ITPN20100038A1 - Rivestimenti selettivi per collettori solari a concentrazione - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
“RIVESTIMENTI SELETTIVI PER COLLETTORI SOLARI A
CONCENTRAZIONE "
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE
[001] La presente invenzione si riferisce a rivestimenti selettivi per collettori solari a concentrazione e, in particolare, a rivestimenti di tubi collettori di radiazioni solari aventi funzione di incrementare l'efficienza e la durata di un impianto ad esempio per la produzione di energia elettrica.
TECNICA DI BASE DELL’INVENZIONE
[002] Rivestimenti selettivi per pareti esterne di tubi collettori solari vengono impiegati dai primi anni ottanta ad esempio in impianti del tipo a specchio parabolico lineare adatti a lavorare ad elevata temperatura. Questi impianti sono studiati in modo tale da catturare le radiazioni solari e a concentrarle fino a sessanta volte a livello dei tubi collettori. Internamente, i tubi collettori trasportano un fluido che ottimizza il trasferimento di calore ad esempio ad uno scambiatore di calore il quale, a sua volta, genera vapore atto ad azionare una turbina convenzionale per la generazione di energia elettrica.
[003] Impianti di questo tipo fino ad oggi non trovano ampia diffusione a causa delle rese limitate nonché durata delle componenti più delicate, cioè dei tubi collettori stessi, poiché sottoposte a condizioni di lavoro severe quali temperature generalmente attorno ai 350°-400°C ma anche oltre i 500 °C. In particolare, i rivestimenti devono contemporaneamente avere un alto assorbimento delle radiazioni solari ed una bassa dispersione termica alle suddette temperature di lavoro. Ne deriva che il rivestimento per avere una efficiente conversione foto-termica deve avere un comportamento il più prossimo a quello ideale: riflettanza nulla a lunghezze d’onda λ inferiori o uguali a 2 μιη (spettro radiazione solare) e riflettanza massima (e di conseguenza assorbenza nulla) nella regione dell’infrarosso (λ>2 pm).
[004] Oltre alle suddette caratteristiche, i rivestimenti dovrebbero essere stabili e resistenti a qualsiasi processo ossidativo per lungo tempo anche se sottoposti alle suddette temperature e, preferibilmente, avere un assorbimento superiore a circa 96% ed un’emissività inferiore al 7% a 400°C.
[005] A tale scopo, sono stati studiati differenti tipi di rivestimenti che possono essere suddivisi in sei categorie: intrinseci (materiali aventi caratteristiche intrinseche risultanti nella selettività spettrale desiderata), accoppiamenti semiconduttore-metallo (accoppiamenti che assorbono radiazioni di lunghezza d’onda corta ed hanno una bassa emissività termica), assorbitori multistrato (strati sovrapposti con differenti caratteristiche riflettive), cermet (composti metallo-dielettrico), a superficie con trama (presenza di microstrutture), rivestimenti a trasmissione solare selettiva su assorbitori del tipo corpo nero.
[006] Tra i suddetti rivestimenti, i cermet sono ritenuti ad oggi i più promettenti poiché si avvicinano, ed in alcuni casi soddisfano, ai requisiti sopra indicati. Ciononostante questi tipi di assorbitori selettivi mostrano alcuni limiti tra cui la degradazione delle caratteristiche ottiche se sottoposti a continui stress termici (soprattutto in presenza d’aria) e le notevoli complessità del processo di produzione.
RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
[007] Il problema tecnico alla base della presente invenzione è quindi quello di mettere a disposizione un rivestimento selettivo per collettori solari a concentrazione che sia in grado di risolvere i suddetti inconvenienti legati all’uso del cermet e, nel contempo, di soddisfare le esigenze di detti rivestimenti.
[008] Tale problema è risolto da un rivestimento selettivo per tubi collettori solari a concentrazione come coperto dalle rivendicazioni allegate.
[009] Un primo oggetto della presente invenzione è quindi quello di mettere a disposizione un rivestimento selettivo di tipo multistrato per tubi collettori solari a concentrazione.
