что такое селективная поверхность
Характеристики селективных покрытий
Эффективность селективной поверхности измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучательной (α/ε).
Селективные покрытия должны оцениваться по возможности их нанесения на определенный материал теплоприемника, по их стоимости, наличию и долговечности. Каждое селективное покрытие предназначено для нанесения на определенный материал: селективные покрытия для меди, необязательно годятся для алюминия. Стоимость является важным фактором, поскольку применение селективных покрытий либо снижает затраты на другие элементы солнечного коллектора (например, устраняет необходимость в двойном остеклении коллектора), либо значительно улучшает характеристики коллектора (а это оправдывает затраты) путем повышения рабочей температуры, получаемой от солнечного коллектора, или путем увеличения общего количества поглощаемой энергии.
Не все селективные покрытия легко доступны. Иногда эти трудности связаны с высокими транспортными расходами до завода, где наносится покрытие, и обратно до потребителя. Ограничивает их применение и сложный процесс нанесения, требующий контроля качества. Обычными методами нанесения покрытий являются гальванические, химические и пароосадительные ванны. Микроскопические слои в полмикрона должны иметь равномерную толщину. В таблице приводятся некоторые характеристики селективных поверхностей.
| 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 |
При выборе селективного покрытия ключевым фактором является долговечность. Среди разрушительных факторов следует отметить влагу, высокие температуры и солнечный свет.
При сравнении характеристик черных матовых красок и селективных покрытий выясняется следующее:
В настоящее время затраты на селективные покрытия лишь иногда вызывают увеличение общей стоимости.
Что такое селективная поверхность
Для оценки и сравнения различных селективных поверхностей коллекторов солнечной радиации удобно ввести такой параметр, как эффективность селективной поверхности, равную отношению энергии, поглощенной какой-либо селективной поверхностью и оставшейся для полезной работы, к энергии, поглощенной идеальной селективной поверхностью. Идеальная селективная поверхность — это поверхность, у которой спектральные коэффициенты поглощения а (Я) и излучения е (Я) равны единице при всех Я, где энергия падающего солнечного излучения больше энергии черного тела при данной температуре; при тех Я, где энергия сол-
печного излучения меньше энергии излучения черного тела, є (к) = 0.
Длину волны, при которой высокую поглощательную способность приемной коллекторной поверхности преобразователя солнечной энергии в тепловую энергетически наиболее выгодно изменить на низкую (если идти от малых значений к к большим), будем называть пороговой оптимальной ЯПОр.0пті Для которой справедливы соотношения: при к ^ ^пор. опт а (Я) = е (к) = 1, а при к
Дюр. опт С (к) — (X (к) = 0.
Очевидно, что все другие поверхности, у которых спектральные зависимости поглощения и излучения отличаются от этого идеального случая, будут сохранять меньше энергии для полезной работы. При изменении концентрации падающего солнечного потока или температуры поверхности положение А-пор. опт в спектре солнечного излучения изменяется и, следовательно, поверхность, являющаяся идеальной для одних условий, уже не будет таковой для других.
Таким образом, эффективность любой реальной селективной поверхности безотносительно к типу и конструкции гелиоустановки пли прибора, в которых она применяется,
Энергоэффективный дом
Селективное покрытие своими руками для солнечного коллектора
Самодельный солнечный коллектор это едва-ли не самая интересная тема в контексте энергоэффективного дома. Для изготовления солнечного коллектора не требуется высокотехнологичного производства и если разобраться в теории и не бояться практики — можно обеспечить семью горячей водой, подогретой солнцем.
Изготовление коллектора проходит в несколько этапов, один из которых — выбор и нанесение селективного покрытия на поглощающие панели (абсорберы). Отмечу, что затраты на селективное покрытие незначительно увеличивают общую стоимость проекта, но играют важную роль.
Абсорберу (поглощающей панели) нужно покрытие, которое будет эффективным теплоприемником, прозрачно для инфракрасного излучения.
