2.3 Методика визначення деградаційної стійкості електрохімічних чорних селективних покриттів

Дослідження деградаційної стійкості електрохімічних чорних покриттів проводилось за допомогою нагріву зразків з покриттями до температур 100°С, 150 °С, 200°С на повітрі та витримки при цих температурах протягом двох годин. Після охолодження зразків вимірювалися їх відбиття за допомогою спектрофотометра СФ-2000, отримані дані порівнювались зі зразками, котрі не піддавались термостарінню.

Таблиця 2.1 – Режими виготовлення та відпалу зразків

№ зразка	№ досліду	Час електро обробки, с	Густина струму, мА/см^2	Температура відпалу на повітрі, t ^oC	Кут падіння світла, град	Відбиття R450-800, %
1	1.1	300	105	-	5	5,9
					20	6,6
					45	7,5
	1.2			100	5	6,3
					20	6,29
					45	5,8
	1.3			150	5	8,3
					20	7,4
					45	5,3
	1.4			200	5	7,5
					20	7,3
					45	5,3
17	17.1	120	180	-	5	41,0
					20	40,3
					45	36,0
	17.2			100	5	42,2
					20	42,23
					45	40,2
	17.3			150	5	47,99
					20	41,95
					45	28,8
	17.4			200	5	51,96
					20	52,9
					45	50,2
18	18.1	120	80	-	5	23,6
					20	17,2
					45	13,1

Продовження таблиці 2.1

№ зразка	№ досліду	Час електро обробки, с	Густина струму, мА/см^2	Температура відпалу на повітрі, t ^oC	Кут падіння світла, град	Відбиття R450-800, %
18	18.2			100	5	22,4
					20	18,9
					45	7,5
	18.3			150	5	46,3
					20	17,4
					45	9,5
	18.4			200	5	38,8
					20	19,3
					45	9,5
19	19.1	120	100	-	5	7,4
					20	7,8
					45	10,8
	19.2			100	5	6,98
					20	6,95
					45	6,9
	19.3			150	5	11,5
					20	8,3
					45	7,96
	19.4			200	5	10,7
					20	11,1
					45	7,97

3. Результати та їх обговорення

На рисунку 3.1 зображені мікрофотографії зразків поглинаючих селективних покриттів, отриманих за допомогою змінно-струмової електрохімічної обробки поверхні алюмінію, безпосередньо після їх виготовлення та після відпалів на повітрі. Нумерація зразків відповідає режимам електрохімічної обробки і відпалів, представленим в таблиці 2.1. Можна бачити, що виготовлений при низькій густині електричного струму (j = 80 мА/см² ) зразок 18 і утворений при дуже високій густині електричного струму (j = 180 мА/см² ) зразок 17 мали грубу, нерівну поверхню, причому їх мікрорельєф не зазнавав значних змін навіть після відпалів при 200 ^оС. Зазначимо, що на вигляд зразок 18 мав темно-сірий колір, а зразок 17 був світло-сірим. Мікрорельєф чорних на вигляд зразків 1 і 19, які виготовляли при густині струму близько 100 мА/см² був набагато рівнішим, і теж не змінювався внаслідок відпалів.

1.1 1.2 1.3 1.4

17.1 17.2 17.3 17.4

18.1 18.2 18.3 18.4

19.1 19.2 19.3 19.4

Рисунок 3.1 – Мікрофотографії зразків чорного селективного покриття

Представлені на рисунках 3.2 ‒ 3.5 спектри відбиття зразків селективних покриттів, виготовлені при освітленні їх поверхонь під різними кутами, показали, що одержані за умов оптимальної густини струму (j ≈ 100 мА/см² ) поверхні характеризувалися найменшим відбиттям світла. Їх відбиття при довжинах хвиль освітлення λ в інтервалі 450 - 800 нм (R_450-800, %) зазвичай було нижчим, ніж 10 %, тобто, поглинання сонячного світла такими покриттями перевищувало 90 %. У разі, якщо густина струму була меншою, або більшою, ніж оптимальна, спостерігалися високі значення відбиття, тобто покриття погано поглинали сонячне світло.

