SE530464C2 - Nickel-aluminiumoxid-belagd solabsorbator - Google Patents

Description

TEKNISKT OMRÅDE Den aktuella uppfinningen relaterar generellt till solvärmesystem och speciellt till spektralt selektiva belagda solabsorbatorer.

BAKGRUND Solenergisystem har blivit mer och mer kommersiellt intressanta under de senaste 30 åren. Den enorma mängd solstrålning som är potentiellt tillgänglig på jorden utgör i princip en oändlig energikälla. Ett sätt att använda denna solenergi är genom solvärmesystem. En viktig komponent i ett solvärmesystem utgörs av solfångaren. Två typer av solfångare dominerar idag marknaden, plana solfångare och vakuumrörsolfångare. Den viktigaste delen av båda typer av solfångare utgörs av absorbatorn. Absorbatorn konverterar solstrålningen till värme genom fototermisk omvandling. Den absorberade värmen överförs till ett vätske- eller gasmedium, som strömmar genom rör sammanfogade med absorbatorn. Förluster kan orsakas av ledning, konvektion och strålning. Konvektions- och ledningsförluster kan reduceras genom att täcka absorbatorn med genomskinligt glas och genom att isolera solfångarlådan. Strålningsförlusterna minimeras genom manipulation av absorbatorytan.

De flesta absorbatorerna består av en metallplatta som har bra värmeledningsförmåga och hög infraröd reflektans, såsom aluminium eller koppar. Denna metallplatta kan med fördel beläggas av ett tunt ytskikt som är spektralt selektivt absorberande. En ideal absorbator ska absorbera all solstrålning men samtidigt undvika att förlora den absorberade energin som infraröd strålning, dvs. värme. En absorbator med ett substrat som är belagt med två tunna skikt är undersökt i artikel [1]. Det första skiktet som täcker substratet består av nickelnanopartiklar inbäddade i en dielektrisk matris av aluminiumoxid. Det optimala skiktet hade en lösningskoncentration av nickel på 65 volymprocent, en tjocklek på 0.1 um och en partikelstorlek runt lOnm. Det yttersta skiktet består av ett antireflexskikt. Med endast det första skiktet uppnås en normal solabsorbans av 0.83 och en normal termisk emittans på 0.03. Genom att lägga på antireflexskiktet ökade solabsorbansen till ett maximum av 0.92. Enligt [2] så består det optimala antireflexskiktet av ett aluminiumoxidskikt, medan antireflexskikt bestående av kiseldioxid och hybridkiseldioxid uppnådde en solabsorption av 0.90-0.91. Emellertid kan aluminiumoxid inte motstå nödvändiga accelererade åldringstester och kan därför inte användas i en kommersiell produkt. Även med så höga absorptionsvärden så kommer minst 8 % av den inkommande solstrålningen inte att absorberas. De flesta kommersiella system skulle dra nytta av än mindre förluster. En absorbator bestående av flera skikt skulle, åtminstone teoretiskt, kunna öka effektiviteten ytterligare, enligt [3J. Absorptionsförluster om mindre än 5 % (dvs. en solabsorption på 0.95) förutsades genom att utnyttja allmän kunskap från andra typer av multiskiktsabsorbatorsystem.

SAMMANFATTNING Ett generellt problem med solabsorbatorer enligt teknikens ståndpunkt är att de fortfarande uppvisar oönskade höga strålningsförluster. Ett annat problem med solabsorbatorer enligt teknikens ståndpunkt är att produktionskostnaderna är för höga. Ett ytterligare problem är att tillverkningsprocesserna för ledande kommersiellt tillgängliga solabsorbatorer utnyttjar vakuumtekniker vilka är komplicerade och dyra.

Ett generellt syfte med den aktuella uppfinningen är därför att tillhandahålla förbättrade solabsorbatorer, speciellt gällande solabsorbansen. Ett annat syfte för den aktuella uppfinningen är att tillhandahålla sådana förbättrade solabsorbatorer vilka möjliggör kostnadseffektiv och miljövänlig tillverkning. Ytterligare ett syfte är att tillhandahålla solabsorbatorer vilka tillåter tillverkning som inte behöver använda vakuumtekniker.

