PROCESO PARA FABRICAR UN RECUBRIMIENTO ABSORBENTE BASADO EN SOL-GEL PARA LA ENERGIA SOLAR TERMOELECTRICA.
Un proceso de fabricación de un revestimiento solar absorbente con las siguientes fases:
revestimiento de un sustrato con una solución de titanio precursora para producir un revestimiento de dióxido de titanio mediante la técnica sol-gel y tratamiento térmico del substrato revestido para la pirólisis y la cristalización del revestimiento,
caracterizado por el hecho de que
anteriormente al revestimiento se añaden a la solución de titanio precursora los iones de plata en tal cantidad que el revestimiento tratado térmicamente muestra una parte de masa de plata de entre un 10% y un 80% y que la pirólisis y la cristalización del revestimiento se realizan exponiendo el revestimiento a la luz visible
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W07001090DE.
Solicitante: ZYRUS BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH & CO. PATENTE I KG.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: BERLINER STRASSE 1,12529 SCHONEFELD / OT WALTERSD.
Inventor/es: ES-SOUNI,MOHAMMED.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 16 de Septiembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- C03C17/00D2
- C23C18/12C2D
- C23C18/12E
- C23C18/12G4
- C23C18/12J10
- C23C18/12J2
- C23C18/14 QUIMICA; METALURGIA. › C23 REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO QUIMICO DE LA SUPERFICIE; TRATAMIENTO DE DIFUSION DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL; MEDIOS PARA IMPEDIR LA CORROSION DE MATERIALES METALICOS, LAS INCRUSTACIONES, EN GENERAL. › C23C REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO DE MATERIALES METALICOS POR DIFUSION EN LA SUPERFICIE, POR CONVERSION QUIMICA O SUSTITUCION; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL (fabricación de productos revestidos de metal por extrusión B21C 23/22; revestimiento metálico por unión de objetos con capas preexistentes, ver las clases apropiadas, p. ej. B21D 39/00, B23K; metalización del vidrio C03C; metalización de piedras artificiales, cerámicas o piedras naturales C04B 41/00; esmaltado o vidriado de metales C23D; tratamiento de superficies metálicas o revestimiento de metales mediante electrolisis o electroforesis C25D; crecimiento de monocristales C30B; mediante metalización de textiles D06M 11/83; decoración de textiles por metalización localizada D06Q 1/04). › C23C 18/00 Revestimiento químico por descomposición ya sea de compuestos líquidos, o bien de soluciones de los compuestos que constituyen el revestimiento, no quedando productos de reacción del material de la superficie en el revestimiento; Deposición por contacto. › Descomposición por irradiación, p. ej. por fotolisis, radiación corpuscular.
- F24J2/48F2
Clasificación PCT:
- C23C18/02 C23C 18/00 […] › por descomposición térmica.
- F24J2/48
Fragmento de la descripción:
Proceso para fabricar un recubrimiento absorbente basado en sol-gel para la energía solar termoeléctrica.
La invención se refiere a un proceso de fabricación de un revestimiento absorbente para la energía solar termoeléctrica, que se basa en un proceso sol-gel y con el que se pueden aplicar revestimientos sobre la mayoría de los substratos.
Los colectores solares utilizan la radiación solar entrante absorbiendo la luz visible y transformando esta energía electromagnética en calor. Esta se emite generalmente a un medio fluido, que acumula el calor, y se suministra a un soporte de memoria a través del flujo. Las superficies de los colectores solares están típicamente formadas de chapas revestidas de aluminio o de cobre. Estas se sueldan a tuberías para asegurar el transporte del calor al soporte de memoria que está en los tubos.
El máximo de calor útil que se puede alcanzar depende esencialmente de la capacidad de absorción del revestimiento del colector. Esta, en el caso ideal, debe ser muy alta para la luz en todo el espectro solar. Al mismo tiempo, sin embargo, el calor obtenido no debe volver a ser emitido de manera excesiva en el espectro infrarrojo. Por ello, se exige un revestimiento de emisividad baja en el área de la longitud de onda por encima de aproximadamente 2000 nm, además de una reflectancia alta en esta región del espectro.
