Nanoprevlake - dizajniranje slojeva za solarne kolektore

Apstrakt

Danas je solarna energija je jedan od najčešće korišćenih izvora obnovljive energije u različitim primenama. Direktna metoda kontrolisanja solarne energije, podrazumeva metodu njene konverzije u toplotnu energiju pomoću solarnih apsorbera. Solarni termalni kolektori, uglavnom se koriste za zagrevanje vode i za grejanje prostorija. Zarobljeno solarno zračenje, pri tome se pretvara u korisnu toplotnu energiju, kroz konverziju solarne energije u toplotnu energiju fluida. Takav proces mora biti ekonomičan, i uz što manji gubitak energije. Jedna od najvažnijih komponenti solarnog kolektora je toplotni solarni apsorber. Da bi bio efikasan, apsorber treba pokazivati selektivnost u odnosu na talasnu dužinu, odnosno treba da poseduje maksimalnu solarnu absorbtivnost, minimalnu solarnu refleksiju i toplotnu infracrvenu emisivnost. Visoka solarna absorbtivnost je neophodna da bi se prikupio što veći deo upadnog sunčevog zračenja,dok niska toplotna infracrvena emisivnost doprinosi da se minimizira gubitke energije zračenjem. Obično, lagani materijali poput, bakra ili aluminijuma, koji imaju visoku termičku provodljivost, koriste se za prenos apsorbovane energiju sa površine do medija (tečnosti) koji se pri tome zagreva. Za visoki koeficijent efikasnosti solarnih termalnih kolektora, najvažniji faktori su: 1) spektralno selektivna prevlaka, koja je sastavljena od ostrvca metala utisnutih u trodimenzionalnu matricu dielektrikuma sa solarnim absorbancom od α > 0.95 i emisivnošću od ε <= 0.05. Obično, takve su prevlake na bazi TiNxOy dobijene fizičkom depozicijom iz gasne faze (PVD proces), kombinacijom magnetronskog rasprašivanja i depozicije katodnim lučnim raspršivanjem i poboljšanim konstrukcionim rešenjima solarnog toplotnog prenosa sa površine apsorbera do medijuma, koristeći pri tome različite dizajne apsorbera. U tom kontekstu, solarne selektivne prevlake su veoma važan deo površine apsorbera. One imaju prednosti u odnosu na prevlake dobijene galvanizacijom ili raspršivanjem, koje se tradicionalno koriste u solarnim aplikacijama. Njihov pravilan dizajn i optimizacija slojeva omogućava dobijanje višeslojnih prevlaka, strogo kontrolisane debljine u svakom sloju, što je posebno važno. Naime, transformacija solarne iradijanse za zagrevanje i prenos toplote iz prevlake na podlogu materijala kao što su: Cu, Al, nerđajući čelik, staklo ili polimeri je veoma važan i razlikuje se od podloge do podloge. Obično, ovakve prevlake poseduju debljinu od svega nekoliko stotina nanometara, pri čemu svaki sloj ima specifičnu funkcionalne ulogu u samoj prevlaci. Generalno sastav prevlake čine: zaštitni sloj, antirefleksivni sloj, nekoliko slojeva absorbera, najčešće na bazi kermeta, difuzioni sloj i infra crveni refleksivni sloj. Glavni fokus u ovom radu je na optičkim osobinama nanoprevlaka dobijenih primenom PVD postupka, koji omugaćava dobijanje visoko selektivnih prevlaka sa maksimalnom absorbancijom, minimalnom emisivnosti i visokom efikasnosti solarnih termalnih kolektora, čiji je ključni funkcionalni element apsorber obložen sa selektivnim prevlakama.