Ovanstående syften har uppnåtts genom anordningar enligt de bifogade patentkraven. Allmänt beskrivet, en solabsorbator består av ett substrat belagt med minst tre tunna skikt. Det yttersta skiktet är företrädesvis ett antireflexskikt. Det innersta skiktet består av nickelnanopartiklar inbäddade i en dielektrisk matris av aluminiumoxid, med ett atomförhållande av aluminium-till-nickel mellan 0.15-0.25, och företrädesvis mellan 0.18-0.23. I en föredragen utföringsform består även det andra skiktet av nickelnanopartiklar inbäddade i en dielektrisk matris av aluminiumoxid men med ett atomförhållande av aluminium-till-nickel på 0.8-1.2. Det innersta skiktet har i föredragna utföringsformer en tjocklek på 68-98 nm, medan det andra skiktet har en tjocklek på 50-80 nm. Nickelpartiklarna har en föredragen genomsnittlig diameter om 5-10 nm. Antireflexskiktet har i föredragna utföringsformer ett brytningsindex i solspektrats våglängd sin tervall på 1.38-1.46, som till exempel kiseldioxid eller hybridkiseldioxid, med en tjocklek på 48-78 nm.

En fördel med den aktuella uppfinningen är att en solabsorbator med oväntat hög solabsorbans åstadkoms, där förlusterna av absorberad inkommande solstrålning begränsas till 3 %, dvs. ca. en tredjedel i förhållande till tidigare liknande system och betydligt mindre än vad som förväntades vara möjligt att åstadkomma. Vidare så kan produktionen utföras kostnadseffektivt på ett miljövänligt sätt och vid normalt lufttryck.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen och de ytterligare fördelarna därav förstås bäst genom att, tillsammans med de bifogade bilderna, referera till följande beskrivning, där: FIG. 1 är en schematisk bild av ett typiskt solvärmesystem; FIG. 2 ar en schematisk bild av en typisk plan solfångare i genom skärning; FIG. 3 är en figur som illustrerar våglängdsdistributionen av sol-och svartkroppsstrålning; FIG. 4 är en schematisk bild av en utföringsform av en solabsorbator i genomskärning, enligt den aktuella uppfinningen; och FIG. 5 är en figur som illustrerar resultaten av reflektansmätningar för en solabsorbator enligt den aktuella uppfinningen och för en solabsorbator enligt teknikens ståndpunkt.

DETALJERAD BESKRIVNING Fig. 1 illustrerar ett typiskt solvärmesystem 50, i vilken en solfångare 20 enligt den aktuella uppfinningen kan användas. Solen 41 emitterar solstrålning 40, som träffar solfångaren 20. En vätska eller gas pumpas med hjälp av en pump 30 genom ett inloppsrör 31 till solfångaren 20, där värme alstrad av solstrålningen 40 värmer vätskan eller gasen. Den värmda vätskan eller gasen förs ut genom ett utloppsrör 32 till en värmeväxlartank 33. I en värmeväxlare 34 överförs en del av värmeinnehållet i vätskan eller gasen till en vätska eller gas i tanken 33, innan vätskan eller gasen återförs till solfångaren 20. En andra värmeväxlare 35 använder värmeinnehållet i vätskan eller gasen i värmeväxlartanken 33 för att värma vatten som förs in från inloppsröret 37. Det uppvärmda vattnet förs ut genom ett.utloppsrör 36 och kan användas till vad som önskas. Fig. 2 illustrerar en utföringsform av en plan solfångare 20, inom vilken en absorbator enligt den aktuella uppfinningen med fördel kan användas. Solfångaren 20 omges av ett skal 22 som innefattar ett antal solabsorbatorer 1. Solabsorbatorerna 1 är i ledande kontakt med rör 25 för värmemediet. Solabsorbatorerna 1 är normalt termiskt isolerade från skalet 22 med hjälp av ett isolermaterial 23. Konvektion härrörande från solabsorbatorn 1 minskas genom att täcka solabsorbatorn 1 med ett transparant glas 21, vilket skapar ett luftutrymme 24 med i huvudsak stillastående luft. Fig. 3 visar en figur som illustrerar distributionen av solstrålningsintensiteten enlig en kurva 100. För att optimalt kunna nyttogöra den tillgängliga energin så ska absorbansen hos solabsorbatorytan vara hög inom ett intervall 104. Samtidigt så emitterar alla kroppar värmestrålning relaterat till dess temperatur och emittansegenskaper. Ett ytskikt som har en hög reflektans i ett våglängdsintervall 105 kan därmed minimera den emitterade värmestrålningen. Distributionen av svartkroppsstrålning från en 100°C, 200°C och 300°C svartkropp representeras av respektive kurva 101, 102 och 103. En spektralt selektiv solabsorbator har därför idealt en hög absorbans i intervallet 104 och en hög reflektans i intervallet 105. Fig. 4 illustrerar en nu föredragen utföringsform av en solabsorbator 1 enligt den aktuella uppfinningen. Ett substrat 2 är belagt med ett första 11, ett andra 12 och ett tredje 13 skikt. De första 11 och andra 12 skikten är huvudsakligen absorptionsskikt, medan det tredje skiktet 13 verkar som ett antireflex- och skyddsskikt. Substratet 2 är i denna utföringsform gjort av aluminium men även andra substrat som har god värmeledningsförmåga och en hög infraröd reflektans kan också användas, t.ex. koppar.

