BR112020007927B1 - COMPOSITE MATERIAL FOR SOLAR COLLECTOR - Google Patents
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Abstract
Material compósito (V) tendo suporte (1) de alumínio, com camada intermediária (2) de um lado no suporte (1) e com sistema multicamada opticamente eficaz (3) aplicado à camada intermediária (2), que tem pelo menos duas camadas dielétricas e/ou de óxido (4, 5), ou seja, camada superior (4) e camada subjacente de absorção de luz (5), em que camada superior (4) é camada dielétrica com índice de refração n = 2,0, e em que camada metálica (6) é disposta diretamente na camada intermediária (2) sob pelo menos duas camadas dielétricas e/ou de óxido (4, 5). Para fornecer material compósito (V) desse tipo, com pouco esforço tecnológico, com adequação específica para absorvedores na faixa de baixa temperatura, que tem baixa temperatura de estagnação com alta eficiência e estabilidade a longo prazo, propõe-se que camada intermediária (2) e sistema multicamada opticamente eficaz (3) sejam selecionados em termos de suas propriedades ópticas, e as camadas (2, 4, 5, 6) sejam dimensionadas que, com absorção solar (a) de pelo menos 92 porcento, radiação solar seja refletida na faixa de comprimento de onda (Ó) de 1500 nm a 5000 nm para não mais do que 20 a 35 porcento e em faixa de comprimento de onda (Ó) de 5000 nm a 10000 nm para 25 a 90 porcento, em que na faixa de comprimento de onda de 5000 nm a 10000 nm em toda a faixa de comprimento (...).Composite material (V) having an aluminum support (1), with an intermediate layer (2) on one side on the support (1) and with an optically effective multilayer system (3) applied to the intermediate layer (2), which has at least two layers dielectric and/or oxide (4, 5), i.e. top layer (4) and underlying light absorption layer (5), where top layer (4) is dielectric layer with refractive index n = 2.0 , and in which metallic layer (6) is arranged directly on the intermediate layer (2) under at least two dielectric and/or oxide layers (4, 5). To provide composite material (V) of this type, with little technological effort, with specific suitability for absorbers in the low temperature range, which has low stagnation temperature with high efficiency and long-term stability, it is proposed that intermediate layer (2) and optically effective multilayer system (3) are selected in terms of their optical properties, and the layers (2, 4, 5, 6) are sized so that, with solar absorption (a) of at least 92 percent, solar radiation is reflected into the wavelength range (Ó) from 1500 nm to 5000 nm for not more than 20 to 35 percent and in the wavelength range (Ó) from 5000 nm to 10000 nm to 25 to 90 percent, wherein in the wavelength range (Ó) wavelength from 5000 nm to 10000 nm across the entire length range (...).
Description
[0001] A invenção refere-se a um material compósito para um coletor solar, que compreende um suporte composto de alumínio com uma camada intermediária posicionada em um lado do suporte e com um sistema multicamada opticamente eficaz. aplicado na camada intermediária, que compreende pelo menos duas camadas dielétricas e/ou de óxido, isto é, uma camada superior e uma camada adicional abaixo desta, como a seguir: "camada absorvente de luz" - com a principal função de absorção de luz, especialmente na faixa espectral solar, em que a camada superior é uma camada dielétrica com um índice de refração n < 2,0, e em que uma camada de metal é disposta diretamente acima da camada intermediária sob pelo menos duas camadas dielétricas e/ou de óxido.[0001] The invention relates to a composite material for a solar collector, which comprises an aluminum composite support with an intermediate layer positioned on one side of the support and with an optically effective multilayer system. applied to the intermediate layer, which comprises at least two dielectric and/or oxide layers, i.e., a top layer and an additional layer below this, as follows: "light absorbing layer" - with the main function of light absorption , especially in the solar spectral range, wherein the top layer is a dielectric layer with a refractive index n < 2.0, and wherein a metal layer is disposed directly above the intermediate layer under at least two dielectric layers and/or of oxide.
[0002] É sabido que os coletores solares são usados para gerar energia a partir da radiação solar.[0002] It is known that solar collectors are used to generate energy from solar radiation.
[0003] O espectro solar pode ser descrito extensivamente pelo chamado espectro de "corpo negro" a uma temperatura de cerca de 5800 K. No entanto, o espectro que realmente atinge a superfície da Terra é caracterizado por uma grande quantidade de absorção na atmosfera, onde a perda de intensidade que ocorre aqui depende do ângulo de incidência dos raios solares, ou seja, da posição na esfera terrestre. Como indicação normatizada foi introduzido o assim chamado „coeficiente de qualidade do ar AM“ normatizado, no qual o caminho real da radiação através da atmosfera é relacionado com o menor caminho possível de radiação através da atmosfera - em outras palavras, sob condições normais de incidência. O fator de qualidade do ar AM = 1,5 corresponde às condições espectrais solares da Europa Central.[0003] The solar spectrum can be described extensively by the so-called "blackbody" spectrum at a temperature of about 5800 K. However, the spectrum that actually reaches the Earth's surface is characterized by a large amount of absorption in the atmosphere, where the loss of intensity that occurs here depends on the angle of incidence of the sun's rays, that is, on the position on the Earth's sphere. As a standardized indication, the so-called standardized „AM air quality coefficient“ was introduced, in which the actual path of radiation through the atmosphere is related to the shortest possible path of radiation through the atmosphere - in other words, under normal incidence conditions . The air quality factor AM = 1.5 corresponds to the solar spectral conditions of Central Europe.
[0004] Devido ao espectro solar incidente, na condição de um coletor de placa plana, temperaturas de até 100°C são geralmente atingidas durante a operação normal. Se a camada for um "corpo negro” ( em inglês: “black body“), ela emitirá um espectro semelhante à distribuição da luz incidente, mas o máximo da distribuição estará na faixa de radiação térmica. Isso significa que uma parte da energia térmica anteriormente obtida por absorção e aquecimento é perdida novamente na forma de radiação térmica.[0004] Due to the incident solar spectrum, in the condition of a flat plate collector, temperatures of up to 100°C are generally reached during normal operation. If the layer is a "black body", it will emit a spectrum similar to the distribution of incident light, but the maximum of the distribution will be in the thermal radiation range. This means that some of the thermal energy previously obtained by absorption and heating is lost again in the form of thermal radiation.
[0005] Em geral, no caso de um objeto iluminado por radiação, a radiação é dividida em partes de reflexão, absorção e transmissão, que são determinadas pelo grau de reflexão ( refletividade) R, o grau de absorção ( absorvância) A e o grau de transmissão ( transmitância) T do objeto. No caso de um substrato não transmissor de radiação, a transmitância aqui é igual a 0, de modo que apenas a soma de absorção e reflexão está relacionada, ou seja, R + A = 100%.[0005] In general, in the case of an object illuminated by radiation, the radiation is divided into reflection, absorption and transmission parts, which are determined by the degree of reflection (reflectivity) R, the degree of absorption (absorbance) A and the degree of transmission ( transmittance) T of the object. In the case of a non-radiation-transmitting substrate, the transmittance here is equal to 0, so only the sum of absorption and reflection is related, i.e. R + A = 100%.
[0006] A quantificação da absorção e reflexão na faixa de 250 nm a 2500 nm é feita com base na norma EN 410: 2011 "Glass im Bauwesen: Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngroβen von Verglasungen“, de acordo com este padrão, a refletância total pode ser determinada. Na ausência de transmissão, o resultado da absorvância é um complemento de 1 ou 100%. Nesse caso, para determinar a energia solar refletância total do hemisfério ponderada, o espectro solar AM 1.5 de acordo com ASTM G173-03 é usado como radiação incidente.[0006] The quantification of absorption and reflection in the range from 250 nm to 2500 nm is done based on the standard EN 410: 2011 "Glass im Bauwesen: Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngroβen von Verglasungen“, according to this standard, the reflectance total can be determined. In the absence of transmission, the absorbance result is a complement of 1 or 100%. In this case, to determine the total solar reflectance of the weighted hemisphere, the AM 1.5 solar spectrum according to ASTM G173-03 is. used as incident radiation.
[0007] Para evitar a perda de calor causada pela emissão, a aplicação de materiais compósitos absorventes do tipo mencionado na introdução requer absorção máxima na faixa de comprimento de onda solar (300 nm a 2500 nm, especialmente na faixa de 360 nm a 1800 nm) e tem refletividade máxima na faixa de radiação térmica (acima de cerca de 2500 nm, especialmente acima de 3000 nm).[0007] To avoid heat loss caused by emission, the application of absorbent composite materials of the type mentioned in the introduction requires maximum absorption in the solar wavelength range (300 nm to 2500 nm, especially in the range 360 nm to 1800 nm ) and has maximum reflectivity in the thermal radiation range (above about 2500 nm, especially above 3000 nm).
[0008] Portanto, aqueles versados na técnica consideram esse absorvedor seletivo ideal como um absorvedor que, por exemplo, absorve em 100% abaixo de um comprimento de onda de salto específico de 2500 nm (2,5 μm) o espectro solar e reflete 100% do espectro solar acima desse comprimento de onda. Portanto, a taxa de absorção e, portanto, a emissividade térmica serão iguais a zero.[0008] Therefore, those skilled in the art consider such an ideal selective absorber as an absorber that, for example, absorbs at 100% below a specific jump wavelength of 2500 nm (2.5 μm) the solar spectrum and reflects 100 % of the solar spectrum above this wavelength. Therefore, the absorption rate and therefore thermal emissivity will be equal to zero.
[0009] Portanto, os materiais absorvedores técnicos para sua avaliação de qualidade são medidos em particular pela extensão em que suas características de reflexão -absorção se aproximam dessa função ideal de resposta ao salto. Eles são considerados tanto melhores, quanto maior o aumento da reflexão ao fazer a transição da faixa de comprimento de onda solar para a faixa de radiação térmica, e quanto maior for o nível de refletividade presente nesta faixa.[0009] Therefore, technical absorbing materials for their quality assessment are measured in particular by the extent to which their reflection-absorption characteristics approach this ideal bounce response function. They are considered the better, the greater the increase in reflection when transitioning from the solar wavelength range to the thermal radiation range, and the higher the level of reflectivity present in this range.
[00010] Para quantificar a emissividade térmica na faixa espectral de 2500 nm a 19000 nm (4000 cm -1 a 526 cm -1), é feita referência às especificações da norma EN 12898 2001-4 „Glas im Bauwesen - Bestimmung des Emissionsgrades“.[00010] To quantify thermal emissivity in the spectral range of 2500 nm to 19000 nm (4000 cm -1 to 526 cm -1), reference is made to the specifications of the standard EN 12898 2001-4 „Glas im Bauwesen - Bestimmung des Emissionsgrades“ .