Рисунок 3.2 – Залежність відбиття від довжини хвилі для щойно виготовлених селективних покриттів

Рисунок 3.3 - Залежність відбиття від довжини хвилі для селективних покриттів, відпалених при температурі 100 ˚С

Рисунок 3.4 - Залежність відбиття від довжини хвилі для селективних покриттів, відпалених при температурі 150 ˚С

Рисунок 3.5 - Залежність відбиття від довжини хвилі для селективних покриттів, відпалених при температурі 200 ˚С

Рисунок 3.6 – Залежність коефіцієнта відбиття в залежності від температури

Як видно на рисунку 3.6, відпал на повітрі при температурах вищих за 100 ^оС призводив до зростання відбиття усіх поглинаючих покриттів. Однак, виготовлені в оптимальних умовах (j ≈ 100 мА/см² ) зразки не зазнавали значних змін оптичного відбиття і зберігали після відпалів рівень поглинання вище 90 % в широкому інтервалі кутів падіння сонячного світла.

Рисунок 3.7 – Залежність відбиття від кута освітлення

Як демонструє рис. 3.7, на відміну від зразків, виготовлених при високій або низькій густині струму, одержані в оптимальному режимі покриття 1 і 19 мали стабільно низьке відбиття, а значить стабільно високе поглинання світла незалежно від відпалів і кутів падіння променів.

ВИСНОВКИ

1. За допомогою методики зеленої хімії, а саме шляхом змінно-струмової електрохімічної обробки поверхні алюмінію в 2 %-ному водному розчині HCl за умов різних густин електричного струму одержані зразки поглинаючих покриттів.

2. За мікрофотографіями поверхні і спектрами оптичного відбиття визначено, що оптимальною для утворення покриттів з коефіцієнтом поглинання сонячного світла більше 90 % є густина електричного струму j ≈ 100 мА/см².

3. Показано, що поглинання сонячного світла оптимізованими зразками не залежить від кутів освітлення в інтервалі 5 ‒ 45 ^о, що дозволяє використовувати одержані за розробленою нами методикою селективні покриття в колекторах без зміни їх положення протягом усього світлового дня і в усі пори року.

4. Повітряні відпали при температурах до 200 ^оС включно не призводять до деградації морфології і оптичних властивостей оптимізованих покриттів, що підтверджує їх придатність для використання у якості селективних покриттів плоских сонячних колекторів.

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1. Kennedy C.E. Review of Mid- to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials. National Renewable Energy Laboratory. - July 2002

2. Види сонячних колекторів //http://energyfree.su/index.php/ solnenergy/ teplovye-kollektory/ 47-vidy-solnechnykh-kollektorov, 05.10.13

3. Сонячний колектор //http:// ru.wikipedia.org/wiki/%D1% EE%EB%ED%E5%F7% ED%FB%E9 _%EA%EE%EB%EB %E5%EA%F2%E E%F 0, 05.10.13

4. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Введ. - 2001—01—01

5. D. A. Williams, T. A. Lappin, and J. A. Duffie, “Selective radiation properties of particulate coatings,” J. Eng. Power, 85A, 213 (1963).

6. T. J. McMahon and D. L. Stierwalt, “Cost-effective PbS-Al selective solar-absorbing panel,” SPIE, 68, 169 (1975); T. J. McMahon and A. K. Green, U.S. Patent No. 4,029,853, 14 June 1977.

7. S. N. Patel, O. T. Inal, A. J. Singh, and A. Schrer, “Optimization and thermal degradation study of black nickel solar collector coatings,” Solar Energy Mater., 11, 381 (1985).

8. P. Richharia and K. L. Chopra, “Stability investigations of a chemically converted textured black copper selective surface,” Solar Energy Mater., 19, 365 (1989).

9. P. Richharia, “Textured black copper solar selective absorber coatings,” Renewable Energy: Technology and the Environment, V2 Solar Thermal Technology, A. A. M. Sayigh, ed., (Pergamon Press, Oxford, UK, 1992), p. 1035.

10. A. Muehlratzer, G. P. Goerler, E. Erben, and H. Zeilinger, “Selection of a black chrome bath for continuous tube-plating and the properties of the coating deposited from it,” Solar Energy, 63, 125 (2000).

11. A. Muehlratzer, G. P. Goerler, E. Erben, and H. Zeilinger, “Selection of a black chrome bath for continuous tube-plating and the properties of the coating deposited from it,” Solar Energy, 63, 125 (2000).

12. T. Tesfamichael and E. Wäckelgård, “Angular solar absorptance and incident angle modifier of selective absorbers for solar thermal collectors,” Solar Energy Mater., 51, 171 (1998).

13. B. Orel, Z. C. Orel, R. Jerman, and I. Radoczy, “Coil-coating paints for solar collector panels —II. FTIR spectroscopic investigations,” Solar & Wind Tecnol., 7, 6, 713 (1990).

14. B. Orel, Z. C. Orel, R. Jerman, and I. Radoczy, “Coil-coating paints for solar collector panels —II. FTIR spectroscopic investigations,” Solar & Wind Tecnol., 7, 6, 713 (1990).

