CN105229392A - 阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体、阳光-热转换装置及太阳热发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是含有Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的硅化铬的阳光-热转换部件。此外，本发明是具有上述阳光-热转换部件的层和金属层的阳光-热转换层叠体。进而，本发明是具备集光部、利用上述集光部收集阳光的容器和/或流路、以及被收容于上述容器和/或流路内的热介质，且在上述容器和/或流路的表面形成有上述阳光-热转换部件或上述阳光-热转换层叠体的阳光-热转换装置。本发明的阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体及阳光-热转换装置能够将光有效率地转换为热。
Description
技术领域
本发明涉及阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体、阳光-热转换装置及太阳热发电装置。
背景技术
已知将阳光转换成热并利用该热进行发电的太阳热发电装置。该装置中，以集光部收集阳光，利用该收集的阳光将容器和/或流路内的热介质(油、溶解盐、熔融钠等)加热后，在发电机中利用该加热的热介质的热能，从而进行发电。因此，进行了以下研究：从提高将阳光转换成热的效率(其结果为发电效率)的观点出发，在容器和/或流路的表面形成将阳光转换成热的部件(以下称为“阳光-热转换部件”)等，由此促进利用收集的阳光进行的热介质加热。
例如，专利文献1中提出了使用金属陶瓷层作为阳光-热转换部件的方案。这里，金属陶瓷(Cermet)是指使陶瓷(Ceramic)和金属(Metal)复合而成的材料。
此外，专利文献2中提出了使用在一面形成有选择性的涂层而在另一面形成有放射性涂层的片材作为阳光-热转换部件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：欧洲专利第1397622号说明书
专利文献2：日本特开昭57-55363号公报
发明内容
然而，如上所述的以往的阳光-热转换部件的将阳光转换成热的效率仍然不充分。因此，强烈期望促进利用收集的阳光进行的热介质加热，更有效率地将阳光转换成热。
本发明是为了解决如上所述的问题而作出的，其目的是提供一种可将阳光有效率地转换成热的阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体和阳光-热转换装置。
此外，本发明的目的是提供一种发电效率高的太阳热发电装置。
本发明的发明人等为了解决如上所述的问题进行了深入研究，其结果发现，Cr与Si的元素比在规定范围的硅化铬具有适于用于阳光-热转换部件的特性，完成了本发明。
即，本发明是以下的第(1)项～第(9)项。
(1)阳光-热转换部件，含有Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的硅化铬。
(2)如第(1)项所述的阳光-热转换部件，其中，上述硅化铬以CrSi2为主成分。
(3)如第(1)项或第(2)项所述的阳光-热转换部件，是1nm～10μm的厚度的膜状。
(4)如第(1)项～第(3)项中任一项所述的阳光-热转换部件，其中，进一步含有透明介电体。
(5)一种阳光-热转换层叠体，具有第(1)项～第(4)项中任一项所述的阳光-热转换部件的层和金属层。
(6)如第(5)项所述的阳光-热转换层叠体，其中，在上述阳光-热转换部件的层上形成有透明介电体层。
(7)如第(6)项所述的阳光-热转换层叠体，其中，在上述金属层与上述阳光-热转换部件的层之间形成有透明介电体层。
(8)一种阳光-热转换装置，是具备集光部、利用上述集光部收集阳光的容器和/或流路、以及被收容于上述容器和/或流路内的热介质的阳光-热转换装置，
在上述容器和/或流路的表面形成有如第(1)项～第(4)项中任一项所述的阳光-热转换部件或如第(5)项～第(7)项中任一项所述的阳光-热转换层叠体。
(9)一种太阳热发电装置，是具有如第(8)项所述的阳光-热转换装置和发电机的太阳热发电装置，
利用上述阳光-热转换装置将上述容器和/或流路内的热介质加热，且在上述发电机中利用被加热的上述热介质的热能而使电力产生。
根据本发明，可以提供将光有效率地转换成热的阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体和阳光-热转换装置。
此外，根据本发明，可以提供发电效率高的太阳热发电装置。
附图说明
图1是表示阳光的光谱和热辐射光的光谱的图。
图2是实施方式2中的阳光-热转换层叠体的截面图。
图3是实施例1的阳光-热转换层叠体的截面图。
图4是表示实施例1的阳光-热转换层叠体的吸收特性的图。
图5是表示实施例1的阳光-热转换层叠体中的硅化铬层的X射线衍射的图。
图6是具有由硅化铬和SiO2的复合材料构成的层的实施例2的阳光-热转换层叠体的截面图。
图7是实施例2的比较用阳光-热转换层叠体的截面图。
图8是表示实施例2的阳光-热转换层叠体的吸收特性的图。
具体实施方式
实施方式1.