[00011] O documento EP 2 336 811 B1 divulga um material compósito de um tipo semelhante ao mencionado na introdução, no qual o processo de refino do suporte de alumínio consiste especialmente em dois processos diferentes, os quais podem ser operados continuamente, na verdade, a partir da geração de uma camada intermediária composta de óxido de alumínio, em um processo químico por via úmida, que é resumidamente referido como anodização e abrange um brilho eletrolítico e uma oxidação anódica, e a partir da aplicação de sistemas multicamada opticamente eficazes no vácuo. No caso das camadas do sistema óptico multicamada em geral trata-se de camadas dielétricas, nas quais o uso de uma camada de óxido, como por exemplo, óxido de alumínio ou óxido de titânio como camada superior e o uso de dióxido de silício como camada central representam uma situação especial preferida. No caso deste material compósito, a espessura da camada intermediária não excede 30 nm, em que a camada inferior de absorção de luz é aplicada diretamente acima da camada intermediária e a camada intermediária é posicionada diretamente acima do suporte.[00011] Document EP 2 336 811 B1 discloses a composite material of a type similar to that mentioned in the introduction, in which the aluminum support refining process consists especially of two different processes, which can be operated continuously, in fact, from the generation of an intermediate layer composed of aluminum oxide, in a wet chemical process, which is briefly referred to as anodizing and encompasses an electrolytic shine and an anodic oxidation, and from the application of optically effective multilayer systems in vacuum . In the case of the layers of the multilayer optical system, these are generally dielectric layers, in which the use of an oxide layer, such as aluminum oxide or titanium oxide, as the upper layer and the use of silicon dioxide as the layer central represent a special preferred situation. In the case of this composite material, the thickness of the intermediate layer does not exceed 30 nm, where the lower light-absorbing layer is applied directly above the intermediate layer and the intermediate layer is positioned directly above the support.
[00012] O documento EP 1 217 394 A1 divulga um material compósito do tipo mencionado na introdução, compreendendo um suporte composto de alumínio, uma camada intermediária posicionada em um lado do suporte e um sistema multicamada opticamente eficaz aplicado à camada intermediária. Neste caso, a camada intermediária consiste preferivelmente em alumínio anodizado ou eletroliticamente iluminado e anodizado, o qual é formado a partir de um material de suporte. Um sistema multicamada opticamente eficaz consiste em três camadas, das quais as duas superiores são dielétricas e/ou de óxido, e a inferior é uma camada de metal aplicada à camada intermediária, em que a camada de metal não tem transmissão e tem um efeito exclusivamente de reflexão. Nesse caso, é previsto que a camada superior do sistema óptico multicamada seja uma camada dielétrica, preferivelmente uma camada de óxido, fluorada ou nitrada com uma composição química MeOa, MeFb, MeNc com um índice de refração n <1,8 e acamada central do sistema multicamada seja uma camada de óxido de cromo com uma composição química de CrOz, e a camada inferior do sistema óptico multicamada seja composta de ouro, prata, cobre, cromo, alumínio e/ou molibdênio, em que os coeficientes a , b, c e z representam uma razão estequiométrica ou não estequiométrica nos óxidos, fluoretos ou nitretos. Em particular, a camada composta de ouro, prata, cobre, cromo, alumínio e/ou molibdênio pode ser composta por uma pluralidade de camadas parciais e, apresentar uma espessura preferida na faixa de no máximo 500 nm. Um material compósito deste tipo, no qual a camada mais baixa do sistema óptico de multicamadas forma uma camada dupla, que consiste em uma camada superior de cromo e uma camada inferior de alumínio, está disponível comercialmente sob o nome comercial Mirotherm® na data de apresentação deste pedido.[00012] Document EP 1 217 394 A1 discloses a composite material of the type mentioned in the introduction, comprising an aluminum composite support, an intermediate layer positioned on one side of the support and an optically effective multilayer system applied to the intermediate layer. In this case, the intermediate layer preferably consists of anodized or electrolytically lightened and anodized aluminum, which is formed from a support material. An optically effective multilayer system consists of three layers, of which the upper two are dielectric and/or oxide, and the lower is a metal layer applied to the middle layer, wherein the metal layer has no transmission and has an exclusively of reflection. In this case, it is envisaged that the top layer of the multilayer optical system is a dielectric layer, preferably an oxide, fluorinated or nitrated layer with a chemical composition MeOa, MeFb, MeNc with a refractive index n < 1.8 and central layer of the multilayer system is a layer of chromium oxide with a chemical composition of CrOz, and the bottom layer of the multilayer optical system is composed of gold, silver, copper, chromium, aluminum and/or molybdenum, wherein the coefficients a, b, c and z represent a stoichiometric or non-stoichiometric ratio in oxides, fluorides or nitrides. In particular, the layer composed of gold, silver, copper, chromium, aluminum and/or molybdenum may be composed of a plurality of partial layers and have a preferred thickness in the range of a maximum of 500 nm. A composite material of this type, in which the lowest layer of the multilayer optical system forms a double layer, consisting of an upper layer of chromium and a lower layer of aluminum, is commercially available under the trade name Mirotherm® at the date of presentation. of this request.
[00013] O documento EP 1 217 394 A1 descreve o fato de que, no caso de coletores solares, existe uma diferença entre um coletor de baixa temperatura operando em temperaturas de até 100°C °C e um coletor de alta temperatura operando em temperaturas acima de 100°C, em que no caso de instalações torre, a temperatura do absorvedor pode chegar a 1200°C.[00013] Document EP 1 217 394 A1 describes the fact that, in the case of solar collectors, there is a difference between a low temperature collector operating at temperatures of up to 100°C °C and a high temperature collector operating at temperatures above 100°C, where in the case of tower installations, the absorber temperature can reach 1200°C.
[00014] A variável característica frequentemente especificada para coletores solares é a chamada temperatura de equilíbrio, repouso ou estagnação, que deve ser entendida como significando a temperatura máxima teórica possível de uso do coletor quando o material está em equilíbrio térmico com o ambiente. Se, por exemplo, um coletor solar opera em operação normal, o meio de transferência de calor circula nele e retira a energia absorvida pela absorção. A temperatura operacional aqui estabelecida pode variar por exemplo, de menos de 100°C a 120°C. No entanto, se a passagem do meio de transferência de calor com efeito de resfriamento no coletor for interrompida, por exemplo, da maneira desejada, porque a temperatura exigida do consumidor foi atingida, ou de maneira indesejada devido à falha da bomba de transferência de calor - então a dissipação de energia continua não será mais efetuada e a temperatura do coletor solar aumentará. No caso de energia solar incidente de cerca de 1 kW/m2, como ela é característica para a Europa em um dia ensolarado, a temperatura poderá atingir um valor de, por exemplo, 220°C a 250°C. Nessa condição, parte do líquido de resfriamento permanece na tubulação.[00014] The characteristic variable frequently specified for solar collectors is the so-called equilibrium, rest or stagnation temperature, which should be understood as meaning the maximum theoretical temperature possible for use of the collector when the material is in thermal equilibrium with the environment. If, for example, a solar collector operates in normal operation, the heat transfer medium circulates in it and removes the energy absorbed by absorption. The operating temperature established here may vary, for example, from less than 100°C to 120°C. However, if the passage of the heat transfer medium with cooling effect in the collector is interrupted, for example in the desired way because the required consumer temperature has been reached, or in an undesired way due to failure of the heat transfer pump - then continuous energy dissipation will no longer take place and the temperature of the solar collector will increase. In the case of incident solar energy of around 1 kW/m2, as is typical for Europe on a sunny day, the temperature could reach a value of, for example, 220°C to 250°C. In this condition, part of the cooling liquid remains in the piping.
[00015] Cada coletor deve ser projetado para essa temperatura de estagnação, porque, por exemplo, nessas faixas de temperatura acima da temperatura operacional, o uso de líquidos de transferência de calor (como misturas de água e glicol) apresenta riscos adicionais, e para o substrato e revestimentos do coletor o risco de que ocorra decomposição, evaporação parcial, desgaseificação e aumentos indesejados de pressão, mas o desempenho do elemento coletor é pelo menos relativamente curto. Portanto, a temperatura de estagnação determina quais requisitos térmicos o material usado para o absorvedor deve suportar, o que resulta em altos custos de material. Portanto, existe uma necessidade técnica de reduzir a temperatura de estagnação de um coletor solar.[00015] Each collector must be designed for this stagnation temperature, because, for example, in these temperature ranges above the operating temperature, the use of heat transfer liquids (such as mixtures of water and glycol) presents additional risks, and for the collector substrate and coatings the risk of decomposition, partial evaporation, outgassing and unwanted pressure increases, but the performance of the collector element is at least relatively short-lived. Therefore, the stagnation temperature determines what thermal requirements the material used for the absorber must withstand, which results in high material costs. Therefore, there is a technical need to reduce the stagnation temperature of a solar collector.
[00016] Para conseguir isso, o documento WO 2012/069718 A1 fornece um material multicamada que compreende uma camada com uma morfologia de superfície variável, em, que a camada muda reversivelmente de acordo com a temperatura e apresenta parâmetros de rugosidade de superfície, que são maiores do que um primeiro parâmetro de rugosidade, quando a temperatura está abaixo de uma temperatura limite e que é menor do que um segundo valor de rugosidade, quando a temperatura é maior do que a temperatura limite, em que o segundo valor de rugosidade é menor do que o primeiro valor de rugosidade e em que a camada é revestida com uma camada absorvente camada com a morfologia de superfície variável. Com o uso desse material multicamada pode-se conseguir que a temperatura de estagnação não suba acima de 180°C, porque asperezas diferentes abaixo e acima da temperatura limite também estão associadas a diferentes comportamentos de absorção. No entanto, provou ser complicado produzir essas camadas com morfologia de superfície variável em escala industrial.[00016] To achieve this, document WO 2012/069718 A1 provides a multilayer material comprising a layer with a variable surface morphology, in which the layer changes reversibly according to temperature and presents surface roughness parameters, which are greater than a first roughness parameter, when the temperature is below a threshold temperature and that is less than a second roughness value, when the temperature is greater than the threshold temperature, where the second roughness value is less than the first roughness value and where the layer is coated with an absorbent layer with variable surface morphology. By using this multilayer material it is possible to ensure that the stagnation temperature does not rise above 180°C, because different asperities below and above the threshold temperature are also associated with different absorption behaviors. However, it has proven to be complicated to produce these layers with variable surface morphology on an industrial scale.
[00017] O documento US 9.671.137 B2 descreve uma solução técnica alternativa a esse respeito. Aqui, diferentes comportamentos abaixo e acima da temperatura limite também são utilizados em materiais compósitos, mas esse comportamento é causado por uma combinação específica do óxido de vanádio termocrômico na camada seletiva. No caso dessa combinação de óxidos, a uma temperatura menor que o limite na faixa de comprimento de onda de 6 μm a 10 μm, ela tem uma alta transmitância de mais de 85% e a uma temperatura maior que o limite, ela tem uma baixa transmitância na faixa entre 20% e 50%. Aqui, em comparação com o óxido de vanádio convencionalmente usado com a fórmula VO2, é alcançada uma refletância menor acima de uma temperatura limite e, portanto, é obtida uma emissão mais alta, que tem o efeito de reduzir a temperatura de estagnação.[00017] Document US 9,671,137 B2 describes an alternative technical solution in this regard. Here, different behaviors below and above the threshold temperature are also used in composite materials, but this behavior is caused by a specific combination of thermochromic vanadium oxide in the selective layer. In the case of this combination of oxides, at a temperature lower than the threshold in the wavelength range of 6 μm to 10 μm, it has a high transmittance of more than 85% and at a temperature higher than the threshold, it has a low transmittance in the range between 20% and 50%. Here, compared to the conventionally used vanadium oxide with the formula VO2, a lower reflectance above a threshold temperature is achieved and therefore a higher emission is obtained, which has the effect of reducing the stagnation temperature.
