JP2017110901A - メタマテリアル改善太陽光吸収構造を有する太陽熱受熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】６００℃を上回る動作温度における太陽エネルギの高い吸収率（すなわち、＞９５％）及び低い熱放射率（すなわち、＜１０％）を呈し、従来のコーティングベースのアプローチに関連する問題を回避する太陽熱受熱器を提供する。【解決手段】高融点の太陽光吸収材料の太陽光受光（上向き）面に設計されるスペクトル選択性メタマテリアル改善表面特徴部を含み、スペクトル選択性特徴部は、０．５から２ミクロンの範囲の格子周期を有する周期的（ワッフル状）アレイで配置された関連するインターレース壁によって囲まれた略立方体形状のマイクロキャビティを含み、それによって可視光周波数において共振する表面プラズモン波を発生させる方法によってインターレース壁に対する可視光の誘起結合を介して可視光スペクトルの波長を有する入射太陽光放射の高い吸収効率（すなわち、９５％超）を呈するメタマテリアル構造を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱発電プラントに関し、より具体的には、太陽熱発電プラントにおいて利用される太陽エネルギ（太陽光）熱受熱器に関する。

集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）は、太陽熱エネルギを電気に変換するために太陽熱発電を利用した再生可能エネルギ技術である。太陽熱発電プロセスは、一般に、太陽エネルギを熱エネルギに変換した後に、熱エネルギを機械的エネルギに変換し、次いで機械的エネルギを電気に変換することを含む。ＣＳＰ発電プラントは、太陽熱受熱器（すなわち、太陽光吸収材料を含む構造）上に集光した太陽光を導くことにより、高い動作温度まで太陽熱受熱器を加熱することによって太陽エネルギを熱エネルギに変換するために太陽光集光器（例えば、パラボラトラフ、ソーラーディッシュ又はミラーのアレイ）を利用する方法によって高効率の太陽熱発電を達成する。その後、熱エネルギは、（例えば、パイプ状構造内に太陽熱受熱器の光吸収材料を形成し、パイプの導管に水／蒸気を通過させることによって）高温蒸気を発生させる方法によって機械的エネルギに変換される。その後、高温蒸気は、タービンによって駆動される従来の発電機によって機械的エネルギが電気に変換されるタービンに導かれる。過剰の熱エネルギは、大抵の場合、溶融塩中に収集され、大規模な絶縁タンクに貯蔵され、夜間や曇りの日における蒸気タービンの運転を可能とする。したがって、ＣＳＰ発電プラントは、蒸気タービンを駆動するために燃料源からの熱を利用するほとんどの従来の発電プラントと同様であるが、例えば、化石燃料の燃焼又は他の非再生可能燃料源から熱を発生させる代わりに、太陽熱発電プラントは、太陽光を使用して蒸気を生成する。

ＣＳＰ技術の進化は、パラボラトラフ及びソーラーディッシュＣＳＰプラントに対してこの点で優れていると現在認識されている中央受熱器ＣＳＰプラントによってより高い太陽熱受熱器の動作温度を達成するという目的によって主に推進される。約５００℃を上回る、より好ましくは６００℃を上回る太陽熱受熱器の動作温度は、高電力サイクル効率を達成するために最適であり、蓄熱の材料コストを削減し、ＣＳＰプラントによって生成される電気の全体的なコストを低減させる。パラボラトラフＣＳＰプラントは、各パラボラ反射器によって画定される焦点線に沿って配置されたライン型（パイプ状）太陽熱受熱器上に太陽光を集光するために細長い半円筒形のパラボラ反射器を利用する。パラボラ形状は、１つの平面内にのみ太陽光を集束することから、パラボラ反射器の集光比は、その通常の強度の３０から１００倍に制限され、それにより、パラボラトラフＣＳＰプラントは、比較的低い最高動作温度（すなわち、約４００から５５０℃）を達成する。ソーラーディッシュＣＳＰプラントは、ディッシュの焦点に位置する点型太陽熱受熱器に入射太陽光を集光するディッシュ（ボウル）状の反射器を利用することにより、パラボラトラフ反射器を使用して達成することができるよりも高い集光比を達成し、それにより、ソーラーディッシュＣＳＰプラントは、比較的高い最高動作温度（すなわち、６００−７５０℃）を達成する。しかしながら、ソーラーディッシュ反射器は、太陽熱受熱器に集光された太陽光の焦点を維持するために１日を通して常に再配置される必要があり、そのため、ソーラーディッシュの支持及び移動に関連付けられた実際的な検討は、それらの実際のサイズ及び対応する重量を制限し、それにより、ソーラーディッシュＣＳＰプラントのピーク発電能力を制限する。中央受熱器ＣＳＰプラントは、太陽熱受熱器を支持するタワーに隣接して地上に配置されたヘリオスタットのアレイを利用し、各ヘリオスタットは、ミラーと、太陽熱受熱器上に入射太陽光を反射するために１日を通してミラーを再配置する関連の位置決め機構とを含む。ソーラーディッシュＣＳＰプラントと同様に、中央受熱器ＣＳＰプラントの最大発電能力は、双方の場合においてミラーの全反射領域に対応するタワーベースの受熱器上に反射した太陽光量によって決定される。しかしながら、その実際的なサイズ及び重量が要因を制限しているソーラーディッシュ反射器とは異なり、中央受熱器ＣＳＰシステムの総反射面積は、受熱器タワーに隣接して追加のヘリオスタットを設置することによって拡張可能である。すなわち、各ヘリオスタットが地面上に配置され、独自のミラー位置決め機構を含むことから、中央受熱器ＣＳＰプラントの反射領域の拡大は、整列する追加のヘリオスタットの設置を必要とする。既存の中央受熱器ＣＳＰプラントは、太陽の通常の強度の１５００倍程度の集光比及び７５０℃を優に上回る最高動作温度を達成するために、数百又は数千のヘリオスタットから反射した集光太陽光を収集する。したがって、中央受熱器ＣＳＰプラントは、パラボラトラフ及びソーラーディッシュＣＳＰプラントよりも実質的に高い太陽熱受熱器の動作温度を現在達成することができ、それにより、現在、大規模発電のための好ましいＣＳＰプラント技術である。