На какие характеристики селективных покрытий нужно ориентироваться?
Мерилом эффективности селективного покрытия является:
Начнем с самого простого и доступного селективного покрытия: краски.
Селективная краска
Обычные черные краски не годятся, так как являются теплоизоляторами и не обладают термостойкостью. Матовая автокраска не обладает необходимой термостойкостью, хотя светопоглощение у них хорошее (в испытаниях дают 65-70°С при 70-80°С у коллектора с покрытием тонером по лаку).
Лаки, посыпанные тонером для лазерных принтеров, дают правильное покрытие с точки зрения матовой поверхности, но так же плохо проводят тепло. Смешивать лак и тех. углерод — идея еще хуже, так как получается очень толстый слой покрытия с глянцем. Нам нужно добиться толщины селективного покрытия в несколько микрон.
Подходят аэрозольные и баночные термостойкие матовые краски для мангалов, печей, каминов черного цвета. Под некоторые краски требуется нанесение специального антикоррозийного грунта, кислотного грунта.
Есть подходящие краски не в форме аэрозоля, но которые можно наносить краскопультом. Напоминаю, толщина слоя очень важна для эффективности селективного покрытия.
Нашел в продаже специализированные краски для солнечных коллекторов с заявленными 99% поглощения.
Готовая селективная пленка или металлическая лента
Селективными пленками пользуются мелкие производители коллекторов. Это термопленки для наклеивания на абсорбер или рулонная медь/алюминий с готовым селективным покрытием, нанесенным в условиях вакуума. Достать такой материал в розницу сложно.
Селективное покрытие на алюминий
Идеального тонкого покрытия графитового цвета на алюминии добиваются тем же методом, что и с оцинковкой — чернение купоросом/хлоридом натрия. Это спорный вариант самодельного селективного слоя, так как истончает металл.
Промышленные доступные абсорберы в основном алюминиевые, толщиной 0,2 мм, крашеные матовой термокраской. Учитывая это, мудрить с чернением алюминия всяким хлорным железом и анодированием не имеет смысла в масштабах самодельного солнечного коллектора. Наиболее быстро окупаемым в самоделках является именно крашеный алюминий, который уступает в теплоотдаче и только черненой меди. Но у алюминиевого абсорбера есть свои недостатки.
Селективное покрытие на медный абсорбер
Перед оксидированием медную поверхность нужно тщательно очистить кислотой (горячий уксус, лимонная кислота, сульфаминовая кислота). Шкурить перед чернением щетками по металлу или какими-либо абразивами не дает никаких преимуществ в абсорбции энергии в дальнейшем.
Очистить медь можно солью/содой по чайной ложке на 100 г. воды.
Прочную оксидную пленку можно получить температурой красного каления — 1200°С с последующим охлаждением. Делать такое оксидирование нужно до момента спайки. В домашних «каминных» условиях такое не провернуть, нужно нести медь к кузнецу.
Оксидирование меди серной мазью дает рыхлое неустойчивое селективное покрытие.
Естественная окись меди имеет поглощающую способность в четыре раза большую, чем у термостойкой краски: 75% поглощения, 33% эмиссии, что дает 42% эффективности.
Чернение меди делают также электролитическим способом, рецепты и технологический процесс есть в сети.
Жидкости для воронения (чернения) хорошо работают, но дорогие. Протравки можно делать самостоятельно, рецепты есть по этой ссылке. Хочу отдельно остановиться на паре способов. В способе с серной печенью — оксид меди в составе полученного покрытия может быть в меньшей концентрации, чем сульфид меди, а это может влиять на селективную способность покрытия, но я не химик и не уверен.
Промышленный метод оксидирования меди с помощью едкого натра опасен для здоровья, не применяйте его в гаражных условиях. Вместо NaOH+NaClO2 пользуются содой, которая в промышленных масштабах неудобна и дорога для чернения меди.
