Investigation of a Film-ceramic Composite in a Solar Cell

Full Text

Введение Материалы, синтезированные под воздействием концентрированного солнечного излучения, обладают уникальными свойствами [29; 30], в корне отличающимися от свойств материалов, полученных по традиционной технологии. Под действием мощного потока фотонов с широким набором энергий, при взаимодействии с веществом реализуются все возможные метастабильные состояния, проходят все термо- и фотохимические реакции, допустимые в этом диапазоне энергий. Использование таких материалов позволило выйти на принципиально новый уровень во многих сферах и отраслях [22]. В данной статье приводятся сравнительные данные по исследованию процесса сушки биологических объектов (винограда) под воздействием солнечного излучения при использовании полиэтиленовой пленки и полиэтилен-керамического композита. Предварительные результаты исследований были приведены в [31]. Целью данной работы является создание системы, позволяющей проводить качественную и эффективную сушку продуктов, в частности винограда, за счет солнечной энергии при минимальных энергетических и временных затратах. В работах [6; 12] приводилась информация о функциональной керамике, позволяющей преобразовать энергию первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами. Также было показано, что применение функциональной керамики позволяет преобразовать один квант света высокой энергии в несколько квантов энергии в более низком энергетическом диапазоне, в частности, в спектре поглощения воды [1]. О возможных механизмах преобразования энергии первичного источника энергии в импульсное с заданными параметрами сообщалось в [11-13; 19]. Особенности работы функциональной керамики в процессах сушки При мощности солнечного излучения Р глубина проникновения, когда оно ослабляется до определенной величины за счет поглощения продуктом, составляет d. Если подается импульсное излучение с плотностью энергии в X раз большей относительно средней величины, то для получения той же плотности энергии внутри продукта и при том же коэффициенте оптического поглощения, глубина проникновения излучения увеличится, примерно, во столько же раз. Для того, чтобы сохранить среднюю плотность энергии и предотвратить перегрев продукта, необходимо, соответственно, Х длительностей импульса не подавать энергии. Также при импульсной подаче энергии, можно существенно увеличить среднюю мощность, так как энергия распределяется уже не только по поверхности, но и в объеме высушиваемого продукта [2; 7]. Благодаря этому, существенно возрастает диффузия растворителя из внутренних слоев, что приводит к захвату растворителем излишней энергии, результатом чего является охлаждение высушиваемого продукта [28]. С учетом всего сказанного была разработана керамика на основе оксидов металлов, преобразующая непрерывное излучение первичного источника в импульсное излучение инфракрасного диапазона [11-13; 19; 24]. Одной из главных, особенно в процессе сушки, является проблема отвода пара, образующегося при испарении воды. Пар задерживается в рабочем объеме, поглощает большую часть энергии, предназначенной для сушки продукта. Это приводит к перегреву продукта, что не только снижает эффективность использования энергии, но и резко ухудшает качество целевого продукта, так как продукт начинает нагреваться под воздействие перегретого пара. Он становится темным, неоднородно-высушенным. Для устранения этого процесса были разработаны системы отвода пара [9]. В настоящей работе, конструкция сушилки выполнена в виде эжектора, что позволяет эффективно выводить образующийся в процессе пар (рис. 4). Также сообщалось о механизме стерилизации при использовании функциональной керамики функциональной импульсной керамики [20; 23]. Экспериментальная часть Расчет составов и синтез керамики проводили по методике, описанной в [22]. Синтез функциональной керамики на основе оксидов хрома, меди, кальция, магния, алюминия и РЗЭ осуществлялся по следующей схеме. Необходимые компоненты тщательно перемешивались в планетарных мельницах в водно-спиртовой среде, затем сушились и выдерживались при температуре 800 °С. Образцы плавились в солнечной печи. Полученный материал, являющейся основой керамико-полимерного композита, вновь измельчался в планетарных мельницах в водной среде до 1-3 мкм. После этого, образцы помещались в специальную сушильную камеру с излучателями на основе