Det första skiktet 11 innefattar nickelnanopartiklar inbäddade i en dielektrisk matris av aluminiumoxid. Solabsorbatorns 1 prestanda är relativt känslig för atomförhållandet av aluminum-till-nickel. Det föredragna atomförhållandet av aluminium-till-nickel är 0.2. Prestandan antas fortfarande bli excellent med ett atomförhållande av aluminium-till-nickel på 0.18-0.23 och prestandan i intervallet 0.15-0.25 antas även vara bättre än vad som förväntats från tidigare uppskattningar. Första skiktets 11 tjocklek Dl är inom intervallet 68-98 nm och med en föredragen tjocklek runt 82 nm. De flesta nickelpartiklarna har en storlek av 5-10 nm och således är den genomsnittliga diametern på nickelpartiklarna i intervallet 5-10 nm.

Det andra skiktet 12 innefattar även det nickelnanopartiklar inbäddade i en dielektrisk matris av aluminiumoxid. Solabsorbatorns 1 prestanda är även för detta skikt relativt känslig för nickelinnehållet. Det föredragna atomförhållandet aluminium-till-nickel är 0.95. Inom intervallet 0.8-1.2 av atomförhållandet av aluminium-till-nickel antas prestandan vara bättre än vad som förväntats från tidigare uppskattningar. Andra skiktets 12 tjocklek D2 är inom intervallet 50-80 nm och med en mest föredragen tjocklek runt 65 nm. Även i detta skikt har de flesta nickelpartiklarna en storlek av 5-10 nm och således ligger åtminstone den genomsnittliga diametern på nickelpartiklarna i intervallet 5-10 nm.

Det tredje skiktet 13 är ett antireflexskikt. Experiment har visat att ren kiseldioxid och hybridkiseldioxid, mer detaljerat beskrivet nedan, är mycket användbara. Emellertid så skulle även andra antireflexmaterial med en realdel av brytningsindex i intervallet 1.38-1.46 i solspektrats våglängdsintervall fungera bra. Den optimala tjockleken för antireflexskiktet i den aktuella utföringsformen har befunnits vara runt 62 nm eller åtminstone i ett föredraget intervall på 48-78 nm.

En absorbator med sammansättningar enligt utföringsformen ovan har undersökts. Fig. 5 visar reflektanskurvor 106, 107 av en absorbator enligt den aktuella uppfinningen respektive en absorbator enligt [ 1 ]. Den kraftiga förbättringen kan enkelt observeras.

En treskiktsstruktur har använts i utföringsformen ovan. Emellertid, det är även möjligt att absorbatorn har flera lager, t.ex. tre absorberande lager täckta med ett antireflexskikt. Det är då, enligt den aktuella uppfinningen, användbart med ett innersta skikt som har den ovan diskuterade kompositionen.

Det yttersta skiktet i en trelagerskonfiguration skulle dessutom även kunna användas i absorptionssyfte. Antingen, sammansättningen fungerar utan antireflexskikt, eller så kan det yttersta skiktet vara ett skikt som agerar som ett antireflexskikt i förhållande till det underliggande skiktet, samtidigt som det verkar som ett absorberande skikt.

De inre skikten enligt den aktuella uppfinningen är huvudsakligen baserade på den dielektriska aluminiumoxidmatrisen med inbäddade nickelpartiklar. Emellertid så kan denna dielektriska matris modifieras något genom att lägga till andra ämnen eller föreningar. Likaså så är det möjligt att styra egenskaperna genom att lägga till partiklar av andra ämnen eller föreningar. Emellertid så är den största delen av de använda materialen som används baserade på den föreslagna grundkompositionen.

Tillverkning av absorbatorer enligt den aktuella uppfinningen kan ske på olika sätt men det har uppmärksammats att lösningskemiska och sol-gel-processer är mycket användbara. Absorbatorn enligt utföringsformen i Fig. 4 var tillverkad i tre steg. Substratet belades först med en lösning innehållandes nickel och aluminiumjoner. Innan dess så bereddes en aluminiumprekursor- och nickelprekursorlösning vilka därpå mixades till den efterfrågade fraktionen. Den mixade lösningen spinnbelades på substratet. Det belagda substratet utsattes sedan för en värmebehandling som genererar det första absorberande skiktet. Värmebehandlingen utfördes i en syrefri atmosfär för att reducera nickeljonema till metalliskt nickel. Under den utförda värmebehandlingen på testabsorbatorerna så flödade kvävgas över ytan. Temperaturen ökades gradvis upp till en maximal temperatur på 450 till 580 °C, för att helt avlägsna kvarvarande organiska grupper.

