Sistema multicapa ópticamente activo para absorción solar.

Material compuesto para el uso como absorbedor solar selectivo, que comprende una capa de soporte

(1) de aluminio, una aleación de aluminio, cobre o acero inoxidable, encontrándose en un lado (B) de la capa de soporte al menos las siguientes capas:

- una capa de reflexión (3) de un metal o una aleación de metal con una reflexión integral en el intervalo de longitud de onda entre 2,5 y 50 μm superior al 80 %,

- una capa de absorbedor (5) de un compuesto de metal del oxígeno y/o del nitrógeno y/o del carbono, subestequiométrico con respecto a la suma de los aniones, estando el metal seleccionado entre los metales del grupo IVb, cromo, así como una combinación de un metal del grupo IVb con aluminio o de cromo con aluminio, estando el aluminio presente respectivamente en una proporción de como máximo el 95 % atómico con respecto a la cantidad total de metal, encontrándose la capa de absorbedor por encima de la capa de reflexión (3),

- una capa antirreflectante (7) dieléctrica y/u oxídica con una composición estequiométrica o no estequiométrica con un índice de refracción entre 1,3 y 2,4 que se encuentra por encima de la capa de absorbedor (5),

caracterizado porque entre la capa de absorbedor (5) y la capa de reflexión (3) se encuentra una capa (4) de un nitruro, un carburo o un carbonitruro de un metal o de una mezcla de dos o varios metales del grupo IVb, Vb o VIb y entre la capa de absorbedor (5) y la capa antirreflectante (7) dieléctrica se encuentra una capa ópticamente activa (6) de un compuesto de metal con composición estequiométrica.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/066958.

Solicitante: Almeco GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Claude-Breda-Strasse 3 06406 Bernburg ALEMANIA.

Inventor/es: DASBACH,REINHARD.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION > PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN... > Utilización del calor solar, p. ej. colectores de... > F24J2/48 (caracterizados por el material absorbente)

PDF original: ES-2496745_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema multicapa ópticamente activo para absorción solar

La presente invención se refiere a un material compuesto con un soporte que en muchos casos se compone de aluminio o de una aleación de aluminio. En una primera forma de realización, el soporte está provisto, al menos en un lado, de un sistema multicapa ópticamente activo de al menos cinco capas. En una forma de realización particular, el soporte está provisto adicionalmente, en el lado posterior, de una capa ópticamente activa que influye específicamente en la reflexión del material de soporte no revestido de tal modo que la unión de tuberías de caloportador con el láser al material compuesto resulta más eficaz y económico. Además, los parámetros ópticos de esta capa ópticamente activa están seleccionados de tal manera que la misma reduce de manera insignificante la elevada reflexión del material de soporte metálico en el infrarrojo y, por tanto, mantiene bajas las pérdidas de radiación térmica al emplearse en un colector solar. Por consiguiente, se mejora la eficacia de la transferencia de calor a un medio térmico. El material compuesto es apropiado, particularmente, para el empleo en colectores solares térmicos.

En los colectores solares térmicos existe el objetivo de absorber la radiación solar incidente (3 - 25 nm) lo mejor posible y transformarla en calor. Para minimizar las pérdidas por radiación de infrarrojos, la reflexión de un material empleado allí de acuerdo con la ley de Kirchhoff de la radiación y la condición de la conservación de energía en el intervalo de longitud de onda entre 2,5 pm y 5 pm debe ser lo más elevada posible. Esto se aplica tanto al lado del absorbedor expuesto a la radiación solar como al lado posterior. Por eso, para el uso en un colector solar, también es importante emplear un material que cumpla la exigencia de una elevada reflexión en el intervalo de longitud de onda de 2,5 pm a 5 pm en ambos lados del material empleado.

Los materiales para colectores solares también se denominan absorbedores solares selectivos. Un material compuesto que presenta estas propiedades ópticas es conocido por el nombre TiNOX y se describe en el documento WO 95/17533. En el caso del material TiNOX se trata de un llamado tándem de reflector-absorbedor (véase por ejemplo "Solar Energy, "the State of the art" de Jeffrey Gordon, 21 ISES). En este caso, las propiedades ópticas descritas anteriormente se consiguen aplicando sobre una superficie muy reflectante en el intervalo de longitud de onda entre 2,5 pm y 5 pm, preferentemente, sobre un metal tal como Cu, Al, Mo, Au, Ag, Ta, Ni, Va, Fe o sus aleaciones, una capa de absorbedor que absorba la radiación solar de la forma más eficaz posible, pero que, en el intervalo de la radiación de infrarrojos, sea transparente en su mayor parte. Así se consigue la elevada reflexión en el infrarrojo mediante la superficie muy reflectante situada debajo.