[00018] O objetivo da presente invenção é fornecer um material compósito do tipo descrito na introdução, que seja particularmente adequado para absorvedores com temperaturas operacionais na faixa de baixa temperatura, com relativamente pouco gasto técnico e especialmente evitando o uso de constituintes da camada que exibem mudanças repentinas nas propriedades devido à temperatura.[00018] The object of the present invention is to provide a composite material of the type described in the introduction, which is particularly suitable for absorbers with operating temperatures in the low temperature range, with relatively little technical expense and especially avoiding the use of layer constituents that exhibit sudden changes in properties due to temperature.
[00019] De acordo com a invenção, isso é alcançado em que a camada intermediária e o sistema multicamada opticamente eficaz são selecionados em relação às suas propriedades ópticas e as camadas são dimensionadas de modo que, com uma absorção solar de pelo menos 92%, a radiação solar em um comprimento de onda de 1500 nm a 5000 nm não seja mais refletida de 20% a 35% e em um comprimento de onda de 5000 nm a 10000 nm seja refletida a 25% a 90% , em que na faixa de comprimento de onda de 5000 nm a 10000 nm em toda a faixa de comprimento de onda da radiação, há um aumento constante na refletância dependente do comprimento de onda do material compósito com o comprimento de onda.[00019] According to the invention, this is achieved in which the intermediate layer and the optically effective multilayer system are selected with respect to their optical properties and the layers are sized so that, with a solar absorption of at least 92%, solar radiation at a wavelength of 1500 nm to 5000 nm is no longer reflected by 20% to 35% and at a wavelength of 5000 nm to 10000 nm is reflected at 25% to 90%, where in the range of wavelength from 5000 nm to 10000 nm in the entire wavelength range of radiation, there is a constant increase in the wavelength-dependent reflectance of the composite material with wavelength.
[00020] Em uma concretização preferida da invenção, pode ser previsto que a camada intermediária e o sistema multicamada opticamente eficaz sejam selecionados em relação às suas propriedades ópticas, em particular no que diz respeito à refração e extinção das camadas, e as camadas sejam dimensionadas, de modo que a radiação incidente em uma faixa de comprimento de onda maior ou igual a 5200 nm seja refletida em pelo menos 30 porcento, preferivelmente em pelo menos 40 porcento e em uma faixa de comprimento de onda maior ou igual a 6500 nm, pelo menos em 55 porcento, preferivelmente pelo menos em 60 porcento.[00020] In a preferred embodiment of the invention, it can be envisaged that the intermediate layer and the optically effective multilayer system are selected with respect to their optical properties, in particular with regard to the refraction and extinction of the layers, and the layers are sized , so that incident radiation in a wavelength range greater than or equal to 5200 nm is reflected by at least 30 percent, preferably by at least 40 percent, and in a wavelength range greater than or equal to 6500 nm, at least at least 55 percent, preferably at least 60 percent.
[00021] Através da invenção a maneira convencional de pensar é rompida, em que a qualidade de um material compósito absorvente é melhor quanto mais sua característica de reflexão de absorção se aproxima da função ideal de salto de um "corpo negro" que se refere apenas a uma temperatura operacional específica, em que é levada em consideração a dinâmica térmica, que se estabelece após o desligamento do coletor.[00021] Through the invention the conventional way of thinking is broken, in which the quality of an absorbent composite material is better the more its absorption reflection characteristic approaches the ideal jump function of a "black body" which refers only at a specific operating temperature, in which the thermal dynamics, which are established after the collector is turned off, are taken into account.
[00022] A abordagem de acordo com a invenção é baseada no fato de que o máximo de emissão de um "corpo negro" muda com a temperatura, especialmente durante a transição de uma temperatura operacional para uma temperatura de estagnação, e a característica de reflexão-absorção dependente do comprimento de onda é projetada levando em consideração a temperatura operacional e a temperatura de estagnação.[00022] The approach according to the invention is based on the fact that the emission maximum of a "black body" changes with temperature, especially during the transition from an operating temperature to a stagnation temperature, and the reflection characteristic -wavelength dependent absorption is designed taking into account the operating temperature and stagnation temperature.
[00023] Por exemplo, o máximo de emissão de um "corpo negro" a uma temperatura de 80°C, que pode descrever uma temperatura operacional normal na faixa de baixa temperatura, se situa em um comprimento de onda de cerca de 8200 nm, enquanto esse máximo no caso de uma temperatura de 200°C, que representa uma temperatura de estagnação normal desses materiais absorvedores convencionais, é de apenas 6124 nm. Embora os materiais absorvedores usuais possuam valores de refletância superiores a 90% nesse comprimento de onda, a refletância de acordo com a invenção é significativamente menor nesse comprimento de onda, por exemplo para apenas metade do valor citado. Isso significa que a radiação térmica é muito mais alta a essa temperatura, de modo que o equilíbrio entre absorção e emissão solar é estabelecido a uma temperatura comparativamente mais baixa se a dissipação do calor útil for interrompida.[00023] For example, the maximum emission from a "black body" at a temperature of 80°C, which may describe a normal operating temperature in the low temperature range, lies at a wavelength of about 8200 nm, while this maximum in the case of a temperature of 200°C, which represents a normal stagnation temperature of these conventional absorber materials, is only 6124 nm. Although usual absorbing materials have reflectance values greater than 90% at this wavelength, the reflectance according to the invention is significantly lower at this wavelength, for example to only half of the cited value. This means that thermal radiation is much higher at this temperature, so that the balance between solar absorption and emission is established at a comparatively lower temperature if useful heat dissipation is stopped.
[00024] De acordo com a invenção, isso pode vantajosamente levar a uma redução na temperatura de estagnação de um coletor de placa plana em 40 K ou mais, o que minimiza significativamente o risco de decomposição, evaporação, desgaseificação, aumentos indesejáveis de pressão, uma diminuição no desempenho do elemento coletor, etc. em relação a fluidos de transferência de calor, substratos e revestimentos do coletor, ou seja, no que diz respeito a todos os fenômenos desvantajosos mencionados acima, associados a altas temperaturas de parada. O uso de materiais baseados em mudanças repentinas de propriedades condicionadas à temperatura, pode ser vantajosamente dispensado.[00024] According to the invention, this can advantageously lead to a reduction in the stagnation temperature of a flat plate collector by 40 K or more, which significantly minimizes the risk of decomposition, evaporation, degassing, undesirable pressure increases, a decrease in the performance of the collecting element, etc. with regard to heat transfer fluids, substrates and collector coatings, i.e. with regard to all the above-mentioned disadvantageous phenomena associated with high stopping temperatures. The use of materials based on sudden changes in properties depending on temperature can be advantageously dispensed with.
[00025] O sistema óptico multicamada de acordo com a invenção pode ser vantajosamente aplicado de uma maneira tecnologicamente comprovada. Por exemplo, pelo menos duas camadas dielétricas e/ou de óxido do sistema óptico multicamada, a camada metálica e/ou a camada intermediária, podem produzir camadas catódicas, em particular camadas catódicas reativa, camadas de CVD ou PECVD ou por evaporação, em particular camadas produzidas por bombardeamento de elétrons ou a partir de fontes térmicas, de modo que sejam vantajosamente camadas aplicadas no vácuo em um processo contínuo No caso da camada intermediária sobre o suporte também pode se tratar de uma camada que consiste em óxido de alumínio, que é, preferivelmente formada a partir de material de suporte oxidado anodicamente ou polido eletroliticamente e oxidado anodicamente.[00025] The multilayer optical system according to the invention can be advantageously applied in a technologically proven manner. For example, at least two dielectric and/or oxide layers of the multilayer optical system, the metallic layer and/or the intermediate layer, can produce cathodic layers, in particular reactive cathodic layers, CVD or PECVD layers or by evaporation, in particular layers produced by electron bombardment or from thermal sources, so that they are advantageously layers applied in a vacuum in a continuous process. In the case of the intermediate layer on the support it can also be a layer consisting of aluminum oxide, which is , preferably formed from anodically oxidized or electrolytically polished and anodically oxidized support material.
[00026] A camada de absorção de luz pode conter um óxido misto de titânio-alumínio e/ou nitreto misto de titânio-alumínio e/ou um oxinitreto misto de titânio-alumínio com a composição química TiAlqOxNy, o em que os índices q, x e y, são respectivamente designados como uma razão estequiométrica ou não estequiométrica.[00026] The light absorption layer may contain a mixed titanium-aluminum oxide and/or mixed titanium-aluminum nitride and/or a mixed titanium-aluminum oxynitride with the chemical composition TiAlqOxNy, where the indices q, x and y, are respectively designated as a stoichiometric or non-stoichiometric ratio.
[00027] Também pode ser vantajosamente previsto que a camada absorvente de luz do sistema óptico de multicamada contenha óxido de cromo da composição química CrOz e/ou nitreto de cromo da composição química CrNv e/ou carboneto de cromo CrCp e/ou oxinitreto de cromo da composição química CrOzNv e/ou oxicarboneto de cromo CrOzCp e/ou oxicarbonitreto de cromo CrOzCp , onde os índices z, v e p indicam uma razão estequiométrica ou não estequiométrica.[00027] It can also be advantageously provided that the light-absorbing layer of the multilayer optical system contains chromium oxide of the chemical composition CrOz and/or chromium nitride of the chemical composition CrNv and/or chromium carbide CrCp and/or chromium oxynitride of the chemical composition CrOzNv and/or chromium oxycarbon CrOzCp and/or chromium oxycarbonitride CrOzCp, where the indices z, v and p indicate a stoichiometric or non-stoichiometric ratio.
[00028] No caso da camada superior pode se tratar preferivelmente de uma camada de óxido de silício com a composição química SiOw, em que o índice w, por sua vez, denota uma razão estequiométrica ou não estequiométrica na composição de óxido. Esta camada tem um efeito antirreflexo e uma alta transmitância, como resultado do qual a porcentagem dos valores de radiação que podem ser absorvidos na camada de absorção de luz aumenta na região solar.[00028] In the case of the upper layer, it may preferably be a layer of silicon oxide with the chemical composition SiOw, where the index w, in turn, denotes a stoichiometric or non-stoichiometric ratio in the oxide composition. This layer has an anti-reflective effect and a high transmittance, as a result of which the percentage of radiation values that can be absorbed in the light-absorbing layer increases in the solar region.