本发明的阳光-热转换部件含有Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的硅化铬。通过使用具有该范围的Cr与Si的元素比的硅化铬，能够在光的吸收与非吸收的变化点，在保持吸收率的倾斜陡峭的状态下调整变化点的波长。
硅化铬优选在各种硅化铬(例如，CrSi、Cr5Si3、Cr3Si、CrSi2)中含有CrSi2作为主成分。这里，本说明书中“主成分”是指含有各种成分的组成中量最多的成分。CrSi2具有对数百nm的波长的可见光吸收率大且对数千nm的波长的红外光吸收率小的光学特性。
将阳光的光谱和热辐射光的光谱示于图1。如图1所示，阳光的光谱以数百nm的波长的可见光区域为中心进行扩展，与此相对，在阳光-热转换部件被暴晒的温度即数百℃(例如200～600℃)的热辐射光的光谱以数千nm的波长的红外区域为中心进行扩展。
此外，通常热辐射的辐射率与热辐射光的吸收率对应，为了减小由热辐射所致的放热，需要减小热辐射光的吸收率。
因此，为了得到对阳光的吸收率高且由热辐射所致的放热少的阳光-热转换部件，必须增大对数百nm的波长的可见光的吸收率，且减小对数千nm的波长的红外光的吸收率。
在该方面，本发明的阳光-热转换部件有选择地含有具有如上所述的光学特性的硅化铬(CrSi2)，因此可以吸收以数百nm的波长的可见光区域为中心进行扩展的阳光，另一方面，难以吸收以数千nm的波长的红外区域为中心进行扩展的热辐射光。
此外，本发明的阳光-热转换部件在1000nm～2480nm的波长区域具有光的吸收与非吸收的陡峭的变化，因此可以在抑制由来自热介质的热辐射所致的放热的同时高效率地吸收阳光。其结果，能够将阳光有效率地转换成热。在该波长范围，光的吸收率的倾斜缓和而未示出光的吸收与非吸收的陡峭的变化时，阳光的吸收率下降，且热辐射率的增大，热能的损耗增大。
阳光-热转换部件可以仅含有硅化铬，但可以进一步含有除硅化铬以外的材料。即，阳光-热转换部件可以仅由硅化铬构成，也可以由硅化铬和除硅化铬以外的材料的复合材料(CompositeMaterial)构成。
作为复合材料中使用的除硅化铬以外的材料，可以使用透明介电体。通过设为硅化铬与透明介电体的复合材料，可以调节阳光-热转换部件的折射率等特性。作为透明介电体，没有特别限定，可以使用在该技术领域公知的透明介电体。作为透明介电体的例子，可举出SiO2、Al2O3、AlN等，但是其中从减小光的反射的观点出发，优选为SiO2。例如，硅化铬与SiO2的复合材料与硅化铬单体同样在光的吸收率的变化点具有陡峭的倾斜，因此对阳光的吸收率高，且由热辐射所致的放热少。
使用复合材料时，复合材料中的硅化铬的含量没有特别限定，例如，可以是10vol％以上、20vol％以上、30vol％以上、40vol％以上、50vol％以上、60vol％以上、70vol％以上、80vol％以上、90vol％以上、95vol％以上。
阳光-热转换部件的形态没有特别限定，可以以任意的形态使用。作为形态的例子，可举出膜状、筒状、板状等，但是特别优选为膜状。
以膜状的形态使用阳光-热转换部件时，其厚度只要为能够取得本发明的效果的范围就没有特别限定，优选为1nm～10μm，更优选为5nm～100nm。
作为阳光-热转换部件的制造方法，没有特别限定，可以使用该技术领域公知的方法。例如，通过使用物理气相沉积(PVD)，尤其是溅射等，可以制造阳光-热转换部件。
实施方式2.