ＣＳＰ技術の進歩は、最適な太陽熱受熱器の動作温度（すなわち、約６００℃超）の生成を容易とするが、ＣＳＰ技術のさらなる進歩に対する現在の制限要因は、これらの温度において高効率で太陽エネルギを吸収するために現在利用可能な太陽光吸収材料の不能なことである。上述したように、太陽熱受熱器は、熱伝達流体（例えば、溶融塩又は水／蒸気）に対して吸収された熱を伝達するように構成された太陽光吸収材料から構成される構造である。太陽熱受熱器の効率は、対流熱損失に起因して（例えば、風及び浮力効果に起因して）及び放射熱損失に起因して（すなわち、材料が熱くなることから、熱エネルギは、周囲環境に対して赤外線波長において離れて放射される）失われた受光した太陽エネルギの量に対する、熱伝達流体に吸収／伝達される受光した太陽エネルギの量によって定義される。６００℃の動作温度において、ＣＳＰプラントの太陽熱受熱器からの熱損失の主要な原因は、動作温度が６００℃超に増加するのにともなう熱放射損失及び放射熱損失の増加率である。したがって、中央受熱器ＣＳＰプラントは、十分に６００℃を上回る動作温度を達成することができるものの、より高い動作温度における太陽熱受熱器からの放射熱損失は、より高い温度で動作する中央受熱器ＣＳＰプラントの全体的な効率を制限する。

６００℃超で動作する太陽熱受熱器からの放射熱損失を低減するための現在の努力は、太陽熱受熱器の「コア」太陽光吸収材料に塗装又は塗布されるスペクトル選択性コーティングの開発に焦点があてられている。これらのコーティングは、赤外線波長（すなわち、約１から２０ミクロン）における熱放射率を最小限に抑えながら、可視及び近赤外波長（すなわち、約４００から２５００ｎｍ）における太陽光吸収率を最大化するように処方される。これらのスペクトルは、特に高温で重複していることから、選択性コーティングの開発は困難である。さらに、これらの選択性吸収コーティングは、分解を回避するために露出環境において高温で耐久性がある必要がある。現在、中央受熱器ＣＳＰプラントにおける太陽熱受熱器に使用するための標準としてサンディア国立研究所により、高い太陽光吸収率（＞９５％）を呈する高耐熱性シリコンコーティングであるＰｙｒｏｍａｒｋ（登録商標）シリーズ２５００フラットブラック（ＬＡ−ＣＯインダストリーズ社、米国、イリノイ州、エルクグローブヴィレッジ）が認識されている（選択性吸収材料についてのコーティングの平準化コスト（ＬＣＯＣ）、Ｃｌｉｆｆｏｒｄ Ｋ．Ｈｏ及びＪａｍｅｓ Ｅ．Ｐａｃｈｅｃｏ、ＳＡＮＤＩＡ ＲＥＰＯＲＴ ＳＡＮＤ２０１３−８３２７、２０１３年９月印刷を参照）。しかしながら、Ｐｙｒｏｍａｒｋ（登録商標）シリーズ２５００はまた、０．８７の熱放射率を呈し、高温動作中に大きな熱損失を被り、空気中で動作する際により高温（＞７００℃）においてもまた有意な低下を呈し、性能の低下を引き起こし、ＣＳＰプラントの運用コストを潜在的に増大する。さらに、コーティングベースのアプローチは、コーティング材料と太陽熱受熱器を形成する下層の太陽光吸収「コア」材料との間の不可避の差異に起因する固有の層間剥離の問題を被り、コーティング材料は、ＩＲにおいて再放射し、熱効率を低下させる。

必要とされるものは、６００℃を上回る動作温度における太陽エネルギの高い吸収率（すなわち、＞９５％）及び低い熱放射率（すなわち、＜１０％）を呈し、また、従来のコーティングベースのアプローチに関連する問題を回避する太陽熱受熱器である。