Los revestimientos absorbentes que satisfacen las exigencias citadas, ya están en venta. Se les denomina selectivos. Es posible fabricarlos a gran escala mediante máquinas de revestimiento optimizadas, p.ej. mediante Deposición de Vapor Físico (PVD; Physical Vapour Deposition), p.ej. en cintas de cobre continuas. Con ello se pueden producir varios metros cuadrados por hora de superficies revestidas. Además, se conocen algunos procedimientos de sputtering (erosión catódica) y también un procedimiento combinado de CVD y sputtering. Sin embargo, en estos casos se trata de procesos de alto vacío con un coste en instrumental bastante alto. Para más información se remite a la publicación BINE projektinfo 5/99 del servicio de información del BINE publicada por el centro de información especializada de Karlsruhe.
Se sabe que también se pueden producir revestimientos robustos que se adhieren firmemente y que son térmica y químicamente estables a largo plazo mediante los procesos sol-gel de revestimiento. Las ventajas de tales procesos se encuentran en las escasas exigencias sobre el equipo y el control de procesos, en la variabilidad alta de los materiales utilizables en cuanto a la composición y la estructura del revestimiento, en la posibilidad de revestir casi todas las superficies no planas, en la demanda energética relativamente baja y en último lugar en la posibilidad de combinar las diferentes fases del revestimiento para producir capas multifuncionales. Los otros procesos conocidos o bien no pueden realizarlo o solamente pueden hacerlo con esfuerzos no razonables. Teniendo esto en cuenta, es sorprendente que hasta ahora se haya prestado poca atención a la fabricación de revestimientos absorbentes mediante los procesos sol-gel.
La única excepción conocida actualmente y a la vez el estado más actual de la técnica es la patente DE-C2 101 21 812 que defiende un proceso de fabricación de un revestimiento absorbente selectivo mediante un revestimiento por inmersión. Para ello se forma un revestimiento de óxido, el cual contiene titanio, sobre una chapa de aluminio, la cual contiene magnesio. Esta debe contener elementos estructurales que absorban de manera selectiva. Desafortunadamente el impreso no explica exactamente de qué índole u origen deben ser estos "elementos estructurales". Por ello al principio se sospecha que se podría referir a un absorbedor cuando se habla de un revestimiento de dióxido de titanio del sustrato. Los resultados experimentales refutan esto de manera unívoca (compárese también la Fig. 1). Como consecuencia es de suponer que la referencia concreta al sustrato Mg-Al es aquí parte esencial de la invención y que se provoca una oxidación de la superficie misma del sustrato (quizás añadiendo el ácido nítrico?) para lograr el efecto del absorbedor descrito. Si esto fuera cierto, aquí no se trataría de un revestimiento clásico de sol-gel sino de un tratamiento de superficie químico. Sea como sea, la teoría de la DE-C2 101 21 812 no nos permite creer que el revesti- miento descrito allí sea un revestimiento solar absorbente para varios substratos, o incluso para cualquier sustrato.
Por consiguiente la tarea de la invención es proponer un proceso de fabricación de un revestimiento absorbente favorable para la energía solar termoeléctrica por el cual sea posible producir revestimientos mediante el proceso conocido de revestimiento sol-gel (salpicado, inmersión, centrifugado) sobre sustratos diferentes, en particular sobre el cobre, el aluminio, el acero inoxidable o el cristal.
La tarea se resuelve a través de un proceso de fabricación de un revestimiento solar absorbente con las características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones secundarias indican configuraciones ventajosas.
El proceso según la invención consiste en el revestimiento conocido y convencional de un sustrato con una capa de dióxido de titanio aplicando una solución precursora. Esta se introduce en el sustrato mediante el proceso sol-gel y se trata térmicamente. Según la invención este proceso se amplía en adelante con dos fases:
- - Anteriormente al revestimiento se añaden algunos iones de plata a la solución precursora (p.ej. en forma de una solución de nitrato de plata), de tal manera que la parte de la masa de plata es de entre el 10% y el 80%, de forma especialmente favorable de entre el 50% y el 70% en el revestimiento secado posteriormente de TiO2/Ag.
