DE2539101C3 - Strahlungsenergie-Wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Licht-Wärme-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmeenergie mit auf einem Substrat angeordnetem Absorptionsmedium.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Entsprechende Energiewandler sind bereits vielfach vorgeschlagen worden, ihre Wirtschaftlichkeit ist jedoch durch einen zu kleinen Wirkungsgrad beeinträchtigt. Da das Kirchhoffsche Gesetz die Absorptionsfähigkeit mit der Emissionsfähigkeit verknüpft, zielen die meisten Versuche, die Absorption von Sonnenstrahlung zu verbessern, auf die Schaffung von Materialien, die eine hohe Absorptionsfähigkeit im Bereich der Wellenlängen des Sonnenlichts (sichtbares Spektrum) aufweisen und kleine Emissionsfähigkeit im Bereich der Betriebstemperaturen (nahe der infraroten SchwarzkörperStrahlung für eine Betriebstemperatur von 550° Celsius, die für den in Turbogeneratoren verwendeten Heißdampf typisch ist).

Die nach diesem Konzept arbeitenden Anordnungen sind viellagige Strukturen, wie sie in dem Artikel »Physiks looks at solar energy« von A. B. M e i η e 1 et al., Physiks today, Febr. 1927, Seiten 44 bis 50 beschrieben sind. Diese Strukturen weisen eine selektive Oberfläche auf, die für Wellenlängen kleiner als 1,3 μηι schwarz ist und für längere Wellenlängen spiegelähnlich. Diese Strukturen dienen daher dazu, eine Oberfläche zu schaffen, die doppelte Funktion ausübt, nämlich die hoher Absorptionsfähigkeit über das solare Emissionsband und kleiner Emissionsfähigkeit im Bereich der Schwarzkörper-Strahlung, und die deshalb als Umsetzer von thermaler Energie in Wärmespeicher geeignet erscheinen. Diesen Strukturen sind jedoch Stabilitätsprobleme bei mittleren Temperaturen eigen, wie bei 550° Celsius, und sie verlangen Dickentoleranzen im Submikronbereich, die nur sehr schwer einzuhalten sind. Ihre Verwirklichung bedingt daher entweder einen sehr hohen Aufwand oder eine Einbuße an Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen relativ einfach herzustellenden Licht-Wärme-Wandler bereitzustellen, der mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Substrat als Breitbandabsorber für Photonen eine dendritische Anordnung eines Absorptionsmaterials aufgewachsen ist, welche dendritische Anordnung faserartige, mehr oder weniger parallel zueinander gerichtete Whiskers des Absorptionsmaterials umfaßt, deren Packungsdichte und individuelle Dicke und Länge von der Größenordnung einiger Wellenlängen der umzuwandelnden Strahlung sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Einzelheiten von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen nachstehend beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

F i g. 1 den wesentlichen Bestandteil des erfindungsgemäßen Energiewandlers,

F i g. 2 einen partiellen Schnitt durch einen Autoklav zum Herstellen von Wandlern gemäß F i g. 1,

F i g. 3 schematisch die Absorptionseigenschaften der Anordnung gemäß Fig. 1,

F i g. 4 das Schema einer Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie,

F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel des Wandlers gemäß F ig. 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zum Umwandeln von optischer Energie in thermische Energie eine absorbierende Oberfläche benulzi, die geometrisch am ehesten mit einem Wald oder Dickicht verglichen werden kann und deren MikroStruktur einer akustisch echolosen Oberfläche ähnelt. Die optische Absorptionsoberfläche besteht aus einem dichten Wald von miteinander ausgerichteten Fasern oder Nadeln, deren Dimensionen in der Größenordnung der umzuwandelnden Wellenlänge liegen und deren gegenseitiger Abstand in der Größenordnung einiger Wellenlängen liegt. Eine derartige Oberfläche kann mit hohem Wirkungsgrad Strahlung absorbieren, da auf das Faserdickicht auftreffende Photonen vielfach Reflexionen unterliegen, ähnlich wie in einem echofreien oder schalltoten Raum Schall durch vielfache Reflexion absorbiert wird. Für einen schlanken Konus, der die Richtung der einzelnen Fasern umgibt, hat das Dickicht eine Absorptionsfähigkeit, die nahe bei 1 liegt. Es ist jedoch nur ein kleiner Teil der hemisphärischen Emissionsfähigkeit in diesem schlanken Konus konzen-