[00029] Os métodos mencionados vantajosamente permitem que a composição química das camadas em relação aos índices p, q, v, w, x, y e z seja ajustada não apenas para valores discretos específicos, mas também para variar fluidicamente a razão estequiométrica ou não estequiométrica dentro de certos limites. As razões estequiométricas ou não estequiométricas p, q, v, w, x, y, z podem estar na faixa de 0 <p e/ou q e/ou v e/ou x e/ou y e/ou z <3 e/ou 1 < w < 2 . Isso pode, por exemplo, aumentar o índice de refração da camada superior redutora de reflexão, que também produz um aumento dos valores da capacidade de carga mecânica (medida de acordo com a norma DIN ISO 9211-4:2008-06), e a absorvância da camada de absorção de luz pode ser definida de maneira direcionada, em que a capacidade de absorção diminui, por exemplo, com o aumento do valor dos índices x e/ou z. As porcentagens respectivas do óxido misto de titânio-alumínio, nitreto de titânio-alumínio e/ou do oxinitreto de titânio-alumínio as porcentagens dos compostos de cromo correspondentes na camada de absorção de luz também podem ser controladas dessa maneira.[00029] The aforementioned methods advantageously allow the chemical composition of the layers with respect to the indices p, q, v, w, x, y and z to be adjusted not only to specific discrete values, but also to fluidly vary the stoichiometric or non-stoichiometric ratio within certain limits. The stoichiometric or non-stoichiometric ratios p, q, v, w, x, y, z can be in the range 0 <p and/or q and/or v and/or x and/or y and/or z <3 and/or 1 < w < 2 . This can, for example, increase the refractive index of the upper reflection-reducing layer, which also produces an increase in the values of the mechanical load capacity (measured according to DIN ISO 9211-4:2008-06), and the Absorbance of the light absorption layer can be defined in a targeted manner, in which the absorption capacity decreases, for example, with an increase in the value of the x and/or z indices. The respective percentages of the mixed titanium-aluminum oxide, titanium-aluminum nitride and/or the titanium-aluminum oxynitride and the percentages of the corresponding chromium compounds in the light absorption layer can also be controlled in this way.
[00030] A característica de absorção-reflexão dependente do comprimento de onda, que é alterada de acordo com a invenção em comparação com o estado da técnica, também prevê uma redução da refletância na temperatura operacional em comparação com os materiais absorventes convencionais. No entanto, a eficiência, que é um pouco menor desse modo, produz apenas uma redução do rendimento anual de energia térmica de, no máximo, cerca de 5%, que é significativamente menor do que as vantagens obtidas, o que demonstra um efeito sinérgico da invenção em uma análise de custo-benefício.[00030] The wavelength-dependent absorption-reflection characteristic, which is changed according to the invention compared to the prior art, also provides for a reduction in reflectance at operating temperature compared to conventional absorbing materials. However, the efficiency, which is somewhat lower in this way, only produces a reduction in the annual thermal energy yield of at most about 5%, which is significantly lower than the advantages obtained, which demonstrates a synergistic effect of the invention in a cost-benefit analysis.
[00031] No que diz respeito à definição da característica de absorção-reflexão dependente do comprimento de onda, pode ser previsto em uma concretização preferida da invenção, de modo que a camada metálica seja semitransparente pelo menos em uma faixa de comprimento de onda de 300 nm a 2500 nm, em particular na faixa de 360 nm a 1800 nm , ou seja, em particular, possua uma transmitância na faixa de 30% a 80%, preferivelmente de 40% a 60%, em que a camada metálica possa ser feita em particular de um metal não nobre, em particular de um metal de transição, preferivelmente de titânio ou cromo ou de um metal de terras raras ou de uma liga do mesmo. A camada metálica pode apresentar apenas uma espessura muito pequena na faixa de 3 nm a 14 nm, em particular na faixa de 5 nm a 12 nm, e pode ser formada em particular em uma só camada.[00031] With regard to the definition of the wavelength-dependent absorption-reflection characteristic, it can be provided in a preferred embodiment of the invention so that the metallic layer is semi-transparent at least in a wavelength range of 300 nm to 2500 nm, in particular in the range of 360 nm to 1800 nm, i.e. in particular, have a transmittance in the range of 30% to 80%, preferably of 40% to 60%, in which the metallic layer can be made in particular of a non-noble metal, in particular of a transition metal, preferably of titanium or chromium or of a rare earth metal or an alloy thereof. The metallic layer may only have a very small thickness in the range of 3 nm to 14 nm, in particular in the range of 5 nm to 12 nm, and may in particular be formed in a single layer.
[00032] Outras concretizações vantajosas da invenção estão contidas nas reivindicações dependentes e na descrição detalhada abaixo.[00032] Other advantageous embodiments of the invention are contained in the dependent claims and in the detailed description below.
[00033] A invenção é explicada em mais detalhes com referência a exemplos de concretização ilustrados pelos desenhos anexos. onde: a figura 1 mostra uma representação diagramática da intensidade relativa dependente do comprimento de onda de uma refletância total hemisférica ponderada por energia solar e de um "corpo negro", bem como a refletividade dependente do comprimento de onda de um material absorvente seletivo que é normalmente considerado ideal, a figura 2 mostra uma representação semelhante à da figura 1, em que, em vez da refletividade dependente do comprimento de onda do material absorvente seletivo considerado ideal, as refletividades dependentes do comprimento de onda de três materiais compósitos disponíveis comercialmente são fornecidas como exemplos comparativos, a figura 3 mostra uma representação semelhante à das figuras 1 e 2, que mostra a refletividade simulada dependente do comprimento de onda de um material compósito disponível comercialmente da figura 2 em comparação com uma concretização típica, representada de maneira ideal, de um material compósito de acordo com a invenção, a figura 4 mostra a dependência da densidade de energia espectral de um "corpo negro", em relação ao comprimento de onda e temperatura, a figura 5 mostra a estrutura da camada de um material compósito de acordo com a invenção, a figura 6 mostra o resultado de uma análise de perfil de profundidade em uma representação esquemática da concentração atômica de elemento ao longo de um tempo de remoção da camada para uma concretização preferida de um material compósito de acordo com a invenção, a figura 7 mostra uma representação diagramática do espectro de reflexão medido na faixa espectral solar de duas concretizações preferidas de um material compósito de acordo com a invenção, a figura 8 é uma representação diagramática do espectro de reflexão medido na faixa espectral de infravermelho das duas concretizações preferidas de um material compósito de acordo com a invenção, a figura 9 mostra uma representação diagramática do curso típico da emissividade das duas concretizações preferidas de um material compósito de acordo com a invenção em função da temperatura, a figura 10 é uma representação diagramática da refletância dependente da temperatura do material compósito de acordo com a invenção antes e depois do envelhecimento.[00033] The invention is explained in more detail with reference to embodiment examples illustrated by the attached drawings. where: Figure 1 shows a diagrammatic representation of the wavelength-dependent relative intensity of a solar-weighted hemispherical total reflectance and a "black body", as well as the wavelength-dependent reflectivity of a selective absorbing material that is normally considered ideal, Figure 2 shows a representation similar to that in Figure 1, in which instead of the wavelength-dependent reflectivity of the selective absorbing material considered ideal, the wavelength-dependent reflectivities of three commercially available composite materials are given. As comparative examples, Figure 3 shows a representation similar to that of Figures 1 and 2, which shows the simulated wavelength-dependent reflectivity of a commercially available composite material of Figure 2 compared to a typical, ideally represented embodiment of a composite material according to the invention, figure 4 shows the dependence of the spectral energy density of a "black body", in relation to wavelength and temperature, figure 5 shows the layer structure of a composite material according to With the invention, Figure 6 shows the result of a depth profile analysis in a schematic representation of the atomic element concentration over a layer removal time for a preferred embodiment of a composite material according to the invention, the figure 7 shows a diagrammatic representation of the reflection spectrum measured in the solar spectral range of two preferred embodiments of a composite material according to the invention, figure 8 is a diagrammatic representation of the reflection spectrum measured in the infrared spectral range of the two preferred embodiments of a composite material according to the invention, figure 9 shows a diagrammatic representation of the typical course of the emissivity of the two preferred embodiments of a composite material according to the invention as a function of temperature, figure 10 is a diagrammatic representation of the dependent reflectance of the temperature of the composite material according to the invention before and after aging.
[00034] Para a descrição a seguir, é expressamente enfatizado que a invenção não se limita aos exemplos de concretização e nem a todas ou mais características das combinações descritas de características, antes, cada característica parcial individual de cada exemplo de concretização também pode ser destacada de todas as outras características parciais descritas em conexão com ela e também têm um significado inventivo em combinação com quaisquer características de outro exemplo de concretização.[00034] For the following description, it is expressly emphasized that the invention is not limited to the embodiment examples and not to all or more features of the described combinations of features, rather, each individual partial feature of each embodiment example can also be highlighted of all other partial features described in connection therewith and also have an inventive meaning in combination with any features of another exemplary embodiment.
[00035] Nas diferentes figuras do desenho, as mesmas partes são sempre fornecidas com os mesmos números de referência, de modo que geralmente são descritas apenas uma vez.[00035] In the different figures of the drawing, the same parts are always provided with the same reference numbers, so that they are generally described only once.
[00036] A representação diagramática da intensidade relativa dependente do comprimento de onda do espectro solar e do "corpo negro" na figura 1 mostra primeiramente o espectro solar padronizado AM1.5 de acordo com a norma ASTM G173-03 no lado esquerdo - na região solar, que já foi explicada na introdução.. O lado direito do diagrama mostra a densidade de distribuição espectral do "corpo negro" BB a uma temperatura de 100°C (normalizada). Além disso, a figura 1 mostra a refletividade dependente do comprimento de onda de um material absorvente seletivo IA, que é considerado ideal no estado da técnica e que, em uma faixa abaixo de um certo comprimento de onda de salto SL de, por exemplo, 2500 nm (2,5 μm), absorve quase 100% do espectro solar e reflete 100% em uma faixa acima desse comprimento de onda. A invenção se afasta dessa imagem ideal de um absorvedor.[00036] The diagrammatic representation of the wavelength-dependent relative intensity of the solar spectrum and the "black body" in figure 1 first shows the AM1.5 standardized solar spectrum according to ASTM G173-03 on the left side - in the region solar, which was already explained in the introduction.. The right side of the diagram shows the spectral distribution density of the "black body" BB at a temperature of 100°C (normalized). Furthermore, Figure 1 shows the wavelength-dependent reflectivity of a selective absorbing material IA, which is considered ideal in the prior art and which, in a range below a certain jump wavelength SL of, e.g. 2500 nm (2.5 μm), absorbs almost 100% of the solar spectrum and reflects 100% in a range above this wavelength. The invention moves away from this ideal image of an absorber.