функциональной керамики до полного высыхания. Полученный мелкодисперсный порошок добавлялся в муллит в соотношении 4 : 96 масс. %. Выбран именно муллит, так как он прозрачен в ИК-области до 25 мкм, а собственное излучение функциональной керамики находится в диапазоне 16 мкм. Таким образом, получалось сырье для производства нижнего слоя трехслойного керамико-полимерного композита для гелиосушки, содержащее 4 масс. % функциональной керамики, генерирующей ИК-импульсы и 96 масс. % муллита. Как было показано в [24; 20], это наилучшее соотношение для сушки сельскохозяйственной продукции. Многослойные полимерные пленки изготавливали на АО «Джиззакпластмасса» методом соэкструзии расплавов различных полимеров через кольцевую или плоскую многоканальную головку (число каналов определяется числом слоев); в формующей головке потоки расплавов соединяются, не перемешиваясь, в результате на выходе из нее получается многослойная полимерная пленка [25; 26]. Промышленная технология производства трехслойной композитной полиэтиленовой пленки включала три этапа. 1. Процесс подготовки многокомпонентной функциональной керамики в виде порошка с размерами зерен 1-3 мкм. 2. Процесс изготовления первичного сырья в виде композитных крошек с помощью специальной установки - гранулятора. 3. Производство готовой продукции трехслойной композитной полиэтиленовой пленки в рулонах с помощью специальной трехшнековой установки. На втором этапе промышленной технологии проводилась подготовка пленочно-керамических композитных гранул. Для этого изготовленный порошок функциональной керамики со средним размером зерна 1-3 мкм, вводили сначала в количестве 5,0-10,0 масс. % в расплав полиэтилена при температуре ~100 °С. Полученная композитная суспензия тщательно перемешивалась для равномерного распределения керамических частиц, а затем пропускалась через гранулятор. В результате были получены композитные крошки (гранулы) радиусом 1 мм, длиной 4 мм. Для однородного распределения керамики в полиэтиленовой матрице операцию гранулирования повторяли несколько раз, растворяя вновь композитные крошки с добавленной чистой полиэтиленовой крошки новой порции до достижения необходимого состава в массовых долях относительно оптимального содержания керамики. В результате были получены пленочно-керамические композитные гранулы с содержанием функциональной керамики 0,5 масс. %. В дальнейшем из этих гранул были получены опытные образцы трехслойного пленочно-керамического композита. Установлено, что для получения пленок с микровключениями функциональной керамики, на основе полиэтилена высокого давления с минимальной пористостью, необходимо обеспечить температуру формования 110 °C. При этом общая толщина композитной пленки - 100 мкм, а плотность составляла 990 ± 10 кг/м3. Изготовленная таким образом композитная полиэтиленовая пленка с керамическими микровключениями состоит из трех слоев, каждый из которых с толщиной по 30 мкм и каскадным путем преобразует солнечное излучение. Первый слой - полиэтиленовая пленка с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон солнечного излучения в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно продлевает срок ее службы. Второй слой - полиэтиленовая пленка без добавок, является упрочняющим, а также снижает обратное излучение преобразованного третьим слоем импульсного ИК-излучения. Третий слой - содержит функциональную керамику, которая поглощает солнечную энергию в широком диапазоне и преобразует его в импульсное излучение с максимумами в дальнем ИК-диапазоне - 9,7-10,0 мкм для обеспечения режима оптимальной сушки. При этом, функциональная керамика позволяет создать из одного высокоэнергетического фотона УФ и видимой области, 10-20 фотонов, с энергией соответствующей температуре 17-26 °С. Импульсное излучение, генерируемое таким пленочно-керамическим композитом, позволяет осуществлять диффузию воды из глубинных слоев продукта, в связи с чем повышается эффективность процесса и качество получаемой конечной продукции [2]. Результаты и обсуждение Для проведения сравнительных испытаний процесса сушки при использовании обычной полиэтиленовой пленки и пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтилена, была изготовлена конструкция сушилки, которая представлена на рис. 4 и 5. Оба типа пленок были трехслойными и в верхнем слое содержали стандартные добавки для защиты от УФ-деструкции. Характерной особенностью