Солнечные коллекторы превращают солнечную энергию в тепло. Они являются составной частью термических солнечных установок, применяемых для нагрева хозяйственно-питьевой воды и отопления. Самыми распространенным видом солнечного коллектора является плоский коллектор.
Наиболее эффективный способ повышения КПД плоских коллекторов солнечной энергии связан с применением селективно-поглощающих покрытий, наносимых на лучепоглощающую поверхность солнечного коллектора. Самый распространенный тип селективных покрытий – это тонкие пленки на металлической основе, поглощающие видимый свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электрохимическим способом на подложку.
На сегодняшний день в состав большого количества порошковых смесей для нанесения селективных покрытий входят оксиды. Однако в природе встречаются соединения оксидов на атомарном уровне. Целесообразно, прежде всего, использовать минеральное сырье, которое является широко распространенным и имеет низкую себестоимость. Из минерального сырья можно выделить базальт, который обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими материалами [2].
Перспективным является получение селективных покрытий на основе базальтового порошка (как в чистом виде, так и в составе композита). У базальтовых покрытий возможна широкая область использования: коррозионностойкие покрытия (инертны в кислотных и щелочных средах, морской воде, химически стойкие), жаростойкие, износостойкие покрытия и другие области использования, например, защитно-маскировочные покрытия в спектральном диапазоне инфракрасного излучения [3].
В Алтайском государственном техническом университете, в лаборатории ПНИЛ СВС- материаловедения были получены образцы с базальтовым покрытием различной толщины.
Результаты исследования и их обсуждение
Селективные покрытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора должны обладать высоким коэффициентом поглощения α коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излучательной способностью ε в инфракрасной области (длиннее 2 мкм), стабильной величиной степени селективности α/ε, способностью выдерживать кратковременный перегрев поверхности, хорошей коррозионной стойкостью, быть совместимыми с материалом основы и иметь низкую стоимость. Для идеальной селективно-поглощающей поверхности α = 1 и ε = 0.
Увеличение α влияет на эффективность солнечного коллектора (СК) в большей степени, чем аналогичное уменьшение ε. Селективные покрытия, как правило, представляют собой тонкопленочные фильтры, и при увеличении α за счет утолщения пленок одновременно возрастает ε. Самый распространенный тип селективных покрытий – это тонкие пленки на металлической основе, поглощающие видимый свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электрохимическим способом на подложку.
Для получения покрытия использовалась установка детонационного напыления «Катунь-М» (рис. 1).
Рис. 1. Установка детонационного напыления «Катунь-М»
Напыление проводилось базальтовым порошком гранулометрических составов > 63 мкм, 63–100 мкм, 100–200 мкм на плоские образцы представляющие собой стальную пластину (60х40х2 мм) стали марки Ст3.
Свойства селективных покрытий представлены в таблице [5].
Для исследования структуры покрытия был выполнен разрез поперечного сечения плоского образца на высокоскоростном автоматическом прецизионном отрезном станке MICRACUT-201 (рис. 2) и был получен микрошлиф образца с базальтовым покрытием.
Исследование образцов проводилось на микроскопе CARL ZEISS AXIO OBSERVER Z1M (рис. 2).
Рис. 2. Оборудование, на котором проводилась пробоподготовка и исследование структуры образцов с базальтовым покрытием
В процессе исследования структуры было выявлено то, что базальтовое покрытие является плотным без отслоений, что означает хорошее сцепление покрытия с основой, многослойным и без видимых пор и трещин (рис. 3).