En el material compuesto TiNOX se usa como superficie muy reflectante (1) preferentemente un material de soporte metálico de Cu o Al que presenta la reflexión elevada deseada en el intervalo de longitud de onda de 2,5 - 5 pm. Sin embargo, en la patente descrita anteriormente, también se indica la posibilidad de que la superficie muy reflectante puede fabricarse mediante el revestimiento de un material de soporte discrecional (no activo ópticamente) con uno de los metales anteriormente mencionados. Por consiguiente, el propio material de soporte o el revestimiento metálico muy reflectante aplicado sobre el material de soporte forma parte del sistema multicapa óptico.

La primera capa (2) aplicada sobre la superficie muy reflectante (capa de espejo), la llamada capa de absorbedor, en el caso de TiNOX se compone preferentemente de TiNxOy (con x, y = ,1 -1,7). La capa superior (3) es una llamada capa de supresión de reflejos o antirreflectante. Esta capa se compone de un óxido de metal, preferentemente de S¡2, Zr2, Hf2, Al23 o Y23. Sirve para minimizar la reflexión de la radiación solar en la superficie del material compuesto y, por consiguiente, elevar aún más la absorción de la radiación solar en el material compuesto.

En la bibliografía se describe una multiplicidad de otros absorbedores selectivos que se basan en el principio del tándem de reflector-absorbedor. A este respecto, en la mayoría de casos, la capa de absorbedor se compone de un compuesto de metal subestequiométrico o de llamados cermets, en los que las partículas de metal están distribuidas en una matriz dieléctrica. Como capa absorbente de la luz en el lado dirigido hacia el sol, hoy se propone, además del oxinitruro de titanio en un soporte de cobre, mencionado anteriormente, a menudo, óxido de cromo (CrOx con una cantidad de oxígeno subestequiométrica con respecto a Cr(lll)) o un "cermet" de partículas de cromo en óxido de cromo (III) estequiométrico, véase por ejemplo C. E. Kennedy, Review of Mid-to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials, NREL (National Renewable Energy Laboratory), Technical Report julio 22, así como la bibliografía citada en el mismo de O. A. Panchenko y col. en Probl. At. Sci. Technol. Ser.: Plasma Phys., 132, (1999) 253 y en Int Conf. Coat. Glass, High-Perform. Coat. Transparent Syst. Large-Area High-Vol. Appl., Pulker H. K. y col., Elsevier Science, Ámsterdam, 1999, pág. 287. También se ha hablado de las capas graduadas en el estado de la técnica, véase por ejemplo C. Nunes y col., Thin solid films 442 (23) 173-178. W. Graf y col. propusieron en Journal of Non-Crystalline Solids 218 (1997) 38-387 una mezcla graduada de óxido de cromo y nitruro de cromo que también se bombardeó en forma de un cermet directamente sobre una base de cobre. Esta mezcla se desarrolló porque se dice que las capas de óxido de cromo graduadas apenas son realizables. Concretamente se dice que había marcadas transiciones de estabilidad entre el cromo metálico y el óxido de cromo, de manera que incluso pequeños cambios de las condiciones de preparación provocaban la deposición de metal en lugar de óxido de metal y viceversa. Se dice que la adición de nitrógeno a la atmósfera de oxígeno podría remediarlo, porque existe un intervalo amplio de distinta estequiometría para los nitruros. Sin embargo, en esta publicación se habla entonces de

un "cermet con una pequeña parte de CrN en CrxOy" sin indicación de una graduación. Este se dice que es suficientemente resistente a la humedad y la temperatura, los factores ambientales más importantes para la durabilidad de los colectores de energía solar térmica. El procedimiento de ensayo convencional para averiguar la durabilidad de un absorbedor solar selectivo se describe en M. Kóhl, M. Heck, S. Brunold, U. Frei, B. Carlsson, K. Móller; "Advanced procedure for the assessment of the lifetime of solar absorber coatings"; Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (24) 275-289.

En el documento DE 1 26 56536B3 se describe otro material compuesto.

