Способ изготовления селективной поверхностной структуры на изделиях для эффективного поглощения солнечного излучения

Способ изготовления селективной поверхностной структуры на изделиях для эффективного поглощения солнечного излучения

Реферат

 

Изобретение относится к технологии преобразования солнечной энергии в тепловую и может быть использовано при изготовлении гелиотермических преобразователей. Технический результат изобретения заключается в увеличении эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую, в повышении температурного предела преобразования, расширении круга используемых металлов и применении экологически чистой технологии. Поглощающая структура представляет собой систему близкорасположенных микровыступов высотой до 5 мкм и поперечными размерами 1 - 1,5 мкм, состоящих из еще более мелких выступов. Микровыступы создавали на поверхности металла путем нагрева и ионной бомбардировки с одновременным осаждением, например, методом катодного распыления атомов одного или двух иных металлов. В качестве металла изделия может быть выбран любой металл или сплав. Коэффициент поглощения слоя достигал до 95%. Собственное излучение снижалось до 2 - 15%. Оптические характеристики слоя практически не изменялись при углах 0 - 60^o от нормали. Поглощающий слой, выполненный описанным способом на поверхности меди, не разрушался при термоциклировании путем нагрева в вакууме от комнатной температуры до температуры 100^oС. 4 з.п.ф-лы., 2 ил.

Изобретение относится к технологии преобразования солнечной энергии в тепловую и может быть использовано при изготовлении гелиотермических преобразователей.

Известен способ изготовления селективной поглощающей пленки для теплового солнечного коллектора US N 4777936, согласно которому на поверхность изделия наносят пленку, селективно поглощающую солнечное излучение. Первый, нижний, слой пленки выполнен из никеля, непосредственно напыленного на поверхность изделия. Второй слой выполнен из кобальта, а третий слой - из оксида кобальта. Селективный коэффициент поглощения пленки составляет 0,91- 0,96, а коэффициент излучения 0,06-0,10 при температуре, меньшей 400^oC.

Для осуществления данного способа необходимы определенные специфические материалы, как для изготовления покрытия, так и для изготовления подложки, чтобы избежать отшелушивания пленки из-за разности коэффициентов теплового расширения. Это ограничивает область использования способа. Кроме того, его нельзя использовать при высоких температурах. Во-первых, будут иметь место диффузионные процессы, приводящие к смешению слоев и ухудшению их селективных оптических свойств. Во-вторых, различие коэффициентов теплового расширения у оксидного и металлического слоев пленки приведет к расслоению пленки при повышении температуры и, в результате, к потере пленкой работоспособности. Кроме того, повышение температуры вызовет разложение оксида кобальта и потерю пленкой своих селективных свойств.

Известен способ производства покрытия для селективного поглощения лучистой энергии US N 4442829, заключающийся в том, что на поверхности алюминиевого изделия создают пленку оксида алюминия. В микропоры оксидной пленки электрохимическим способом внедряют металлические частицы. Полученное покрытие обладает высоким коэффициентом поглощения лучистой энергии в видимой и близкой инфракрасной части спектра.

Однако подобное покрытие может быть создано только на алюминии и ввиду низкой температуры плавления алюминия не может использоваться при высокой температуре. Его производство осуществляется экологически небезопасными электрохимическими методами. Покрытие растрескивается при нагреве из-за большой разницы коэффициентов теплового расширения алюминия и оксида алюминия. Разрушение покрытия также будет происходить из-за расширения металлических частиц в порах покрытия при нагреве. Наконец, площадь заполненных металлом пор будет значительно меньше поверхности покрытия в целом. Это ограничит поглощающуюся часть падающего солнечного излучения и затруднит передачу тепла от нагреваемых солнцем частичек металла к изделию. Кроме того, алюминий быстро корродирует при контакте с водой, поэтому его использование в гелиоустановках для подогрева воды является нецелесообразным.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления преобразователя лучистой энергии в тепловую SU N 741811, согласно которому пластину из металла (нержавеющей стали или вольфрама) нагревают до 450-550^oC и создают рельефную поверхность путем подачи на нее водорода и шестифтористого вольфрама. В результате химического взаимодействия между ними вольфрам осаждается на пластине в виде монокристаллических выступов высотой до 5 мкм. Структура из подобных выступов эффективно поглощает и превращает в тепло падающие на поверхность солнечные лучи. Под углом 15-30^o к нормали к поверхности кристаллическая структура выглядит совершенно черной и имеет высокую поглощающую способность. Под большими углами поверхность выглядит светлой, и ее поглощение очень уменьшается.

