ES2875504T3 - Tubo de recolección de calor solar - Google Patents

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Takuhito Tsutsui
Toru Sasatani
Kazuto Noritake
Yoshiki Okuhara
Tomohiro Kuroyama
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Abstract

Un tubo colector de calor solar (10, 20, 30, 40) en el que al menos una capa reflectante de luz infrarroja (3), una capa de conversión de luz solar en calor (4) y una capa antirreflectante (5) están dispuestas en la superficie exterior de un tubo (2), por cuyo interior puede fluir un medio de calor, en el que la capa reflectante de luz infrarroja (3) tiene una estructura multicapa en la que una capa de Ag (7) está intercalada entre dos capas protectoras metálicas (8), caracterizado porque la capa de Ag (7) tiene dispersado adicionalmente en la misma al menos un metal (6) seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al, las capas protectoras metálicas (8) están formadas por al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta y Nb, o un compuesto del metal y silicio o nitrógeno, y se proporciona una capa de barrera al oxígeno (11) entre las capas protectoras metálicas (8) y la capa de conversión de luz solar en calor (4).

Description

DESCRIPCIÓN
Tubo de recolección de calor solar
Campo técnico
La presente invención se refiere a un tubo colector de calor solar.
Antecedentes de la técnica
Se conocen aparatos de generación de energía de calor solar que convierten la luz solar en calor y generan energía utilizando ese calor. En estos aparatos, la luz solar se condensa por medios de condensación, un medio de calor dentro de un tubo colector de calor solar es calentado por la luz solar condensada, y la energía térmica del medio de calor que ha sido así calentado se utiliza para generar energía. Tales aparatos utilizan, por lo tanto, un tubo colector de calor solar en el que se forman varias capas para convertir eficientemente la luz solar en calor en la superficie exterior de un tubo, por cuyo interior puede fluir el medio de calor. En la superficie exterior de un tubo, por cuyo interior puede fluir un medio de calor, están formados, por ejemplo, una capa reflectante de luz infrarroja que refleja la radiación térmica del medio y el tubo, una capa de conversión de luz solar en calor que convierte la luz solar en calor, y una capa antirreflectante que previene la reflexión de la luz solar. Entre estas diversas capas, se conoce bien el uso de una capa de Ag en la capa reflectante de luz infrarroja (véanse, por ejemplo, los documentos JP 2010271033 A, DE 10 2013 112532 A1, and WO 2013/141180 A1). En particular, el documento WO 2013/141180 A1 desvela un tubo colector de calor solar como se especifica en el preámbulo de la reivindicación 1 , en el que la capa reflectante de luz infrarroja tiene una estructura multicapa.
El documento EP 2 341 038 A1 se refiere a un revestimiento absorbente solar selectivo y un procedimiento de fabricación, con propiedades de absorción solar y baja emisividad. El revestimiento comprende un sustrato de metal, material dieléctrico o cerámico, al menos una capa metálica altamente reflectante en infrarrojo medio lejano aplicada al sustrato mismo que proporciona propiedades de baja emisividad, una estructura multicapa de capas alternas dieléctricas y metálicas de espesor subnanométrico aplicadas a la capa metálica reflectante y al menos una capa dieléctrica que actúa como capa antirreflectante para el espectro solar. El revestimiento es aplicable como revestimiento absorbente selectivo en tubos absorbentes para colectores solares cilindro-parabólicos, en paneles solares para agua caliente, calefacción o refrigeración doméstica, tanto en forma de tubos absorbentes como en láminas absorbentes, en sistemas de captura en plantas de energía solar termoeléctrica de torre, y en sistemas de captura en sistemas de disco Stirling. El documento CN 102 102918 A y H.S. Gurev y col.: "High temperature; stable, spectrally selective solar absorbers for thermochemical hydrogen production", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 2, n.° 3, 1977, páginas 259-267, se refieren a revestimientos similares.
Sumario de la invención
Problema técnico
Cuando aumenta la temperatura del medio de calor que fluye a través del interior del tubo colector de calor solar, la temperatura de la superficie exterior del tubo que tiene el medio de calor fluyendo a través del mismo se vuelve alrededor de 650 °C a 700 °C, y también la capa reflectante de luz infrarroja formada en la superficie exterior del tubo queda expuesta a altas temperaturas. En el presente documento, las capas de Ag utilizadas convencionalmente como capa reflectante de luz infrarroja no tienen suficiente resistencia al calor y, como resultado, el Ag sufre agregación y sublimación, en aproximadamente 1 hora, cuando se expone a altas temperaturas, y el efecto de reflejar la radiación térmica del medio de calor y el tubo se debilita. Por lo tanto, la eficacia de convertir la luz solar en calor disminuye, dado que la capa de Ag en tal estado no puede funcionar suficientemente como una capa reflectante de luz infrarroja.