[0010] Un secondo oggetto è un procedimento per il deposito di detto rivestimento su un substrato adatto a convertire le radiazioni solari concentrate in energia termica.
[0011] Un terzo oggetto è un impianto per la produzione di energia termica e/o elettrica comprendente tubi collettori di radiazioni solari ricoperti da detto rivestimento.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
[0012] Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi del rivestimento dell'invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di alcune realizzazioni date a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento alle seguenti figure in cui:
- la figura 1 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo l'invenzione;
- la figura 2 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo una prima variante dell'invenzione;
- la figura 3 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo una seconda variante dell'invenzione;
- la figura 4 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo una terza variante dell'invenzione;
- la figura 5 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo una quarta variante dell'invenzione;
- la figura 6 rappresenta in modo schematico la composizione di un rivestimento selettivo per tubi collettori solari secondo una quinta variante dell'invenzione;
- la figura 7 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta di un rivestimento secondo la figura 2 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm;
- la figura 8 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta di un rivestimento secondo la figura 3 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm;
- la figura 9 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta del rivestimento secondo la figura 4 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm;
- la figura 10 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta del rivestimento secondo la figura 5 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm;
- la figura 11 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta di un rivestimento secondo una variante del rivestimento di figura 5 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm;
- la figura 12 rappresenta un grafico relativo alla curva di risposta del rivestimento secondo la figura 6 nello spettro di radiazione solare compreso tra 200 nm e 5000 nm.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
[0013] L’idea alla base della presente invenzione è quella di cercare un’alternativa efficace all’impiego di rivestimenti di tipo cermet per ricoprire tubi collettori di energia solare. Tra i suddetti tipi di rivestimenti noti nel settore, sono state fatte numerose sperimentazioni e simulazioni di modelli di rivestimenti ed è stato trovato che i rivestimenti comprendenti assorbitori multistrato possono dare i migliori risultati. Gli sforzi dunque sono stati concentrati sulla ricerca di rivestimenti comprendenti assorbitori multistrato selezionando tra i numerosi composti, e soprattutto tra le numerosissime combinazioni possibili dei differenti strati che compongono un rivestimento, quelli che sorprendentemente hanno dato risultati inaspettati e particolarmente efficaci in termini di assorbimento delle radiazioni solari e di bassa emissività.
[0014] Con riferimento alla figura 1, in generale, il rivestimento 1 esterno di tubi collettori solare dell’invenzione comprende in successione, partendo da un substrato 2 corrispondente alla parete esterna di detti tubi collettori, uno strato 3 riflettente la radiazione infrarossa (IR) comprendente un metallo per applicazioni ad elevata temperatura, uno strato 4 di materiale assorbitore selettivo ed uno strato esterno 5 costituito da un materiale dielettrico ed avente funzione antiriflettente (AR).
[0015] In particolare, il substrato 2 è la parete di un tubo collettore (non mostrato) solitamente impiegato negli impianti di raccolta e concentrazione della radiazione solare di tipo a specchio parabolico lineare. Tale parete è preferibilmente costituita da un acciaio adatto, ad esempio, a fare scorrere al suo interno un fluido per il trasporto del calore quale un olio sintetico, acqua o sali fusi.
[0016] Lo strato 3 riflettente la radiazione infrarossa (IR) è composto da un materiale comprendente metalli refrattari scelti tra i Gruppi V, VI, X e XII e relativi siliciuri, preferibilmente è un metallo scelto tra Cu, V, Ni, Pd, Pt, W, Mo, Ag e NiSi. Lo spessore di detto strato può variare da 50 a 200 nm, preferibilmente tra 70 e 180 nm, più preferibilmente tra 100 e 150 nm.