Sedan deponerades ett andra skikt i form av en lösning med en annan koncentration av nickel och aluminium joner ovanpå det första skiktet, följt av en värmebehandling i analogi med tillverkningen av det första skiktet.

Sist adderas en antirefiexskiktslösning överst. Den för testabsorbatorerna valda tillverkningsprocessen för att göra antireflexskikt av kiseldioxid eller hybridkiseldioxid är baserad på ett sol-gel-angreppssätt och är som sådan känd sen tidigare. Det finns ett antal olika lösningsbaserade procedurer för att göra kiseldioxid eller hybridkiseldioxid men den använda metoden till testabsorbatorerna var den följande; Tetraethoxysilane, TEOS och metyltriethoxysilane, MTES användes som startmaterial. Om bara TEOS används så kommer det resulterande skiktet att bestå av 100 % kiseldioxid. Genom att mixa TEOS och MTES så erhålls ett hybridkiseldioxidskikt, ju högre andelen MTES till TEOS är desto flexiblare blir det resulterande skiktet. TEOS mixades först med ett lösningsmedel som exempelvis etanol och sedan tillsattes utspädd HC1 för att hydrolysera TEOS. MTES (om någon) tillsattes sedan, som även det hydrolyserade. Lösningen spinnbelades på det andra skiktet och antireflexskiktet formades efter ännu en värmebehandling. Antireflexskiktet hettades upp till runt 300-500°C.

De beskrivna utföringsformerna ovan ska ses som några illustrativa exempel av den aktuella uppfinningen. Det inses av fackmannen att diverse modifieringar, kombinationer och ändringar av utföringsformerna kan göras utan att avlägsna sig från omfattningen av den aktuella uppfinningen. Speciellt så kan olika dellösningar i de olika utföringsformerna kombineras i andra konfigurationer, där så är tekniskt möjligt. Omfattningen av den aktuella uppfinningen är emellertid definierad av de bifogade kraven.

REFERENSER [1] T. Boström et al., "Solution-chemical derived nickel-alumina coatings for thermal solar absorbers", Solar energy 74 (2003) sid. 497-503. [2] T. Boström et al., "Anti reflection coatings for solution-chemically derived nickel-alumina solar absorbers", Solar energy materials and solar cells, vol. 84, Issues 1-4, October 2004, sid. 183-191. [3] T. Boström, "A New Generation of Spectrally Selective Solar Absorbers and Thermal Solar Systems", Licentiatavhandling, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Uppsala Universitet, mars 2004.

Claims (13)

1. Solabsorbator (1), innefattande: substrat (2); ett första skikt (11), som belägger substrat (2); och ett andra skikt (12), som belägger det första skiktet (11); vilket första skikt (11) är baserat på en dielektrisk matris av aluminiumoxid med inbäddade nickelpartiklar; kännetecknad av ett tredje skikt (13), som belägger det andra skiktet (12); vilket första skikt (11) har ett atomförhållande av aluminium-till-nickel i intervallet 0.15-0.25.

2. Solabsorbator (1) enligt krav 1, kännetecknad av att det första skiktet (11) har ett atomförhållande av aluminium-till-nickel i intervallet 0.18-0.23.

3. Solabsorbator (1) enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det första skiktet (11) har en tjocklek (Dl) på 68-98 nm.

4. Solabsorbator (1) enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknad av att det andra skiktet (12) är baserat på en dielektrisk matris av aluminiumoxid med inbäddade nickelpartiklar.

5. Solabsorbator (1) enligt krav 4, kännetecknad av att det andra skiktet (12) har ett atomförhållande av aluminum-till-nickel på 0.8-1.2.

6. Solabsorbator (1) enligt krav 4 eller 5, kännetecknad av att det andra skiktet (12) har en tjocklek (D2) på 50-80 nm.

7. Solabsorbator (1) enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknad av att det tredje skiktet (13) är ett antireflexskikt.

8. Solabsorbator (1) enligt krav 7, kännetecknad av att det tredje skiktet (13) har en realdel av brytningsindex, n, inom spännet 1.38 till 1.46, i solspektrats våglängdsintervall.

9. Solabsorbator (1) enligt krav 8, kännetecknad av att det tredje skiktet (13) består av kiseldioxid eller hybridkiseldioxid.

10. Solabsorbator (1) enligt något av kraven 7 till 9, kännetecknad av att det tredje skiktet (13) har en tjocklek (D3) på 48-78 nm.

11. Solabsorbator (1) enligt något av kraven 1 till 10, kännetecknad av att nickelpartiklarna har en genomsnittlig diameter inom intervallet 5-10 nm.

12. Solfångare (20), innefattande åtminstone en solabsorbator (1) enligt något av kraven 1 till 11.

13. Solvärmesystem (50), innefattande åtminstone en solfångare (20) enligt krav 12.