CH620287A5 - Radiation collector - Google Patents

Description

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Die abhängigen Patentansprüche betreffen s Weiterbildungen der Erfindung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema des optischen Prinzips einer reflexmindernden Schicht ;

in Fig. 2 in graphischer Darstellung die verbesserte Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes für drei verschiedene Arten von Oberflächen einer Schichtvorrichtung nach der Erfindung ;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Reflexion von der Wellenlänge für verschiedene Einfallswinkel des Lichtes;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtes von der Dicke einer WO .-Scliicht auf einem absorbierenden W-Substrat bei maximaler Absorption. :n Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Lichtenergie in Wärme kann ausgedrückt werden als:

Wirkungsgrad =

absorbierte Energie-riickgestrahlte Energie eingestrahlte Energie

(Gl. 1)

Die vorliegende Schichtvorrichtung, die auch als Photonenabsorptionsvorrichtung bezeichnet werden kann, ist geeignet zur Verwendung als Sonnenkollektor. Sie dient der Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in Wärme hängt vom Verhältnis des Anteils der absorbierten Lichtenergie zum Anteil von Wärme ab, der wieder ausgestrahlt oder der reflektiert wird. Die Metalle, die gute Wärmeleiter sind, absorbieren, da sie undurchsichtig sind, praktisch bei allen Wellenlängen. Aber ein grosserTeil der eingestrahlten Energie wird reflektiert. Im allgemeinen zeigen jedoch stark reflektierende Flächen neben geringer Absorption auch geringe Emission. Da die Eigenschaften Absorption und Emission miteinander verknüpft sind, wurden bisher Strahlungskollektoren als mehrschichtige Vorrichtungen entwickelt, wobei die eine Schicht eine der wünschbaren Eigenschaften und eine andere Schicht eine andere wünschbare Eigenschaft aufweist. Ein Beispiel dafür ist im USA-Patent 3 920 413 beschrieben. Die Qualität solcher Vorrichtungen ist dadurch begrenzt, dass die Wirksamkeit einer Schicht die optimale Wirksamkeit der anderen Schicht beeinträchtigt. Ausserdem ist die Herstellung mehrschichtiger Vorrichtungen häufig kompliziert und aufwendig.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtvorrichtung aus einem Strahlungsenergie absorbierenden Substrat, insbesondere von bestimmter Oberfläehenbeschaffenheit, das mit einer Antireflexschicht versehen ist. Durch diese Schicht soll bewirkt werden, dass die Reflexion der photonenabsorbierenden Schichtvorrichtung gedämpft wird, wodurch Reflexionsverluste wesentlich eingeschränkt werden.

In der schweizerischen Patentschrift Nr. 593 462 wurde eine reflexionsvermindernde Oberfläche eines Strahlungskollektors vorgeschlagen, die zahlreiche mikroskopisch kleine, dendritisch aufgewachsene nadelartige Aviswüchse trägt, deren Dimensionen und gegenseitige Abstände in der Grössenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes sind. Dadurch wurde eine Oberfläche für ein Photonen absorbierendes Material geschaffen, was den Wirkungsgrad anderer, seinerzeit bekannter Oberflächen von Strahlungskollektoren bei weitem übertraf. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, den Wirkungsgrad eines Strahlungsenergie-Wandlers weiterhin zu erhöhen. Einfallendes

Fig. 1 zeigt sehematisch die Wirkungsweise einer reflexmindernden Schicht auf die Absorption und Reflexion des Lichtes. Eine Antireflexschicht 1 aus fiireine bestimmte Wellenlänge optisch transparentem Material hat eine dem einfallenden Licht zugewandte (äussere) Oberfläche 2, die parallel läuft zur (inneren) Oberfläche 3 des photonenabsorbierenden Substrats 9, und eine Dicke 4, die mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtes in bestimmter Beziehung steht. Die optischen und physikalischen Eigenschaften einer reflexmindernden Schicht weisen bekanntlich Zusammenhänge auf, die nachfolgend erläutert werden.

Unter Reflexion soll im vorliegenden die Energie verstanden werden, die eingestrahlt und zurückgeworfen wird, ohne in das Substrat eingedrungen zu sein. Im Gegensatz dazu steht die rückgestrahlte Energie, von der ein Teil absorbiert worden war, der zur Erwärmung des Substrats beigetragen hat, und die dann wieder abgestrahlt wird.