本発明は、０．５から２ミクロンの範囲の格子周期を有する周期的ワッフル状アレイで配置された関連する並列インターレース壁によって囲まれた略立方体形状のマイクロキャビティを画定するようにフォトリソグラフィによって処理されるか又は製造（設計）される上向き（太陽光受光）面を有する高融点太陽光吸収材料を本質的に構成するメタマテリアル改善太陽光受光面構造（メタマテリアル構造）を含む太陽熱受熱器に関する。０．５から２ミクロンの範囲の格子周期を有するワッフル状アレイを生成するために太陽光受光面を処理することにより、マイクロキャビティ及びインターレース壁は、可視光周波数において主に共振する表面プラズモンの発生を増強する特徴の大きさを有し、それにより、メタマテリアル構造は、可視光スペクトルにおける太陽光の高い吸収効率（すなわち、＞９５％）及び赤外線（ＩＲ）スペクトルにおける低い熱放射率（すなわち、＜１０％）を達成する。適切な高融点及び高温（すなわち、６００℃超）における低い熱膨張係数を有する太陽エネルギ吸収材料に対してメタマテリアル構造を形成することにより、メタマテリアル構造は、ＣＳＰプラントにおいて達成される高い太陽熱受熱器の動作温度においてワッフル状アレイの表面特徴を確実に維持する。さらに、メタマテリアル構造は、高融点太陽エネルギ吸収材料の上向き面に直接製造される（すなわち、コーティングは、上向き面に塗布されない）ワッフル状アレイから全体的に構成されることから、本発明は、先行技術のコーティングベースの太陽熱受熱器のアプローチに関連した層間剥離の問題を回避し、それにより、ＣＳＰプラントにおいて使用するために最適化された太陽熱受熱器を提供する。

本発明の他の特定の実施形態によれば、メタマテリアル改善表面構造を生成するために利用される高融点太陽光吸収材料は、１つ以上の高融点金属（例えば、タンタル若しくはモリブデン）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）から本質的に構成される。これらの高融点太陽エネルギ吸収材料は、ここでは、それらが優れた熱特性（例えば、低い熱膨張係数及び高い熱伝導率）を呈する点で好ましく、６００℃を上回る温度における表面プラズモンの発生をサポートし、それにより、本発明のメタマテリアル構造は、従来のコーティングベースのアプローチに関連した劣化の問題を回避するＣＳＰプラント用の太陽熱受熱器の製造を容易とする。さらに、本発明は、組成物に依存しない（すなわち、光学的特性は、特定の組成物又は粒子サイズに限定されない）ことから、本発明のメタマテリアル改善解決策は、より高い温度でさえも最適な光学的特性を維持することができる未発見の融点の太陽エネルギ吸収材料にもさらに適用可能であり、それにより、本発明は、いかなる達成可能なＣＳＰプラントの動作温度にも理論的に適用可能である。

本発明の他の特定の実施形態によれば、ワッフル状アレイの特徴寸法は、メタマテリアル構造のスペクトル選択性光学的特性を向上させるために最適化される。１つの実施形態において、インターレース壁のそれぞれは、０．２から１．０ミクロンの範囲の厚さを有し、複数のマイクロキャビティの各マイクロキャビティは、０．１から１ミクロンの範囲の幅及び０．１から３ミクロンの範囲の深さを有し、可視光周波数において共振する表面プラズモン波の発生を容易とする。１つの実施形態において、インターレース壁のうちの２つ以上は、さらに可視光スペクトルにおける太陽光の吸収を高めるために異なる厚さを有する。

代替実施形態において、本発明のメタマテリアル改善太陽熱受熱器は、単一品（一体型）ユニット又は複数部品アセンブリとして構成される。単一品アプローチによれば、太陽熱受熱器の全体は、メタマテリアル構造が形成される（すなわち、ワッフル状アレイは、ブロックの上向き面に形成される）高融点太陽光吸収基材の一体ブロックを含み、熱交換流体導管は、上向き面の下方のブロックに機械加工される。単一品アプローチの利点は、単一の材料ブロックを利用することがコーティングベースのアプローチの問題である層間剥離の可能性を排除するということである。複数部品アプローチによれば、太陽熱受熱器は、メタマテリアル構造が形成される高融点太陽光吸収基材の薄い（例えば、ウェハ又は箔状）シートを含み、その後、ウェハ状シートは、ブロック型基部に動作可能に固定される。２部品アプローチの利点は、最小限の変更で既存の半導体処理装置を使用して容易とすることから、薄いウェハ状構造にワッフル状アレイを形成することがメタマテリアル設計プロセスを簡略化するということである。他の２部品アプローチの利点は、可撓性箔状シート上にメタマテリアル構造を形成した後に、基部に形成された曲面に合うように形成するように箔状シートをプレス成形することによって湾曲した（例えば、パイプ状の）太陽熱受熱器構造の効率的な形成を容易とするということである。

