ES2877451T3 - Tubo colector de calor solar y procedimiento de producción del mismo - Google Patents
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Abstract
Un tubo colector de calor solar (1, 10, 20, 30, 40, 50, 60) 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 se proporciona una capa protectora metálica (11) entre la capa reflectante de luz infrarroja (3) y la capa de conversión de luz solar en calor (4), caracterizado porque la capa reflectante de luz infrarroja (3) es una capa de Ag (7) en la que silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos (6) se dispersan en una cantidad inferior al 10 % atómico, y la capa protectora metálica (11) está formada 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.
Description
DESCRIPCIÓN
Tubo colector de calor solar y procedimiento de producción del mismo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un tubo colector de calor solar y a un procedimiento de producción del mismo.
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, EP 2 341 038 A1, EP 2930446 A1, CN 104949362 A y DE 102013 112532 A1).
El documento WO 2014/007218 A1 desvela un tubo colector de calor solar como se especifica en el preámbulo de la reivindicación 1. La capa reflectante de luz infrarroja del documento WO 2014/007218 A1 se compone preferentemente de uno o más metales seleccionados entre el grupo que consiste en Ag, AI, Au, Cu, Cr, Hf, La, Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Si, Ta, Ti, Zr y W.
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 y un procedimiento de producción del mismo 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 dispersando silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos en la capa de Ag, 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.
Asimismo, la presente invención es un procedimiento para producir un tubo colector de calor solar de acuerdo con la reivindicación 10.
Efectos ventajosos de la invención
La presente invención tiene éxito en proporcionar un tubo colector de calor solar y un procedimiento de producción del mismo 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 del ejemplo 1.
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 ilustra una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una capa de Ag formada sobre un sustrato de cuarzo y que tiene silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos dispersados en la misma, después de calentar a 700 °C durante 1 hora.
La figura 5 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de una capa de Ag formada sobre un sustrato de cuarzo y que tiene silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos dispersados en la misma, antes y después de calentar la capa de Ag a 700 °C durante 1 hora.
La figura 6 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 1. La figura 7 es un diagrama 
sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 2. La figura 8 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la realización 3. La figura 9 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 (230 nm) que tiene dispersados en la misma 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos, una capa protectora metálica (capa de W de 5 nm) y una capa de barrera al oxígeno (capa de Si3N4 de 50 nm).
La figura 10 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila de la figura 9 antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas.
La figura 11 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar d La figura 12 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar d La figura 13 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar d La figura 14 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 (230 nm) que tiene dispersados en la misma 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos, 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 15 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la pila de la figura 14 antes y después de calentar la pila a 700 °C durante 1 hora, 11 horas y 51 horas.
Descripción de las realizaciones
Las realizaciones preferidas del tubo colector de calor solar y el procedimiento de producción del mismo de la presente invención se explicarán a continuación con referencia a los dibujos adjuntos.
Ejemplo 1
La figura 1 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar del presente ejemplo.
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 se pueden usar en el presente documento tubos conocidos en el campo técnico relevante. 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 subyace a la capa inferior 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, se utiliza una capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 como capa reflectante de luz infrarroja 3. En el presente documento el silicio, el nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 tiene 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 figura 4 ilustra una micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una capa de Ag 7 formada sobre un sustrato de cuarzo y que tiene dispersados en la misma 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6, después de calentar a 700 °C durante 1 hora. La figura 5 ilustra los resultados de la transmitancia de luz de la capa de Ag 7 antes y después de calentar a 700 °C durante 1 hora.
Como ilustra la figura 4, el sustrato de cuarzo que se encuentra debajo de la capa de Ag 7 no queda expuesto, y prácticamente no hay agregación o sublimación de Ag, incluso después de calentar a 700 °C durante 1 hora. Además, la transmitancia de luz de la capa de Ag 7 no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento durante 1 hora, como se ilustra en la figura 5. Por lo tanto, la capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma el silicio, el nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 permite suprimir la agregación y la sublimación de Ag, incluso cuando se expone a una temperatura alta de aproximadamente 700 °C. Respectivamente, la función de la capa de Ag 7 como capa reflectante de luz infrarroja 3 (la función de reflejar la radiación térmica del medio de calor y el tubo) no se ve afectada, y la eficacia de la conversión de la luz solar en calor no disminuye.