本发明的阳光-热转换层叠体具有上述阳光-热转换部件的层和金属层。此外，也可以在阳光-热转换部件的层上形成透明介电体层。进而，也可以在金属层与阳光-热转换部件的层之间形成透明介电体层。
以下，参照附图对本实施方式的阳光-热转换层叠体详细地进行说明。
图2是本实施方式中的阳光-热转换层叠体的截面图。图2中，阳光-热转换层叠体1具有金属层2、形成于上述金属层2上的透明介电体层3、以及形成于上述透明介电体层3上的上述阳光-热转换部件的层4。此外，在阳光-热转换部件的层4上进一步形成有透明介电体层3。
具有这种构成的阳光-热转换层叠体1具有在1000nm～2480nm的波长区域具有光的吸收与非吸收的陡峭变化而可以在抑制由来自热介质的热辐射所致的放热的同时高效率地吸收阳光的阳光-热转换部件的层4，因此能够将阳光有效率地转换成热。
金属层2是将热辐射光反射的红外线反射层。作为金属层2，没有特别限定，可以使用在该技术领域公知的金属层。作为金属层2的例子，可举出钼(Mo)层、钨(W)层、银(Ag)层、金(Au)层、铜(Cu)层等，从在反射热辐射的同时辅助阳光吸收的观点出发，优选为钼(Mo)层。
金属层2的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就没有特别限定，但是优选为10nm～500nm。
形成于金属层2上的透明介电体层3是用于将通过干涉效应吸收光的波长范围扩张的层。作为透明介电体层3，没有特别限定，可以使用在该技术领域公知的透明介电体层。作为透明介电体层3的例子，可举出SiO2层、Al2O3层、AlN层、Cr2O3层等。
形成于金属层2上的透明介电体层3的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就没有特别限定，但是优选为1nm～500nm。
如上所述，形成于透明介电体层3上的阳光-热转换部件的层4是可以在抑制由来自热介质的热辐射所致的放热(即，不吸收热辐射光)的同时高效率地吸收阳光的阳光吸收层。
阳光-热转换部件的层4的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就没有特别限定，但是优选为5nm～100nm。
阳光-热转换部件的层4可以是1层，也可以是由不同种类的阳光-热转换部件的层4构成的多层。
形成于阳光-热转换部件的层4上的任意的透明介电体层3是阳光的反射防止层。作为该透明介电体层3，可以使用与形成于金属层2上的透明介电体层3相同的透明介电体层。
形成于阳光-热转换部件的层4上的透明介电体层3的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就没有特别限定，但是优选为10nm～500nm。
实施方式3.
本发明的阳光-热转换装置具备集光部、利用上述集光部收集阳光的容器和/或流路、以及被收容于上述容器和/或流路内的热介质，且在容器和/或流路的表面形成有上述阳光-热转换部件或上述阳光-热转换层叠体。
具有这种构成的阳光-热转换装置中，利用集光部将阳光集光于容器和/或流路，利用集光的阳光进行容器和/或流路内的热介质的加热。而且，在收集有阳光的容器和/或流路的表面形成可以在抑制由来自收容经加热的热介质的容器和/或流路的热辐射所致的放热的同时高效率地吸收阳光的阳光-热转换部件或阳光-热转换层叠体，因此能够将阳光有效率地转换成热。
本发明的阳光-热转换装置可以用于将热介质加热至300℃～1100℃，优选加热至400℃～1000℃，更优选加热至400℃～900℃。
本发明的阳光-热转换装置中使用的集光部没有特别限定，可以使用在该技术领域公知的集光部。作为可使用的集光部的例子，可举出抛物面型、太阳塔型、抛物槽型、菲涅尔型、线性菲涅尔型等。
作为本发明的阳光-热转换装置中使用的容器和/或流路，只要可以收容热介质就没有特别限定。作为容器和/或流路的例子，可举出管等。
实施方式4.