[00037] Na figura 2, pode-se observar para três materiais compósitos encontrados no mercado no momento do depósito do pedido de patente da depositante, como a refletividade dependente do comprimento de onda R (reflexão total em porcentagem) realmente se aproxima da característica de absorção-reflexão seletiva, que é considerada ideal. Esses materiais são oferecidos sob as marcas Eta plus®, mirotherm® e mirosol® TS no momento do depósito do pedido de patente e são sistemas de camada de absorção seletivos para coletores solares. Os sistemas de camada de eta plus® e mirotherm® são continuamente depositados em vapor no chamado processo “air-to-air” no momento do depósito do pedido de patente em um processo PVD. Absorvâncias de até 95% são alcançadas com uma baixa emissão ε de 5% no máximo. Isso é ilustrado, em particular, pelos perfis de curva ε (À) de um comprimento de onda À de aproximadamente 4,0 μm, cada uma das curvas atingindo um platô, onde mudam apenas ligeiramente. O respectivo comprimento de onda de salto SL das curvas de reflexão está em uma faixa À de aproximadamente 1,2 μm a 1,8 μm (1200 nm a 1800 nm).[00037] In figure 2, it can be seen for three composite materials found on the market at the time of filing the applicant's patent application, how the wavelength-dependent reflectivity R (total reflection in percentage) actually approaches the characteristic of selective absorption-reflection, which is considered ideal. These materials are offered under the brand names Eta plus®, mirotherm® and mirosol® TS at the time of patent application filing and are selective absorption layer systems for solar collectors. The eta plus® and mirotherm® layer systems are continuously vapor deposited in a so-called “air-to-air” process at the time of filing the patent application in a PVD process. Absorbances of up to 95% are achieved with a low emission ε of 5% maximum. This is illustrated, in particular, by the ε(À) curve profiles of a wavelength À of approximately 4.0 μm, each of the curves reaching a plateau, where they change only slightly. The respective SL jump wavelength of the reflection curves is in a range À of approximately 1.2 μm to 1.8 μm (1200 nm to 1800 nm).
[00038] No momento do depósito de pedido de patente, no caso do material mirosol® TS, trata-se de um sistema com laca absorvente seletiva aplicada no chamado processo de “Coil-coating” (produção de rolo para rolo). Esta laca seletiva é vantajosamente hidrofóbica e insensível às impressões digitais no sentido de alta proteção da superfície contra impurezas, mas causa um reflexo local mínimo de cerca de 10 μm.[00038] At the time of filing the patent application, in the case of the mirosol® TS material, it is a system with selective absorbent lacquer applied in the so-called “Coil-coating” process (roll-to-roll production). This selective lacquer is advantageously hydrophobic and insensitive to fingerprints in the sense of high surface protection against impurities, but causes a minimum local reflection of around 10 μm.
[00039] Os materiais compósitos absorventes mencionados acima são utilizados em diferentes tipos de coletores solares térmicos. Na maioria das vezes, os tubos de cobre ou alumínio são soldados na parte traseira dos absorvedores como condutores de calor. Nesse sentido, a soldagem a laser se estabeleceu como a tecnologia de união ideal. Os materiais compósitos mencionados comprovaram seu valor na prática, com economias de CO2 produzidas em milhões de toneladas por ano.[00039] The absorbent composite materials mentioned above are used in different types of solar thermal collectors. Most often, copper or aluminum tubes are soldered to the back of the absorbers as heat conductors. In this sense, laser welding has established itself as the ideal joining technology. The aforementioned composite materials have proven their value in practice, with CO2 savings produced in millions of tons per year.
[00040] A figura 3 mostra as refletividades dependentes do comprimento de onda R mostradas na figura 2 apenas do material acima mencionado mirotherm® em comparação com uma concretização típica de um material compósito V de acordo com a invenção, mostrada de uma maneira idealizada. Podemos observar que o comprimento de onda de salto SL do material compósito V de acordo com a invenção está deslocado em comparação com o material acima mencionado em uma faixa de ondas mais longa.[00040] Figure 3 shows the wavelength-dependent reflectivities R shown in figure 2 of only the above-mentioned mirotherm® material compared to a typical embodiment of a composite material V according to the invention, shown in an idealized manner. We can observe that the jump wavelength SL of the composite material V according to the invention is shifted compared to the above-mentioned material by a longer waveband.
[00041] Também pode ser visto que o material compósito V de acordo com a invenção - e como será explicado mais adiante, em particular com referência às figuras 5 a 8 - em particular sua camada intermediária 2 localizada no suporte 1 e o sistema multicamada opticamente eficaz 3 aplicado sobre ela, são selecionados com relação às suas propriedades ópticas de modo que as camadas 2, 4, 5, 6 sejam dimensionadas de modo que esteja presente uma absorvância o solar α de pelo menos 92%. Em uma faixa de comprimento de onda À de 1500 nm a 5000 nm, a radiação incidente é refletida em não mais de 20% a 35%, e em uma faixa de comprimento de onda À de 5000 nm a 10000 nm a 25% a 90%. Um aumento constante, em particular quase linear, da refletância R com o comprimento de onda À pode ser observado nesta faixa.[00041] It can also be seen that the composite material V according to the invention - and as will be explained later, in particular with reference to figures 5 to 8 - in particular its intermediate layer 2 located on the support 1 and the optically multilayer system effective 3 applied on it, are selected with respect to their optical properties so that layers 2, 4, 5, 6 are sized so that an α solar absorbance of at least 92% is present. In a wavelength range À from 1500 nm to 5000 nm, the incident radiation is reflected by no more than 20% to 35%, and in a wavelength range À from 5000 nm to 10000 nm by 25% to 90 %. A constant, in particular almost linear, increase of the reflectance R with wavelength À can be observed in this range.
[00042] Em concretização preferida, a camada intermediária 2 e o sistema multicamada opticamente eficaz 3 do material compósito V de acordo com a invenção são selecionados em relação às suas propriedades ópticas, em particular no que diz respeito à refração e extinção das camadas 2, 4, 5, 6 e camadas 2, 4, 5, 6, são selecionados de modo que a radiação incidente em um comprimento de onda À acima de 5200 nm seja refletida em pelo menos 30%, preferivelmente pelo menos 40%, e em um comprimento de onda À acima de 6500 nm em pelo menos 55%, preferivelmente pelo menos 60%, tal como é ilustrada a representação exemplificativa na figura 3.[00042] In a preferred embodiment, the intermediate layer 2 and the optically effective multilayer system 3 of the composite material V according to the invention are selected with regard to their optical properties, in particular with regard to the refraction and extinction of the layers 2, 4, 5, 6 and layers 2, 4, 5, 6, are selected so that incident radiation at a wavelength A above 5200 nm is reflected by at least 30%, preferably at least 40%, and at a wavelength A above 6500 nm by at least 55%, preferably at least 60%, as illustrated in the exemplary representation in figure 3.
[00043] Em uma concretização preferida da invenção, na faixa de comprimento de onda À de 4200 nm a 6600 nm, preferivelmente na faixa de 5000 nm a 6200 nm, há um aumento médio na refletância em relação ao comprimento de onda ΔR/ΔA na faixa de 21 porcento a μm a 25 porcento por μm.[00043] In a preferred embodiment of the invention, in the wavelength range À from 4200 nm to 6600 nm, preferably in the range from 5000 nm to 6200 nm, there is an average increase in reflectance in relation to the wavelength ΔR/ΔA in the range from 21 percent per μm to 25 percent per μm.
[00044] Na faixa de comprimento de onda À de 6200 nm a 10000 nm, preferivelmente na faixa de 6600 nm a 9000 nm, esse aumento médio na refletância sobre o comprimento de onda ΔR/ΔA pode preferivelmente estar na faixa de 5% por μm a 10% por μm.[00044] In the wavelength range À of 6200 nm to 10000 nm, preferably in the range of 6600 nm to 9000 nm, this average increase in reflectance over the wavelength ΔR/ΔA may preferably be in the range of 5% per μm at 10% per μm.
[00045] Em contraste com os materiais absorventes conhecidos, em cujo projeto construtivo - como mostrado na figura 1 - é feita referência à emissão do "corpo negro " a uma temperatura padronizada de 100°C, a invenção leva em consideração em sua característica original de absorção-emissão o deslocamento dependente da temperatura do nível máximo de emissão do "corpo preto" ao longo do comprimento de onda À. A representação da dependência da densidade de energia espectral de um "corpo negro " no comprimento de onda À (na abcissa) e na temperatura T (como parâmetro das curvas) na figura 4 ilustra como a radiação máxima do "corpo negro " na faixa de 273 K a 453 K muda com o aumento da temperatura T para comprimentos de onda inferiores À, aumentando o valor absoluto da radiação máxima. Isso é ilustrado pela linha pontilhada "max". Assim, a cada temperatura de absorvedor T pode ser atribuído um comprimento de onda À no qual ocorre uma emissão máxima e vice-versa, a fim de determinar a característica de emissão de absorção de acordo com a invenção.[00045] In contrast to known absorbent materials, in whose constructive design - as shown in figure 1 - reference is made to the emission of the "black body" at a standardized temperature of 100°C, the invention takes into account its original characteristic of absorption-emission the temperature-dependent shift of the maximum "black body" emission level along the wavelength À. The representation of the dependence of the spectral energy density of a "black body" on the wavelength À (on the abscissa) and on the temperature T (as a parameter of the curves) in figure 4 illustrates how the maximum radiation of the "black body" in the range 273 K to 453 K shifts with increasing temperature T to wavelengths shorter than À, increasing the absolute value of maximum radiation. This is illustrated by the dotted line "max". Thus, each absorber temperature T can be assigned a wavelength A at which a maximum emission occurs and vice versa, in order to determine the absorption emission characteristic according to the invention.
[00046] O material compósito V de acordo com a invenção é projetado de modo que, se a temperatura do absorvedor T aumentar quando a dissipação do calor útil for interrompida, a emissão térmica, ou seja, a emissividade ε, também aumentará simultaneamente. Deste modo, o material compósito V de acordo com a invenção desempenha vantajosamente uma função auto-reguladora, em que a uma temperatura mais alta, a emissão mais forte resulta automaticamente em um resfriamento mais forte, porque o valor de épsilon aumenta constantemente na faixa de temperatura relevante, em particular na faixa de 80°C a 200°C.[00046] The composite material V according to the invention is designed so that if the temperature of the absorber T increases when the dissipation of useful heat is stopped, the thermal emission, i.e. the emissivity ε, will also increase simultaneously. In this way, the composite material V according to the invention advantageously performs a self-regulating function, whereby at a higher temperature, stronger emission automatically results in stronger cooling, because the epsilon value constantly increases in the range of relevant temperature, in particular in the range of 80°C to 200°C.