La cantidad de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 dispersados en la capa de Ag 7 es inferior al 10 % atómico, y es preferentemente del 0,1 % atómico al 5 % atómico, más preferentemente del 0,3 % atómico al 3 % atómico, y de manera particularmente preferente del 0,5 % atómico al 2 % atómico.
El espesor de la capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma el silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 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 dispersados en la misma el silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 se puede formar mediante pulverización catódica en presencia de un gas que incluye gas argón o gas nitrógeno, utilizándose Ag y silicio como objetivos. Las condiciones de pulverización catódica no están particularmente limitadas y pueden ajustarse según sea apropiado dependiendo del aparato que se utilice. Como objetivo, pueden usarse objetivos individuales de Ag y silicio, o un objetivo en forma de una mezcla de Ag y silicio.
La capa de Ag 7 puede haber dispersado adicionalmente en ella al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y AI, además del silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6. De manera similar al silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6, el al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al provocan el efecto de suprimir la agregación y la sublimación de Ag en la capa de Ag 7 y, como resultado, también mejoran la resistencia al calor de la capa de Ag 7.
En el caso de que la capa de Ag 7 tenga dispersados en la misma el silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 y al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al, la cantidad de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 en la capa de Ag 7 es inferior al 10 % atómico, y es preferentemente del 2 % atómico al 4 % atómico, mientras que la cantidad del al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al en la capa de Ag 7 no está particularmente limitada, pero preferentemente es inferior al 10 % atómico, y más preferentemente del 7 % atómico al 9 % atómico.
El espesor de la capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma el silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 y al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al no están particularmente limitados, pero es preferentemente de 10 nm a 500 nm, y más preferentemente de 50 nm a 300 nm.
La capa de Ag 7 que tiene dispersados en la misma el silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 y el al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al pueden formarse mediante pulverización catódica en presencia de un gas que incluye gas argón o gas nitrógeno, usando Ag, silicio y al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al como objetivos. Las condiciones de pulverización catódica no están particularmente limitadas y pueden ajustarse según sea apropiado dependiendo del aparato que se utilice. El objetivo puede tratarse de objetivos individuales de Ag, de silicio, y de al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al, o un objetivo en forma de mezcla de Ag, silicio y al
menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al.
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 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 0 siliciuro de cromo y un dieléctrico transparente (por ejemplo, SiO2, 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 reflejar 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 SiO2, 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 silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6 en 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 6 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 6, un tubo colector de calor solar 10 de la presente realización se diferencia del tubo colector de calor solar 1 del ejemplo 1 en que se proporciona una capa protectora metálica 11 entre la capa reflectante de luz infrarroja 3 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 1 y, por consiguiente, no se explicarán.
La capa protectora metálica 11 tiene la función de hacer que el Ag contenido en la capa reflectante de luz infrarroja 3 sea menos probable que se sublime. Por consiguiente, la sublimación de Ag contenida en la capa reflectante de luz infrarroja 3 puede suprimirse aún más y el deterioro de la función de la capa reflectante de luz infrarroja 3 puede hacerse menos probable, mediante la formación de la capa protectora metálica 11 entre la capa reflectante de luz infrarroja 3 y la capa de conversión de luz solar en calor 4.
La capa protectora metálica utilizada en la capa protectora metálica 11 no está particularmente limitada siempre que la capa tenga la función de hacer que el Ag sea menos propenso a sublimarse, y generalmente la capa es una capa protectora metálica formada con un material de un punto de fusión más alto que el de Ag (punto de fusión 961,8 °C).
Los 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.