[0017] Lo strato 4 di materiale assorbitore solare selettivo comprende almeno uno strato di CrN. Il cromo nitruro (CrN) è stato selezionato tra numerosi composti a disposizione poiché, sorprendentemente, un rivestimento dotato di un’architettura, cioè una disposizione di strati e di rispettivi spessori come quelli qui descritti nella presente invenzione, dotato di questo composto quale assorbitore selettivo delle radiazioni solari, ha fornito risultati eccellenti in termini di assorbimento e di emissività, come verrà in seguito dimostrato. Lo spessore del CrN può variare da 1 a 50 nm, preferibilmente tra 5 e 50 nm, più preferibilmente tra 10 e 40 nm.
[0018] Lo strato 5 dielettrico antiriflesso esterno è composto da materiali dielettrici ceramici scelti tra AI2O3, S1O2, Ce02, ZnS, AIN, AION, MgF2, Zr02, Y2O3, Hf02, Ta205, preferibilmente sono AI2O3, S1O2e AION. Lo spessore di detto strato antiriflesso può variare da 5 a 100 nm, preferibilmente tra 10 e 60 nm.
[0019] In accordo con una prima variante di realizzazione dell'invenzione, il rivestimento 10 mostrato in figura 2 comprende, in successione dal substrato inferiore 2 verso l’esterno, uno strato 3 riflettente la radiazione infrarossa (IR), un secondo strato 6 dielettrico, uno strato 4 di materiale assorbitore selettivo ed almeno uno stato esterno 5 dielettrico avente funzione antiriflettente (AR). Gli strati con numero di riferimento uguale a quello degli strati descritti in precedenza sono identici a questi ultimi. Inoltre, il secondo strato 6 dielettrico interno risulta uguale allo strato esterno 5 dielettrico antiriflesso. In altre parole, lo strato 4 assorbitore di CrN è racchiuso tra due strati 5 e 6 di materiale dielettrico. Lo spessore dello strato 3 riflettente IR varia da 50 a 200 nm, lo strato 6 e 5 dielettrici da 10 a 100 nm, mentre 10 strato 4 assorbitore da 1 a 30 nm.
[0020] In accordo con una seconda variante di realizzazione, il rivestimento 100 mostrato in figura 3 comprende gli stessi strati del rivestimento 10 descritto in precedenza con l'aggiunta di un secondo strato 7 di materiale assorbitore selettivo costituito da CrN posizionato tra lo strato 3 riflettente la radiazione infrarossa (IR) ed 11 secondo strato 6 dielettrico. Con questa composizione del rivestimento, lo strato 3 riflettore IR può avere uno spessore sempre compreso tra 50 e 200 nm, mentre il secondo strato 7 di materiale assorbitore tra 10 e 50 nm, lo strato 6 dielettrico tra 10 e 100 nm, il primo strato 4 di materiale assorbitore selettivo tra 1 e 30 nm e lo strato 5 esterno antiriflesso tra 10 e 100 nm.
[0021] In accordo con una terza variante di realizzazione (figura 4), il rivestimento 110 comprende di base gli stessi strati, e nella stessa disposizione, del rivestimento 100 di figura 3. In aggiunta, il rivestimento 110 comprende un terzo strato 8 di materiale dielettrico posizionato tra detto strato 3 riflettente IR e detto secondo strato 7 di materiale assorbitore CrN. In questa composizione, lo strato 3 può avere uno spessore compreso tra 50 e 200 nm, il terzo strato 8 di dielettrico tra 5 e 50 nm, il secondo strato 7 di assorbitore tra 5 e 50 nm, il secondo strato 6 dielettrico tra 10 e 100 nm, il primo strato 4 di assorbitore CrN tra 1 e 30 nm e lo strato esterno 5 anti riflesso tra 10 e 100 nm.
[0022] In una quarta variante realizzativa (figura 5), il rivestimento 111 mostra una struttura simile a quella generale del rivestimento 1 di figura 1, cioè comprende uno strato 3 riflettente IR aderente al substrato 2 e, in successione verso l’esterno, uno strato 4 di materiale assorbitore ed uno strato esterno 5 di materiale dielettrico antiriflesso. In particolare, lo strato 4 di materiale assorbitore comprende uno strato 9 di CrN racchiuso tra due strati 10 di CuO o SiO. In questa configurazione, lo strato 3 riflettente IR può avere uno spessore identico a quello descritto in precedenza, lo strato 10 di CuO o SiO più interno può avere un spessore compreso tra 10 e 50 nm, lo strato 9 di CrN tra 10 e 50 nm, lo strato 10 di CuO o SiO più esterno tra 10 e 100 nm ed infine lo strato 5 esterno antiriflesso uno spessore tra 10 e 100 nm.