本発明の他の実施形態によれば、ＣＳＰプラントは、高効率に熱伝達流体に渡される熱エネルギに変換するために太陽熱受熱器上に入射太陽エネルギを集光するように構成された太陽光集光器を含み、太陽熱受熱器は、上述した実施形態のいずれかにしたがって構成されたメタマテリアル改善表面構造を含む。好適な実施形態において、太陽熱受熱器は、タワー上に配置され、太陽光集光器は、メタマテリアル改善表面構造上に太陽光をそれぞれ反射する平面ミラーを有する複数の地上ベースのヘリオスタットを含む。代替実施形態において、太陽光集光器は、ソーラーディッシュ又はパラボラトラフによって実現される。

本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明、添付した特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解されるであろう。

図１は、本発明の簡略化された実施形態にかかるメタマテリアル構造を含む簡略化された太陽熱受熱器を示す側断面及び部分斜視図である。 図２は、拡大されたマイクロキャビティを示し且つ図１のメタマテリアル構造のメタ原子を形成するインターレース壁を囲む切欠平面斜視図である。 図３は、さらなる詳細における図２のメタ原子を示す側断面図である。 図４は、例示的なメタマテリアル構造についてのモデル化された吸収スペクトルを示すグラフである。 図５は、本発明の第１の例示的な実施形態にかかる単一品太陽熱受熱器を示す簡略化された側断面図である。 図６（Ａ）は、本発明の第２の例示的な実施形態にかかる２部品太陽熱受熱器を示す分解された側断面図である。 図６（Ｂ）は、本発明の第２の例示的な実施形態にかかる２部品太陽熱受熱器を示す組み立てられた側断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態にかかる太陽熱受熱器を含む簡略化された中央受熱器ＣＳＰプラントを示す斜視側面図である。 図８は、本発明の他の実施形態にかかる太陽熱受熱器を含む簡略化されたソーラーディッシュＣＳＰプラントを示す斜視側面図である。 図９は、本発明の他の実施形態にかかる太陽熱受熱器を含む簡略化されたソーラートラフＣＳＰプラントを示す斜視側面図である。

本発明は、ＣＳＰプラント用の改善された太陽熱受熱器に関する。以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供されるように本発明を製造し且つ使用するのを可能とするように提示される。本願明細書において使用される場合、「上方（ｕｐｐｅｒ）」、「上向き（ｕｐｗａｒｄ−ｆａｃｉｎｇ）」、「下方（ｌｏｗｅｒ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」及び「下方向（ｄｏｗｎｗａｒｄ）」などの方向を示す用語は、説明の目的のために相対位置を提供することを意図しており、参照の絶対的なフレームを指定することを意図しているものではない。さらに、語句「一体（ｉｎｔｅｇｒａｌ）」及び「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ）」は、単一成形又は機械加工された構造の２つの部分の間の接続関係を記述するように本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動接合を介して接合される２つの別個の構造を示す（修飾語「一体に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」を有しない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好適な実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義される一般的な原理は、他の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は、示されて及び記載された特定の実施形態に限定されることを意図するものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

図１は、本発明の実施形態にしたがって製造される太陽熱受熱器１１０を含む一般化され且つ大幅に簡略化された集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）プラント１００を示している。ＣＳＰプラント１００は、集光された太陽エネルギＥ_Ｓが太陽熱受熱器１１０上に導かれるように太陽光ビームを収束するために太陽集光器（図示しない）を利用する。従来の太陽熱受熱器と同様に、太陽熱受熱器１１０は、入射して集光された太陽エネルギＥ_Ｓを、太陽熱受熱器１１０の一部である導管構造１１４を通る熱伝達流体１３０（例えば、水／蒸気又は溶融塩）を加熱することにより、その後に機械的エネルギＥ_Ｍに変換される熱エネルギＥ_Ｔに変換するように構成されている。そして、熱伝達流体１３０は、（必要に応じて）蒸気タービン（図示しない）の駆動によって発電するために使用される高温蒸気に変換される。

本発明の新規な態様によれば、太陽熱受熱器１１０の少なくとも一部は、略立方体形状のマイクロキャビティ１２５と０．５から２ミクロンの範囲の格子周期Λを有する周期的（ワッフル状）アレイ１２４を形成する関連するインターレース壁１２７とを含むようにメタマテリアル改善（設計）された第１の上向き面１２２を有する基材１２１を備える本願明細書においてメタマテリアル構造１２０と称されるメタマテリアル改善太陽光受光面構造１２０を備える。当業者に知られているように、用語「メタマテリアル」又は「メタマテリアル構造」は、一般に、それらが影響を与えることを意図している現象の波長よりも小さいスケールで基材上に繰り返しパターンで配置された構造的要素（時には「メタ原子」と称される）のアレイを指す。この定義を使用して、メタマテリアル構造１２０は、各マイクロキャビティ１２５及び各マイクロキャビティ１２５を囲むインターレース壁１２７の関連するセグメントがメタマテリアル構造１２０のメタ原子（構成単位）を形成する基材１２１の上向き面１２２上／内にワッフル状アレイ１２４を一体に形成することによって実現される。メタマテリアルは、基材の特性からそれらの光学特性を導出しないが、その正確な形状、幾何学的形状、大きさ、向き及び配置が、メタマテリアル改善なしでは基材によって達成されることができない利益を達成するために電磁波を操作する能力を基材に与えるメタ原子構造から導出することに留意されたい。この場合、本発明者らは、０．５から２ミクロの範囲の格子周期Λを有するワッフル状アレイ１２４を形成することが、高効率で（すなわち、９５％超）可視光スペクトルにおける入射した太陽光放射Ｅ_Ｓの吸収を容易とし、また、赤外線スペクトルにおける波長を有する電磁放射Ｅ_Ｒの低放射を容易とし、それによって放射熱損失を最小限に抑えることを判定している。本願明細書において使用される場合、語句「メタマテリアル改善」は、自然に形成する表面パターンとは対照的に、本願明細書に記載された表面特徴を含むようにフォトリソグラフィ製造プロセス又は他の先を見越した設計プロセスを受けた材料表面を表す。