Para resolver los problemas mencionados anteriormente, es un objeto de la presente invención proporcionar un tubo colector de calor solar en el que la eficacia de conversión de la luz solar en calor no disminuya fácilmente, a través del uso, en una capa reflectante de luz infrarroja, de una capa de Ag que tiene una excelente resistencia al calor y en la que se puede suprimir la agregación y la sublimación de Ag, incluso tras la exposición a altas temperaturas.
Solución al problema
Como resultado de una investigación diligente destinada a resolver el problema anterior, los inventores encontraron que la agregación y la sublimación de Ag se puede suprimir usando, en una capa reflectante de luz infrarroja, una estructura multicapa en la que una capa de Ag que tiene dispersado en la misma al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al están intercalados entre dos capas protectoras metálicas y perfeccionaron la presente invención basándose en ese hallazgo.
Específicamente, la presente invención es un tubo colector de calor solar de acuerdo con la reivindicación 1.
Efectos ventajosos de la invención
La presente invención tiene éxito en proporcionar un tubo colector de calor solar en el que la eficacia de conversión de la luz solar en calor no disminuye fácilmente, a través del uso, en una capa reflectante de luz infrarroja, de una capa de Ag que tiene una excelente resistencia al calor y en la que se puede suprimir la agregación y la sublimación de Ag, incluso tras la exposición a altas temperaturas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de un ejemplo fuera de los términos de las reivindicaciones.
La figura 2 es una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una capa de Ag hecha de Ag solo y formada sobre un sustrato de cuarzo, después de haber sido calentado durante 1 hora a 700 °C.
La figura 3 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de una capa de Ag hecha de Ag solo y formada sobre un sustrato de cuarzo, antes y después de 1 hora de calentamiento a 700 °C.
La figura 4 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 1. La figura 5 es una pila resultante de la estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de una capa protectora metálica (capa de Ta de 20 nm), una capa de Ag (300 nm) que tiene dispersados en la misma 1,2 % atómico de Ta, una capa protectora metálica (capa de Ta de 10 nm) y una capa de barrera al oxígeno (capa de Si3N4 de 50 nm).
La figura 6 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila de la figura 5 antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas.
La figura 7 es una pila resultante de la estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de una capa protectora metálica (capa de W de 20 nm), una capa de Ag (300 nm) que tiene dispersados en la misma 2,1 % atómico de W, una capa protectora metálica (capa de W de 10 nm) y una capa de barrera al oxígeno (capa de Si3N4 de 50 nm).
La figura 8 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila de la figura 7 antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas.
La figura 9 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 2. La figura 10 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 3. La figura 11 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 4. La figura 12 es una pila resultante de la estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de una capa de prevención de reacción (capa de TaSi2 de 20 nm), una capa protectora metálica (capa de Ta de 20 nm), una capa de Ag (300 nm) que tiene dispersados en la misma 1,2 % atómico de Ta, una capa protectora metálica (capa de Ta de 10 nm), una capa de prevención de reacción (capa de TaSi2 de 10 nm) y una capa de barrera al oxígeno (capa de Si3N4 de 50 nm).
La figura 13 es una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de la pila de la figura 12, después de calentar a 700 °C durante 1 hora.
La figura 14 es una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de la pila de la figura 12, después de calentar a 700 °C durante 201 horas.
La figura 15 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila de la figura 12 antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas, 51 horas, 101 horas, 151 horas y 201 horas.
Descripción de las realizaciones
Las realizaciones preferentes del tubo colector de calor solar de la presente invención, un ejemplo fuera de los términos de las reivindicaciones y los procedimientos de producción de las mismas se explicarán a continuación con referencia a los dibujos adjuntos.
Ejemplo
La figura 1 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar del ejemplo fuera de los términos de las reivindicaciones.
En la figura 1, un tubo colector de calor solar 1 del presente ejemplo tiene un tubo 2, por cuyo interior puede fluir un medio de calor, una capa reflectante de luz infrarroja 3 formada en la superficie exterior del tubo 2, una capa de conversión de luz solar en calor 4 formada sobre la capa reflectante de luz infrarroja 3, y una capa antirreflectante 5 formada sobre la capa de conversión de luz solar en calor 4.