[0023] E’ stato visto che impiegando una simulazione di un rivestimento secondo la suddetta quarta realizzazione, i valori di assorbenza e di emissività hanno dato risultati considerevolmente maggiori rispetto ad un qualsiasi altro rivestimento, anche maggiori rispetto ai rivestimenti descritti in precedenza.
[0024] Una composizione preferita del rivestimento 111 è costituita, dal substrato verso l’esterno in successione, da uno strato 3 di materiale riflettente la radiazione IR scelto tra W, Mo e Ag, uno strato 10 di CuO interno, uno strato 9 di CrN, uno strato 10 di CuO esterno ed uno strato esterno antiriflesso 5 scelto tra AI2O3e S1O2.
[0025] In una composizione particolarmente preferita del rivestimento 111, lo strato 3 riflettente IR è uno strato di W, e lo strato esterno 5 antiriflesso è AINO. Gli spessori dei differenti strati sono gli stessi riportati con riferimento al rivestimento 11 di figura 5. Con questa particolare configurazione, i valori di assorbimento rilevati con simulazione sono stati leggermente più elevati, mente i valori di emissività sono stati leggermente inferiori rispetto a detta quarta variante di realizzazione.
[0026] In una quinta variante di realizzazione (figura 6), il rivestimento 112 deriva della precedente forma realizzativa di figura 5 a cui è stato aggiunto nello strato 4 di materiale assorbitore un ulteriore secondo strato 11 di CrN a contatto con lo strato 3 di materiale riflettente IR. Questa ulteriore modifica ha dato valori simulati di assorbimento ancora più performanti rispetto ai precedenti anche se il valore di emissività è risultato più alto, ma comunque entro il limite del 7% che come detto costituisce un target importante nel settore.
[0027] I suddetti rivestimenti possono essere prodotti tramite procedimenti noti nel settore. In particolare, i procedimenti più comunemente usati si distinguono in deposizione fisica da fase vapore (PVD) e deposizione chimica da fase vapore (CVD). La deposizione fisica da fase vapore si suddivide a sua volta in due principali tipologie che sono l'evaporazione (termica o a fascio elettronico) e lo “sputtering”.
[0028] Il procedimento di deposizione degli strati che costituiscono i rivestimenti in accordo con la presente invenzione può essere preferibilmente condotto tramite “sputtering” in cui il vapore di reazione viene prodotto bombardando un target con particelle energetiche, principalmente ioni.
[0029] Esistono molte varianti del procedimento di “sputtering” base (chiamato DC, dove gli ioni vengono accelerati mediante un campo elettrico in corrente continua) tra cui lo “sputtering” RF, il magnetron “sputtering” (DC o RF) e lo “sputtering” reattivo.
[0030] In ogni caso, il tecnico del settore sarà in grado di impiegare e tarare il procedimento in base alla tipologia di materiali da depositare, il numero e lo spessore degli strati nonché le caratteristiche funzionali desiderate del rivestimento stesso.