説明の目的のために大幅に簡略化され且つ大幅に拡大された形態であるメタマテリアル構造１２０の例示的な部分が図１の下部に示されている。１つの実施形態において、ワッフル状アレイ１２４は、太陽光吸収材料１２１のシート／ブロックの略平坦な上向き（すなわち、第１の太陽光受光）面１２２から離間部を除去する方法によって形成され、それにより、略立方体形状のマイクロキャビティ１２５が面１２２を介して画定される（すなわち、その内部に延在する空隙によって形成される）。除去される離間部は、行及び列に整列され、それにより、材料１２１の残り（すなわち、エッチングされていない）部分は、隣接するマイクロキャビティ１２５を分離するインターレース壁１２７を形成し、上向き面１２２の残りの部分は、インターレース壁１２７の上（水平）面を形成する。１つの実施形態において、マイクロキャビティ１２５は、（例えば、インターレース壁部を覆い且つエッチングのためにマイクロキャビティ部を露出させるマスクを形成する）フォトリソグラフィ処理によって略平坦な上向き面１２２に形成される。インターレース壁１２７は、上向き面１２２にわたって平行な水平（Ｘ−及びＹ−軸）方向に延在し、マイクロ開口１２５は、上向き面１２２内に（すなわち、負のＺ軸方向に）延在するが、表面構造１２０の下面１２３まで通過しない。

上述したように、各立方体形状のマイクロキャビティ１２５及びその関連するインターレース壁１２７の周囲セグメントは、メタマテリアル構造１２０の１つのメタ原子を形成する。例えば、図１の下部に示されているように、マイクロキャビティ１２５−２２及びその関連する周囲の壁セグメントは、マイクロキャビティ１２５−２１及び１２５−２３並びにそれらの各壁セグメントをそれぞれ含むメタ原子１２４−２１と１２４−２３との間に配置されたメタ原子１２４−２２を形成する。所望の光学的特性を有する太陽熱受熱器１１０を提供するために、マイクロキャビティ開口の寸法及び各メタ原子の壁セグメントの厚さは、格子周期Λによって設定される（すなわち、これらの寸法の合計は、０．５から２ミクロンの範囲である）。以下にさらに詳細に説明されるように、この格子周期Λを有するワッフル状アレイ１２４を形成することは、ピーク太陽光エネルギ（すなわち、可視光スペクトルにおける波長を有する太陽光）の吸収を大幅に改善することが見出されており、また、ＩＲスペクトルにおける電磁放射Ｅ_Ｒの放射を抑制することによって放射熱損失を最小限に抑えることが証明されている。

本発明の他の態様によれば、基材１２１は、高融点太陽光吸収材料から本質的に構成される。所望のスペクトル選択性光学的特性を提供することに加えて、太陽熱受熱器１１０は、期待される高温（例えば、６００℃以上）を耐えることができなければならない。したがって、１つの実施形態において、基材１２１は、高融点金属（例えば、それらの高融点が顕著であるタンタル及びモリブデンなどの高融点金属）を使用して実現される。現在好ましい高融点金属の実施形態において、空気に曝されたときに比較的厚い酸化物層を形成することが知られているいくつかの高融点金属とは異なり、モリブデンは、設計された光学的機能に悪影響を与えない（すなわち、メタマテリアル寸法を歪めない）比較的薄い（すなわち、数ナノメートルの厚さを有する）酸化物層を形成し、また、さらなる酸化を防止するのに役立つことから、基材１２１は、モリブデンを使用して実現される。他の実施形態において、基材１２１は、高温において優れた熱特性（例えば、低い熱膨張係数、高い熱伝導率）を有するように知られている炭化シリコン（ＳｉＣ）などの非金属材料を使用して実現される。金属とは異なり、ＳｉＣは、半導体であり、したがって、ＳｉＣから本質的に構成される表面構造は、金属ベースの表面構造のものと同様の光学的特性を達成するために僅かに異なるメタマテリアル幾何学的形状（すなわち、以下に記載される異なる特徴寸法）を必要とすることがある。ＳｉＣをドープする能力は、メタマテリアル構造のプラズモン及び光学的特性を調整するために利用されることができるさらなる自由度を提供する。