El tubo 2, por cuyo interior puede fluir un medio de calor, no está particularmente limitado, y los tubos conocidos en el campo técnico relevante pueden usarse en el presente documento. Habitualmente, un metal que tiene resistencia al calor, representado por un material a base de hierro (por ejemplo, acero inoxidable, acero resistente al calor, acero aleado o acero al carbono) o un material a base de aluminio, se puede utilizar como material del tubo 2. Teniendo en cuenta el entorno de uso (por ejemplo, la temperatura de calentamiento del tubo 2 ), el tubo 2 está fabricado preferentemente de acero inoxidable o acero resistente al calor.
El medio de calor que fluye a través del interior del tubo 2 no está particularmente limitado, y se pueden utilizar en el presente documento medios de calor conocidos en el campo técnico relevante. Los ejemplos del medio de calor incluyen, por ejemplo, agua, aceite, sales fundidas (por ejemplo, sodio fundido) y similares.
La capa reflectante de luz infrarroja 3 formada en la superficie exterior del tubo 2 tiene la función de reflejar la radiación térmica (radiación térmica) del medio de calor y del tubo 2. El medio de calor utilizado en el tubo colector de calor solar 1 y los materiales en el tubo 2 y así sucesivamente pueden, en algunos casos, calentarse a una temperatura alta de alrededor de 650 °C a 700 °C, en cuyo caso la mayoría de las ondas electromagnéticas emitidas son rayos infrarrojos. Por consiguiente, la función principal de la capa reflectante de luz infrarroja 3 es reflejar estos rayos infrarrojos. Específicamente, la capa reflectante de luz infrarroja 3 suprime la emisión, hacia el exterior del tubo 2, de energía térmica emitida por el medio de calor y el tubo 2.
Convencionalmente, se ha utilizado una capa de Ag 7 como capa reflectante de luz infrarroja 3. Sin embargo, una capa de Ag 7 compuesta solo de Ag muestra la agregación o la sublimación de Ag, después de aproximadamente 1 hora, cuando se expone a una temperatura alta de alrededor de 650 °C a 700 °C.
La figura 2 ilustra una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una capa de Ag 7 hecha de Ag solo y formada sobre un sustrato de cuarzo, después de haber sido calentado durante 1 hora a 700 °C. La figura 3 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la capa de Ag 7 antes y después del calentamiento.
Como se muestra en la figura 2, el Ag en la capa de Ag 7 se sublima y se agrega debido al calentamiento, y el sustrato de cuarzo que está debajo de la capa de la capa de Ag 7 queda expuesto. Como se ilustra en la figura 3, la capa de Ag 7 antes del calentamiento tiene una transmitancia de luz sustancialmente cero en una región de longitud de onda de aproximadamente 200 nm a 2500 nm (no se transmite luz dentro de esta región de longitud de onda), mientras que la capa de Ag 7 después del calentamiento exhibe una transmitancia de luz de aproximadamente el 40 % en la región de longitud de onda de aproximadamente 200 nm a 2500 nm (la luz se transmite en esta región de longitud de onda). La función de la capa reflectante de luz infrarroja 3 (la función de reflejar la radiación térmica del medio de calor y el tubo) no es, por lo tanto, suficientemente resaltada por la capa de Ag 7 que ha sufrido la agregación y la sublimación de Ag y, en consecuencia, el efecto en la conversión de la luz solar en el calor es bajo.
En el tubo colector de calor solar 1 del presente ejemplo, por lo tanto, una estructura multicapa en la que una capa de Ag 7 que tiene dispersado en la misma al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al está intercalada entre dos capas protectoras metálicas 8 se utiliza como capa reflectante de luz infrarroja 3. En el presente documento el al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al en la capa reflectante de luz infrarroja 3, teniendo tal estructura multicapa la función de suprimir la agregación y la sublimación de Ag en la capa de Ag 7, como resultado de lo cual se mejora la resistencia al calor de la capa de Ag 7.
La cantidad del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersada en la capa de Ag 7 no está particularmente limitada, pero preferentemente es inferior al 10% atómico, y es más preferentemente del 0,1 % atómico al 7 % atómico, aún más preferentemente del 0,3 % atómico al 5 % atómico, y de manera particularmente preferente del 0,5 % atómico al 3 % atómico.
El espesor de la capa de Ag 7 que tiene dispersado en la misma al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al no está particularmente limitado, pero es preferentemente de 10 nm a 500 nm, más preferentemente de 30 nm a 400 nm, y aún más preferentemente de 50 nm a 300 nm.