本发明的太阳热发电装置具有上述阳光-热转换装置和发电机，利用阳光-热转换装置加热容器和/或流路内的热介质，且在发电机中利用经加热的热介质的热能而使电力产生。
具有这种构成的太阳热发电装置具有能够将阳光有效率地转换成热的阳光-热转换装置，因此可以提供发电效率高的太阳热发电装置。
作为本发明的太阳热发电装置中使用的发电机，只要可以将热转换成电就没有特别限定。作为发电机的例子，可举出通过利用经加热的热介质使水、氨等蒸发介质蒸发并利用其蒸气使汽轮机旋转而可以使电力产生的发电机。
实施例
以下，通过实施例和比较例更详细地说明本发明，但本发明并不由它们所限定。
阳光-热转换层叠体的特性是基于光学常数(n，k)通过多层膜近似而求出的。关于各层的光学常数，已知的光学常数可由文献得到其值，在不清楚的情况下，通过实际制作单层膜并对多层膜近似所需的各层的光学常数(n，k)进行测定·计算而得到。
(实施例1)
通过多层膜近似而求出具有图3所示的结构的阳光-热转换层叠体的吸收特性。对于用于测定光学常数的单层膜的制作，使用石英玻璃(纵30mm·横20mm·厚度1mm)作为基板，将基板温度设定为室温，通过溅射将各种单层膜成膜。成膜后，将单层膜在真空炉中以温度600～800℃退火1小时。这里，溅射时的气氛设为Ar气氛(流量20sccm，压力0.4Pa)。
对于SiO2层的形成，使用SiO2靶和高频电流(RF)电源，以溅射电功率200W使等离子体生成。对于硅化铬层的形成，使用Cr靶、Si靶和直流(DC)电源而使等离子体生成。Cr与Si的元素比不同的硅化铬层是通过使Cr的溅射电功率发生变化而制作的。Cr与Si的元素比为1：4.7的硅化铬层是以Cr的溅射电功率3W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。Cr与Si的元素比为1：3.5的硅化铬层是以Cr的溅射电功率4W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。Cr与Si的元素比为1：2.0的硅化铬层是以Cr的溅射电功率7W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。Cr与Si的元素比为1：1.6的硅化铬层是以Cr的溅射电功率9W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。Cr与Si的元素比为1：1.4的硅化铬层是以Cr的溅射电功率10W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。Cr与Si的元素比为1：1.2的硅化铬层是以Cr的溅射电功率11W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成而形成的。
对阳光-热转换层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)基于Mo的光学常数(n，k)、SiO2的光学常数(nc，kc)和硅化铬的光学常数(ns，ks)通过多层膜近似求出的。将其结果示于图4。
这里，Mo的光学常数(n，k)参考文献“HandbookofOpticalConstantsofSolids,EdwardD.Palik,AcademicPress,Boston,1985”。SiO2的光学常数(nc，kc)和硅化铬的光学常数(ns，ks)使用了利用光谱椭偏仪的测定数据和由用分光光度计测定的反射率特性和透射率特性算出的数据。
如图4所示可知，具有Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的范围的硅化铬层作为太阳热-热转换部件的阳光-热转换层叠体，与具有Cr与Si的元素比为1：1.2和1：1.4的硅化铬层作为太阳热-热转换部件的阳光-热转换层叠体相比，在1000～2480nm的波长范围的光吸收率的倾斜陡峭，可在抑制由来自热介质的热辐射所致的放热的同时高效率地吸收阳光。此外，在Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的范围光吸收率的倾斜几乎相同，由此通过调整元素比，可以在不改变光吸收率的倾斜的情况下调整光的吸收和非吸收的波长区域，因此设计自由度高。
接着，为了考察上述实验结果，对上述中制作的硅化铬层进行了利用X射线衍射法的分析。将其结果示于图5。
如图5所示，对于Cr与Si的元素比为1：3.5和1：4.7的硅化铬层，可看到CrSi2和Si的衍射峰，对于Cr与Si的元素比为1：2.0的硅化铬层，仅可看到CrSi2的衍射峰，对于Cr与Si的元素比为1：1.6的硅化铬层，可看到CrSi2和Cr2O3的衍射峰。若考察这些结果，则对于Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的范围的硅化铬层，均可看到CrSi2的衍射峰，没有看到与CrSi2相比富铬的硅化铬(CrSi、Cr5Si3、Cr3Si中的任一者)的衍射峰，因此可推测硅化铬的大部分为CrSi2，几乎不含与CrSi2相比富铬的硅化铬，即含有CrSi2作为主成分，从而可得到上述特性。
另一方面，对于Cr与Si的元素比为1：1.2和1：1.4的硅化铬层，不仅看到CrSi2和Cr2O3的衍射峰，而且可看到Cr5Si3的衍射峰，因此可推测，与Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的范围的硅化铬层相比，大量生成富铬的硅化铬(CrSi、Cr5Si3、Cr3Si中的任一者)，因此无法得到上述特性。
