Recubrimiento absorbente selectivo solar y método de fabricación,

con propiedades de absorbente solar y baja emisividad. El recubrimiento comprende un sustrato (1) de material metálico, dieléctrico o cerámico, al menos una capa metálica altamente reflectora (2) en el infrarrojo medio-lejano aplicada sobre el propio sustrato que proporciona propiedades de baja emisividad, una estructura de multicapas dieléctricas y metálicas alternadas (3) de espesor subnanométrico aplicada sobre la capa metálica reflectora y al menos una capa dieléctrica (4) que actúa como capa antirreflejante para el espectro solar.El recubrimiento es aplicable como recubrimiento absorbente selectivo en tubos absorbentes para colectores solares cilíndrico-parabólicos, en paneles solares para agua caliente, calefacción o refrigeración doméstica, tanto en forma de tubos absorbentes como en láminas absorbentes, en sistemas de captación en centrales termoeléctricas solares tipo torre, y en sistemas de captación de los sistemas "disco-stirling"

Recubrimiento absorbente selectivo solar y método de fabricación.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un recubrimiento absorbente selectivo solar que comprende: (i) un sustrato, una o varias capas metálicas que le confiere propiedades de baja emisividad, (ii) una estructura de multicapas dieléctricas y metálicas alternadas de espesor subnanométrico en la que se produce la absorción de la energía solar; y (iii) una capa o estructura de multicapas que le proporciona propiedades de antirreflexión.

La invención también comprende el método y proceso de fabricación y de uso de dicho recubrimiento absorbente selectivo solar.

Antecedentes de la invención

La captación de la energía solar en su vertiente de captación térmica cada vez está tomando más importancia tecnológica y económica tanto desde el punto de vista de producción de agua caliente, calefacción o refrigeración a nivel doméstico como para producción de energía eléctrica en centrales termoeléctricas solares.

Estos sistemas requieren por una parte un máximo de absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, estos sistemas están configurados en tubos de vacío o estructuras similares que disminuyen las pérdidas por conducción y convección y poseen recubrimientos con gran poder absorbente de la energía solar y características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano.

En consecuencia, tanto en la vertiente doméstica como en la de producción de energía eléctrica, los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial. Existen numerosos antecedentes de recubrimientos absorbentes como los descritos en las patentes W02005/121389, US4582764, US4628905, US5523132, US2004/0126594, US2005/0189525, US2007/0209658, W097/00335, y varias más. En todas ellas el recubrimiento absorbente se compone de una capa metálica que proporciona las características de baja emisividad, una o varias capas de materiales dieléctricos dopados con elementos metálicos "Cermets", que actúan como capas absorbentes de la radiación solar y una capa dieléctrica que actúa como estructura antirreflejante. En alguna de ellas se incorpora alguna capa adicional dieléctrica que actúa como capa bloqueante frente a la difusión de los diferentes materiales. Las capas de cermets son capas absorbentes, índice de refracción complejo, donde la capacidad de absorción la proporciona el elemento metálico codopante cuya concentración pueden ser constante o gradual dentro de cada una de las capas.

Los Cermets son habitualmente óxidos o nitruros metálicos dopados con elementos metálicos como Mo, Ni, Ti, Ta, Al, etc., que suelen depositarse mediante técnicas de codeposición por pulverización catódica reactivo "sputtering reactivo". La codeposición mediante sputtering reactivo consiste en la evaporación simultánea de dos materiales mediante sputtering en la presencia, además del gas inerte, de un gas reactivo, oxígeno, nitrógeno etc., residual en la cámara de deposición. El gas residual reacciona con uno de los materiales evaporados formando el compuesto dieléctrico correspondiente, mientras que parte del otro compuesto se deposita en forma metálica. El gas reactivo reacciona tanto con el material que forma el compuesto dieléctrico como con el metal dopante, por lo que para obtener el cermet con la absorción adecuada se requiere un control muy estricto de la estequiometría del proceso. La estequiometría del proceso está condicionada por la composición y presiones parciales de los gases de la cámara de vacío en relación al consumo de gas reactivo, y por tanto depende de la velocidad de evaporación, es decir potencia de cátodos, de su estado, por lo que el control tan preciso de la estequiometría del proceso es una tarea difícil, que requiere ciertos mecanismos de realimentación y que puede condicionar negativamente las propiedades de los recubrimientos.