La capa de Ag 7 que tiene dispersado en la misma el al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al se forma mediante pulverización catódica en presencia de un gas inerte como el gas nitrógeno o el gas argón, usando un objetivo de Ag y del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al. Las condiciones de pulverización catódica no están particularmente limitadas y pueden ajustarse según sea apropiado dependiendo del aparato que se utilice. El objetivo puede ser objetivos individuales de Ag y del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al, o un objetivo en forma de una mezcla de Ag y del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al.
Las capas protectoras metálicas 8 que componen la capa reflectante de luz infrarroja 3 tienen la función de evitar la difusión de Ag de la capa de Ag 7 en capas adyacentes a la capa reflectante de luz infrarroja 3. En particular, la capa protectora metálica 8 formada en la superficie exterior de la capa reflectante de luz infrarroja 3 tiene la función de hacer que el Ag en la capa de Ag 7 sea menos probable que se sublime. La capa protectora metálica 8 formada en la superficie interior de la capa reflectante de luz infrarroja 3 funciona también como base subyacente de la capa reflectante de luz infrarroja 3. La agregación y sublimación de Ag en la capa de Ag 7 puede suprimirse mediante la función de las capas protectoras metálicas 8 que intercalan la capa de Ag 7 y, por consiguiente, el deterioro de la función de la capa reflectante de luz infrarroja 3 se vuelve menos probable.
Las capas protectoras metálicas utilizadas como capas protectoras metálicas 8 no están particularmente limitadas siempre que se pueda evitar la difusión de Ag, y generalmente se forman a partir de un material de punto de fusión más alto que el de Ag (punto de fusión 961,8 °C). Ejemplos de materiales que tienen un punto de fusión más alto que el de Ag incluyen, por ejemplo, Nb (punto de fusión 2469 °C), Mo (punto de fusión 2623 °C), W (punto de fusión 3422 °C), Cu (punto de fusión 1085 °C), Ni (punto de fusión 1455 °C), Fe (punto de fusión 1538 °C), Cr (punto de fusión 1907 °C), Ta (punto de fusión 3020 °c ) y similares.
Las capas protectoras metálicas 8 pueden estar formadas de un material que incluya al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersado en la capa de Ag 7. Como tal material, se puede usar un compuesto de silicio o nitrógeno y el al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al. Ejemplos de tales compuestos incluyen, por ejemplo, TaSi2 (punto de fusión 2200 °C), MoSÍ2 (punto de fusión 2020 °C), M05SÍ3 (punto de fusión 2180 °C), WSÍ2 (punto de fusión 2160 °C), TaN (punto de fusión 3083 °C), NbSÍ2 (punto de fusión 1930 °C), NbN (punto de fusión 2300 °C) y similares.
Preferentemente, el material que forma capas protectoras metálicas 8 tiene una alta reflectancia hacia la luz en la región infrarroja. Por ejemplo, Nb tiene una reflectancia del 96,1 %, Mo del 97,1 %, W del 95,2 %, Cu del 97,4 %, Ni del 86,4 %, Fe del 81,8 %, Cr del 81,3 % y Ta del 97,3 %, hacia la luz infrarroja a una longitud de onda de 2500 nm; son preferentes en el presente documento por tanto Ta, Nb, Mo, W y Cu que tienen una reflectancia hacia la luz en la región infrarroja superior al 90 %.
El espesor de la capa protectora metálica 8 formada en la superficie exterior de la capa de Ag 7 puede establecerse según sea apropiado, por ejemplo, dependiendo del tipo de material que se use y no está particularmente limitado, pero preferentemente es más pequeño que el espesor de la capa de Ag 7, desde el punto de vista de la supresión de la radiación térmica.
Un espesor apropiado de la capa protectora metálica 8 formada en la superficie exterior de la capa reflectante de luz infrarroja 3 puede concretarse calculando la emisividad sobre la base de los resultados de una aproximación de película multicapa usando las constantes ópticas de los materiales que se utilizan en la capa de Ag 7 y la capa protectora metálica 8. En un caso, por ejemplo, en el que la capa protectora metálica 8 se forma usando Ta sobre una capa reflectante de luz infrarroja 3 que tiene un espesor de 100 nm y que contiene 1 % atómico de Ta, la emisividad a 650 °C puede hacerse más baja que la de una capa de Cu prescribiendo el espesor de la capa protectora metálica 8 (capa de Ta) para que se encuentre en el intervalo de 0,1 nm a 64 nm. En un caso en el que la capa protectora metálica 8 se forme usando W sobre una capa reflectante de luz infrarroja 3 que tiene un espesor de 100 nm y que contiene un 1 % atómico de W, la emisividad a 650 °C se puede hacer más baja que la de una capa de Cu prescribiendo el espesor de la capa protectora metálica 8 (capa W) para que se encuentre en el intervalo de 0,1 nm a 12,2 nm.