triert. Indem man nun die Fasern, aus denen der Wandler aufgebaut ist, aus einem Material herstellt, welches kleine Emissionsfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Wolfram, kann die integrale hemisphärische Emissionsfähigkeit der Anordnung wesentlich unter 1 gehalten werden.

Fig. 1 zeigt den Hauptbestandteil des erfindungsgemäßen Energiewandlers, der aus einem Substrat 1 mit darauf aufgewachsenen Whiskers 2 besteht. Unter Whiskers werden im allgemeinen monokristalline metallische Fasern verstanden. Das Aufwachsen der Whisker 2 auf einem Substrat 1 erfolgt zweckmäßig in einem Autoklaven 3, in welchem ein geeigneter Träger 4 aus Graphit oder Kohlenstoff angeordnet wird, dessen Temperatur mittels einer Heizwendel 5 auf zwischen 450 und 550° Celsius eingestellt werden kann. Auf dem Träger 4 werden mehrere der Substrate 1 angeordnet. Als Substrat geeignet haben sich erwiesen Saphir (AL₂O₃), rostfreier Stahl und poliertes Wolfram. Rostfreier Stahl ist ein besonders gutes Substrat. Er wird zunächst in Salzsäure eingetaucht, um das Chrom herauszulösen. Es ist auch möglich, den rostfreien Stahl mit Nickel zu plattieren, um eine Basis für das Aufwachsen von Dendriten zu bilden.

Wenn die Substrate 1 auf ihrem Träger 4 in den Autoklav 3 eingeführt sind, werden die Substrate mittels der Heizwendel 5 auf eine Temperatur zwischen 450 und 550° Celsius gebracht. Nach dem Erreichen dieser Temperatur werden Wasserstoff H₂ und Woliramhexafluorid WFö durch eine Einlaßöffnung 6 in den Autoklav 3 eingebracht. Die Durchflußmenge an Wolframhexafluorid beträgt lOOcnWmin und diejenige von Wasserstoff 10 bis 25 l/min, beide bei Atmosphärendruck. Wolframhexafluorid und Wasserstoff reagieren innerhalb des Autoklav gemäß

WF₆ + 3H₂- 6HF + W

Das Wolfram wird dabei auf den Substraten 1 niedergeschlagen, während der unbenutzte Wasserstoff, das überschüssige Wolframhexafluorid sowie das Reaktionsprodukt Flußsäure HF aus einer Auslaßöffnung 7 ausströmen. Der beschriebene Prozeß, der als Wasserstoffreduktion von Wolframhexafluorid bezeichnet wird, ist in Einzelheiten in einem Artikel von A. F. Mayada3, J. J.Cuοmο und R. Rosenberg in dem Journal of the Electro-Chemical Society, Vol. 116, 1969, Seiten 1742 bis 1745 beschrieben.

Bei einem Beispiel betrug die Durchflußmenge an Wasserstoff 10 l/min, die Durchflußmenge an Wolframhexafluorid war 0,1 l/min. Nach 15 Minuten betrug die Dicke des auf dem Substrat 1 niedergeschlagenen Wolframfilms zwischen 125 und 500 μπι. Die Struktur des Wolframfilms, der auf einem Saphirsubstrat niedergeschlagen wurde, hatte die Kristallstruktur

(Ul)W//(0001)a Al₂O₃,

und seine Orientierung in der Ebene des Wolframfilmes

[110]W//[1120]ocAl₂03.

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Die Orientierung der Wolframdendriten war zwillinghaft und erschien in zwei spezifischen Symmetrien, nämlich einmal mit einer sechsfachen Symmetrie und zum anderen mit einer dreifachen Symmetrie.