Das in der Fig. 1 auf die Oberfläche 2 einfallende Licht hat eine erste Reflexionskomponente 5 und eine Reihe von abneh-4 menden nachfolgenden Komponenten 6,7 und 8. Weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Das an der inneren Oberfläche 3 reflektierte Licht wird verstärkt oder geschwächt durch Interferenz mit dem Licht früherer Reflexionen, das von der äusseren Oberfläche 2 her einfällt. Für die folgenden Ableitun-' gen sind beide Oberflächen vereinfachend als glatte Flächen dargestellt.

Im folgenden wird angenommen, dass die Antireflexschicht 1 aus dem Oxyd des darunterliegenden metallischen Absorptionsmaterials besteht. Der Fachmann erkennt jedoch ohne weiteres, dass eine reiche Auswahl anderer Materialien für die Ausführung der Erfindung auch in Frage kommt.

Der erste Reflexionskoeffizient (Strahl 5) in Fig. 1 bestimmt sich wie folgt:

"" (Strahl 5) = (R,)'- = (Gl. 2)

wobei R, den Reflexionskoeffizienten zwischen Luft und Oxyd und N() den Brechungsindex des Oxyds bedeutet.

Der zweite Reflexionskoeffizient ist:

(Strahl 6) = (R,)'- =

- Nm + N„ + i • K„ N„, + N„ + i • K„

(Gl.3)

3

620 287

wobei Ri der Reflexionskoeffizient zwischen Oxyd und Metall, Nm der Brechungsindex des Metalls und Knl der Extinktionskoeffizient des Oxyds ist. i ~ V—I.

Die Reflexionskoeffizienten der Komponenten 5, 6, 7 und S sind somit:

(Strahl 5) = r,

(Strali! 6) = r2(l — r,2)

(Strahl 7) = rvr, (1-r,2)

(Strahl 8)= ri'Vf (1 — r,2)

und der Reflexionskoeffizient der Antireflexschicht 1 ergibt sich aus Gleichung 4:

R

roiAi.

d/X 1 11

r, + r;e4m' 1 — r, r2

(Gl. 4)

wobei d die Dicke 4 und k die Wellenlänge des Uchtes ist. Die Zeichen 11 bedeuten Absolutwerte.

Es ist also:

1 — r3

I —r.r-.

Das ist näherungsweise:

< erwünschte Reflexion ~ bei X Min. (Gl. 5)

< erwünschte Reflexion bei X Min. (Gl. 6)

Bei Anwendungen zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme sollte die Reflexion bei einer erwünschten Wellenlänge (X Min.) weniger als 0,05 betragen.

Es ist also erstrebenswert, Rtotai. so klein als möglich und die Reflexion an der äusseren Oberfläche 2 möglichst gleich der Reflexion an den inneren Oberfläche 3 zu halten.

Die Werte einer Antireflexschicht 1 bei einer bestimmten Wellenlänge können durch die Gleichung 7 bestimmt werden:

1-Nn

+ N„

N„|-N„-i Kn N,„ + N„ + i K„

Ccrwünschte Reflexion ~ bei l Min. (Gl. 7)

Aus der Gleichung 7 ist im wesentlichen ersichtlich, dass die Werte der Antireflexschicht so zu wählen sind, dass die Wirkun-gen der Reflexion an der inneren Oberfläche 3 gleich sind wie die ursprüngliche Reflexion des einfallenden Lichts an der Oberfläche 2. Die Dicke d, 4 in Fig. 1, wirkt sich auf zwei Arten aus. Einmal geht sie in einen Faktor in der Gleichung 4 bei der Bestimmung der Wellenlänge des Reflexionsminimums ein und zudem erlaubt sie, wie noch zu beschreiben ist, dieses Minimum zu verschieben.

Es ist klarerweise erstrebenswert, alle Strahlung im erwünschten Wellenlängenbereich zu absorbieren und im unerwünschten Wellenlängenbereich zu reflektieren. Es soll aber auch die reflektierte Energie im erwünschten Bereich minimal gehalten werden. Das geschieht mittels einer selektiv auf die Wellenlänge abgestimmten Antireflexschicht auf dem photonenabsorbierenden Material, die so beschaffen ist, dass alle Faktoren zusammenwirken, um die vom Material möglicherweise reflektierte Strahlung zu unterdrücken. Wesentlich sind dabei die Reflexionen an beiden Oberflächen der Antireflexschicht I und die Dicke dieser Schicht, aber auch die Kontur bzw. die Texturierung der Oberflächen, der Brechungsindex der Schicht 1 und der Extinktionskoeffizient des photonenabsorbierenden Materials.