El espesor de la capa protectora metálica 8 formada en la superficie interna de la capa de Ag 7 puede establecerse según sea apropiado, por ejemplo, dependiendo del tipo de material que se use y no está particularmente limitado, pero generalmente es de 1 nm a 100 nm, preferentemente de 3 nm a 50 nm, y más preferentemente de 5 nm a 30 nm.
El procedimiento para formar la capa protectora metálica 8 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa protectora metálica 8 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
La capa de conversión de luz solar en calor 4 formada sobre la capa reflectante de luz infrarroja 3 tiene la función de absorber eficientemente la luz solar mientras se suprime la disipación de calor por radiación térmica. La capa de conversión de luz solar en calor 4 también se denomina capa de absorción selectiva de la luz.
Se puede utilizar una capa de conversión de luz solar en calor conocida en el campo técnico correspondiente, sin limitaciones particulares, como la capa de conversión de luz solar en calor 4. Los ejemplos de la capa de conversión de luz solar en calor 4 incluyen, por ejemplo, una capa de cromado negro, una capa de niquelado negro, una capa ennegrecida de níquel no electrolítico, una capa de tetraóxido de triiron (óxido de hierro negro), una capa de cermet (capa formada por un material compuesto de cerámica y metal), una capa de siliciuro de hierro, una capa de siliciuro de manganeso, una capa de siliciuro de cromo, o una capa hecha de un material compuesto de siliciuro de manganeso o siliciuro de cromo y un dieléctrico transparente (por ejemplo, SO 2, AhO3, AlN o similar). Las capas anteriores pueden ser capas individuales o una pluralidad de capas de dos o más tipos.
El espesor de la capa de conversión de luz solar en calor 4 no está particularmente limitado, pero es preferentemente de 1 nm a 10 pm, y más preferentemente de 5 nm a 100 nm.
El procedimiento para formar la capa de conversión de luz solar en calor 4 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa de conversión de luz solar en calor 4 puede formarse mediante deposición química de vapor, deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío, deposición iónica o similar), o mediante chapado.
La capa antirreflectante 5 formada sobre la capa de conversión de luz solar en calor 4 tiene la función de inhibir la reflexión de la luz solar.
Se puede utilizar una capa antirreflectante conocida en el campo técnico correspondiente, sin limitaciones particulares, como la capa antirreflectante 5. Los ejemplos de la capa antirreflectante 5 incluyen, por ejemplo, capas dieléctricas transparentes como capas de SO 2, capas de AhO3, capas de AlN, capas de C^ 3 y similares.
El espesor de la capa antirreflectante 5 no está particularmente limitado, pero es preferentemente de 10 nm a 500 nm.
El procedimiento para formar la capa antirreflectante 5 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa antirreflectante 5 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
A través de la dispersión del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al en la capa de Ag 7, e intercalando la capa de Ag 7 entre las capas protectoras metálicas 8 que previenen la difusión de Ag desde la capa de Ag 7, el tubo colector de calor solar 1 del presente ejemplo que tiene tales características está provisto de una capa reflectante de luz infrarroja 3 que suprime la agregación y la sublimación de Ag y, por consiguiente, las caídas en la eficacia de conversión de la luz solar en calor son menos probables.
Realización 1
La figura 4 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 4, un tubo colector de calor solar 10 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 1 del ejemplo en que se proporciona una capa de barrera al oxígeno 11 entre la capa protectora metálica 8 y la capa de conversión de luz solar en calor 4. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 1 del ejemplo y, por consiguiente, no se explicarán.
La capa de barrera al oxígeno 11 se proporciona con el fin de prevenir el paso de oxígeno, que da lugar a la oxidación de la capa protectora metálica 8. Por consiguiente, la oxidación de la capa protectora metálica 8 puede prevenirse a través de la formación de la capa de barrera al oxígeno 11 entre la capa protectora metálica 8 y la capa de conversión de luz solar en calor 4 y, por consiguiente, el deterioro de la función de la capa protectora metálica 8 se vuelve menos probable.
La capa de barrera al oxígeno 11 no está particularmente limitada y se puede emplear cualquier capa de barrera al oxígeno siempre que el paso del oxígeno de la misma no sea fácil y, por ejemplo, se puede usar una capa dieléctrica como capa de barrera al oxígeno 11. Los ejemplos de capas dieléctricas incluyen, por ejemplo, capas de SiO2, capas de AhO3, capas de AlN, capas de Cr2O3 y capas de Si3N4.