Хотя образцы, черненные NaOH показывают лучший результат (подробнее о тестах самодельных селективных покрытий на меди и алюминии здесь) чернение содой — процесс медленный, на глубокий черный цвет уходит около 2-х суток в растворе без подогрева. Концентрация раствора: 2 чайные ложки на 100 грамм воды.
Формирование оксида проходит медленно, поэтому нужный оттенок и равномерность получить гораздо проще таким методом. Раствор нужно периодически помешивать а детали переворачивать.
Солнечный свет ускоряет процесс оксидирования меди. Толщина покрытия в несколько микрон, что нам и нужно. Очень стабильное, не смывается и не сцарапывается.
Встречал советы с парами аммиака (нашатырного спирта), якобы приводят к быстрому потемнению меди в закрытой емкости. Однако это скорее патинирование, придающее меди синеву, нестойкое покрытие.
Прожиг меди газовой горелкой дает на 10-12°С меньше селективности, чем оксидирование химическими способами.
Для коллектора лучше выбрать медь. Простая пайка, долговечность работы даже при утрате селективного покрытия (с алюминием все в разы сложнее), хотя медь и получится раза в 4 дороже алюминия.
Термокраска на медь тоже наносится, но раз уж вы теперь знаете, как ее оксидировать, то браться за покраску точно не стоит.
Селективное покрытие на оцинковку
Химическое меднение (и последующее оксидирование) оцинковки можно провести в гаражных условиях с помощью пентагидрата сульфата меди (медного купороса).
Химическое чернение раствором медного купороса и натриевой соли соляной кислоты (хлорид натрия) получается не стойким. Чернить оцинковку лучше готовым промышленным чернителем, с которым можно работать без гальваники холодным способом, он создает на поверхности прочную оксидную хроматную пленку. Оксидный слой поглощает максимум излучения в пасмурный день.
Вариант нанесения на оцинковку порошковой краски для лазерных принтеров (технического углерода) не менее популярен. Пластины оцинковки прогреваются строительным феном и посыпаются тонером. Слой краски получается тонким, матовым, прочным — порошок приплавляется к металлу сам. Если пластина слишком горячая и порошок оплавился — обрабатывают мелкозернистой наждачной бумагой. В солнечную погоду такое селективное покрытие более чем эффективно.
Другие технологии селективных покрытий:
Несколько обобщающих моментов о селективных поглощающих покрытиях:
Книги по солнечным коллекторам:
Дмитрий Тенешев «Сделай сам солнечный коллектор из полимеров»
Н. В. Харченко «Индивидуальные солнечные установки»
Целый архив документации по технологии производства селективных покрытий скачивайте тут (ссылка на яндекс.диск)
Селективные пленки
В последнее время поверхности тепловоспринимающих панелей большинства солнечных коллекторов стали покрывать селективно-поглощающими пленками с целью улучшить поглощение солнечных лучей и снизить теплопотери в результате излучения. Благодаря этому достигается значительное повышение коэффициента полезного действия солнечного коллектора. Раньше обработка поверхности тепловоспринимающих пластин солнечных коллекторов состояла в окрашивании их в черный цвет, причем особенно удачным считалось покрытие предварительно полированных металлических плит слоем газовой сажи, вследствие чего коэффициент поглощения солнечного излучения возрастал до значений более 0,96.
Как известно, всякое физическое тело, имеющее собственную температуру, излучает тепло в окружающую среду, причем количество излучаемого тепла пропорционально коэффициенту излучения поверхности тела. Абсолютно черное тело имеет коэффициент излучения 1, а у черной краски коэффициент излучения близок к 1. По мере нагревания солнечной панели увеличивается количество тепла, теряемого панелью за счет теплового излучения с ее поверхности в окружающее пространство, и снижается коэффициент усвоения тепла.