(实施例2)
制作除了使用由硅化铬和SiO2的复合材料构成的层(硅化铬与SiO2的体积比例为50：50)代替硅化铬层以外与实施例1同样的具有图6所示的结构的阳光-热转换层叠体，通过多层膜近似求出其吸收特性。这里，作为硅化铬，使用Cr与Si的元素比为1：2.0的硅化铬。
对于由硅化铬和SiO2的复合材料构成的层(硅化铬+SiO2层)的形成，使用Cr靶、Si靶和SiO2靶作为靶。溅射电功率是由溅射的成膜比率计算，以硅化铬与SiO2的体积比例为50：50的方式决定。具体而言，对Cr靶、Si靶使用直流(DC)电源，以Cr的溅射电功率7W、Si的溅射电功率50W使等离子体生成。对SiO2靶使用高频电流(RF)电源，以溅射电功率50W使等离子体生成。
接着，对于阳光-热转换层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)，基于Mo的光学常数(n，k)、SiO2的光学常数(nc，kc)以及硅化铬和SiO2的复合材料的光学常数(n，k)，通过多层膜近似求出。将其结果作为“复合材料”示于图8。
这里，Mo的光学常数(n，k)参考文献“HandbookofOpticalConstantsofSolids,EdwardD.Palik,AcademicPress,Boston,1985”。SiO2的光学常数(nc，kc)及硅化铬和SiO2的复合材料的光学常数(n，k)使用了利用光谱椭偏仪的测定数据和由用分光光度计测定的反射率特性和透射率特性算出的数据。
此外，作为比较，制作除了使用Mo层代替硅化铬层以及变更SiO2层的厚度以外与实施例1同样的具有图7所示的结构的阳光-热转换层叠体，通过多层膜近似求出其吸收特性。
对于阳光-热转换层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)，基于Mo的光学常数(n，k)和SiO2的光学常数(nc，kc)通过多层膜近似求出。将其结果作为“比较”示于图8。
这里，Mo的光学常数(n，k)参考文献“HandbookofOpticalConstantsofSolids,EdwardD.Palik,AcademicPress,Boston,1985”。SiO2的光学常数(nc，kc)使用了利用光谱椭偏仪的测定数据和由用分光光度计测定的反射率特性和透射率特性算出的数据
另外，图8中，为了参考，也示出了使用实施例1中制作的Cr与Si的元素比为1：2.0的硅化铬层而得的阳光-热转换层叠体的吸收特性的结果。将该结果作为“硅化铬”示出。
如图8的图所示，具有Mo层作为太阳热-热转换部件的比较用阳光-热转换层叠体在1000～2480nm的波长范围的光吸收率的倾斜缓和，与此相对，具有硅化铬层和由硅化铬和SiO2的复合材料构成的层作为太阳热-热转换部件的阳光-热转换层叠体在1000～2480nm的波长范围内的光吸收率的倾斜陡峭。因此可知，具有硅化铬层和由硅化铬和SiO2的复合材料构成的层作为太阳热-热转换部件的阳光-热转换层叠体与具有Mo层作为太阳热-热转换部件的比较用阳光-热转换层叠体相比，可以在抑制由来自热介质的热辐射所致的放热的同时高效率地吸收阳光。
由以上结果可知，根据本发明，可以提供能够将光有效率地转换成热的阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体和阳光-热转换装置。此外，通过使用阳光-热转换部件、阳光-热转换层叠体和阳光-热转换装置，可以提供发电效率高的太阳热发电装置。
另外，本国际申请主张基于2013年5月7日提出申请的日本专利申请第2013-097676号和2013年9月6日提出申请的日本专利申请第2013-185183号的优先权，在本国际申请中援引这些日本专利申请的全部内容。
符号说明
1阳光-热转换层叠体，2金属层，3透明介电体层，4阳光-热转换部件的层。
Claims (9)
1.一种阳光-热转换部件，含有Cr与Si的元素比为1：1.6～1：4.7的硅化铬。
2.如权利要求1所述的阳光-热转换部件，其中，所述硅化铬以CrSi2为主成分。
3.如权利要求1或2所述的阳光-热转换部件，是1nm～10μm的厚度的膜状。
4.如权利要求1～3中任一项所述的阳光-热转换部件，其中，进一步含有透明介电体。
5.一种阳光-热转换层叠体，具有权利要求1～4中任一项所述的阳光-热转换部件的层和金属层。
6.如权利要求5所述的阳光-热转换层叠体，其中，在所述阳光-热转换部件的层上形成有透明介电体层。
7.如权利要求6所述的阳光-热转换层叠体，其中，在所述金属层与所述阳光-热转换部件的层之间形成有透明介电体层。
8.一种阳光-热转换装置，是具备集光部、利用所述集光部收集阳光的容器和/或流路、以及被收容于所述容器和/或流路内的热介质的阳光-热转换装置，
在所述容器和/或流路的表面形成有如权利要求1～4中任一项所述的阳光-热转换部件或如权利要求5～7中任一项所述的阳光-热转换层叠体。
9.一种太阳热发电装置，是具有如权利要求8所述的阳光-热转换装置和发电机的太阳热发电装置，
利用所述阳光-热转换装置将所述容器和/或流路内的热介质加热，且在所述发电机中利用被加热的所述热介质的热能而使电力产生。
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