Для различных частот преобразуемого излучения, которое должно поглощаться вольфрамовыми выступами, необходимо, согласно данному способу, изменять соотношение между высотой и толщиной выступов. Это достигалось путем травления преобразователя в растворе перекиси водорода и гидроокиси аммония.

Данный способ нельзя считать чистым в экологическом отношении, так как используются такие материалы, как шестифтористый вольфрам, а для расширения области применения способа используют методику электрохимического травления.

Кроме того, для осуществления данного способа используется нетехнологичный материал - вольфрам, который практически невозможно подвергать механической обработке и использовать в большом количестве для построения гелиотермических энергетических установок. Если же поглощающие солнечное излучение элементы гелиотермической установки изготовить из нержавеющей стали с покрытием из вольфрамовых выступов, то такие элементы будет невозможно греть солнечным излучением до высоких температур. Из-за разности коэффициентов линейного расширения вольфрамовые выступы отделятся от нержавеющей стали при нагреве, и покрытие разрушится.

Еще одним недостатком данного преобразователя, ограничивающим его эффективность, является монокристаллическая структура вольфрамовых микровыступов. Боковые грани монокристаллов размером до 5 мкм хорошо отражают свет. Вследствие этого диапазон углов падения излучения, в котором преобразователь обладает хорошими селективными свойствами, оказывается чрезвычайно узким (0-30^o).

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую, в повышении температурного предела преобразования, расширении круга используемых металлов и применении экологически чистой технологии.

Для получения данного технического результата предложенным способом изделие из металла нагревают и формируют на его поверхности поглощающую структуру, состоящую из близкорасположенных микровыступов. Такая структура создается посредством очистки поверхности ионным или электронным облучением и последующей бомбардировкой энергетическими атомными частицами поверхности изделия, содержащей атомы двух или более элементов.

Результат достигается, если поверхность бомбардируется атомами и ионами, распыленными с отдельно расположенных мишеней. Для лучшего управления процессом развития рельефа облучение поверхности распыленным потоком атомов и ионов дополняют бомбардировкой энергетичными ионами инертного газа. Для ускорения создания микровыступов в случае использования ионов инертного газа поток распыленных частиц на поверхность заменяют или дополняют потоком испаренных атомов.

Для упрощения технологии создания рельефа облучение поверхности изделия потоками распыленных и испаренных атомов можно исключить и выращивать микровыступы на поверхности соответствующего сплава путем облучения его ионами инертного газа.

На фиг. 1 представлена схема селективной поглощающей структуры, состоящей из микровыступов 1, созданных на поверхности изделия 2; на фиг. 2 - распределение атомов изделия 3 и инородных атомов 4, доставленных на поверхность в процессе обработки.

Пример реализации способа. Металлические, например медные, изделия помещались в плазму. Ионы плазмы бомбардировали поверхность изделия 1 и очищали ее от окислов и загрязнений. После очистки поверхности в течении 30 минут прогрев изделия не прекращался, и на изделие направлялся поток распыленных атомов меди и железа из отдельных источников. Время создания поглощающей структуры на поверхности составляло 2-3 ч.

Поглощающий слой представлял собой структуру, состоящую из микровыступов высотой до 5 мкм и поперечными размерами 1-3 мкм. Микровыступы имели мелкодисперсную структуру; поверхность их не была гладкой, а слагалась из еще более мелких выступов.

Коэффициент поглощения слоя достигал 90-95%. Собственное излучение снижалось до 7-15%.

