакуумных конденсатов металлов. — В кн.: Пути использования солнечной энергии (Тезисы докладов), Черноголовка, Редакционно-издательский отдел ИХФ АН СССР, 1981.
11. Колтун М. М. и др. Селективные покрытия для теплоприемных поверхностей плоских солнечных коллекторов из сплава АД1. - Технология легких сплавов, 1982, № 1.
12. Серафин Б. О. Селективные оптические поверхности и их роль в фототермическом преобразовании солнечной энергии. - В кн.: Преобразование солнечной энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982.
13. Колтун М. М., Гаврилова И. П. Оптические характеристики селективных покрытий тепловых коллекторов солнечного излучения. - Гелиотехника, 1982, № 3.