Свойства селективных покрытий
|
Поверхность |
Поглощательная способность для солнечной энергии, α |
Излучательная способность для длинноволнового излучения поверхностей, типичных для плоских солнечных коллекторов, ε |
|
«Черный никель»; содержит окиси и сульфиды Ni и Zn на полированном Ni |
0,91…0,94 |
0,11 |
|
«Черный никель» на оцинкованном железе |
0,89 |
0,16…0,18 |
|
«Черный никель» 2 слоя поверх гальванопокрытия из Ni на мягкой стали (α и ε после 6-часового погружения в кипящую воду) |
0,94 |
0,07 |
|
CuO на Ni; медь в качестве электрода с последующим окислением |
0,81 |
0,17 |
|
Co3O4 на серебре; методом осаждения и окисления |
0,90 |
0,27 |
|
CuO на Al; методом набрызгивания разбавленного раствора Cu(NO3)2 на горячую алюминиевую пластину с последующей горячей сушкой |
0,93 |
0,11 |
|
«Черная медь» на Cu; методом обработки Cu раствором NaOH и NaClO2 |
0,89 |
0,17 |
|
«Эбанол С» наCu; промышленная обработка чернением Cu, обеспечивающая покрытия в основном на CuO |
0,90 |
0,16 |
|
CuO на анодированном Al; обработка Al горячим раствором Cu(NO3)2–KMnO4 |
0,85 |
0,11 |
|
Горячая сушка Al2O3–Mo–Al2O3Mo–Al2O3Mo–Al2O3; промежуточные слои на Mo (ε измеряется при 260 °C) |
0,91 |
0,085 |
|
Кристаллы PbS на Al |
0,89 |
0,20 |
Рис. 3. Структура базальтового покрытия нанесенного детонационно – газовым методом
Была проведена работа по исследованию поглотительной способности базальтовым покрытие инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 1,8–14 мкм в зависимости от толщины покрытия, интенсивности инфракрасного излучения и гранулометрического состава исходного порошка. Для этого был создан экспериментальный стенд (рис. 4) и использовался тепловизор FLIR серии 620 SC-Series (рис. 5).
Рис. 4. Стенд исследования поглощения инфракрасного излучения базальтовым покрытием
Рис. 5. Тепловизор FLIR серии 620 SC-Series
Стенд представляет собой металлический каркас, обшитый теплоизоляционным материалом, внутри стенда установлен штатив держатель для образцов, сверху выведен воздуховод для помещения туда объектива тепловизора, снизу на дополнительном металлическом каркасе установлена тепловая инфракрасная лампа с регулируемой мощностью излучения (максимальная мощность 500 Вт).
С помощью экспериментального стенда и тепловизора получены термограммы 12-ти образцов с разной толщиной базальтового покрытия и гранулометрического состава исходного порошка. Образцы были специально подготовлены. С одной стороны на покрытие нанесён бакелитовый лак, а с другой стороны установлен отражатель.
При съёмке термограмм тепловизором в штатив на стенде устанавливалось по 3 образца. В таблицах приведены значения собственной температуры, отражённой температуры и коэффициента поглощения инфракрасного излучения. Термограммы образцов получены с помощью экспериментального стенда и приведены на рис. 6–9.
Рис. 6. Термограмма № 1
На термограмме № 1 находится образец № 1 (рис. 6), представляющий собой металлическую пластину марки Ст3 без покрытия. Точка Sp1 расположена на участке образца с бакелитовым лаком. Коэффициент поглощения бакелитового лака известен и составляет 0,97, точка Sp2 расположена на произвольном чистом участке пластины. Коэффициент поглощения составляет 0,54 (коэффициент поглощения Ст3 известен и табличное значение его составляет 0,56).
Рис. 7. Термограмма № 2
Рис. 8. Термограмма № 3
Рис. 9. Термограмма № 4
Точка Sp6 расположена на участке с покрытием из базальта и коэффициент поглощения инфракрасного излучения составляет 0,98.
Точка Sp2 на термограмме № 2 (рис. 8), расположена на участке с покрытием и коэффициент поглощения инфракрасного излучения составляет 0,99, на термограмме № 3 (рис. 9) Точка Sp2 расположена на участке с покрытием и коэффициент поглощения составляет 0,99, на термограмме № 4 (рис. 9) находится точка Sp2 с коэффициентом поглощения инфракрасного излучения – 0,98. на термограмме № 4 в точке Sp4 коэффициент поглощения инфракрасного излучения составляет 0,98.
Выводы
По результатам исследования были определёны коэффициенты поглощения инфракрасного излучения базальтовым покрытием, нанесённым детонационно-газовым методом с различной толщиной. Он составил 0,98–0,99 и относится к 5 классу материалов обладающих свойством поглощения инфракрасного излучения. Отражение от покрытия из базальта инфракрасного излучения составляет 1–6 %.
Было обнаружено, что коэффициент поглощения зависит от толщины покрытия, а именно: чем больше толщина, тем больше коэффициент поглощения. Зависимости влияния интенсивности излучения и гранулометрического состава исходного порошка на коэффициент поглощения инфракрасного излучения не прослеживается.
Кроме этого, покрытия из базальта отличаются высокой износостойкостью, термостабильностью, хорошим потенциалом в качестве тепло и шумоизоляции, и низкой гигроскопичностью.