F i g. 1 zeigt das allgemeine dendritische Wachstum des Wolframs, das durch die Wasserstoffreduktionsmethode von Wolframhexafluorid bei atmosphärischem Druck erfolgt. Das Wachstum ergibt im allgemeinen eine vielschichtige Einheit. Das Substrat 1, das aus Saphir, Wolfram, rostfreiem Stahl oder ähnlichem bestehen kann, bestimmt die bevorzugte Orientierung der ersten Wolframwhisker 2, die auch ihm wachsen. Die ersten Whisker wuchsen in den ersten 10 bis 15 Minuten und hatten eine Höhe von etwa 2 bis 3 μπι. Beim weiteren Wachstum wurden die höheren Whiskers bevorzugt. Im allgemeinen erfolgt das Wachstum derart, daß eine dreischichtige Struktur entsteht, die das Substrat 1 umfaßt, einen »Wald« von individuellen Dendriten oder Whiskern 2, die etwa 5 μπι hoch sind und einen gegenseitigen Mittenabstand von etwa 5 μίτι aufweisen, sowie einen weniger dichten »Wald« von den Dendriten 8, die Höhen von 20 bis 40 μπι erreichen und deren Mittenabstände bei 40 bis 60 μπι liegen. Es wurde beobachtet, daß -,iehr als 98% aller Photonen-Wellenlängen zwischen 0,2 und 40 μπι von der dendritischen Struktur absorbiert werden, falls die Strahlung innerhalb eines Konus mit einem öffnungswinkel von 5° in den »Wald« eintritt, wobei die vertikale Achse des Konus parallel zur Wachstumsrichtung der Dendriten Hegt.

Dieser Wald von dendritischem Wolfram ist besonders geeignet als Strahlungsenergie-Umsetzer, da Wolfram normalerweise Strahlung schlecht absorbiert und schlecht emittiert. Das echofreie Verhalten der dichtstehenden Dendriten 2 und 8 gegenüber auftreffender Strahlung macht den dendritischen Wald zu einem guten Mittel zum Absorbieren dieser Strahlung. Wenn man den Dendritenwald unter einem Winkel von 15 bis 30° zur Vertikalen betrachtet (Konus in F i g. 3), erscheint er völlig schwarz. Wenn man den Wald unter einem Winkel betrachtet, der größer als 30° ist, erscheint die Oberfläche grau und wird zunehmend silbrig, was bedeutet, daß die optische Abstrahlungsfähigkeit der dendritischen Struktur stark reduziert, ist. Fig. 3 zeigt schematisch, wie die erfindungsgemäße Struktur im Zusammenhang mit den wohlbekannten Gesetzen der Strahlungsabsorption und Strahlungsemission angewendet werden kann, nämlich daß die Abstrahlungsfähigkeit (ei) in einem senkrecht zur Oberfläche stehenden Konus gleich der Strahlungsabsorptionsfähigkeit (Ai) in dem gleichen Konus ist. Idealerweise sind beide gleich 1. Die Abstrahlungsfähigkeit (ε₂) bei allen Winkeln außerhalb des Konus ist ebenfalls gleich der Absorptionsfähigkeit [A₂), und beide sollten idealerweise sehr klein sein. Die Achse 9 des Whiskers 2 der F i g. 1 ist parallel zur Richtung der ankommenden Strahlung, die innerhalb eines Konus von zwischen 15 und 30° eintrifft, wobei ein Konus mit 5° öffnung bevorzugt ist. Für diesen. Konus sind die Absorptionsfähigkeit und Emissionsfähigkeit der Anordnung praktisch gleich 1. Die hemisphärischc Emissionsfähigkeit, d. h. die Emissionsfähigkeit, integriert über die gesamte Hemisphäre der Oberfläche, hat den niedrigen Wert von 0,26.