En un caso en el que al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al se disperse en la capa de Ag 7, la capa protectora metálica 11 está formada preferentemente de un material que contiene el metal dispersado en la capa de Ag 7 (es decir, al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta,
Nb y Al). Un compuesto de silicio o nitrógeno y al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al se pueden utilizar como material de este tipo. Los ejemplos de tales compuestos incluyen, por ejemplo, TaSÍ2 (punto de fusión 2200 °C), MoSÍ2 (punto de fusión 2020 °C), MosSh (punto de fusión 2180 °C), w S í2 (punto de fusión 2160 °C), TaN (punto de fusión 3083 °C), NbSi2 (punto de fusión 1930 °C), NbN (punto de fusión 2300 °C) y similares.
Preferentemente, el material que forma la capa protectora metálica 11 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 11 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 reflectante de luz infrarroja 3, desde el punto de vista de la supresión de la radiación térmica.
Un espesor apropiado de la capa protectora metálica 11 formada en 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 reflectante de luz infrarroja 3 y la capa protectora metálica 11. En un caso, por ejemplo, en el que la capa protectora metálica 11 se forma usando Mo sobre la capa reflectante de luz infrarroja 3 que tiene un espesor de 100 nm y que comprende un 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6, la emisividad a 650 °C puede hacerse más baja que la de una capa de Cu prescribiendo el espesor de la capa protectora metálica 11 (capa de Mo) para que se encuentre en el intervalo de 0,1 nm a 39,5 nm. En un caso en el que la capa protectora metálica 11 se forme usando 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 11 (capa W) para que se encuentre en el intervalo de 0,1 nm a 14,1 nm. En un caso en el que la capa protectora metálica 11 se forme usando Nb, la emisividad a 650 °C puede hacerse más baja que la de una capa de Cu prescribiendo el espesor de la capa protectora metálica 11 (capa de Nb) para que se encuentre en el intervalo de 0,1 nm a 5,6 nm.
El procedimiento para formar la capa protectora metálica 11 no está particularmente limitado, y se puede recurrir a un procedimiento conocido en el campo técnico relevante. Por ejemplo, la capa protectora metálica 11 puede formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
Un tubo colector de calor solar 10 de la presente realización que tiene tales características permite una supresión adicional de la sublimación de Ag contenida en la capa reflectante de luz infrarroja 3 y, por consiguiente, el deterioro de la función de la capa reflectante de luz infrarroja 3 se vuelve aún menos probable. Por lo tanto, las caídas en la eficacia de conversión de la luz solar en calor son aún menos probables en el tubo colector de calor solar 10.
Realización 2
La figura 7 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 7, 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 se proporciona además una capa protectora metálica 11 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. Las características de la presente realización pueden aplicarse también al tubo colector de calor solar 1 del ejemplo 1.
La capa protectora metálica 11 proporcionada entre el tubo 2 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 se proporciona como la base subyacente de la capa reflectante de luz infrarroja 3, y tiene la función de facilitar la formación uniforme de la capa reflectante de luz infrarroja 3. Por consiguiente, la capa reflectante de luz infrarroja 3 puede formarse uniformemente, y la función de la capa reflectante de luz infrarroja 3 puede obtenerse de manera estable, mediante la formación de la capa protectora metálica 11 entre el tubo 2 y la capa reflectante de luz infrarroja 3.
La capa protectora metálica 11 que se proporciona entre el tubo 2 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 no está particularmente limitada, y se puede usar la misma capa protectora metálica 11 que se proporciona en la capa reflectante de luz infrarroja 3.
El espesor de la capa protectora metálica 11 proporcionada entre el tubo 2 y la capa reflectante de luz infrarroja 3 no está particularmente limitado, siempre que se pueda resaltar la función de la capa protectora metálica 11 como base subyacente, 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.
Además del efecto del tubo colector de calor solar del ejemplo 1 o 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 lograr la función de la capa reflectante de luz infrarroja 3.
Realización 3
La figura 8 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la Fig. 8, 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 barrera al oxígeno 12 entre la capa protectora metálica 11 y la capa de conversión de luz solar en calor 4. 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 pueden aplicarse también al tubo colector de calor solar 10 de la realización 1.