[00047] O valor da emissividade ε é, por exemplo, a uma temperatura de 30°C a 20%, inferior a 25%, com a qual é considerada uma temperatura da radiação máxima inferior a 50°C. No caso de 80°C, o nível máximo de emissão do "corpo negro“ se situa em um comprimento de onda À de aproximadamente 8200 nm. Nesse comprimento de onda, o reflexo do material acima mencionado mirotherm® é de aproximadamente 95%, o do material compósito V de acordo com a invenção é de aproximadamente 80%, em que ambas as curvas tem a mesma absorção de luz solar α. Se uma temperatura de superfície do absorvedor de 200°C for usada como base, o nível máximo de emissão mudará para um comprimento de onda de aproximadamente 6124 nm.Enquanto o reflexo do material mirotherm® acima mencionado permanece praticamente inalterado lá - o valor ε é, portanto, dificilmente influenciado - o reflexo do material compósito V de acordo com a invenção cai para aproximadamente 55%. Como resultado, uma superfície absorvente irradia significativamente bem mais a essa temperatura, o que leva a uma redução da temperatura, ou seja, a uma temperatura de estagnação mais baixa. A diferença presente na faixa de comprimento de onda À acima do comprimento de onda de salto SL do material mirotherm® acima mencionado é marcada na figura 3 por uma área tracejada F. A porcentagem de radiação refletida r nesta área F é absorvida de acordo com a invenção.[00047] The emissivity value ε is, for example, at a temperature of 30°C to 20%, less than 25%, with which a maximum radiation temperature of less than 50°C is considered. In the case of 80°C, the maximum level of "blackbody" emission lies at a wavelength À of approximately 8200 nm. At this wavelength, the reflection of the aforementioned mirotherm® material is approximately 95%, which of the composite material V according to the invention is approximately 80%, where both curves have the same sunlight absorption α. If an absorber surface temperature of 200°C is used as a base, the maximum emission level. will change to a wavelength of approximately 6124 nm. While the reflection of the aforementioned mirotherm® material remains practically unchanged there - the ε value is therefore hardly influenced - the reflection of the composite material V according to the invention drops to approximately 55 % As a result, an absorbing surface radiates significantly more at this temperature, which leads to a reduction in temperature, i.e., a lower stagnation temperature. SL jumping wave of the above-mentioned mirotherm® material is marked in figure 3 by a dashed area F. The percentage of reflected radiation r in this area F is absorbed according to the invention.
[00048] A figura 5 mostra que o material compósito V de acordo com a invenção, em cada caso, consiste em um suporte em forma de banda 1, especialmente deformável, feito de alumínio, de uma camada intermediária 2, em que uma camada intermediária fica localizada em um lado do suporte 1 e por sua vez é aplicado sobre a camada intermediária 2 um sistema multicamada opticamente eficaz 3 .[00048] Figure 5 shows that the composite material V according to the invention, in each case, consists of a band-shaped support 1, especially deformable, made of aluminum, of an intermediate layer 2, in which an intermediate layer is located on one side of the support 1 and in turn an optically effective multilayer system 3 is applied to the intermediate layer 2.
[00049] O material compósito V de acordo com a invenção pode preferivelmente ser projetado na forma de uma bobina com uma largura de até 1600 mm, preferivelmente 1250 mm e uma espessura D de aproximadamente 0,1 mm a 1,5 mm, preferivelmente aproximadamente 0,2 mm a 0,8 mm. O suporte 1 pode preferivelmente ter uma espessura D1 de aproximadamente 0,1 mm a 0,7 mm. O alumínio do suporte 1 pode, em particular, ter uma pureza superior a 99,0%, o que promove condutividade térmica.[00049] The composite material V according to the invention can preferably be designed in the form of a coil with a width of up to 1600 mm, preferably 1250 mm and a thickness D of approximately 0.1 mm to 1.5 mm, preferably approximately 0.2mm to 0.8mm. Support 1 may preferably have a thickness D1 of approximately 0.1 mm to 0.7 mm. The aluminum of support 1 can, in particular, have a purity greater than 99.0%, which promotes thermal conductivity.
[00050] A camada intermediária 2 no suporte 1 é uma camada que consiste em óxido de alumínio, que pode preferivelmente ser feita a partir de material de suporte oxidado anodicamente ou polido eletroliticamente e oxidado anodicamente. Em particular, ele pode ter uma espessura D2 na faixa de 100 nm a 250 nm, preferivelmente na faixa de 130 nm a 180 nm.[00050] The intermediate layer 2 on the support 1 is a layer consisting of aluminum oxide, which may preferably be made from anodically oxidized or electrolytically polished and anodically oxidized support material. In particular, it may have a thickness D2 in the range of 100 nm to 250 nm, preferably in the range of 130 nm to 180 nm.
[00051] O sistema de multicamada 3 de acordo com a invenção compreende duas camadas individuais 4, 5, em que uma camada metálica 6 que também pertence ao sistema óptico de multicamadas 3 é disposta diretamente na camada intermediária 2 abaixo dessas duas camadas 4, 5.[00051] The multilayer system 3 according to the invention comprises two individual layers 4, 5, in which a metallic layer 6 which also belongs to the multilayer optical system 3 is arranged directly on the intermediate layer 2 below these two layers 4, 5 .
[00052] A camada superior 4 do sistema óptico de multicamadas 3 é uma camada dielétrica com um índice de refração n < 2,0 e pode ser, em particular, uma camada de óxido de silício com a composição química SiOw. A camada inferior 5 é uma camada de absorção de luz, que contém preferivelmente um óxido misto de titânio-alumínio e/ou um nitreto misto de titânio-alumínio e/ou um oxinitreto misto de titânio- alumínio da composição química TiAlqOxNy . Esta camada 5 pode, alternativamente ou adicionalmente e/ou em uma subcamada separada, também conter óxido de cromo da composição química CrOz e/ou nitreto de cromo da composição química CrNv e/ou oxinitreto de cromo com a composição química CrOzNv. Os índices q, v, x, y, z denotam, cada um, uma razão estequiométrica ou não estequiométrica da substância oxidada ou nitretada em relação ao oxigênio nos óxidos ou no oxinitreto ou alumínio ao titânio. As razões estequiométricas ou não estequiométricas podem preferivelmente estar na faixa de 0 <q e/ou v e/ou x e/ou y e/ou z <3, enquanto a razão estequiométrica ou não estequiométrica w pode assumir valores na faixa 1 < w < 2 .[00052] The upper layer 4 of the multilayer optical system 3 is a dielectric layer with a refractive index n < 2.0 and may be, in particular, a layer of silicon oxide with the chemical composition SiOw. The lower layer 5 is a light-absorbing layer, which preferably contains a mixed titanium-aluminum oxide and/or a mixed titanium-aluminum nitride and/or a mixed titanium-aluminum oxynitride of the chemical composition TiAlqOxNy. This layer 5 may, alternatively or additionally and/or in a separate sublayer, also contain chromium oxide of the chemical composition CrOz and/or chromium nitride of the chemical composition CrNv and/or chromium oxynitride with the chemical composition CrOzNv. The indices q, v, x, y, z each denote a stoichiometric or non-stoichiometric ratio of the oxidized or nitrided substance to the oxygen in the oxides or in the oxynitride or aluminum to titanium. The stoichiometric or non-stoichiometric ratios may preferably be in the range 0 < q and/or v and/or x and/or y and/or z < 3, while the stoichiometric or non-stoichiometric ratio w may take values in the range 1 < w < 2.
[00053] Pelo fato de, de acordo com a invenção, as duas camadas 4, 5 do sistema óptico de multicamadas 3 poderem ser camadas catódicas, em particular camadas catódicas reativa, camadas CVD ou PECVD ou camadas geradas por evaporação, em particular por bombardeio de elétrons ou de fontes térmicas, é possível , ajustar as razões q, v, w, x, y, z não graduadas (incluindo também valores não estequiométricos dos índices), em que as propriedades da camada respectivas podem ser variadas e as camadas também podem ser formadas como camadas de gradiente índices q, v, w, x, y, z crescentes e /ou decrescentes sobre a espessura da camada.[00053] Due to the fact that, according to the invention, the two layers 4, 5 of the multilayer optical system 3 can be cathodic layers, in particular reactive cathodic layers, CVD or PECVD layers or layers generated by evaporation, in particular by bombardment of electrons or thermal sources, it is possible to adjust the unscaled ratios q, v, w, x, y, z (including also non-stoichiometric values of the indices), whereby the properties of the respective layer can be varied and the layers can also be varied. can be formed as gradient layers indices q, v, w, x, y, z increasing and/or decreasing over the thickness of the layer.
[00054] No que diz respeito à eficiência suficiente para a função de uma redução de reflexão, por exemplo, um limite superior da espessura da camada D4 da camada superior 4 do sistema óptico de multicamadas 3 é de 500 nm. Uma faixa preferida de espessura D4 se estende de 60 nm a 250 nm e uma faixa particularmente preferida de 100 nm a 150 nm.[00054] With regard to sufficient efficiency for the function of a reflection reduction, for example, an upper limit of the thickness of layer D4 of the upper layer 4 of the multilayer optical system 3 is 500 nm. A preferred thickness range D4 extends from 60 nm to 250 nm and a particularly preferred range from 100 nm to 150 nm.
[00055] Um valor que é ideal para a camada de absorção de luz 5 do sistema óptico de multicamadas 3 de acordo com a invenção apresenta uma espessura mínima D5 maior ou igual a 100 nm, máximo de 1 μm, em particular um valor na faixa de 150 nm a 500 nm, particularmente preferivelmente na faixa de 200 nm a 300 nm.[00055] A value that is ideal for the light absorption layer 5 of the multilayer optical system 3 according to the invention has a minimum thickness D5 greater than or equal to 100 nm, maximum 1 μm, in particular a value in the range from 150 nm to 500 nm, particularly preferably in the range from 200 nm to 300 nm.
[00056] De acordo com a invenção, a camada metálica 6 é semitransparente, pelo menos em uma faixa de comprimento de onda de 300 nm a 2500 nm, em particular na faixa de 360 nm a 1800 nm, ou seja, em particular, ela apresenta uma transmitância na faixa de 30% a 80%, preferivelmente de 40% a 60%. Ela pode, preferivelmente, consistir de um metal não nobre, em particular de um metal de transição, tal como particularmente preferivelmente de titânio ou cromo ou de um metal de terras raras, ou de uma liga do mesmo e uma espessura D6 na faixa de 3 nm a 14 nm, em particular na faixa de 5 nm a 12 nm, em que ela é formada em particular em uma camada. A camada metálica 6 também pode ser uma camada catódica ou uma camada produzida por evaporação, em particular uma camada por bombardeio de elétrons ou de fontes térmicas.[00056] According to the invention, the metallic layer 6 is semi-transparent, at least in a wavelength range from 300 nm to 2500 nm, in particular in the range from 360 nm to 1800 nm, that is, in particular, it has a transmittance in the range of 30% to 80%, preferably 40% to 60%. It may preferably consist of a non-noble metal, in particular a transition metal, such as particularly preferably titanium or chromium or a rare earth metal, or an alloy thereof, and a thickness D6 in the range of 3 nm to 14 nm, in particular in the range of 5 nm to 12 nm, in which it is formed in particular in one layer. The metallic layer 6 can also be a cathodic layer or a layer produced by evaporation, in particular a layer by electron bombardment or thermal sources.