- - Durante todo el tratamiento térmico (secado y cristalización) el sustrato revestido se alumbra con luz visible (preferiblemente con una densidad de potencia en el rango de entre 25 mW/cm2 y 70 mW/cm2).
El efecto de estas medidas según la invención es un aumento considerable de la capacidad de absorción del revestimiento de la luz visible (aprox. 400-700 nm) así como del espectro de infrarrojo más cercano con tendencia descendente, es decir en una región espectral muy amplia. El efecto depende esencialmente de la concentración de la plata utilizada. Se hicieron algunos experimentos con los revestimientos cuya parte de masa de plata resultó de entre el 10% y el 80%. Indicaron que el área entre el 50% y el 70% produce resultados especialmente buenos.
Las dos siguientes figuras aclaran el efecto descrito:
Fig. 1 muestra el resultado de una medición fotométrica para un revestimiento de TiO2 puro (fase de Anatas, 100 nm de espesor) en un sustrato de cristal con los siguientes valores de medición: reflectancia R, transmisividad T y capacidad de absorción A;
Fig. 2 muestra la misma medición que la Fig. 1, para comparar, en un revestimiento de TiO2/Ag (100 nm) con un 70% de parte de masa de plata y pirolizada y cristalizada bajo luz;
Fig. 3 muestra la medida de la reflectancia de un revestimiento de TiO2/Ag(100 nm) con un 70% de parte de masa de plata sobre un sustrato de cobre.
Un simple revestimiento de dióxido de titanio es inadecuado para funcionar como absorbedor solar, como muestra la Fig. 1. Aquí se representan la capacidad de transmisión, la reflectancia y la capacidad de absorción (T, R, A) de una placa de vidrio revestida con 100 nm de TiO2. También se midió la placa de vidrio misma sin revestimiento, de modo que los valores medidos mostrados son retocados y se les puede designar como características del revestimiento. Hasta aproximadamente 2700 nm el TiO2 puro deja pasar el 80% de la potencia de luz irradiada y refleja el resto. La absorción no aumenta antes del infrarrojo más allá de los 2700 nm por encima del 10%.
Conforme a la teoría de la invención se revistió una placa de vidrio de este tipo con un revestimiento de TiO2/Ag de 100 nm (con un 70% de parte de masa de plata) y se midió como se describe arriba. La Fig. 2 muestra que este revestimiento absorbe el 70%-80% de la luz en la región visible de las longitudes de ondas (aprox. 400-700 nm), que refleja casi todo el resto y que deja pasar sólo poca luz. Este comportamiento fundamentalmente diferente del TiO2 puro "se normaliza" un poco hacia las longitudes de ondas más grandes; a los 2000 nm la relación T:R:A...
Reivindicaciones:
1. Un proceso de fabricación de un revestimiento solar absorbente con las siguientes fases: revestimiento de un sustrato con una solución de titanio precursora para producir un revestimiento de dióxido de titanio mediante la técnica sol-gel y tratamiento térmico del substrato revestido para la pirólisis y la cristalización del revestimiento,
caracterizado por el hecho de que
anteriormente al revestimiento se añaden a la solución de titanio precursora los iones de plata en tal cantidad que el revestimiento tratado térmicamente muestra una parte de masa de plata de entre un 10% y un 80% y que la pirólisis y la cristalización del revestimiento se realizan exponiendo el revestimiento a la luz visible.
2. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se producen unas capas individuales de aproximadamente 100 nanómetros de espesor.
3. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la parte de masa de plata del revestimiento tratado de manera térmica es de entre un 50% y un 70%.
4. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que se realiza el tratamiento térmico con temperaturas hasta los 500ºC.
5. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que muchos revestimientos están puestos el uno sobre el otro diferenciándose por la concentración de plata.
6. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la iluminación del revestimiento se realiza con bombillas.
7. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la iluminación del revestimiento se realiza con una densidad de potencia de luz de entre 25 y 70 mW/cm2.
8. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el revestimiento está dispuesto sobre sustratos metálicos y se trata térmicamente bajo atmósferas de nitrógeno o atmósferas de hidrógeno y nitrógeno.
9. Un proceso según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el substrato metálico contiene por lo menos uno de los siguientes metales: cobre, aluminio o acero inoxidable.
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