Однако, если отполировать поверхность медной или алюминиевой пластины, то при той же температуре теряется лишь 1/10 часть энергии, испускаемой черным теплом, и коэффициент излучения становится равным весьма малой величине — около 0,1. Следовательно, если создать такую поверхность, которая обладала бы, подобно черному телу, коэффициентом поглощения 1 только в спектральной области солнечного излучения (0,3. 3 мкм), а само излучало бы немного, подобно отполированной металлической пластине, имеющей малый коэффициент излучения в длинноволновой области спектра с максимумом излучения при длине волны 10 мкм, то мы получили бы идеальную тепловоспринимающую поверхность, которая обладала бы нужными селективно-поглощающими свойствами. Несколько десятков лет тому назад проф. Табор в Израиле впервые создал подобную селективно-поглощающую пленку.
Для получения таких свойств на металлическую полированную поверхность с низким коэффициентом излучения наносится тонкий слой оксида меди, черного хрома или оксидов других металлов, либо покрытие из полупроводников. Коротковолновое солнечное излучение активно поглощается черной пленкой и на поверхности металлической плиты преобразуется в тепловую энергию, с другой стороны, вследствие наличия под тонкой пленкой поверхности с малым коэффициентом излучения длинноволновое излучение практически не испускается тепловоспринимающей пластиной и лишь незначительная его часть отражается от полированной поверхности.
Следует отметить, что в структуре селективной пленки обязательно должна присутствовать металлическая полированная подложка, т.к. одной лишь пленкой желаемый тепловой эффект не может быть достигнут.
В настоящее время при изготовлении селективно-поглощающих пленок для медных пластин используют черный хром и оксид меди, для алюминиевых пластин — оксид алюминия. Многие из этих материалов имеют коэффициент излучения 0,1. 0,15. Кроме того, в последнее время используются красители с селективно-поглощающими свойствами, позволяющие получить коэффициент излучения около 0,3.
Селективные поверхности.
Максимум энергии солнечного излучения, поглощаемой приёмником, соответствует длине волны ≈0,5мкм, а излучаемой ≈10мкм. Поверхность приёмника должна иметь большой монохроматический коэффициент поглощения αλ при λ ≈ 0,5мкм и низкий монохроматический коэффициент излучения ελ при λ ≈ 10мкм. Для селективной поверхности αсел >> εсел.
Рис. 5.6. Тепловые потоки для одного типа селективных поверхностей.
Слой полупроводника (сильно поглощающий коротковолновое солнечное излучение) нанесён на металлическую поверхность (слабо излучающую в длинноволновом диапазоне спектра). Для получения селективной поверхности медную пластинку погружают в щелочной раствор, при этом на её поверхности образуется плёнка окиси меди. Изготовление селективных поверхностей обходится дороже, чем окраска поверхности приёмника в чёрный цвет.
5.6. Вакуумированные приёмники
Для достижения 100 0 С и выше необходимо уменьшить конвективные потери. Одним из способов является размещение дополнительных стеклянных покрытий над плоским приёмником (рис. 5.1ж). Другим способом является вакуумирование пространства между приёмной поверхностью и стеклянной крышкой.
Рис. 5.7. Вакуумированный приёмник
1- покрытие из стекла; 2- вакуум; 3- селективное покрытие на поверхности внутренней стеклянной стенки; 4- жидкость; 5- излучение; 6- конвекция; 7- излучение.
Основным элементом вакуумированного приёмника является двойная трубка (рис.5.7). Внешняя трубка изготовлена из стекла. Оно прозрачно для солнечного излучения, но непрозрачно для теплового. Внутренняя трубка изготавливается также из стекла. Стекло (пирекс) может выдерживать и поддерживать давление менее 0,1 Па в течение 300 лет. Обычно внешний диаметр трубок 2см, внутренний 1см. Приёмник принимает направленное и диффузное солнечное излучение.
Дата добавления: 2016-02-09 ; просмотров: 1429 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