[00057] A figura 6 representa o resultado de uma análise realizada por meio de espectroscopia de fotoelétrons (XPS).. Para remoção contínua da camada, tal como quando do uso do equipamento "Quantum 2000" da PHI Physical Electronics para análise, que é baseado na excitação com radiação Al-Kα, por exemplo. Com íons de deposição por pulverização catódica-argônio acelerados por fonte 4 keV, podem ser usados.[00057] Figure 6 represents the result of an analysis carried out using photoelectron spectroscopy (XPS). For continuous layer removal, such as when using the PHI Physical Electronics "Quantum 2000" equipment for analysis, which is based on excitation with Al-Kα radiation, for example. With argon sputtering deposition ions accelerated by 4 keV source can be used.
[00058] Na figura 6, os tempos de remoção (tempos de pulverização catódica), indicados em minutos, de uma constituição particularmente preferida das diferentes camadas 1, 2, 4, 5 e 6 do sistema compósito de acordo com a invenção são atribuídos em relação à sua composição e razões de espessura, e também é indicado como daí resulta a camada respectiva 8 ou o sistema multicamada óptico 3.[00058] In figure 6, the removal times (spraying times), indicated in minutes, of a particularly preferred constitution of the different layers 1, 2, 4, 5 and 6 of the composite system according to the invention are assigned in in relation to its composition and thickness ratios, and it is also indicated how the respective layer 8 or the optical multilayer system 3 results from this.
[00059] À esquerda na figura 6, a camada superior 4 do sistema óptico de multicamadas 3 pode ser vista primeiramente, que é uma camada de óxido de silício e apresenta uma porcentagem insignificante de carbono na superfície. A espessura D4 da camada é de aproximadamente 120 nm. A razão das concentrações atômicas de silício (Si) para oxigênio (O) é de aproximadamente 33,3% a 66,6% na composição química geral, o que ilustra a presença de uma camada de dióxido de silício composta estequiometricamente (SiO2). O índice w da camada de óxido de silício com a composição química SiOw é, portanto, 2.[00059] On the left in figure 6, the top layer 4 of the multilayer optical system 3 can be seen first, which is a layer of silicon oxide and has an insignificant percentage of carbon on the surface. The D4 thickness of the layer is approximately 120 nm. The ratio of atomic concentrations of silicon (Si) to oxygen (O) is approximately 33.3% to 66.6% in the overall chemical composition, which illustrates the presence of a stoichiometrically composed layer of silicon dioxide (SiO2). The index w of the silicon oxide layer with the chemical composition SiOw is therefore 2.
[00060] Mais à direita na figura 6 está a camada de absorção de luz 5, na qual o teor de oxigênio (O) diminui continuamente e o teor de cromo (Cr) aumenta continuamente. A espessura D5 da camada é de aproximadamente 268 nm. A porcentagem de outros elementos é insignificantemente pequena, levando em consideração o desfoque nos limites da camada mencionados acima. Os pontos de tempo dos tempos de pulverização catódica, marcados com I, II e III no gráfico, são impressionantes na curva. No momento I, há uma razão entre as concentrações atômicas de cromo (Cr) para oxigênio (O) é de aproximadamente 33,3% a 66,6% na composição química geral, em que, neste ponto, é ilustrada a existência de uma camada de óxido de cromo composta por hiperestequiometria em relação ao cromo trivalente (CrO2) . O índice z da camada de óxido de cromo da composição química geral CrOz é de cerca de 2 aqui. No tempo II, há uma razão entre as concentrações atômicas de cromo (Cr) e oxigênio (O) de aproximadamente 40,0% a 60,0% na composição química geral, em que é ilustrada neste ponto a existência de uma camada de óxido de cromo composta por hiperestequiometria em relação ao cromo trivalente (Cr2O3). O índice z da camada de óxido de cromo da composição química geral CrOz é de cerca de 1,5. Com o aumento da profundidade, foi possível determinar a razão Cr-O da camada 5 torna- se substoquiométrica, em que uma razão das concentrações atômicas de cromo (Cr) para oxigênio (O) é de cerca de 50,0% a 50,0% na composição química geral no momento III da remoção, o que indica neste momento a presença de uma camada de óxido de cromo da composição CrO. O índice z da camada de óxido de cromo da composição química geral CrOz é de cerca de 1,0 aqui e se torna menor que 1,0 com o aumento da profundidade da camada. Como o ponto II foi alcançado após cerca de 10% do tempo necessário para pulverizar a camada de absorção de luz 5, a camada 5 consiste em cerca de 90% de sua profundidade composta de compostos de Cr-O compostos estequiometricamente em comparação com o cromo trivalente.[00060] Further to the right in figure 6 is the light absorption layer 5, in which the oxygen (O) content continuously decreases and the chromium (Cr) content increases continuously. The D5 thickness of the layer is approximately 268 nm. The percentage of other elements is negligibly small, taking into account the blurring at the layer boundaries mentioned above. The time points for sputtering times, marked I, II, and III on the graph, are striking on the curve. At time I, there is a ratio between the atomic concentrations of chromium (Cr) to oxygen (O) is approximately 33.3% to 66.6% in the general chemical composition, in which, at this point, the existence of a chromium oxide layer composed of hyperstoichiometry in relation to trivalent chromium (CrO2). The z-index of the chromium oxide layer of the general chemical composition CrOz is about 2 here. At time II, there is a ratio between the atomic concentrations of chromium (Cr) and oxygen (O) of approximately 40.0% to 60.0% in the general chemical composition, which illustrates at this point the existence of an oxide layer of chromium composed of hyperstoichiometry in relation to trivalent chromium (Cr2O3). The z-index of the chromium oxide layer of the general chemical composition CrOz is about 1.5. With increasing depth, it was possible to determine the Cr-O ratio of layer 5 becomes substoichiometric, in which the ratio of atomic concentrations of chromium (Cr) to oxygen (O) is around 50.0% at 50. 0% in the general chemical composition at moment III of removal, which indicates at this moment the presence of a layer of chromium oxide of the CrO composition. The z-index of the chromium oxide layer of the general chemical composition CrOz is about 1.0 here and becomes less than 1.0 with increasing layer depth. Since point II was reached after about 10% of the time required to spray light-absorbing layer 5, layer 5 consists of about 90% of its depth composed of stoichiometrically compounded Cr-O compounds compared to chromium trivalent.
[00061] Na camada metálica 6 constituída por cromo, a curva deve teoricamente aumentar para a porcentagem atômica de cromo em 100% e o conteúdo de oxigênio deve diminuir para porcentagem atômica em 0%. Este não é o caso devido ao desfoque mencionado e à pequena espessura da camada D6 de 3 a 6 nm, mas o pico do cromo IV que ocorre nessa área do tempo de pulverização catódica e o mínimo de oxigênio associado são suficientemente significativos para a detecção da camada metálica de cromo 6.[00061] In the metallic layer 6 consisting of chromium, the curve should theoretically increase to the atomic percentage of chromium at 100% and the oxygen content should decrease to the atomic percentage of 0%. This is not the case due to the aforementioned blur and the small thickness of the D6 layer of 3 to 6 nm, but the chromium IV peak occurring in this area of the sputtering time and the associated oxygen minimum are sufficiently significant for detection of the chrome metallic layer 6.
[00062] No caso da camada intermediária 2 mostrada na figura 6 - como já mencionado - trata-se de uma camada feita de óxido de alumínio (Eloxal) sobre o suporte de alumínio 1, que resulta em uma relação média das concentrações atômicas de 33,3% de alumínio (Al) para 66,6 % de oxigênio (O) em que a camada intermediária 2, finalmente se funde no alumínio puro do suporte 1. A camada tem uma espessura D2 de aproximadamente 173 nm.[00062] In the case of the intermediate layer 2 shown in figure 6 - as already mentioned - it is a layer made of aluminum oxide (Eloxal) on the aluminum support 1, which results in an average ratio of atomic concentrations of 33 .3% aluminum (Al) to 66.6% oxygen (O) in which the intermediate layer 2 finally melts into the pure aluminum of the support 1. The layer has a thickness D2 of approximately 173 nm.
[00063] De acordo com a invenção, o material compósito V contrasta com o estado da técnica, onde a camada metálica conhecida não é semitransparente, mas reflexiva. Como resultado, a camada intermediária conhecida e o suporte conhecido não têm funções ópticas. Em vez disso, de acordo com a invenção, o sistema óptico de multicamadas 3 é vantajosamente ativo opticamente e também a camada intermediária 2 e o suporte 1.[00063] According to the invention, the composite material V contrasts with the prior art, where the known metallic layer is not semi-transparent, but reflective. As a result, the known intermediate layer and the known support have no optical functions. Instead, according to the invention, the multilayer optical system 3 is advantageously optically active and also the intermediate layer 2 and the support 1.
[00064] O sistema multicamada opticamente eficaz 3 de acordo com a invenção atua como uma armadilha de luz, com uma absorção α relativamente alta ocorrendo de acordo com a invenção na faixa de comprimento de onda À na qual os materiais absorvedores convencionais já deixaram para trás o salto SL da refletividade ε que ocorre na transição para comprimentos de onda superiores À , como expresso pela área F na figura 3.[00064] The optically effective multilayer system 3 according to the invention acts as a light trap, with a relatively high absorption α occurring according to the invention in the wavelength range À in which conventional absorbing materials have already left behind the SL jump in reflectivity ε that occurs in the transition to wavelengths higher than À , as expressed by area F in figure 3.
[00065] As figuras 7 a 10 visualmente exemplificam os resultados dos exames obtidos com o material compósito V de acordo com a invenção estruturado de acordo com a figura 6. Como já mencionado, essas são representações esquemáticas inicialmente da refletância dependente do comprimento de onda R para a faixa solar e infravermelha de duas concretizações preferidas de um material compósito V (figuras 7 e 8) ("posição 1" e "posição 2"). Os resultados representam valores médios das medições realizadas em pelo menos três locais diferentes nas amostras.[00065] Figures 7 to 10 visually exemplify the results of the examinations obtained with the composite material V according to the invention structured according to figure 6. As already mentioned, these are schematic representations initially of the wavelength-dependent reflectance R for the solar and infrared range of two preferred embodiments of a composite material V (figures 7 and 8) ("position 1" and "position 2"). The results represent average values from measurements taken at at least three different locations on the samples.
[00066] Para determinar a absorção solar, levando em consideração a norma acima exposta, foi utilizado um espectrômetro UV-Vis “Lambda 950” da Perkin Elmer, em que um padrão espectralon rastreável foi usado como referência para absorvedores solares. Para determinar a emissão térmica, levando em consideração a norma acima exposta, foi usado um espectrômetro FT-IR "Spectrum 400" com esfera de integração banhada a ouro da Fa. PIKE,em que a referência para absorvedores solares era um nível de ouro rastreável. O uso de amostras de referência certificadas para essas medições garante alta reprodutibilidade.[00066] To determine solar absorption, taking into account the above standard, a Perkin Elmer “Lambda 950” UV-Vis spectrometer was used, in which a traceable spectral standard was used as a reference for solar absorbers. To determine the thermal emission, taking into account the standard set out above, an FT-IR spectrometer "Spectrum 400" with a gold-plated integration sphere from Fa was used. PIKE, where the benchmark for solar absorbers was a traceable gold level. The use of certified reference samples for these measurements ensures high reproducibility.