Asimismo, parte del metal codopante también reacciona con el gas reactivo y forma compuestos dieléctricos, por lo que este metal no contribuye a la absorción de la capa y se requieren grandes concentraciones de metal codopante. Por otra parte, esta técnica presenta también limitaciones a la hora de elección de materiales metálicos codopantes ya que deben poseer afinidad por el gas reactivo mucho menor que el metal principal que forma el compuesto dieléctrico.

Descripción de la invención

La presente invención pretende resolver todas las dificultades indicadas anteriormente, ya que cada una de las diferentes capas de cermets se sustituye por una estructura de multicapas dieléctricas y metálicas alternadas de espesor muy pequeño, inferior a 10 nm y principalmente inferior a 1 nm. Las capas dieléctricas de depositan mediante sputtering reactivo, incluyendo gas inerte y gas reactivo en la cámara o parte de la cámara donde se depositan las capas dieléctricas, mientras que las capas metálicas se depositan por sputtering DC, introduciendo gas inerte exclusivamente en la cámara o parte de la cámara donde se depositan las capas metálicas. De esta forma no es necesario un control preciso de la estequiometría del proceso, ya que la deposición de las capas dieléctricas requiere una composición de los gases que garantice la reacción total del metal evaporado, mientras que la naturaleza metálica de las capas alternadas queda determinada por el gas inerte introducido como gas de proceso. Como la deposición de ambos tipos de materiales se realiza en cámaras diferentes o en partes aisladas de una misma cámara de deposición, la mezcla de gases es mínima y no se produce la reacción química del material constituyente de las capas metálicas. De la misma forma, como la deposición de las capas dieléctricas y metálicas se realiza en lugares y composición de gases diferentes, no hay ninguna limitación en la composición de las capas dieléctricas y metálicas, pudiendo partir incluso del mismo material metálico de partida, formando capas dieléctricas de un elemento metálico, por ejemplo óxidos o nitruros de un metal, y capas metálicas de ese mismo elemento.

El recubrimiento selectivo solar objeto de la presente invención está diseñado para absorber la energía solar y transformarla en calor con propiedades de baja emisividad, facilitando y haciendo más robusto y fiable el proceso de fabricación y permitiendo mayores posibilidades para su diseño y optimización. El recubrimiento que se deposita sobre un sustrato que puede ser metálico o dieléctrico y garantiza la estabilidad mecánica y térmica del recubrimiento, se caracteriza esencialmente porque comprende.

- Al menos una capa metálica altamente reflejante en el infrarrojo lejano (rango espectral entre 5 y 50 μm de longitud de onda) que proporcione las características de baja emisividad del recubrimiento depositada sobre el sustrato.

- Una estructura de multicapas depositada sobre la capa reflectora, que proporciona las propiedades de absorbente de radiación solar, formada por capas metálicas y dieléctricas alternadas de espesor muy pequeño (inferior a 10 nm y principalmente inferior a 1 nm), que pueden ser homogéneos para las capas metálicas, por un lado, y dieléctricas, por otro, en toda la estructura, diferenciados en varias zonas o con espesores que varían gradualmente a lo largo de la estructura.

- Al menos una capa dieléctrica depositada sobre la estructura multicapas absorbente que actúa como capa antirreflejante.

En la presente invención como materiales del sustrato se incluyen elementos metálicos como acero, acero inoxidable, cobre o aluminio, y no metálicos, vidrio, cuarzo o materiales cerámicos o poliméricos. El sustrato puede admitir tratamientos, como la oxidación de la capa superficial o tratamientos térmicos y de limpieza que optimicen la adhesión del recubrimiento y por tanto su estabilidad mecánica y medioambiental.