[0031] I rivestimenti descritti in precedenza sono stati, come già spiegato, selezionati in base a studi ed analisi su un elevatissimo numero di combinazioni possibili di composti, disposizione di strati di detti composti e relativi spessori. In particolare, sono state svolte simulazioni di rivestimenti impiegando un software di simulazione ottica denominato Essential MacleodTM (2007) prodotto dalla Thin Film Center Ine., Tucson, Arizona. In sintesi, in tale programma sono stati inseriti una serie di dati relativi al numero di strati, al materiale di ciascuno strato e relativi spessori. Il programma, per mezzo di sofisticati modelli matematici e di un database, propri di detto programma, contenente tutte le costanti fisiche degli elementi costituenti l'assorbitore, calcola il valore di riflettanza per ogni lunghezza d’onda di radiazione incidente su di esso compresa tra 200 e 50.000 nm con intervalli di 20 nm. Con i valori numerici ottenuti da detto calcolo, il programma è in grado di costruire una curva di riflettanza per ciascun rivestimento (le figg. 7-12 esemplificano le curve in un intervallo ristretto tra 200 e 5.000 nm). L’assorbanza globale è stata calcolata integrando la quantità di energia assorbita dal rivestimento per ogni lunghezza d’onda incidente (in intervalli di 20 nm) rapportata all’irradianza globale del sole misurata sulla superficie terrestre (AM 1.5) e su un piano orizzontale, in accordo con la norma ASTM G173-03. L’emissività è stata calcolata integrando la quantità di energia emessa dal rivestimento per ogni lunghezza d’onda incidente, rapportata a quella emessa da un corpo nero ideale a 350°C, elaborata mediante applicazione dell’equazione di Planck :
Dove :
ρ = densità di energia
h = costante di Planck
κ = costante di Boltzmann
c = velocità della luce
λ = lunghezza d’onda
T temperatura (nel nostro caso 350°C)
L’emissività emessa dal rivestimento per ogni lunghezza d’onda incidente è stata calcolata considerando che essa è legata alla riflettanza dalla relazione (legge di Kirchhoff) :
Dove :
ε = emissività (funzione della lunghezza d’onda)
R = riflettanza (funzione della lunghezza d’onda)
[0032] La figura 7 è un diagramma che mostra la riflettanza spettrale sperimentale (curva a linea tratteggiata) del rivestimento 10, in accordo con la prima variante di realizzazione di figura 2, ottenuto tramite elaborazione del suddetto programma di simulazione. La curva a linea continua indica lo spettro di emissione della radiazione solare, mentre la curva a tratto-punto indica l’andamento dell’emissione di un corpo nero a 350° (comportamento ideale). Come si può notare, l’andamento della curva di riflettanza evidenzia un buon appiattimento nella zona delle radiazioni ultraviolette e buona parte del visibile. Questo significa che tali radiazioni vengono ben assorbite e quindi convertite in energia termica in modo efficiente. Questo comportamento si traduce in un valore di assorbenza a (espresso in percentuale) uguale a 95,39 ed un valore di emissività ε (espresso in percentuale) di 3,1 ad una temperatura di 350°C. E’ evidente, quindi, che questi valori sono risultati sorprendentemente vantaggiosi, anche se il valore di assorbenza non raggiunge l’obiettivo prefissato, soprattutto tenendo presente che il rivestimento corrisponde a quello rappresentato in figura 2, cioè composto da solo quattro strati reattivi e dunque molto semplice.
[0033] La figura 8 è un diagramma che mostra le stesse curve del diagramma di figura 7, ottenuto però sulla base del rivestimento 100 di figura 3, sempre tramite elaborazione del suddetto programma di simulazione. L’andamento della curva di risposta indica, anche in questo caso, un buon appiattimento della curva nella regione delle radiazioni ultraviolette fino ad interessare quasi totalmente anche la regione del visibile. Come in precedenza, la pendenza della curva risulta elevata. Il valore di assorbenza a registrato nella simulazione è stato 96,79%, mentre quello di emissività ε è stato di 3,1%, entrambi sempre misurati nelle stesse condizioni di cui sopra. In questo caso, i valori evidentemente soddisfano il target ricercato, cioè un valore di assorbanza superiore al 96% e di emissività inferiore al 7%. Questo risultato diviene ancor più interessante considerando che il rivestimento 100 è composto da un solo strato in più rispetto ai suddetti quattro strati del rivestimento precedentemente descritto, cioè un secondo strato di CrN, per cui una struttura ancora semplice.