El espesor de la capa de barrera al oxígeno 11 no está particularmente limitado, siempre que se impida el paso de oxígeno, pero generalmente es de 1 nm a 100 nm, preferentemente de 3 nm a 50 nm, y más preferentemente de 5 nm a 30 nm.
El procedimiento para formar la capa de barrera al oxígeno 11 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa de barrera al oxígeno 11 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
En este caso, la pila en la figura 5 se produce a través de estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de la capa protectora metálica 8 (capa de Ta de 20 nm), la capa de Ag 7 (300 nm) que tiene un 1,2 % atómico de Ta dispersado en la misma, la capa protectora metálica 8 (capa de Ta de 10 nm) y la capa de barrera al oxígeno 11 (capa de Si3N4 de 50 nm). La figura 6 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas. En esta pila, la parte en la que la capa de Ag 7 que tiene un 1,2 % atómico de Ta dispersado en la misma está intercalada entre las dos capas protectoras metálicas 8 corresponde a la capa reflectante de luz infrarroja 3. Como revela la figura 6, la transmitancia de luz de la pila no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento. Por lo tanto, la adopción de una estructura multicapa de este tipo permite suprimir la agregación y la sublimación de Ag incluso tras la exposición a una temperatura alta de aproximadamente 700 °C y, en consecuencia, la función como capa reflectante de luz infrarroja 3 (función de reflexión de la radiación térmica del medio de calor y el tubo) no se ve afectada, y la eficacia de conversión de la luz solar en calor no disminuye.
En este caso, la pila en la figura 7 se produce a través de estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de la capa protectora metálica 8 (capa de W de 20 nm), la capa de Ag 7 (300 nm) que tiene 2,1 % atómico de W dispersado en la misma, la capa protectora metálica 8 (capa de W de 10 nm) y la capa de barrera al oxígeno 11 (capa de Si3N4 de 50 nm). La figura 8 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas. En esta pila, la parte en la que la capa de Ag 7 que tiene dispersado en la misma 2,1 % atómico de W está intercalada entre las dos capas protectoras metálicas 8 corresponde a la capa reflectante de luz infrarroja 3. Como revela la figura 8, la transmitancia de luz de la pila no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento.
Tal efecto se puede obtener no solo cuando se usa Ta o W como el componente que se dispersa en la capa de Ag 7, sino también cuando se usa Mo, Nb o Al.
Además del efecto del tubo colector de calor solar 1 del ejemplo, el tubo colector de calor solar 10 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de la función de las capas protectoras metálicas 8.
Realización 2
La figura 9 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 9, un tubo colector de calor solar 20 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 10 de la realización 1 en que en el presente documento se proporciona una capa de prevención de difusión 12 entre el tubo 2 y la capa reflectante de luz infrarroja 3. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 10 de la realización 1 y, por consiguiente, no se explicarán.
La capa de prevención de difusión 12 se proporciona con el fin de prevenir que los componentes del tubo 2 (por ejemplo, Cr) se difundan en la capa superior (capa protectora metálica 8 en la figura 9) que recubre el tubo 2. El deterioro de la función de la capa superior (capa protectora metálica 8 en la figura 9) que recubre el tubo 2 se vuelve menos probable a través de la formación de la capa de prevención de difusión 12 en la superficie exterior del tubo 2.
Se puede utilizar una capa de prevención de difusión conocida en el campo técnico correspondiente, sin limitaciones particulares, como la capa de prevención de difusión 12. Los ejemplos de materiales usados en la capa de prevención de difusión 12 incluyen, por ejemplo, óxidos tales como SiO2 y AhO3 y nitruros como Si3N4 y AlN.
El espesor de la capa de prevención de difusión 12 no está particularmente limitado, siempre que se pueda prevenir que los componentes del tubo 2 se difundan en la capa superior, pero generalmente es de 1 nm a 100 nm, preferentemente de 3 nm a 50 nm, y más preferentemente de 5 nm a 30 nm.
El procedimiento para formar la capa de prevención de difusión 12 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa de prevención de difusión 12 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
Además del efecto del tubo colector de calor solar 1 del tubo colector de calor solar 10 de la realización 1, el tubo colector de calor solar 20 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de la función de la capa superior que recubre el tubo 2.
Realización 3
La figura 10 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 10, un tubo colector de calor solar 30 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 20 de la realización 2 en que se proporciona una capa de prevención de reacción 13 entre la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 20 de la realización 2 y, por consiguiente, no se explicarán. Las características de la presente realización también pueden aplicarse al tubo colector de calor solar 10 de la realización 1.