Für die Oberfläche der Schicht und auch des Substrates wird vorzugsweise eine rauhe, texturierte Struktur gewählt, wodurch senkrecht auffallendes Licht mehr als einmal seitlich oder schräg zur Einfallsrichtung reflektiert wird, bevor es nach unten in Richtung auf das Substrat die Oberfläche verlassen kann. Die rauhen oder texturierten Oberflächen mindestens der Antire-. flexschicht erlauben bessere Absorption über ein breiteres Wellenlängenband als eine einfache Reflexschicht auf glatter Metallfläche, die selektiv nur in einem engen Spektralbereich wirksam ist. Wenn eine Antireflexschicht auf glattem Metall eine Reflexion RK)1A1 aufweist, die von der Wellenlänge , abhängt, weist dieselbe Schicht mit einer rauhen oder texturierten Oberfläche, in welcher das Licht bereits zweimal schräg zur Einfallsrichtung reflektiert wird, bevor es die Fläche nach unten endgültig verlässt, eine Reflexion Rtotai 2 au^ die geringer ist als Rtotai.-

Die Antireflexschicht ist streng zu unterscheiden von Passi-vierungsschichten, die hauptsächlich zum chemischen Schutz des darunterliegenden Körpers erzeugt werden und bei denen die Wahl des Materials unter diesem Gesichtspunkt erfolgt.

' Es ist bekannt, Metall aus der Dampfphase so niederzuschlagen, dass eine matte oder strukturierte Fläche entsteht. Die Oberfläche besteht dabei aus dicht aneinanderliegenden mikroskopischen Hügelchen und wird nachfolgend als Mikrohügelflä-che bezeichnet. Es ist ebenfalls bekannt und in der zweiten eingangs genannten Patentschrift beschrieben, Metall als mit Dendriten bewachsene Oberfläche aus der Dampfphase niederzuschlagen. Die Schicht der Mikrohügelfläche ist wesentlich dünner als die Dendritenschicht und dabei einfacher herzustellen. Sowohl die Mikrohügelfläche als auch die Dendritenfläche, aber auch schon eine glatte Metallfläche weisen eine wesentlich geringere Reflexion auf, wenn sie mit der Antireflexschicht belegt sind, die zur entsprechenden Wellenlänge passt. Das ist in der Fig. 2 dargestellt, wo die totale Reflexion für senkrecht einfallendes Licht als Funktion der Wellenlänge in (im aufgetragen ist. Die gestrichelte Kurve bezieht sich auf ebenes Wolfram, die strich-punktierte Kurve auf eine Mikrohügelfläche und die ausgezogene Kurve auf eine Dendritenoberfläche. Ês ist ersichtlich, dass die Antireflexschicht die höchste Absorption um die Wellenlänge von 0,62 [im aufweist. Anerkanntermassen erfolgt bei dieser Wellenlänge die maximale Sonnenemission. Gemäss der logarithmischen Skala der Fig. 2 absorbiert die mit der Antireflexschicht belegte Dendritenoberfläche 99,94% des einfallenden Lichtes bei 0,55 (im.

Fig. 3 zeigt nun die Wirksamkeit der Schicht beim Liehtein-fall unter verschiedenen Winkeln auf eine Dendritenoberfläche mit einem der Kontur angepassten Antireflexbelag. Dargestellt ist die totale Reflexion als Funktion der Wellenlänge des Lichtes für verschiedene Einfallswinkel. Die maximale Absorption erfolgt unabhängig vom Winkel immer bei derselben Wellenlänge. Das Maximum erstreckt sich über einen weiten Wellenlängenbereich.

Zur Herstellung der photonenabsorbierenden Schichtvorrichtung wird eine Antireflexschicht I gemäss der Fig. 1 auf dem glatten oder texturierten Substratmaterial angeordnet, wobei folgende Parameter zu berücksichtigen sind: Der Reflexionskoeffizient an der äusseren Oberfläche 2 der Schicht soll möglichst gleich sein wie der Reflexionskoeffizient an der inneren , Grenzfläche 3 zwischen dem Substrat 9 und der Schicht 1. Die Koeffizienten stehen in Beziehung zum Brechungsindex des Materials der Antireflexschicht, zum Brechungsindex des Sub-stratmaterials und zum Extinktionskoeffizienten des Substratmaterials. Diese Parameter sind bekannt und können für die verschiedenen Materialien der Literatur entnommen werden. In der Tabelle 1 werden praktische Werte angegeben für die Gleichungen 2 bis 7 für das Material Wolfram-Trioxyd (WO,) als Antireflexbelag auf einer dendritischen Wolframfläche.

620 287

4

Tabelle !

il k

Ir.!