[0034] Un risultato molto simile è stato sperimentalmente osservato con il rivestimento 110 di figura 4. Infatti, come mostrato in figura 9, l’andamento della curva di risposta si differenzia per un leggero sollevamento della curva nella regione delle radiazioni ultraviolette tra circa 600 e 1000 nm, mentre il valore di assorbanza è di 96,39% e quello di emissività 3,12%. Come spiegato in precedenza, questo rivestimento 110 è a sei strati con un ulteriore strato di materiale antiriflesso in più rispetto al precedente rivestimento 100 e con valori comunque soddisfacenti.
[0035] La figura 10 è un ulteriore diagramma che si riferisce all’andamento sperimentale del rivestimento 111 di figura 5. Come spiegato in precedenza, il rivestimento 111 differisce per la presenza nello strato 4 assorbitore di uno strato di CrN racchiuso tra due strati di CuO o SiO. Questa particolare disposizione a cinque strati ha mostrato una sorprendente risposta simulata con riferimento all’andamento della porzione appiattita della curva. Infatti, il diagramma mostra una estensione di detta pozione che si protrae fino ad interessare quasi completamente la zona dell'infrarosso della radiazione solare, cioè tra circa 1400 e circa 1800 nm. Tale estensione ovviamente risulta molto vantaggiosa perché le radiazioni infrarosse sono dotate, come noto, di grande capacità termica. Inoltre, la pendenza della curva non mostra sostanziali variazioni rispetto alle precedenti pendenze. E’ anche da notare che il valore dell’assorbanza di 98,49% è risultato più elevato rispetto a tutti i valori precedentemente trovati, già di per se molto buoni. Il valore dell'emissività poi si è mantenuto entro valori più che accettabili (4,88%).
[0036] La figura 11 mostra un diagramma dell’andamento della curva di un rivestimento simile al rivestimento 111 secondo la figura 10. In particolare, in questa simulazione è stato impiegato AION nello strato esterno 5 di materiale antiriflesso. Si può notare che la curva presenta una porzione praticamente piatta lungo tutto lo spettro delle radiazioni ultraviolette e visibili. Inoltre, la curva si estende a coprire anche gran parte dell'infrarosso. Il valore di assorbenza di 98,82% è un valore considerato quasi eccellente, mentre il valore di emissività di 5,13%, pur essendo più elevato dei precedenti, risulta comunque molto buono poiché in ogni caso bilanciato dal valore di assorbanza.
[0037] La figura 12 mostra un diagramma di simulazione della curva di risposta del rivestimento di figura 6. Ancora più sorprendentemente la curva mostra un appiattimento praticamente in accordo con il comportamento ideale per tutto lo spettro delle radiazioni solari compreso l’infrarosso vicino (NIR). La pendenza della curva mostra soltanto una lieve flessione, ma il valore dell’assorbanza è stato del tutto eccellente (99,05%) ed il valore di emissività di 6,52% si è comunque mantenuto entro il target del 7%. Questo rivestimento si differenzia dal precedente per la presenza di un ulteriore strato di CrN a contatto con lo strato 3 riflettente IR per un totale di sei strati reattivi.
[0038] Da quanto fino ad ora descritto, è evidente che sono stati superati gli inconvenienti legati ai rivestimenti contenenti cermet secondo la tecnica nota. Inoltre, sono stati ottenuti sorprendenti ed inaspettati risultati in termini di prestazioni.
[0039] In particolare, è stato trovato che la selezione di uno strato composto da CrN quale materiale assorbitore selettivo delle radiazioni solari si è rivelato incredibilmente efficace nei test di simulazione sopra riportati. Tale materiale è stato infatti selezionato dopo numerose sperimentazioni ricercando una valida alternativa ai composti noti e solitamente impiegati quali assorbitori. In altre parole, il CrN non era stato fino ad ora mai proposto quale materiale assorbitore selettivo da impiegare in un rivestimento per collettori solari. In aggiunta, non era stato dimostrato né suggerito l’impiego di un rivestimento comprendente la struttura delle suddette forme di realizzazione e cioè uno strato di CrN avente particolari spessori ed essendo racchiuso in una struttura a sandwich di pochi e semplici strati di materiali dielettrici e riflettenti i raggi infrarossi anch’essi con spessori studiati appositamente per ottenere i suddetti valori di assorbenza e emissività.
