Economical Coating Material and Method for Vacuum Tube Solar Collectors

Abstract

In vacuum tube solar collectors aluminum and aluminum nitride coating is conducted via DC magnetron sputtering. This coating absorbs 96% of the incoming solar energy and since there is vacuum between outer and inner glass tubes, almost all of the heat is transferred into the inner tube. The characteristics of the coating material is to reflect very few amount of incoming waves and to possess high thermal conductivity. In this study, several alternative coating materials and coating techniques such as dip coating and spray coating. The results showed that graphite coating via dip coating method could reach 67% of the commercial aluminum nitride coated vaccum tube systems. By increasing the surface adhesion of the graphite with dip coating showed that the results of this study may replace currently used DC magnetron sputtering technique and eliminate expensive equipments to take place in new generation vacuum tube solar collectors.

Keywords

• graphite
• vacum tube solar collector
• coating method

Project Number

2150428

Vakum Tüplü Solar Kolektörler için Ekonomik Kaplama Malzemesi ve Kaplama Metodu

Abstract

Vakum tüplü güneş enerjisi sistemlerinde DC magnetron saçılımı metodu ile cam tüp üzerine aluminyum ve aluminyum nitrür kaplaması yapılmaktadır. Bu kaplama, gelen güneş ışınının %96 civarını soğurmakta (%4 civarını yansıtmaktadır) ve dıştaki cam tüp ile arasında vakum olduğu için ısının tamamına yakınının iç cam tüpün içerisine iletmektedir. Bu kaplama malzemesinin özelliği, hem gelen güneş ışığının çok azını geri yansıtması, hem de ısı iletkenlik değerinin yüksek olmasıdır. Bu çalışmada kaplama malzemesine ve magnetron saçılımı kaplama metoduna alternatif olarak, çeşitli kaplama malzemeleri ile, püskürtme ve daldırma-kaplama metodları ile çalışılmıştır. Yapılan çalışmalar, daldırma-kaplama metodu ile yapılan grafit kaplamanın, ticari aluminyum nitrür kaplamalı vakum tüplü sistemlerin veriminin %67'si kadar verime ulaştığını göstermiştir. Bu kaplamanın yüzey tutunma özelliğinin arttırılarak, pahalı ekipmanlarla uygulanan DC magnetron saçılımı metodu olmadan, yeni nesil vakum tüplü solar kollektörler üretilebileceği gösterilmiştir.

Keywords

• grafit
• vakum tüplü solar kollektör
• kaplama metodu

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

2150428

Thanks

Bu çalışma, ********* tarafından ******* numaralı *********** programı desteği ile fonlanmıştır.

References

1. [1] Y. Shi, X. Yang, Selective absorbing surface for evacuated solar collector tubes, Renew. Energy. 16 (1999) 632–634. doi:https://doi.org/10.1016/S0960-1481(98)00240-7.
2. [2] Y. Zhiqiang, G.L. Harding, Optical properties of d.c. reactively sputtered thin films, Thin Solid Films. 120 (1984) 81–108. doi:https://doi.org/10.1016/0040-6090(84)90364-X.
3. [3] G.L. Harding, Y. Zhiqiang, S. Craig, S.P. Chow, Sputtered solar selective absorbing surfaces based on aluminum and stainless steel composites, Sol. Energy Mater. 10 (1984) 187–207. doi:https://doi.org/10.1016/0165-1633(84)90060-1.
4. [4] S. Hou, Z. Xue, Y. Shi, Z. Yin, Improvements in vacuum collector tubes with graded AI-N/AI absorbing surfaces, in: Proc.SPIE, 1992. doi:10.1117/12.130490.
5. [5] Q.-C. Zhang, Recent progress in high-temperature solar selective coatings, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 62 (2000) 63–74. doi:https://doi.org/10.1016/S0927-0248(99)00136-1.
6. [6] N. Selvakumar, H.C. Barshilia, Review of physical vapor deposited (PVD) spectrally selective coatings for mid- and high-temperature solar thermal applications, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 98 (2012) 1–23. doi:https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.10.028.
7. [7] Q.-C. Zhang, Direct current magnetron sputtered W–AlN cermet solar absorber films, J. Vac. Sci. Technol. A. 15 (1997) 2842–2846. doi:10.1116/1.580837.
8. [8] Q.-C. Zhang, Metal-AlN cermet solar selective coatings deposited by direct current magnetron sputtering technology, J. Phys. D. Appl. Phys. 31 (1998) 355–362. doi:10.1088/0022-3727/31/4/003.

9. [9] Q.-C. Zhang, Stainless-steel–AlN cermet selective surfaces deposited by direct current magnetron sputtering technology, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 52 (1998) 95–106. doi:https://doi.org/10.1016/S0927-0248(97)00274-2.
10. [10] D.D.L. Chung, Materials for thermal conduction, Appl. Therm. Eng. 21 (2001) 1593–1605. doi:https://doi.org/10.1016/S1359-4311(01)00042-4.
11. [11] K.C. Yung, H. Liem, Enhanced thermal conductivity of boron nitride epoxy-matrix composite through multi-modal particle size mixing, J. Appl. Polym. Sci. 106 (2007) 3587–3591. doi:10.1002/app.27027.
12. [12] G. Fugallo, A. Cepellotti, L. Paulatto, M. Lazzeri, N. Marzari, F. Mauri, Thermal Conductivity of Graphene and Graphite: Collective Excitations and Mean Free Paths, Nano Lett. 14 (2014) 6109–6114. doi:10.1021/nl502059f.
13. [13] T.Q.P. Vuong, G. Cassabois, P. Valvin, E. Rousseau, A. Summerfield, C.J. Mellor, Y. Cho, T.S. Cheng, J.D. Albar, L. Eaves, C.T. Foxon, P.H. Beton, S. V Novikov, B. Gil, Deep ultraviolet emission in hexagonal boron nitride grown by high-temperature molecular beam epitaxy, 2D Mater. 4 (2017) 21023. doi:10.1088/2053-1583/aa604a.