La capa de barrera al oxígeno 12 se proporciona con el fin de prevenir el paso de oxígeno, que da lugar a la oxidación de la capa protectora metálica 11. Por consiguiente, la oxidación de la capa protectora metálica 11 puede prevenirse mediante la formación de la capa de barrera al oxígeno 12 entre la capa protectora metálica 11 y la capa de conversión de luz solar en calor 4 y, por consiguiente, el deterioro de la función de la capa protectora metálica 11 se vuelve menos probable.
La capa de barrera al oxígeno 12 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 utilizar una capa dieléctrica como capa de barrera al oxígeno 12. 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 12 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 12 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 12 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 9 se produce a través de capas secuenciales, sobre un sustrato de cuarzo, de la capa protectora metálica 11 (capa de W de 20 nm), teniendo la capa de Ag 7 (230 nm) dispersados en la misma 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6, la capa protectora metálica 11 (capa de W de 5 nm) y la capa de barrera al oxígeno 12 (capa de Si3N4 de 50 nm). La figura 10 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. Como revela la figura 10, la transmitancia de luz de la pila no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento. Al adoptar una estructura de múltiples capas, por lo tanto, las funciones de las distintas capas no se ven afectadas y la eficacia de conversión de la luz solar en calor no disminuye.
Además del efecto del tubo colector de calor solar 10 de la realización 1 y el efecto del 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 la capa protectora metálica 11 causado por la oxidación de la misma.
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 en el presente documento se proporciona una capa de prevención de difusión 13 entre el tubo 2 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 también pueden aplicarse al tubo colector de calor solar 1 del ejemplo 1, el tubo colector de calor solar 10 de la realización 1 y el tubo colector de calor solar 20 de la realización 2.
La capa de prevención de difusión 13 se proporciona con el fin de prevenir que los componentes del tubo 2 (por ejemplo, Cr) se difundan en la capa (capa protectora metálica 11 en la figura 11) que recubre el tubo 2. El deterioro de la función de la capa (capa protectora metálica 11 en la figura 11) que recubre el tubo 2 se vuelve menos probable mediante la formación de la capa de prevención de difusión 13 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 13. Ejemplos de materiales usados en la capa de prevención de difusión 13 incluyen, por ejemplo, óxidos como SiO2 y AhO3y nitruros como Si3N4 y AlN.
El espesor de la capa de prevención de difusión 13 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 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 difusión 13 puede
formarse mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor (pulverización catódica, deposición al vacío o deposición iónica).
Además de los efectos del tubo colector de calor solar 1 del ejemplo 1, el tubo colector de calor solar 10 de la realización 1, el tubo colector de calor solar 20 de la realización 2 y el 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 la función de la capa que recubre el tubo 2.
Realización 5
La figura 12 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 12, un tubo colector de calor solar 50 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 40 de la realización 4 en que se proporciona una capa de prevención de reacción 14 entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 40 de la realización 4 y, por consiguiente, no se explicarán. Las características de la presente realización también pueden aplicarse al tubo colector de calor solar 30 de la realización 3.
En un caso en el que la capa protectora metálica 11 esté formada por un metal como Nb, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Ta o similares, la capa protectora metálica 11 puede reaccionar con la capa de barrera al oxígeno 12. La capa de prevención de reacción 14 se proporciona para prevenir tales reacciones entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12. Por consiguiente, el deterioro de las funciones de la capa protectora metálica 11 y de la capa de barrera al oxígeno 12 se vuelve menos probable al proporcionar la capa de prevención de reacción 14 entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12.
Incluso si no se forma la capa de barrera al oxígeno 12, la capa de prevención de reacción 14 permite la prevención de reacción entre la capa protectora metálica 11 y la capa de conversión de luz solar en calor 4. La capa de prevención de reacción 14 también tiene la función de prevenir el paso de oxígeno y, por consiguiente, puede sustituir a la capa de barrera al oxígeno 12 en este caso.
La capa de prevención de reacción 14 no está particularmente limitada, siempre que las reacciones entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12 o la capa de conversión de luz solar en calor 4 sean menos probables, y una capa conocida en el campo técnico relevante puede usarse como la capa de prevención de reacción 14. Los ejemplos de materiales utilizados en la capa de prevención de reacción 14 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 14 es preferentemente un siliciuro de un metal que se usa en la capa protectora metálica 11.