En un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 estén formadas por un metal como Nb, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Ta o similares, la capa protectora metálica 8 puede reaccionar con la capa de barrera al oxígeno 11. La capa de prevención de reacción 13 se proporciona para prevenir tales reacciones entre la capa protectora metálica 8 en la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11. Por consiguiente, el deterioro de las funciones de la capa reflectante de luz infrarroja 3 y de la capa de barrera al oxígeno 11 se vuelve menos probable al proporcionar la capa de prevención de reacción 13 entre la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11.
La capa de prevención de reacción 13 permite la prevención de reacciones entre la capa protectora metálica 8 y la capa de conversión de luz solar en calor 4, incluso si no se forma la capa de barrera al oxígeno 11. La capa de prevención de reacción 13 también tiene la función de prevenir el paso de oxígeno y, por consiguiente, puede sustituir a la capa de barrera al oxígeno 11 en este caso.
La capa de prevención de reacción 13 no está particularmente limitada, siempre que las reacciones entre la capa protectora metálica 8 en la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11 o la capa de conversión de luz solar en calor 4 sean menos probables, y una capa de prevención de reacción conocida en el campo técnico relevante puede usarse como la capa de prevención de reacción 13. Ejemplos de materiales utilizados en la capa de prevención de reacción 13 incluyen, por ejemplo, siliciuros como el siliciuro de niobio (NbSi2) y siliciuro de tantalio (TaSi2). Entre los anteriores, el material de la capa de prevención de reacción 13 es preferentemente un siliciuro de un metal que se usa en la capa protectora metálica 8.
El espesor de la capa de prevención de reacción 13 no está particularmente limitado siempre que se puedan prevenir las reacciones entre la capa protectora metálica 8 en la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11 o la capa de conversión de luz solar en calor 4, pero generalmente es de 1 nm a 200 nm, preferentemente de 3 nm a 100 nm y más preferentemente de 5 nm a 80 nm.
El procedimiento para formar la capa de prevención de reacción 13 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa de prevención de reacción 13 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
Además del efecto del tubo colector de calor solar 10 de la realización 1 y el tubo colector de calor solar 20 de la realización 2, el tubo colector de calor solar 30 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de la función de las capas protectoras metálicas 8 y la capa de barrera al oxígeno 11 o la capa de conversión de luz solar en calor 4.
En un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 estén formadas por un compuesto del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno (por ejemplo, TaSi2, MoSÍ2, MosA3, WSi2, TaN, NbSi2 o NbN), la capa protectora metálica 8 respectiva y la capa de barrera al oxígeno 11 no reaccionan fácilmente y, por lo tanto, no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 13 entre la capa protectora metálica 8 y la capa de barrera al oxígeno 11. Por lo tanto en un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 estén formadas por un compuesto del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno, se puede lograr un efecto idéntico al del tubo colector de calor solar 30 de la presente realización, incluso cuando no se proporciona la capa de prevención de reacción 13, y también se puede aumentar la productividad, ya que no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 13.
Realización 4
La figura 11 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 11, un tubo colector de calor solar 40 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 30 de la realización 3 en que se proporciona una capa de prevención de reacción 13 entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 30 de la realización 3 y, por consiguiente, no se explicarán. Las características de la presente realización pueden aplicarse también al tubo colector de calor solar 20 de la realización 2.
En un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 de la capa reflectante de luz infrarroja 3 estén formadas por un metal como Nb, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Ta o similares, la capa protectora metálica 8 respectiva puede reaccionar con la capa de prevención de difusión 12. La capa de prevención de reacción 13 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 se proporciona para evitar reacciones entre dicha capa de prevención de difusión 12 y la capa protectora metálica 8 en la capa reflectante de luz infrarroja 3. Por consiguiente, el deterioro de las funciones de la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 se vuelve menos probable al proporcionar la capa de prevención de reacción 13 entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3.
Una capa de prevención de reacción idéntica a la capa de prevención de reacción 13 que se proporciona entre la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de barrera al oxígeno 11 se puede utilizar como la capa de prevención de reacción 13 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3. Entre los anteriores, el material de las capas de prevención de reacción 13 es preferentemente un siliciuro de un metal que se usa en las capas protectoras metálicas 8.
El espesor de la capa de prevención de reacción 13 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 no está particularmente limitado, siempre que se puedan evitar las reacciones entre la capa de prevención de difusión 12 y las capas de protección metálicas 8 en la capa reflectante de luz infrarroja 3, pero generalmente es de 1 nm a 150 nm, preferentemente de 5 nm a 100 nm y más preferentemente de 10 nm a 80 nm.