[00067] Na figura 8 podemos observar especificamente que o valor recíproco do comprimento de onda À é plotado na abcissa devido à transformada de Fourier interna do dispositivo, em que os maiores valores numéricos mostrados em cm-1 à esquerda correspondem a valores menores do comprimento de onda À do que os valores maiores à direita indicados em cm -1 por exemplo, o valor de 2500 cm-1 corresponde a um comprimento de onda de 4 μm e o valor de 1000 cm- 1 corresponde a um comprimento de onda de 10 μm. Vantajosamente, no sentido da ilustração, o eixo da abcissa é hiperbolicamente comprimido por esta situação na faixa de infravermelho de onda mais longa, onde as mudanças na refletância R são apenas suaves. Os resultados do teste coincidem - quase com congruência - com a representação idealizada da curva na figura 3.[00067] In figure 8 we can specifically observe that the reciprocal value of the wavelength À is plotted on the abscissa due to the internal Fourier transform of the device, in which the largest numerical values shown in cm-1 on the left correspond to smaller values of the length wavelength À than the larger values on the right indicated in cm -1 for example, the value of 2500 cm-1 corresponds to a wavelength of 4 μm and the value of 1000 cm-1 corresponds to a wavelength of 10 μm. Advantageously, in the sense of the illustration, the abscissa axis is hyperbolically compressed by this situation in the longer wave infrared range, where changes in reflectance R are only smooth. The test results coincide - almost congruously - with the idealized representation of the curve in figure 3.
[00068] Além disso, o grau de reflexão R de um material compósito V de acordo com a invenção em função da temperatura é mostrado uma vez na figura 9 como um perfil típico das duas concretizações preferidas e em segundo lugar na figura 10 antes e após o envelhecimento.[00068] Furthermore, the degree of reflection R of a composite material V according to the invention as a function of temperature is shown once in figure 9 as a typical profile of the two preferred embodiments and secondly in figure 10 before and after aging.
[00069] Em relação às figuras 9 e 10, a Tabela 1 abaixo mostra os resultados individuais que resultaram do espectro de reflexão infravermelha medido de um material compósito V de acordo com a invenção. Com a "Posição 1“ é denotado um material compósito 7 de acordo com a invenção em que o cromo da camada metálica 6 tinha uma espessura D6 de 5,7 nm, enquanto essa espessura D6 para a "posição 2" era de 10 a 12 nm. As medições foram realizadas em temperatura ambiente (25°C), em que os valores relevantes para o desempenho de um absorvedor entre 30°C e 80°C, bem como os valores mais altos relevantes para estagnação foram calculados de acordo com a lei de radiação de Planck. Os valores para 30°C correspondem à representação gráfica na figura 9.Tabela 1: Emissividade ε em porcentagem, dependendo da temperatura em uma absorvância α na faixa de 93,6 % a 94,7 % [00069] In relation to figures 9 and 10, Table 1 below shows the individual results that resulted from the measured infrared reflection spectrum of a composite material V according to the invention. With "Position 1“ a composite material 7 according to the invention is denoted in which the chromium metal layer 6 had a D6 thickness of 5.7 nm, while this D6 thickness for "Position 2" was 10 to 12 nm. Measurements were carried out at room temperature (25°C), where values relevant for the performance of an absorber between 30°C and 80°C as well as the highest values relevant for stagnation were calculated according to the Planck's radiation law. The values for 30°C correspond to the graphical representation in figure 9. Table 1: Emissivity ε in percentage, depending on the temperature at an absorbance α in the range of 93.6% to 94.7%
[00070] As seguintes fórmulas são importantes para a emissividade ε e absorção α: [00070] The following formulas are important for emissivity ε and absorption α:
[00071] Nele, R (À) é a refletância dependente do comprimento de onda, IBB (À) a intensidade dependente do comprimento de onda da radiação de um "corpo negro" e[00071] In it, R (À) is the wavelength-dependent reflectance, IBB (À) the wavelength-dependent intensity of radiation from a "black body" and
[00072] IAM 1,5 (À) a intensidade do espectro solar, que também depende do comprimento de onda - e, como descrito acima, é padronizada de acordo com a norma ASTM G173-03.[00072] IAM 1.5 (À) the intensity of the solar spectrum, which also depends on the wavelength - and, as described above, is standardized according to the ASTM G173-03 standard.
[00073] O material compósito V de acordo com a invenção foi carregado sob dois regimes de temperatura, ou seja, uma vez 300 horas a 200°C e uma vez 72 horas a 250°C. Após a exposição, os espectros de reflexão foram medidos e os valores de alfa e epsilon foram calculados.[00073] The composite material V according to the invention was charged under two temperature regimes, that is, once 300 hours at 200°C and once 72 hours at 250°C. After exposure, reflection spectra were measured and alpha and epsilon values were calculated.
[00074] A este respeito, a Tabela 2 abaixo contém os valores da absorção α antes e depois da carga de temperatura e a alteração Δα que ocorreu durante a carga de temperatura. Os valores antes da carga de temperatura ("Posição 1": α = 93,8%; "Posição 2": α = 94,4% correspondem à representação gráfica na figura 7.Tabela 2: Nível de absorção solar α antes e depois da exposição à temperature [00074] In this regard, Table 2 below contains the values of the absorption α before and after the temperature load and the change Δα that occurred during the temperature load. The values before temperature loading ("Position 1": α = 93.8%; "Position 2": α = 94.4% correspond to the graphical representation in figure 7. Table 2: Solar absorption level α before and after exposure to temperature
[00075] As tabelas 3 e 4 mostram os valores de reflexão ε que ocorrem após a exposição à temperatura para os valores contidos na tabela 1 e correspondem ao gráfico na figura 10 para a "posição 2".Tabela 3: Emissividade ε em porcentagem após 300 horas a 200°CTabela 4: Emissividade ε em porcentagem após 72 horas a 250 °C [00075] Tables 3 and 4 show the reflection values ε that occur after exposure to temperature for the values contained in table 1 and correspond to the graph in figure 10 for "position 2". Table 3: Emissivity ε in percentage after 300 hours at 200°C Table 4: Emissivity ε in percentage after 72 hours at 250 °C
[00076] Pode ser visto nas tabelas 1 a 4 e a partir dos gráficos correspondentes que as propriedades ópticas do material compósito V de acordo com a invenção vantajosamente mudam vantajosamente como resultado da carga de temperatura.[00076] It can be seen from tables 1 to 4 and from the corresponding graphs that the optical properties of the composite material V according to the invention advantageously change as a result of the temperature load.
[00077] A tabela 5 mostra as temperaturas de estagnação Tst resultantes do cálculo do modelo comparativo e as eficiências n de um coletor típico com um material compósito V de acordo com a invenção em comparação com o material mirotherm® acima mencionado.Tabela 5: Temperaturas de estagnação Tst e eficiência n em comparação (simulação) [00077] Table 5 shows the stagnation temperatures Tst resulting from the calculation of the comparative model and the efficiencies n of a typical collector with a composite material V according to the invention in comparison with the aforementioned mirotherm® material. Table 5: Temperatures Tst stagnation and n efficiency in comparison (simulation)
[00078] Pode-se ver facilmente disso que uma redução vantajosamente grande na temperatura de estagnação Ts de 57°C pelo material compósito V de acordo com a invenção é compensada apenas por uma redução muito pequena - subproporcional - na produção de um máximo de apenas 0,04 pontos a uma temperatura de saída de coletor de 75°C..[00078] It can easily be seen from this that an advantageously large reduction in the stagnation temperature Ts of 57°C by the composite material V according to the invention is compensated only by a very small - subproportional - reduction in the production of a maximum of just 0.04 points at a collector outlet temperature of 75°C.
[00079] A presente invenção não se limita aos exemplos de concretização mostrados, mas inclui todos os meios e medidas que têm o mesmo efeito no sentido da invenção. Além disso, a invenção não se limita à combinação de características definidas na reivindicação 1, mas também pode ser definida por qualquer outra combinação de certas características de todas as características individuais divulgadas na totalidade. Isso significa que, em princípio, praticamente todos os recursos individuais da reivindicação 1 podem ser omitidos ou substituídos por pelo menos um recurso individual divulgado em outra parte do pedido A este respeito, a reivindicação 1 deve ser entendida apenas como uma primeira tentativa de formulação de uma invenção. Sinais de referência 1 suporte 2 camada intermediária 3 sistema multicamada óptico 4 camada superior de 3 5 camada de absorção de luz de 3 6 camada metálica A feixe de incidência e feixe de emergência em 5 (figura 7) AM 1,5 espectro solar normatizado- figura 1,2 B1 feixe de reflexão de 6/2 (Fig. 7) B2 feixe de reflexão de 2/1 (Fig. 7) C1 feixe da superposição de A e B1 (figura 7) C2 feixe de superposição de C1 e B2 (figura 7) BB Curva: „Corpo negro (black body)“ - figura 1, 2 D Espessura (total) de V D1 espessura de 1 D2 espessura de 2 D4 espessura de 4 D5 espessura de 5 D6 espessura de 6 DI interferência destrutiva (figura 7) KI interferência construtiva (figura 7) n2 índice de refração de 2 n5 índice de refração de 5 n6 índice de refração de 6 IA curva absorvedor ideal - figura 1 R refletância SL comprimento de onda de salto T Temperatura V material compósito ε emissividade À comprimento de onda θl, θ2, θ3 ângulo de emergência (figura 7)[00079] The present invention is not limited to the embodiment examples shown, but includes all means and measures that have the same effect in the sense of the invention. Furthermore, the invention is not limited to the combination of features defined in claim 1, but may also be defined by any other combination of certain features of all the individual features disclosed in their entirety. This means that, in principle, practically all of the individual features of claim 1 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this regard, claim 1 should be understood only as a first attempt at formulating a an invention. Reference signals 1 support 2 intermediate layer 3 optical multilayer system 4 top layer of 3 5 light absorption layer of 3 6 metallic layer A incidence beam and emergency beam in 5 (figure 7) AM 1.5 standardized solar spectrum- figure 1.2 B1 reflection beam of 6/2 (Fig. 7) B2 reflection beam of 2/1 (Fig. 7) C1 beam of the superposition of A and B1 (figure 7) C2 beam of superposition of C1 and B2 (figure 7) BB Curve: „Black body“ - figure 1, 2 D Thickness (total) of V D1 thickness of 1 D2 thickness of 2 D4 thickness of 4 D5 thickness of 5 D6 thickness of 6 DI destructive interference (figure 7) KI constructive interference (figure 7) n2 refractive index of 2 n5 refractive index of 5 n6 refractive index of 6 IA curve ideal absorber - figure 1 R reflectance SL jump wavelength T Temperature V composite material ε emissivity À wavelength θl, θ2, θ3 emergence angle (figure 7)
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
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