15. D. M. Mattox and R. R. Sowell, “High absorptivity solar absorbing coatings,” J. Vac. Sci. Technol., 11, 4, 793 (1974).

16. R. B. Pettit and R. R. Sowell, “Solar absorptance and emittance properties of several solar coatings,” J. Vac. Sci. Technol., 13, 2, 596 (1976).

17. Y. Cao, J. Tian, and X. Hu, “Ni-Cr selective surface based on polyamide substrate,” Thin Solid Films, 365, 49 (2000).

18. A. Schüler, J. Geng, P. Oelhafen, S. Brunold, P. Gantenbein, and U. Frei, “Application of titanium containing hydrogenated carbon films (a-C:H/Ti) as optical selective solar absorber coatings,” Solar Energy Mater. & Solar Cells, 60, 295 (2000).

19. H. S. Gurev and B. O. Seraphin, "Progress in chemical vapor deposition of thin silicon films for solar energy conversion," Proc 5^th Intl. Conf. CVD, J. M. Blocher Jr., H. E. Hinterman, and L. H. Hall, eds., (The Electrochemical Soc. Inc, Buckinghamshire, England, 1975) p. 667.; B. O. Seraphin, "Chemical vapor deposition of thin semiconductor films for solar energy conversion," Thin Solid Films, 39, 87 (1976).

20. A. E. B. Presland, G. L. Price, and D. L. Trimm, “Hillock formation by surface diffusion on thin silver films,” Surf. Sci., 29, 424, (1972); A. E. B. Presland, G. L. Price, and D. L. Trimm “The role of microstructure and surface energy in hole growth and island formation in thin silver films,” Surf. Sci., 29, 435 (1972).

21. M. Okuyama, K. Saji, T. Adachi, H. Okamoto, and Y. Hamakawa, “Selective absorber using glow-discharge for amorphous silicon for solar photothermal conversion,” Solar Energy Mat., 3, 405 (1980).

22. O. A. Panchenko, A. A. Goncharov, and B. V. Stetsenko, “The spectral selective absorber layers created by the DC reactive magnetron sputtering,” Probl. At. Sci. Technol., Ser.: Plasma Phys., 132, 16, 253 (1999).

23. O. A. Panchenko, A. A. Goncharov, and B. V. Stetsenko, “Selective absorber systems based on Sn, Cr oxides, and Al nitride,” Int. Conf. Coat. Glass, High-Perform. Coat. Transparent Syst. Large-Area High-Vol. Appl., Pulker, H. K., Schmidt, H., Aegerter. M. A., (Elsevier Science, Amsterdam, 1999) p. 287.

24. Md. Kamrul and A. Khan, “Copper oxide coatings for use in a linear solar Fresnel reflective concentrating collector,” Renewable Energy, 17, 603 (1999).

25. R. J. Farrauto, J. C. Williams, and H. Myers, U.S. Patent 4,321,300, 23 March 1982.

26. K. Aykan, R. J. Farrauto, C. F. Jefferson, and R. D. Lanam, U.S. Patent 4,416,916, 22 November 1983.

27. C. F. Jefferson, U. S. Patent 4,437,455, 20 March 1984.

28. P. M. Martin, J. W. Johnston, and W. D. Bennet, “Multilayer coatings and optical materials for tuned infrared emittance and thermal coating,” Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 555, 3 (1999).

29. 135.E. Randich and R. B. Pettit, “Solar selective properties and high temperature stability of CVD ZrB₂,” Solar Energy Mater., 5, 425 (1981).

30. A. Berghaus, A. Djahanbakhsh, and L. K. Thomas, “Characterization of CVD-tungsten-alumina cermets for high-temperature selective absorbers,” Solar Energy Mater. & Solar Cells, 54, 19 (1998).

31. P. R. C. Goard, “Application of hemispherical surface pyrometers to the measurement of the emissivity of platinum (a low-emissivity material),” J. Sci. Instrum., 43, 256 (1966).

32. P. Kokoropoulus, E. Salam, and F. Daniels, “Selective radiation coatings: Preparation and high temperature stability,” Solar Energy, 3, 4, 19 (1959).

33. G. B. Smith, P. D. Swift, and A. Bendavid, “TiN_x films with metallic behavior at high Ni/Ti ratios for better solar control windows,” App. Phys. Lett., 75, 5, 630 (1999).

34. A. H. Muenker and A. R. Young II, U.S. Patent No. 4,211,210, 8 July 1980; A. H. Muenker and A. R. Young II, U.S. Patent No. 4,268,319, 19 May 1981.