En el presente documento se produce la pila en la figura 12 a través de estratificación secuencial, sobre un sustrato de cuarzo, de la capa de prevención de reacción 13 (capa de TaSi2 de 20 nm), la capa protectora metálica 8 (capa de Ta de 20 nm), la capa de Ag 7 (300 nm) que tiene un 1,2 % atómico de Ta dispersado en la misma, la capa protectora metálica 8 (capa de Ta de 10 nm), la capa de prevención de reacción 13 (capa de TaSi2 de 10 nm) y la capa de barrera al oxígeno 11 (capa de Si3N4 de 50 nm). Las figuras 13 y 14 ilustran micrografías de microscopio electrónico (MEB) de la pila después de calentar a 700 °C durante 1 hora y durante 201 horas, respectivamente. La figura 15 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas, 51 horas, 101 horas, 151 horas y 201 horas. En esta pila, la parte en la que la capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma 1,2 % atómico de Ta está intercalada entre las dos capas protectoras metálicas 8 corresponde a la capa reflectante de luz infrarroja 3.
Como ilustran las figuras 13 y 14, no se observó ningún cambio en el estado de la pila incluso después de un calentamiento prolongado. Como revela la figura 15, la transmitancia de luz de la pila no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento. En tal pila, por lo tanto, se puede suprimir la agregación y sublimación de Ag, sin deteriorar las funciones de las capas, incluso cuando la pila se expone a una temperatura alta de aproximadamente 700 °C. Por consiguiente, es posible preservar la eficiencia de conversión de la luz solar en calor.
Además del efecto del tubo colector de calor solar 20 de la Realización 2 y del tubo colector de calor solar 30 de la Realización 3, el tubo colector de calor solar 40 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de las funciones de la capa protectora metálica 8 y la capa de prevención de difusión 12.
En un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 estén formadas por un compuesto del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno (por ejemplo, TaSi2, MoSÍ2, Mo5A3, WSi2, TaN, NbSi2 o NbN), la capa de prevención de difusión 12 y la capa protectora metálica 8 no reaccionan fácilmente y, por consiguiente, no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 13 entre la capa de prevención de difusión 12 y la capa protectora metálica 8. Por lo tanto, en un caso en el que las capas protectoras metálicas 8 estén formadas de un compuesto del al menos un metal 6 seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno, se puede lograr un efecto idéntico al del tubo colector de calor solar 40 de la presente realización, incluso cuando no se proporciona la capa de prevención de reacción 13, y también se puede aumentar la productividad, ya que no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 13.
Lista de signos de referencia
1, 10, 20, 30, 40 Tubo colector de calor solar
2 Tubo
3 Capa reflectante de luz infrarroja
4 Capa de conversión de luz solar en calor
5 Capa antirreflectante
6 Al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al
7 Capa de Ag
8 Capa protectora metálica
11 Capa de barrera al oxígeno
12 Capa de prevención de difusión
13 Capa de prevención de reacción

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un tubo colector de calor solar (10, 20, 30, 40) en el que al menos una capa reflectante de luz infrarroja (3), una capa de conversión de luz solar en calor (4) y una capa antirreflectante (5) están dispuestas en la superficie exterior de un tubo (2), por cuyo interior puede fluir un medio de calor, en el que la capa reflectante de luz infrarroja (3) tiene una estructura multicapa en la que una capa de Ag (7) está intercalada entre dos capas protectoras metálicas (8),
caracterizado porque
la capa de Ag (7) tiene dispersado adicionalmente en la misma al menos un metal (6) seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al,
las capas protectoras metálicas (8) están formadas por al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta y Nb, o un compuesto del metal y silicio o nitrógeno, y
se proporciona una capa de barrera al oxígeno (11 ) entre las capas protectoras metálicas (8) y la capa de conversión de luz solar en calor (4).
2. El tubo colector de calor solar (20, 30, 40) de la reivindicación 1, en el que se proporciona una capa de prevención de difusión (12) entre el tubo (2) y la capa reflectante de luz infrarroja (3).
3. El tubo colector de calor solar (30, 40) de la reivindicación 1 o 2, en el que se proporciona una capa de prevención de reacción (13) entre la capa reflectante de luz infrarroja (3) y la capa de barrera al oxígeno (11) o la capa de conversión de luz solar en calor (4).
4. El tubo colector de calor solar (40) de la reivindicación 2 o 3, en el que se proporciona una capa de prevención de reacción (13) entre la capa de prevención de difusión (12 ) y la capa reflectante de luz infrarroja (3).
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