[0040] Gli studi che sono stati svolti hanno quindi dovuto tenere presente da un lato l’analisi e la selezione di uno specifico composto, CrN, tra un numero elevatissimo di composti possibili, la combinazione di tale composto in una struttura a più strati con altri composti differenti e la selezione e combinazione di spessori di ciascuno strato che potessero garantire i risultati desiderati.
[0041] La prima difficoltà è stata infatti quella di cercare un rivestimento che non comprendesse un materiale cermet perché, seppur considerato attualmente il più performante, mostra limiti dettati, come detto, alla temperatura di lavoro ed alla durata nel tempo. Di conseguenza, la scelta di non seguire la strada più promettente ha implicato un lavoro più oneroso data la scarsa disponibilità di informazioni e dati su cui basarsi. La selezione del CrN si è rivelata in tal senso molto positiva.
[0042] In secondo luogo, è noto che i miglioramenti dal punto di vista dei valori di assorbenza ed emissività si ottengono aumentando il numero di strati di materiali reattivi ma dall’altro lato la presenza di più strati tende a sollevare la curva nella zona delle radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 1200 e 1800 nm e, quindi, perdere una parte di radiazione con capacità termica molto importante. Tale difficoltà è stata superata tramite una combinazione di strati alternati di CrN e materiali dielettrici, secondo una prima soluzione, oppure tramite una combinazione di strati alternata di CuO o SiO con interposizione di CrN, secondo una ulteriore soluzione. Infatti, è stato trovato che l’uso di CuO o SiO a copertura di CrN permette di aumentare la banda di assorbimento delle radiazioni visibili e quindi aumentare l’assorbanza mantenendo al contempo una buona pendenza della curva e un buon appiattimento sostanzialmente lungo tutto lo spettro della radiazione solare.
[0043] Inoltre, è da tenere presente che i rivestimenti in accordo con la presente invenzione mostrano tutti un numero di strati piuttosto contenuto, cioè da tre a sei. Questo comporta notevoli vantaggi prima di tutto dal punto di vista della complessità della struttura. Infatti, più un rivestimento è semplice più è facile da produrre o, in altre parole, i vari strati possono essere depositati con tecniche semplici e facilmente controllabili evitando rischi di troppe fasi di deposizione multiple che possono dare origine ad effetti collaterali indesiderati su strati già depositati. Ne deriva che i tempi di deposizione degli strati sono accelerati e, conseguentemente, l’intero procedimento diviene più vantaggioso ed economico.
[0044] E’ da tenere presente che la semplicità della struttura, come emerso dalle simulazioni, assolutamente non inficia le performance del rivestimento. Di conseguenza, è stato visto anche un effetto sorprendente nel ridurre il numero di strati aumentando l'efficienza di lavoro, contrariamente a quello che il tecnico del settore si aspetterebbe.
[0045] Ulteriori varianti del rivestimento della presente invenzione possono essere realizzate dall’esperto, pur tuttavia senza uscire dall’ambito di tutela definito dalle rivendicazioni qui di seguito allegate.
Claims (10)
- Rivendicazioni del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “RIVESTIMENTI SELETTIVI PER COLLETTORI SOLARI A CONCENTRAZIONE" RIVENDICAZIONI 1. Rivestimento (1, 10, 100, 110, 111, 112) selettivo per collettori solari a concentrazione di radiazioni comprendente, da un substrato (2) di detti collettori verso l’esterno: - uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa composto da un materiale per applicazioni ad elevata temperatura comprendente un metallo scelto nei Gruppi V, VI, X e XII e relativi siliciuri; - uno strato (4) di materiale assorbitore solare selettivo comprendente almeno uno strato di CrN; - uno strato (5) esterno di materiale antiriflesso costituito da un materiale dielettrico ceramico.