El espesor de la capa de prevención de reacción 14 no está particularmente limitado siempre que se puedan prevenir las reacciones entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12 o la capa de conversión de luz solar en calor 4, pero generalmente es de 1 nm a 200 nm, preferentemente de 3nm a 100 nm y más preferentemente de 5 nm a 80 nm.
El procedimiento para formar la capa de prevención de reacción 14 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 14 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 30 de la realización 3 y el tubo colector de calor solar 40 de la realización 4, el tubo colector de calor solar 50 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de la función de la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12 o la capa de conversión de luz solar en calor 4.
En un caso en el que la capa protectora metálica 11 esté formada por un compuesto del metal (al menos un metal 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 11 y la capa de barrera al oxígeno 12 no reaccionan fácilmente y, por lo tanto, no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 14 entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12. Por lo tanto, en un caso en el que la capa protectora metálica 11 se forme a partir de un compuesto del metal dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno, se puede lograr un efecto idéntico al del tubo colector de calor solar 50 de la presente realización, incluso si no se proporciona la capa de prevención de reacción 14, y también se puede aumentar la productividad, ya que no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 14.
Realización 6
La figura 13 es un diagrama en sección transversal parcial de un tubo colector de calor solar de la presente realización.
En la figura 13, un tubo colector de calor solar 60 de la presente realización difiere del tubo colector de calor solar 50 de la realización 5 en que se proporciona una capa de prevención de reacción 14 entre la capa de prevención de
difusión 13 y la capa protectora metálica 11. Otras características son idénticas a las del tubo colector de calor solar 50 de la realización 5 y, por consiguiente, no se explicarán. Las características de la presente realización pueden aplicarse también al tubo colector de calor solar 40 de la realización 4.
En un caso en el que la capa protectora metálica 11 esté formada por un metal como Nb, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Ta o similares, la capa protectora metálica 11 puede reaccionar con la capa de prevención de difusión 13. La capa de prevención de reacción 14 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11 se proporciona para prevenir tales reacciones entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11. Por consiguiente, el deterioro de las funciones de la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11 se vuelve menos probable al proporcionar la capa de prevención de reacción 14 entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11.
Una capa de prevención de reacción idéntica a la capa de prevención de reacción 14 que se proporciona entre la capa protectora metálica 11 y la capa de barrera al oxígeno 12 se puede utilizar como la capa de prevención de reacción 14 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11. Entre los anteriores, el material de la capa de prevención de reacción 14 es preferentemente un siliciuro de un metal que se usa en la capa protectora metálica 11.
El espesor de la capa de prevención de reacción 14 que se proporciona entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11 no está particularmente limitado, siempre que se puedan prevenir las reacciones entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11, 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 este caso, la pila en la figura 14 se produce a través de capas secuenciales, sobre un sustrato de cuarzo, de la capa de prevención de reacción 14 (capa de TaSi2 de 20 nm), la capa protectora metálica 11 (capa de Ta de 20 nm), teniendo la capa de Ag 7 (230 nm) dispersados en la misma 1,25 % atómico de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos 6, la capa protectora metálica 11 (capa de Ta de 10 nm), la capa de prevención de reacción 14 (capa de TaSi2 de 10 nm) y la capa de barrera al oxígeno 12 (capa de Si3N4 de 50 nm). 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 y 51 horas. Como revela la figura 15, la transmitancia de luz de la pila no presenta prácticamente ningún cambio antes o después del calentamiento. Al adoptar una estructura de múltiples capas, por lo tanto, las funciones de las distintas capas no se ven afectadas y la eficacia de conversión de la luz solar en calor no disminuye.
Además del efecto del tubo colector de calor solar 40 de la Realización 4 y del tubo colector de calor solar 50 de la Realización 5, el tubo colector de calor solar 60 de la presente realización que tiene tales características permite prevenir el deterioro de las funciones de la capa protectora metálica 11 y la capa de prevención de difusión 13.