данной конструкции является возможность попадания солнечного света со всех сторон. Форма сушилки выполнена в виде эжектора для эффективного отвода пара, который выделяется из продуктов в процессе сушки [9]. Верхняя часть выполнена в виде козырька для защиты от возможных осадков. Кроме того, в [20] показано, что, высокая эффективность таких устройств определяется, в первую очередь, генерацией импульсов самой керамикой, что позволяет ускорить самую медленную стадию сушки - диффузию воды из глубинных слоев. В отличие от композитной пленки, нагреватель излучателя установки, выполненной по [20], имеет температуру 400-600 °С. Температура композитной пленки, измеренная пирометром VOLTCRAFTZ IR900-30s составляет 25-50 °С. В качестве объектов выбран виноград, который отличается сложностью обезвоживания из-за плотной оболочки ягод. Отличие скоростей сушки с применением обычного полиэтилена и полиэтилен-керамического композита будет указывать на генерацию импульсного излучения, внедренной в композит функциональной керамикой. В табл. 1 приводятся данные по сушке винограда без бланшировки, на сушильных установках с использованием полиэтиленовой пленки и пленочно-керамического композита. Как следует из приведенных данных, скорость сушки под композитной пленкой не только существенно опережает скорость сушки для варианта с использованием полиэтиленовой пленки, но минимальное значение конечной доли обезвоженного продукта составляет 21,47% для композита и 23,87% для полиэтилена. Другими словами, удается получить более полное извлечение влаги из винограда, что повышает его сохранность и снижает потери активных веществ при хранении. В тоже время, товарное содержание влаги в высушенном винограде в 12% для композитной пленки достигается на пятнадцатые сутки процесса, а для полиэтиленовой пленки на двадцать первые сутки. Таким образом, пленочно-керамический композит при прочих равных условиях, позволяет достигнуть товарной степени сушки винограда почти в 1,5 раз быстрее. Для объективной и быстрой оценки устойчивости пленок к фотодеструкции, испытания проводили в горах на высоте 1100 метров над уровнем моря, где уровень УФ значительно превышает его значение в долине. В результате проведенных экспериментов было показано, что обычная полиэтиленовая пленка без функциональной керамики полностью деструктировала примерно за 2 месяца. В то же время, пленочно-керамический композит абсолютно не изменился в течение года эксплуатации (рис. 6, 7). Рис. 6. Обычная пленка уже 6-й раз разрушилась в течение года. Композитная пленка сохранилась неизменной Fig. 6. Ordinary film has already collapsed for the 6th time. Composite remained unchanged. Рис. 7. Здесь можно увидеть, что пленка не порвалась а разрушилась Fig. 7. Here you can see that the film is not torn but collapsed Долговечность пленочно-керамического композита и устойчивость к световому излучению определяется способностью функциональной керамики преобразовывать ультрафиолетовое излучение в инфракрасное излучения дальней ИК области. Такое излучение не способно разрушить полиэтиленовую пленку. Выводы 1. Пленочно-керамический композит на основе полиэтилена и функциональной керамики, позволяет осуществлять более глубокую и быструю сушку продуктов по сравнению с обычной полиэтиленовой пленкой. Пленочно-керамический композит при прочих равных условиях, позволяет достигнуть товарной степени сушки винограда почти в 1,5 раза быстрее. 2. При сушке винограда более быстрая скорость сушки определяется, скорее всего, более глубоким проникновением импульсного излучения, генерируемого функциональной керамикой. 3. Внедрение функциональной керамики в полиэтилен, позволяет снизить деструкцию не менее чем в 6-10 раз. Обычная полиэтиленовая пленка без функциональной керамики полностью деструктировала примерно за 2 месяца. В тоже время, пленочно-керамический композит после года эксплуатации абсолютно не изменился.

About the authors

Rustam Kh. Rakhimov

Institute of Materials Science of the SPA “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: rustam-shsul@yandex.com
Dr. Sci. (Eng.); Head at the Laboratory No. 1 Tashkent, Republic of Uzbekistan

Dilmurod N. Mukhtorov

Fergana Polytechnic Institute

Email: dimajone0909@gmail.com
assistant at the Department of Electrical Engineering, Electrical Mechanics and Electrical Technology Fergana, Republic of Uzbekistan

References

Supplementary files