F i g. 4 zeigt eine praktische Möglichkeit zur Anwendung der Erfindung bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie. Ein Behälter 10 mit einer Flüssigkeit, die bei der Betriebstemperatur einen hohen Dampfdruck entwickelt, wie beispielsweise Wasser, ist teilweise umgeben von einer Einheit 11, deren physikalische Eigenschaften der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechen. Die Sonnenstrahlen werden mittels eines Spiegels 12 auf den Wald von Wolfram-Dendriten 2 und 8 geworfen, um die Einheit 11 aufzuheizen..

Für verschiedene Frequenzen der umzuwandelnden

Strahlung, die von den Wolfram-Dendriten absorbiert werden soll, kann es erforderlich sein, das Verhältnis zwischen Höhe und Dicke der einzelnen Dendriten 2 zu verändern. Eine Möglichkeit dieses zu erreichen besteht in Ätzen der gesamten Anordnung gemäß F i g. 1 in einer Lösung von Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid (H₂O₂+NH₄OH). Beim Ätzen wird die Dicke der Dendriten wesentlich stärker reduziert als ihre Höhe, und daher kann die Anordnung gemäß F i g. 5 mit größerem Wirkungsgrad für längere Wellenlängen der Strahlung eingesetzt werden als die ungeätzte Anordnung gemäß Fig. 1. In Fig.5 deuten die gestrichelten Linien die Dicke der Dendriten nach dem Ätzen an.

Andere Absorptionscharakteristiken können dadurch erhalten werden, daß die Dichte des Dendritenwaldes sowie die Dendritenhöhe beeinflußt werden. Das kann durch Veränderung der Abscheidungstemperatur sowie des Gasdurchflusses im Autoklav 3 der F i g. 2 erfolgen.

Die Dendriten 2 und 8 können mit einem Überzug versehen werden, der geringe Emissionsfähigkeit aufweist. Wolfram hat eine hemisphärische Emissionsfähigkeit von 0,08, während Gold bei 550° Celsius lediglich eine Emissionsfähigkeit von 0,02 aufweist. Ein Goldbelag auf den Wolfram-Dendriten würde daher die hemisphärische Emissionsfähigkeit der Dendriten von 0,08 auf 0,02 senken. Es ist also möglich, durch geeignete Wahl von Überzügen die Vorteile kleinerer Emissions-

fähigkeiten zu gewinnen. Außerdem kann ein Überzug dazu dienen, das Wolfram zu passivieren und Korrosion und Oxydation zu verzögern.

Die beschriebene Anordnung ist insbesondere geeignet als Sonnenenergie-Wandler, da nur ein einziges Brechungs-Material erforderlich ist, so daß die Anordnung durch eine hohe Wahrscheinlichkeit ausgezeichnei ist, während ihres Betriebes als Energie-Wandler stabi zu bleiben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Licht-Wärme-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmeenergie mit auf einem Substrat angeordnetem Absorptionsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) als Breitbandabsorber für Photonen eine dendritische Anordnung eines Absorptionsmaterials aufgewachsen ist, welche dendritische Anordnung faserartige, mehr oder weniger parallel zueinander gerichtete Whiskers (2,8) des Absorptionsmaterials umfaßt, deren Packungsdichte und individuelle Dicke und Länge von der Größenordnung einiger Wellenlängen der umzuwandelnden Strahlung sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) auf einem wärmeableitenden Körper (10) montiert ist, wobei die Whiskers (2, 8) von dem Körper (10) hinweg und gegen die Einfallsrichtung der umzuwandelnden Strahlung orientiert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Whiskers (2,8) aus einem Material kleiner Strahlung-Emmissionsfähigkeit bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Whiskers (2, 8) aus Wolfram bestehen.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Saphir besteht.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Wolfram besteht.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus rostfreiem Stahl besteht.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dendritische Anordnung von Whiskers (2, 8) mit einem Material überzogen ist, dessen Emissionsfähigkeit kleiner ist als die Emissionsfähigkeit des Material, aus dem die Whiskers (2,8) bestehen.