図２は、さらに詳細にメタ原子１２４−２２を示す切欠斜視図である。図２は、図１において「２−２」とラベリングされた破線ボックスによって示されるメタマテリアル構造１２０の一部分を示すことに留意されたい。メタ原子１２４−２２は、一般に、Ｙ−軸方向に延在する壁セグメント１２７−１及び１２７−２と、Ｘ−軸方向に延在する壁セグメント１２７−３及び１２７−４と、マイクロキャビティ１２５−２２として参照されるボイド領域を一括して包囲し且つ画定する水平底壁１２８−２２とを含む。

本発明の特定の実施形態によれば、太陽熱受熱器１１０のメタマテリアル構造１２０を形成する様々な特徴の寸法は、一般に、可視光スペクトルにおける電磁放射の波長と一致する。上述したように、メタマテリアルの構造的特徴の正確な寸法は、所望の光学的特性（例えば、吸収及び放射スペクトル）を決定する。可視光（すなわち、約０．４から約１ミクロン）に対応する波長と等しいか又は僅かに範囲外の特徴サイズを有するメタ原子から構成されたメタマテリアル構造１２０を有する太陽熱受熱器１１０を形成することにより、太陽熱受熱器１１０は、可視光スペクトルにおける太陽光の高い吸収率を呈し、ＩＲスペクトルにおける電磁放射の放射を最小限に抑え、それゆえに放射熱損失を最小限に抑える。１つの実施形態において、各インターレース壁１２７は、０．２から１ミクロンの範囲の横方向（水平方向）の厚さＴを有し、各マイクロキャビティ１２５（例えば、マイクロキャビティ１２５−２２）は、０．１から１ミクロンの範囲の横方向の幅Ｗ及び０．１から３ミクロンの範囲の横方向（垂直方向）の深さＤを有する。１つの実施形態において、格子周期Λは、入射太陽エネルギＥ_Ｓのピーク共振波長の高端（すなわち、約１ミクロン）に設定され、そして、所望の光学的特性を有する太陽熱受熱器１１０を提供する各メタ原子を形成する構造的特徴の正確な寸法は、有限差異時間ドメイン（ＦＤＴＤ）法、有限要素法（ＦＥＭ）及び厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を使用したパラメータ検索を介して数値的に決定される。これらの方法を使用して、対応する反射率は、与えられたメタマテリアル構造についてシミュレートされることができ、吸収及び放射曲線が間接的に計算されることができる。

図３は、図２の切断線３−３に沿ってとられたメタ原子１２４−２２を示す断面図であり、メタマテリアル構造１２０の有益な光学的特性を説明するために太陽光吸収を示している。断面図において、メタマテリアル構造１２０のワッフル状パターンは、方形波型表面パターンの上部レベル「段差」を形成する壁部１２７−１及び１２７−２の上部壁面部１２２−１及び１２２−２と、方形波型パターンの下部レベルをそれぞれ形成するマイクロキャビティ１２５−１、１２５−２及び１２５−３のマイクロキャビティ底面１２８−２１、１２８−２２及び１２８−２３とを有する方形波型表面パターンを形成することに留意されたい。以下に示されるように、これらの表面特徴の正確な寸法（例えば、壁部１２７−１及び１２７−２のそれぞれの厚さＴ１及びＴ２並びにマイクロキャビティ１２５−２２の幅Ｗ）は、メタマテリアル構造１２０の光学的特性を決定する。

図３に示されるように、動作中において、メタマテリアル構造１２０は、入射太陽放射がワッフル状パターン１２４上に導かれるように配向される。示された例において、入射太陽光放射部Ｅ_Ｓ１及びＥ_Ｓ２は、それぞれ、壁セグメント１２７−１及び１２７−２の表面部１２２−１及び１２２−２上にそれぞれ導かれ、太陽光放射部Ｅ_Ｓ３は、マイクロキャビティ１２５−２２の底面１２８−２２上に導かれる。これらの条件下で、入射電磁放射によって高い局所的表面波が誘導され、空気と表面部１２２−１、１２２−２と材料１２８−２２との間の界面に生成され、これらの界面におけるこれらの伝導帯電子の共振コヒーレント発振は、「表面プラズモン」と称される。図３に示されるように、太陽光放射部Ｅ_Ｓ１及びＥ_Ｓ２は、壁セグメント１２７−１及び１２７−２の上面部１２２−１及び１２２−２によってそれぞれ画定される空気／表面界面において表面プラズモンＳＰ１及びＳＰ２に結合し、太陽光放射部Ｅ_Ｓ３は、下面部１２８−２２において表面プラズモンＳＰ３に結合する。表面プラズモンＳＰ１からＳＰ３は、それぞれ、入射放射部Ｅ_Ｓ１からＥ_Ｓ３に結合せず、結合は、マイクロキャビティ１２５−２２を画定する（囲む）インターレース壁セグメント１２７−１及び１２７−２及び底壁１２８−２２を介して達成される。