No obstante, las capas subestequiométricas tienen la desventaja de que, durante el funcionamiento en un colector solar, pueden calentarse hasta a 23 °C y después los átomos de metal no saturados reaccionan con el oxígeno atmosférico y, por consiguiente, las capas se vuelven más oxídicas con el tiempo (véase por ejemplo: Holloway, P. H.; Shanker, K.; Pettit, R. B.; Sowell, R. R.: "Oxidation of electrodeposited black chrome selective solar absorber films"; Thin Solid Films, Vol. 72, págs. 121-128, 198). A este respecto, la capacidad de absorción disminuye. Además, comienza un proceso de difusión de los átomos de metal de la capa de espejo a la capa de absorbedor (véase por ejemplo: Holloway, P. H.; Shanker, K.; Alexander, G. A.; de Sedas, L.: Oxidation and diffusion in black chrome selective solar absorber coatings, Thin Solid Films, Vol. 177,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Material compuesto para el uso como absorbedor solar selectivo, que comprende una capa de soporte (1) de aluminio, una aleación de aluminio, cobre o acero inoxidable, encontrándose en un lado (B) de la capa de soporte al menos las siguientes capas:

- una capa de reflexión (3) de un metal o una aleación de metal con una reflexión integral en el intervalo de longitud de onda entre 2,5 y 5 pm superior al 8 %,

- una capa de absorbedor (5) de un compuesto de metal del oxígeno y/o del nitrógeno y/o del carbono, subestequiométrico con respecto a la suma de los aniones, estando el metal seleccionado entre los metales del grupo IVb, cromo, así como una combinación de un metal del grupo IVb con aluminio o de cromo con aluminio, estando el aluminio presente respectivamente en una proporción de como máximo el 95 % atómico con respecto a la cantidad total de metal, encontrándose la capa de absorbedor por encima de la capa de reflexión (3),

- una capa antirreflectante (7) dieléctrica y/u oxídica con una composición estequiométrica o no estequiométrica con un índice de refracción entre 1,3 y 2,4 que se encuentra por encima de la capa de absorbedor (5), caracterizado porque entre la capa de absorbedor (5) y la capa de reflexión (3) se encuentra una capa (4) de un nitruro, un carburo o un carbonitruro de un metal o de una mezcla de dos o varios metales del grupo IVb, Vb o Vlb y entre la capa de absorbedor (5) y la capa antirreflectante (7) dieléctrica se encuentra una capa ópticamente activa (6) de un compuesto de metal con composición estequiométrica.

2. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque entre la capa de soporte (1) y la capa de reflexión (3) se encuentra una capa intermedia (2).

3. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque la capa de reflexión (3) se compone de un metal seleccionado entre Al, Cu, Cr, Au, Ag, Ta, Ni, Va, Pt, Fe, Ti y Mo, así como aleaciones de dos o más de estos metales, preferentemente, de Al o Cu.

4. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa (4) es un carburo de cromo, un nitruro de cromo o un carbonitruro de cromo.

5. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa (5) posee la composición CrOxCvNz o T¡rAlsNxOvCz, siendo r+s = 2, pudiendo ser s = - 1,9 y estando los índices x, y y z seleccionados de tal modo que el compuesto de metal es subestequiométrico respecto a sus aniones.

6. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa (6) es una capa metaloxídica de un metal del grupo IVb, Vb o Vlb o del aluminio.

7. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa (7) se compone de un óxido, nitruro u oxinitruro de un metal o de silicio.

8. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa (7) es la capa más exterior del mencionado lado.

9. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores en el cual la capa de soporte (1) está formada por aluminio o por una aleación de aluminio, encontrándose en un lado (A) de la capa de soporte una capa ópticamente activa (8) que reduce en al menos el 5 % la reflexión del material de soporte no revestido con una longitud de onda X específica en el intervalo de longitud de onda entre 2 nm y 1 pm, preferentemente, entre 2 y 25 nm con una irradiación con un ángulo de incidencia específico y reduce la reflexión del material de soporte no revestido en el intervalo de longitud de onda entre 2,5 pm y 5 pm no más del 2 %, preferentemente no más del 5 %.

1. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 9 en el cual el grosor de capa de la capa (8) obedece a la fórmula

4 nr

i n 2

1-----^-sen, Ct;.

V

n

s

\ X )

significando X entre 2 nm y 1 pm, siendo a¡ un ángulo entre °y 8° y siendo no y ng los índices de refracción del

aire y de la capa ópticamente activa.

11. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 9 o la reivindicación 1, en el cual X = 164 nm.

12. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 u 11, en el que a¡ es un ángulo entre 7° y 8°.

13. Material compuesto de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque la capa (8) se 5 compone de un óxido, nitruro u oxinitruro de un metal, en particular, del aluminio o silicio.