Для того чтобы было проще управлять процессом роста микровыступов и формировать рельеф с оптимальными параметрами, бомбардировку поверхности изделия потоком распыленных атомов дополняли бомбардировкой ионами аргона с энергией 200-300 эВ. Поток распыленных атомов меди на поверхность изделия в этом случае можно было уменьшить или вовсе исключить.

Поглощающий слой примерно с такими же параметрами, но за время в 2-3 раза меньшее получали, если поток распыленных атомов меди заменяли потоком атомов меди, испаренных из специального источника.

При выборе в качестве материала изделия металлического сплава, например медно-никелевого сплава (Cu-Ni 20 ат.%) или медно-железного сплава (Cu-Fe 20 ат. %), поглощающий слой формировали посредством облучения нагретой и очищенной поверхности только ионами аргона.

Таким образом, независимо от вариантов изготовления во всех случаях используется экологически чистый способ обработки.

Металлы или сплавы для изготовления обрабатываемого изделия и для участия в формировании рельефа могут быть выбраны любые за исключением щелочных и щелочноземельных. Реализация способа возможна, однако сопряжена с большими техническими сложностями, если металлы и сплавы имеют низкую температуру плавления, например сплав Вуда, и высокую упругость паров при сравнительно низких температурах, например цинк.

Поглощающий слой, выполненный описанным способом, на меди не разрушался при термоциклировании путем нагрева в вакууме от комнатной температуры до температуры 700^oC. Количество циклов равнялось 1000, общая длительность испытаний - 800 ч.

Структура поверхностных микровыступов, их средние размеры и расстояния между ними легко варьируются при изменении температуры и параметров потока быстрых корпускулярных частиц, бомбардирующих поверхность изделия. Образование сильно развитого рельефа обуславливает высокую поглощательную способность. Те же выступы, образующие рельеф поверхности, благодаря своим размерам подавляют собственное инфракрасное излучение изделия, нагретого солнечными лучами. В результате большая часть лучистой энергии превращается в тепло, то есть увеличивается эффективность гелиотермического преобразователя.

Это обеспечивается благодаря тому, что поверхностные выступы имеют мелкозернистую структуру и состоят из еще более мелких выступов, эффективность преобразователя повышается также в результате того, что они поглощают падающее излучение примерно с равной эффективностью в широком диапазоне углов : 0-60^o от нормали к поверхности.

Форма микровыступов не изменяется при длительном нагреве до температур, составляющих примерно 0,7 Т_пл, где Т_пл - температура плавления наименее легкоплавкого металла, входящего в состав поверхностного слоя. Это дает возможность при соответствующем подборе компонент использовать поглощающий слой для эффективного гелиотермического преобразования во всем диапазоне температур, где длина волны собственного теплового излучения существенно отличается от длин волн видимого света.

Все вышеуказанное делает весьма перспективным применение заявляемого способа в высокотемпературных гелиотермических энергетических установках.

Формула изобретения

1. Способ изготовления селективной поверхностной структуры на изделиях для эффективного поглощения солнечного излучения, заключающийся в том, что изделие из металла нагревают и создают на его поверхности рельеф путем выращивания на ней микровыступов, отличающийся тем, что для формирования микровыступов поверхность изделия очищают ионным или электронным облучением от поверхностных окислов и соединений, а затем бомбардируют потоком энергетичных атомных частиц и обеспечивают присутствие на поверхности изделия в процессе бомбардировки атомов двух или более элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бомбардировка поверхности изделия энергетичными частицами и присутствие на поверхности в процессе бомбардировки атомов двух или более элементов обеспечивают с помощью облучения поверхности потоком энергетичных ионов и атомов, распыляемых с отдельно расположенных мишеней.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что, с целью лучшего управления ростом микровыступов и формирования рельефа с оптимальными параметрами, бомбардировку поверхности изделия потоком распыленных атомов и ионов дополняют бомбардировкой энергетичными ионами инертного газа.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для ускорения процесса создания микровыступов поток распыленных атомов и ионов на поверхность заменяют или дополняют потоком испаренных атомов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что присутствие на поверхности атомов двух или более элементов обеспечивают тем, что материалом изделия выбирают металлический сплав, а в качестве бомбардирующих энергетичных атомных частиц выбирают ионы инертного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2