En un caso en el que la capa protectora metálica 11 esté formada por un compuesto del metal (al menos un metal 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, MosAa, WSi2, TaN, NbSi2 o NbN), la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11 no reaccionan fácilmente y, por consiguiente, no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 14 entre la capa de prevención de difusión 13 y la capa protectora metálica 11. Por lo tanto, en un caso en el que la capa protectora metálica 11 se forme a partir de un compuesto del metal dispersado en la capa de Ag 7 y silicio o nitrógeno, se puede lograr un efecto idéntico al del tubo colector de calor solar 60 de la presente realización, incluso si no se proporciona la capa de prevención de reacción 14, y también se puede aumentar la productividad, ya que no es necesario proporcionar la capa de prevención de reacción 14.
La presente solicitud europea reivindica la prioridad basada en la solicitud de patente japonesa n.° 2016-015519, presentada el 29 de enero de 2016.
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 Silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos
7 Capa de Ag
11 Capa protectora metálica
12 Capa de barrera al oxígeno
13 Capa de prevención de difusión
14 Capa de prevención de reacción
Claims (10)
1. Un tubo colector de calor solar (1, 10, 20, 30, 40, 50, 60) 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 se proporciona una capa protectora metálica (11) entre la capa reflectante de luz infrarroja (3) y la capa de conversión de luz solar en calor (4),
caracterizado porque
la capa reflectante de luz infrarroja (3) es una capa de Ag (7) en la que silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos (6) se dispersan en una cantidad inferior al 10 % atómico, y
la capa protectora metálica (11) está formada 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.
2. El tubo colector de calor solar (1, 10, 20, 30, 40, 50, 60) de la reivindicación 1, en el que al menos un metal seleccionado entre el grupo que consiste en Mo, W, Ta, Nb y Al se dispersa adicionalmente en la capa de Ag (7).
3. El tubo colector de calor solar (20, 30, 40, 50, 60) de la reivindicación 1 o 2, en el que se proporciona una capa protectora metálica (11) entre el tubo (2) y la capa reflectante de luz infrarroja (3).
4. El tubo colector de calor solar (10, 20, 30, 40, 50, 60) de la reivindicación 2 o 3, en el que la capa protectora metálica (11) está formada por un material que contiene el metal que está dispersado en la capa de Ag (7).
5. El tubo colector de calor solar (10, 20, 30, 40, 50, 60) de la reivindicación 2 o 3, en el que la capa protectora metálica (11) está formada por un compuesto de silicio o nitrógeno, y el metal está dispersado en la capa de Ag (7).
6. El tubo colector de calor solar (30, 40, 50, 60) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se proporciona una capa de barrera al oxígeno (12) entre la capa protectora metálica (11) y la capa de conversión de luz solar en calor (4).
7. El tubo colector de calor solar (40, 50, 60) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que se proporciona una capa de prevención de difusión (13) entre el tubo (2) y la capa reflectante de luz infrarroja (3).
8. El tubo colector de calor solar (50, 60) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se proporciona una capa de prevención de reacción (14) entre la capa protectora metálica (11) y la capa de barrera al oxígeno (12) o la capa de conversión de luz solar en calor (4).
9. El tubo colector de calor solar (60) de la reivindicación 7 u 8, en el que se proporciona una capa de prevención de reacción (14) entre la capa de prevención de difusión (13) y la capa protectora metálica (11).
10. Un procedimiento de producción de un tubo colector de calor solar (1, 10, 20, 30, 40, 50, 60) en el que se proporciona al menos una capa reflectante de luz infrarroja (3), una capa protectora metálica (11), una capa de conversión de luz solar en calor (4) y una capa antirreflectante (5) en la superficie exterior de un tubo (2), por cuyo interior puede fluir un medio de calor, comprendiendo el procedimiento:
la formación de la capa reflectante de luz infrarroja (3) que es una capa de Ag (7) en la que silicio, nitruro de silicio o una mezcla de los mismos (6) se dispersa en una cantidad inferior al 10% atómico, mediante pulverización catódica en presencia de un gas que incluye gas nitrógeno, utilizándose Ag y silicio como objetivos, en el que la capa protectora metálica (11) está formada 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.
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