Ir2l

I Ir.I — lr3! I

W

3,43 2,96

WO, 2,26 0,0

W - WO,

0,386 0,496

0,012

durch Anodisierung gebildeten Antireflexschicht an in Abhängigkeit von der dabei angelegten Spannung.

Die Herstellung erfolgt besonders einfach durch Bilden chemischer Verbindungen des Substratmaterials. Dazu wird dieses Material selbst als eine Komponente benützt, um eine durchsichtige Schicht wohldefinierter Dicke zu bilden. In Frage kommen vor allem Oxyde, Nitride und Karbide. Oxyd wird vorzugsweise durch Anodisierung gebildet, wobei das Material der Unterlage oxydiert wird. Dabei wird ein Oxyd so gebildet, dass es den Stromfluss begrenzt, wobei die Dicke der Schicht in exaktem Zusammenhang mit der angelegten Spannung steht. Metalle wie Wolfram, Molybdän, Hafnium, Vanadium, Tantal und Niob bilden in solchen Verfahren für Antireflexschichten geeignete Oxyde. Tabelle 2 gibt die Dicke 4 einer aus Wolfram

Tabelle 2 5 Spannung (V) 20 25 30 35 in 40

Dicke (|tm)

0,035

0,045

0,055

0,065

0,075

Im Versuch wurde eine Mikrohügelfläche aus Wolfram in einem Phosphorsäurebad bei einer Spannung von 30 Volt an-odisiert. Dabei wächst Wolfram-Trioxyd (WO,) in bestimmter is Dicke, die von der angelegten Spannung abhängt. Das Verhältnis von Absorptionsfähigkeit zu einfallender Strahlung über die Abstrahlung in den Halbraum, d.h. a/e, für diese Oberfläche bei 150° C beträgt 3,9. Tabelle 3 gibt den nach Gleichung 1 berechneten Wirkungsgrad für eine solche Oberfläche im Vergleich 2ii zum Standardschwarzkörper für verschiedene Temperaturen an.

Tabelle 3

Tempe

ratur

Wirkungsgrad

Rückstrahlung (W-cm -)

Wolfram

Schwarzkörper Wolfram

Schwarzkörper

50° C

80%

32 %

0,015

0,063

75° C

75%

12%

0,020

0,083

100°C

68%

0

0,027

0,1125

150° C

51%'

0

0,044

>0,1

200° C

26%

0

0,069

>0,1

Wie ersichtlich, ist der Wirkungsgrad bis zu 150° C grösser als 50%.

Damit ist es möglich, die Vorteile des Antireflexbelages auch auf Kollektoren anzuwenden, die unregelmässige Oberflächen aufweisen. Bei den meisten Sonnenenergiewandlern ist eine Absorption von mehr als 90% des Sonnenspektrums erwünscht. Weder glattes Metall noch rauhes Metall noch einfache Antireflexschichten sind dazu geeignet. Eine rauhe Metalloberfläche, wie z.B. schwach reflektierendes Wolfram mit der Struktur angepasstem Antireflexbelag, erreicht jedoch dieses Resultat. Texturierte oder gerauhte Oberflächen, die normal einfallendes Licht in verschiedene Richtungen schräg zur Ein-fallsrichtung mehrfach reflektieren, weisen die gewünschten Absorptionseigenschaften in einem breiten Wellenlängenbereich auf. Antireflexbeläge auf glattem Metall andererseits haben gute Absorption nur in einem schmalen Bereich des Sonnenspektrums.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

620 287 i PATENTANSPRÜCHE

1. Strahllingskollektor, bestehend aus einer Schichtanordnung mit einem absorbierenden Substrat und einer Antireflex-schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und der Brechungsindex der in einem das Maximum des Sonnenspektrums enthaltenden Wellenlängenbereich durchsichtigen Schicht (1 ) und der Extinktionsindex des absorbierenden Substrates (9) so aufeinander abgestimmt sind, dass eine selektive Reflexminderung im Bezug auf das unbedeckte Substrat in diesem Spektralbereich auftritt.

2. Strahlungskollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Wolfram und die Antireflex-schicht aus Wolframoxyd besteht.

3. Stahlungskollektor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Grenzfläche (3) zwischen Substrat (9) und Antireflexsehicht (1) strukturiert ist und dass auch die Oberfläche (2) der Antireflexschicht eine entsprechende Struktur aufweist.

4. Strahlungskollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) eine Mikrohügelstruktur aufweist.

5. Strahlungskollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) eine Dendritenstruktur aufweist.

Licht kann jetzt in einem bestimmten Wellenlängenbereich bis zu 99,94 c/< absorbiert werden.