- 2. Rivestimento (1, 10, 100, 110, 111, 112) secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato (3) riflettente la radiazione infrarossa è composto da un materiale scelto tra Cu, V, Ni, Pd, Pt, W, Mo, Ag e NiSi ed ha uno spessore compreso tra 50 e 200 nm.
- 3. Rivestimento (1 , 10, 100, 110, 111, 112) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto strato (4) assorbitore ha uno spessore compreso tra 5 e 100 nm.
- 4. Rivestimento (1, 10, 100, 110, 111, 112) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto strato (5) antiriflesso esterno è composto da un materiale dielettrico ceramico scelto tra AI2O3, S1O2, Ce02, ZnS, AIN, AION, MgF2, Zr02, Y2O3, FHO2, Ta2Os ed ha uno spessore tra 5 e 100 nm.
- 5. Rivestimento (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente, in successione da detto substrato (2) verso l’esterno, uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa con spessore da 50 a 200 nm, uno strato (6) dielettrico interno con spessore da 10 a 100 nm, uno strato (4) di materiale assorbitore selettivo con spessore da 1 a 30 nm ed almeno uno stato esterno (5) antiriflesso con spessore da 10 a 100 nm.
- 6. Rivestimento (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente, in successione da detto substrato (2) verso l’esterno, uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa con spessore compreso tra 50 e 200 nm, uno secondo strato (7) di materiale assorbitore CrN con spessore tra 10 e 50 nm, uno strato (6) dielettrico interno con spessore tra 10 e 100 nm, uno strato (4) di materiale assorbitore selettivo con spessore tra 1 e 30 nm ed almeno uno stato esterno (5) antiriflesso con spessore tra 10 e 100 nm.
- 7. Rivestimento (110) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente, in successione da detto substrato (2) verso l’esterno, uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa con spessore tra 50 e 200 nm, uno strato (8) di materiale dielettrico con spessore tra 5 e 50 nm, uno secondo strato (7) di materiale assorbitore CrN con spessore tra 5 e 50 nm, uno strato (6) dielettrico interno con spessore tra 10 e 100 nm, uno strato (4) di materiale assorbitore selettivo con spessore tra 1 e 30 nm ed almeno uno stato esterno (5) antiriflesso con spessore tra 10 e 100 nm.
- 8. Rivestimento (111) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa aderente ad un substrato (2) con spessore tra 50 e 200 nm e, in successione verso l’esterno, uno strato (4) di materiale assorbitore ed uno strato esterno (5) di materiale antiriflesso con spessore tra 10 e 100 nm, detto strato (4) di materiale assorbitore comprendendo uno strato (9) di CrN con spessore tra 10 e 50 nm racchiuso tra due strati (10) di CuO o SiO uno interno con spessore tra 10 e 50 nm ed uno esterno con spessore tra 10 e 100 nm.
- 9. Rivestimento (112) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente uno strato (3) riflettente la radiazione infrarossa aderente ad un substrato (2) e, in successione verso l’esterno, uno strato (4) di materiale assorbitore ed uno strato esterno (5) di materiale antiriflesso, detto strato (4) di materiale assorbitore comprendendo uno strato (9) di CrN racchiuso tra due strati (10) di CuO o SiO ed un ulteriore strato (11) di materiale assorbitore CrN a contatto con detto strato (3) di materiale riflettente la radiazione infrarossa.
- 10. Impianto per la produzione di energia termica o elettrica comprendente elementi collettori di radiazione solare a concentrazione esternamente ricoperti da un rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN101445331A (zh) * | 2008-12-22 | 2009-06-03 | 清华大学 | 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 |
| DE202009015334U1 (de) * | 2009-11-11 | 2010-02-25 | Almeco-Tinox Gmbh | Optisch wirksames Mehrschichtsystem für solare Absorption |
-
2010
- 2010-07-02 IT IT000038A patent/ITPN20100038A1/it unknown
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| Automatic translation of CN 101 445 331 A of the Intellectual Property Publishing House of SIPO * |
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