Asimismo, la presente invención contempla un recubrimiento absorbente de la energía solar y reflejante en el infrarrojo medio-lejano que contiene una o varias capas metálicas sobre el sustrato altamente reflejantes en el infrarrojo medio-lejano, una estructura de multicapas metálicas-dieléctricas alternadas de pequeño espesor y una o varias capas dieléctricas que hacen de estructura antirreflejante para la energía solar. El recubrimiento según la invención se caracteriza porque la capa o capas metálicas altamente reflectantes depositadas sobre el...

1. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, de los que comprenden un sustrato (1) de material metálico, dieléctrico o cerámico, al menos una capa metálica altamente reflectora (2) en infrarrojo medio-lejano, depositada sobre el sustrato (1), una estructura multicapas absorbente (3) depositada sobre la capa metálica reflectora (2), compuesta por capas dieléctricas (5) y capas metálicas (6) alternadas, y al menos una capa dieléctrica antirreflejante (4), depositada sobre la estructura multicapas absorbente (3) caracterizado porque las capas dieléctricas (5) de la estructura multicapas absorbente (3) pueden tener igual o diferente espesor y/o composición entre sí y las capas metálicas (6) de la estructura multicapas absorbente (3) pueden tener igual o diferente espesor y/o composición entre sí, siendo el espesor de cada una de las capas metálicas (6) y dieléctricas (5) de la estructura multicapas absorbente (3) inferior a 10 nm y prioritariamente inferior a 1 nm, estando el espesor global de la estructura multicapas absorbente (3) comprendido entre 5 y 1000 nm, y donde las capas de naturaleza dieléctrica del recubrimiento absorbente selectivo solar están depositadas mediante sputtering reactivo incluyendo gas inerte y gas reactivo en la cámara o parte de la cámara donde se depositan dichas capas dieléctricas, mientras que las capas metálicas del recubrimiento absorbente selectivo solar están depositadas por sputtering DC, introduciendo gas inerte exclusivamente en la cámara o parte de la cámara donde se depositan dichas capas metálicas.

2. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 1 caracterizado porque la estructura multicapa absorbente (3) comprende una zona homogénea con las capas dieléctricas (5) con igual composición y espesor y las capas metálicas (6) con igual composición y espesor.

3. Recubrimiento absorbente selectivo solar según la reivindicación 1 caracterizado porque la estructura multicapas absorbente (3) está constituida por dos o mas zonas homogéneas de manera que las capas dieléctricas (5) difieren en material y/o espesor de una zona a otra, y las capas metálicas (6) difieren en material y/o espesor de una zona a otra.

4. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 2 y 3 caracterizado porque dentro de una zona homogénea las capas metálicas (6) entre si y/o las capas dieléctricas (5) entre si, tienen distinto espesor.

5. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 4 caracterizado porque el espesor de las capas metálicas (6) y/o dieléctricas (5) varía gradualmente a lo largo de la zona.

6. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 2 y 3 caracterizado porque dentro de una zona homogénea las capas metálicas (6) entre si y las capas dieléctricas (5) entre si, tienen igual espesor.

7. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato (1) es un material metálico del grupo formado por acero, acero inoxidable, cobre o aluminio o su combinación.

8. Recubrimiento absorbente selectivo solar según la reivindicación 7, caracterizado porque el sustrato (1) de material metálico se ha sometido a tratamientos para la oxidación de la capa superficial o a tratamientos térmicos.

9. Recubrimiento absorbente selectivo solar según la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato (1) es un material dieléctrico del grupo formado por vidrio, cuarzo, materiales poliméricos o materiales cerámicos, o su combinación.

10. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque las capas metálicas altamente reflectoras (2) comprenden un material metálico seleccionado del grupo formado plata (Ag), oro (Au), aluminio (Al), cromo (Cr), molibdeno (Mo), cobre (Cu), níquel (Ni), titanio (Ti), niobio (Nb), tántalo (Ta), tungsteno (W), paladio (Pd) o una mezcla de dos o más de ellos o bien una aleación de dichos metales.

11. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque las capas de material dieléctrico (5) de la estructura absorbente (3) comprenden óxidos metálicos y/o nitruros de elementos metálicos, con un índice de refracción entre 1,4 y 2,4.

12. Recubrimiento absorbente selectivo solar según la reivindicación 11, caracterizado porque los materiales dieléctricos (5) son óxidos metálicos seleccionados del grupo formado por óxidos de estaño, óxidos de zinc, óxidos de aluminio, óxidos de titanio, óxidos de silicio, óxidos de níquel, óxidos de cromo, óxidos de niobio, óxidos de tántalo o mezclas de ellos, y/o nitruros de elementos metálicos seleccionados del grupo formado por nitruros de silicio, nitruros de cromo y nitruros de aluminio, o mezclas de ellos.

13. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque las capas metálicas (6) de la estructura absorbente (3) comprenden un material metálico seleccionado del grupo formado plata (Ag), oro (Au), aluminio (Al), cromo (Cr), molibdeno (Mo), cobre (Cu), níquel (Ni), titanio (Ti), niobio (Nb), tántalo (Ta), tungsteno (W), paladio (Pd) o una mezcla de dos o más de ellos o bien una aleación de dichos metales.

14. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque las capas de material dieléctrico antirreflejantes (4) comprenden óxidos metálicos y/o nitruros de elementos metálicos, con un índice de refracción entre 1,4 y 2,4.

15. Recubrimiento absorbente selectivo solar según la reivindicación 14, caracterizado porque los materiales dieléctricos antirreflejantes (4) son óxidos metálicos seleccionados del grupo formado por óxidos de estaño, óxidos de zinc, óxidos de aluminio, óxidos de titanio, óxidos de silicio, óxidos de níquel, óxidos de cromo, óxidos de niobio, óxidos de tántalo o mezclas de ellos, o nitruros de elementos metálicos seleccionados del grupo formado por nitruros de silicio, nitruros de cromo y nitruros de aluminio, o mezclas de ellos.

16. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de cada una de las capas metálicas altamente reflectoras (2) está comprendido entre 5 y 1000 nm.

17. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de cada una de las capas de material dieléctrico antirreflejantes (4) está comprendido entre 5 y 1000 nm.

18. Recubrimiento absorbente selectivo solar según reivindicación 1, caracterizado porque tiene una absorbancia solar superior al 95% y una emisividad a 400°C inferior a 0,2.

19. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 3 caracterizado porque comprende un sustrato (1) de acero inoxidable, capa metálica altamente reflectora (2) de molibdeno de 300 nm, una estructura multicapas (3) constituida por dos zonas diferenciadas donde la primera zona tiene un espesor total de 52 nm y está compuesta por 285 capas de óxido de silicio y aluminio (SiAlOx) (5) con espesor de 0,08 nm alternadas con otras 285 capas de Mo (6) de 0,1 nm de espesor y donde la segunda zona tiene un espesor total de 57 nm y está compuesta por 390 capas de (SiAlOx) (5) de espesor de 0,08 nm alternadas con otras 390 capas de Mo (6) de 0,06 nm de espesor y una capa antirreflejante (4) de SiAlOx de 87nm de espesor.

20. Recubrimiento absorbente selectivo solar con propiedades de absorbente solar y baja emisividad, según reivindicación 3 caracterizado porque comprende un sustrato (1) de acero inoxidable, capa metálica altamente reflectora (2) de níquel de 110 nm de espesor, una estructura multicapas (3) constituida por dos zonas diferenciadas donde la primera zona tiene un espesor total de 78 nm y está compuesta por 340 capas de óxido de silicio y aluminio (SiAlOx) (5) de 0,085 nm de espesor alternadas con otras 340 capas de Ni (6) de 0,145 nm de espesor y donde la segunda zona tiene un espesor total de 55 nm y está compuesta por 490 capas de (SiAlOx) (5) de 0,08 nm de espesor alternadas con otras 490 capas de Ni (6) de 0,03 nm de espesor y una capa antirreflejante (4) de SiAlOx de 67nm de espesor.