上述したように、インターレース壁アーキテクチャ及びマイクロキャビティ開口の正確な特徴サイズ（寸法）は、メタマテリアル構造１２０によって生成される表面プラズモン波の共振周波数を決定する。すなわち、誘電率及び透磁率が構成原子から導出される従来の材料とは異なり、メタマテリアルの有効複合誘電率及び透磁率は、メタ原子１２４−２２などの各構成単位から導出される。換言すれば、表面プラズモンのこれらの共振周波数と等しい固有周波数を有する入射電磁放射のみが表面プラズモン波ＳＰ１からＳＰ３に強く結合する。共振において、局所的電磁界の強い強化が確立され、電磁エネルギは、メタマテリアル構造１２０において有効に制限される。この場合、壁セグメント１２７−１の水平（横方向）の厚さＴ１は、表面プラズモン共振ＳＰ１が結合する太陽光放射部Ｅ_Ｓ１の共振周波数を順次決定する表面プラズモン共振ＳＰ１の周波数を決定し、それにより、太陽光放射部Ｅ_Ｓ１は、壁セグメント１２７−１に伝達される熱エネルギ（熱）Ｅ_Ｔ１に変換される。同様に、壁セグメント１２７−２の厚さＴ２は、表面プラズモンＳＰ２が結合する太陽光放射部Ｅ_Ｓ２の周波数を順次決定する表面プラズモンＳＰ２の共振周波数を決定し、それにより、太陽光放射部Ｅ_Ｓ２は、熱エネルギ（熱）Ｅ_Ｔ２に変換される。さらに、マイクロキャビティ１２５−２２の幅Ｗは、表面プラズモンＳＰ３が結合する太陽光放射部Ｅ_Ｓ３の周波数を順次決定する表面プラズモンＳＰ３の共振周波数を決定し、それにより、太陽光放射部Ｅ_Ｓ３は、熱エネルギ（熱）Ｅ_Ｔ３に変換される。このように、マイクロキャビティ１２５−２２は、熱エネルギＥ_Ｔ１からＥ_Ｔ３の形態で散逸する表面波を有する入射太陽光放射部Ｅ_Ｓ１からＥ_Ｓ３についてのシンクとして機能する。図２を参照すると、この変換はまた、メタ原子１２４−２２の壁セグメント１２７−３及び１２７−４に生じる。スペクトルの可視レジメ（すなわち、ＩＲレジメではない）において主に（排他的ではないにしても）共振を有するようにメタマテリアル構造１２０を設計することは、理想的な吸収ターゲットに近い吸収スペクトルをもたらす。図４は、１μｍの格子周期Λ、８００ｎｍのマイクロキャビティ幅Ｗ及び１．６μｍのマイクロキャビティ深さＤを含み且つ表面材料としてタンタルを使用する仕様による上述したワッフル状アレイで製造されるメタマテリアル構造についてのモデル化された吸収スペクトルの例を示すグラフである。地球の太陽光スペクトルがまた、比較のために図４に示されている。

高い吸収効率を呈することに加えて、上記説明にしたがって形成されるメタマテリアル構造は、可視光に対するスペクトル選択性を呈する方法によって放射熱損失を最小限に抑える。スペクトル選択性表面は、一般に、いくつかのカットオフ波長を下回る波長において高い吸収率及びカットオフ波長を上回る低い吸収率を呈することによって特徴付けられる。表面材料の吸収率は、放射エネルギの吸収における有効性を示し、界面において吸収される入射電磁力の割合として示される。カットオフ波長は、動作温度及び受光面における期待される集光率に依存する。例えば、５００℃で動作する集光型太陽光発電パラボラトラフ受熱器は、約２．５μｍのカットオフ波長を有する。より高温において、黒体熱放射のピーク波長は、より短波長にシフトし、したがって、カットオフ波長は、同様に低減される必要がある。地球の表面における既知の太陽光スペクトルについて、約６００℃を上回る温度についての黒体放射を想定すると、理想化された選択性表面についての吸収率は、２．５μｍのカットオフ波長を有する。

再度図２及び図３を参照すると、代替実施形態において、インターレース壁１２７は、（図２に示されるように）同じ厚さＴを有し、それゆえに、同じ周波数において共振を発生させるか、又は、異なる厚さ（図３における厚さＴ１及びＴ２、ここで、Ｔ２＞Ｔ１）を有して形成され、それゆえに、僅かに異なる周波数において異なる壁に太陽エネルギを吸収させる。

さらなる代替実施形態によれば、本発明にしたがって製造される太陽熱受熱器は、一体的構造又は複数部品構造のいずれかを備える。

図５は、メタマテリアル構造１２０Ａが太陽熱受熱器１１０Ａの全体を形成し且つ高融点太陽光吸収基材（例えば、高融点金属）の一体的に形成されたブロック１２１Ａを備える第１の例示的な実施形態を示している。この例において、ワッフル状アレイ１２４Ａが上向き面１２２Ａ上に形成される前又は後のいずれかに、熱交換流体導管１２９Ａがブロック１２１Ａを通って穿設されるか又は切断される。単一品アプローチの利点は、これが層間剥離の可能性を排除するということである。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、太陽熱受熱器１１０Ｂがブロック状基部１１５Ｂ上に配置された箔状構造１２０Ｂを含む本発明の第２の例示的な実施形態を示している。この場合、メタマテリアル構造１２０Ｂは、上述した特徴を有するワッフル状アレイ１２４Ｂが形成される上向き面１２２Ｂを有する高融点太陽光吸収基材から本質的に構成される薄い（箔又はウェハ）基板１２１Ｂを備える。この場合、基板１２１Ｂの下面１２３Ｂは、熱交換流体導管１１９Ｂを含むように別個に処理（例えば、機械加工）されている基部１１５Ｂの上面１１６Ｂに固定される。２部品アプローチの利点は、このアプローチがメタマテリアル構造１２０Ｂの処理を簡略化し、基部１１５Ｂの湾曲表面上の表面構造１２０Ｂを湾曲させることによって湾曲した（例えば、パイプ状の）太陽熱受熱器構造を形成するのを容易とするということである。

上述した様々な太陽熱受熱器は、様々な異なるＣＳＰプラントを提供するために利用されることができる。例えば、図７は、太陽熱受熱器１１０Ｃを支持するタワー１０５Ｃを含む中央受熱器ＣＳＰプラント１００Ｃを示しており、ヘリオスタット１４１Ｃ−１及び１４１Ｃ−２は、太陽熱受熱器１１０Ｃ上に入射太陽エネルギＥ_Ｓを集光するように構成された集光器１４０Ｃを形成し、太陽熱受熱器１１０Ｃは、上述した実施形態のいずれかにかかるメタマテリアル改善表面構造１２０Ｃを含み、熱交換流体循環システム１５０Ｃによってタービン（図示しない）に伝達される熱交換導管１３０Ｃに熱エネルギを伝達するようにさらに構成されている。代替的に、図８は、支持部１４４Ｄ上に配置され且つ焦点ＦＰにおいて中央ポスト１４６Ｄによって維持される太陽熱受熱器１１０Ｄ上に太陽エネルギＥ_Ｓをフォーカスするように構成されたソーラーディッシュ集光器１４０Ｄを含むソーラーディッシュＣＳＰプラント１００Ｄを示しており、太陽熱受熱器１１０Ｄは、上述した実施形態のいずれかにかかるメタマテリアル改善表面構造１２０Ｄを含み、熱交換導管１３０Ｄに熱エネルギを伝達するようにさらに構成されている。図９は、焦点線ＦＬに沿った支持アーム１４６Ｅによって維持されるパイプ状太陽熱受熱器１１０Ｅ上に太陽エネルギＥ_Ｓをフォーカスするように構成されたトラフ型集光器１４０Ｅを含む他の実施形態にかかるパラボラトラフＣＳＰプラント１００Ｅを示しており、太陽熱受熱器１１０Ｅは、上述した実施形態のいずれかにかかるメタマテリアル改善表面構造１２０Ｅを含み、熱交換導管１３０Ｅに熱エネルギを伝達するようにさらに構成されている。

Claims (10)

1. ０．５から２ミクロンの範囲の格子周期を有する周期的アレイで配置された関連するインターレース壁によって囲まれた複数の略立方体形状のマイクロキャビティを含む第１の表面を有する高融点基材から本質的に構成されたメタマテリアル改善太陽光受光構造を備える太陽熱受熱器。
2. 前記高融点基材が高融点金属及び炭化シリコンのうちの１つを含む、請求項１に記載の太陽熱受熱器。
3. 前記関連するインターレース壁の各壁が０．２から１．０ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の太陽熱受熱器。
4. 複数の前記マイクロキャビティの各マイクロキャビティが、０．１から１ミクロンの範囲の幅及び０．１から３ミクロンの範囲の深さを有する、請求項３に記載の太陽熱受熱器。
5. 第１の表面を有する高融点基材を含むメタマテリアル構造を含む太陽熱受熱器において、前記第１の表面が、並列インターレース壁間に周期的アレイで配置された複数の略立方体形状のマイクロキャビティを画定し、前記インターレース壁の各壁が０．１から１ミクロンの範囲の横方向厚さを有する、太陽熱受熱器。
6. 前記高融点材料が、高融点金属及び炭化シリコンのうちの１つを含む、請求項５に記載の太陽熱受熱器。
7. 複数の前記マイクロキャビティの各マイクロキャビティが、０．１から１ミクロンの範囲の幅及び０．１から３ミクロンの範囲の深さを有する、請求項５に記載の太陽熱受熱器。
8. 集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）プラントにおいて、
   熱交換流体に熱エネルギを伝達するように構成された太陽熱受熱器と、
   前記太陽熱受熱器上に入射太陽エネルギを集光するように構成された太陽光集光器とを備え、
   前記太陽熱受熱器が、０．５から２ミクロンの範囲の格子周期を有する周期的アレイで配置された関連するインターレース壁によって囲まれた複数の略立方体形状のマイクロキャビティを含む第１の表面を有する高融点基材から本質的に構成されたメタマテリアル改善太陽光吸収構造を備える、ＣＳＰプラント。
9. 前記太陽光集光器がソーラーディッシュ及びパラボラトラフのうちの１つを含む、請求項８に記載のＣＳＰプラント。
10. さらに、前記太陽熱受熱器を支持する中央タワーを備え、前記太陽光集光器が複数のヘリオスタットを含む、請求項８に記載のＣＳＰプラント。

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