DK151079B - Fototermisk absorberingselement - Google Patents

Description

151079 o

Opfindelsen vedrører et fototermisk absorberings-element til omdannelse af lysenergi til varmeenergi, hvilket fototermiske absorberingselement er af den i krav l's indledning angivne art.

5 Virkningsgraden ved omdannelse af foton-energi til termisk energi afhænger af forholdet mellem den del af foton-energien, som absorberes, og den varmeenergi, som emitteres eller reflekteres. Metaller, som har gode termiske egenskaber, absorberer eller er ikke-transparen-10 te ved i hovedsagen alle bølgelængder, mens de samtidigt også reflekterer meget af den energi, som rammer dem.

I almindelighed har kraftigt reflekterende overflader både en lav absorptionsevne og en lav emissionsevne. Da ab-sorbtionsevnen og emissionsevnen er indbyrdes afhængige, 15 har teknikken hidtil fulgt en udvikling i retning hen imod flerlags-strukturer, hvori et lag har én ønsket egenskab og et andet lag en anden. Et eksempel på en sådan struktur er omtalt i USA-patentskrift nr. 3.920.413.

Disse strukturer har imidlertid sine begrænsninger, da 20 virkningen af det ene lag kan forhindre optimal udnyttelse af et andet lag. Desuden kræver fremstillingen af flerlags-strukturer , at der skal tages mange hensyn under fremstillingen.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe 25 et lysabsorberende element med væsentlig større virkningsgrad ved omdannelsen af lysenergi til varmeenergi end ved tidligere kendte indretninger. Det angivne formål opnås med et fototermisk absorberingselement af den indledningsvis angivne art, som ifølge opfindelsen er ejendom- 30 meligt ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til de på tegningen viste udførelseseksempler og kurver, idet 35 fig. 1 skematisk viser absorberingselementets optiske funktion, fig. 2 er et mikroskopisk billede af et wolframlegeme med knudret overflade, 2

O

151079 fig. 3 er et mikroskopisk billede af en wolframoverflade af den dendritiske type, fig. 4 viser grafisk refleksionen som funktion af bølgelængden for tre forskellige overfladetyper, 5 fig. 5 viser grafisk refleksionen som funktion af bølgelængden for forskellige indfaldsvinkler, og fig. 6 viser grafisk bølgelængden ved absorptionsmaksimum som funktion af tykkelsen af et af wolframoxid bestående overfladeområde.

10 Virkningsgraden ved omdannelse af lysenergi til var me kan udtrykkes på følgende måde: (ligning 1)

Virkningsgård = ^ksorkeret energi - Genudstrålet energi 15 Tilført energi

Fig. 1 viser et strålingsstyrende overfladeområde 1 af et ved den ønskede bølgelængde optisk transparent materiale, hvilket områdes ene overflade 2 ligger parallelt med en overflade 3 på det fotonabsorberende materiale. Området 20 l's tykkelse 4 er valgt i forhold til bølgelængden for det indfaldende lys. De optiske og andre fysiske egenskaber ved det refleksionsstyrende overfladeområde 1 påvirker hinanden således som det forklares nærmere nedenfor.

Med refleksion menes her energi, som rammer materia-25 let og reflekteres derfra uden at indtræde i materialet.

Derimod er der ved såkaldt genudstråling tale om, at energien indtræder i materialet, hvis temperatur derved ændres og bevirker en energiafgivelse fra materialet.

I fig. 1 har det lys, der rammer overfladen 2 en 30 begyndelsesrefleksionskomposant 5 og en række svagere kom-posanter, hvoraf tre er vist som elementer 6, 7 og 8.

Lys, der reflekteres fra overfladen 3, forstærkes eller dæmpes ved interferens med det lys, som er reflekteret fra overfladen 2 ved en tidligere refleksion.

35 I følgende beskrivelse forudsættes det som eksempel, at der anvendes et oxid af et metallisk fotonabsorberende ma-

O

151079 3 teriale, men ud fra de beskrevne principper skulle det være indlysende, at der til opnåelse af de ønskede egenskaber kan anvendes andre belægninger end oxider og andre materialer end basismetalsammensætningen.

5 I fig. 1 kan den første refleksionskoefficient (ele ment 5) udtrykkes som følger: (ligning 2)

1/2 1-N

Begyndelsesrefleksionskoefficient = (R-,) = - 10 1-+N0 hvor R1 er refleksionsevnen ved overgang fra luft til oxid, og Nq er oxidets brydningsindeks.

På lignende måde kan refleksionskoefficienten for 15 elementet 6 udtrykkes som følger: (ligning 3) 1/2 “Nm+N0“jKm Refleksionskoefficient = (R2) = u -ipfå— m No ^ m 20 hvor R2 er refleksionsevnen ved overgang fra oxid til metal, N er metallets brydningsindeks,

Km er ox^ets ekstinktionskoefficient, og j er V-l.

25 Således kan forholdet mellem refleksionskoefficien terne for komposanterne 5, 6, 7 og 8 m.v. udtrykkes som følger: for 5: r^ for 6: r2 (1-r^) 30 for 7: ^2^1 d-3^2) for 8: r2^r12 (1-r^)

Refleksionsevnen for det styrende overfladeområde 1 kan følgelig udtrykkes således: 35 2

O

151079 4 (ligning 4) 41fed/A 1‘rl2

Rsamlet = rl + r2 e 7-— -1· 12 10 hvor d er tykkelsen/ \ er bølgelængden, og j | angiver absolutte værdier.

15 Følgende udtryk: (ligning 5) 2 1_ri2 20 rl " r2 l-r;Lr2 skal være mindre end den ønskede refleksionsevne ved den mindste bølgelængde /\mIN.

25 Dette kan med tilnærmelse udtrykkes ved at følgende størrelse: (ligning 6) 2 30 y __ y rl r2 skal være mindre end den ønskede refleksionsevne ved ^MIN.

35

O

151079 5

Ved sådanne anvendelser, der omfatter omdannelse af solenergi til varme/ bør den ønskede refleksionsevne ved den mindste bølgelængde være mindre end 0,05.

5 Den ønskede værdi for Rsamj_et være så lille som mulig, og refleksionsevnen for overfladen 2 bør være næsten lig med refleksionsevnen for overfladen 3.

Kriteriet for et strålingsstyrende overfladeområde 1 for en ønsket bølgelængde kan udtrykkes ved at 10 (ligning 7) 2

i: - N N -N -jK

o m o J m 1 + Νλ " N+N+jK o m o J m 15 skal være mindre end den ønskede refleksionsevne ved den mindste bølgelængde A^in*

Som det i hovedsagen fremgår af ligning 7, er kriteriet for det refleksionsstyrende overfladeområde ifølge 20 opfindelsen, at gøre virkningen af overfladen 3's reflek-sionskomposanter lig med virkningen af begyndelsesrefleksionen for det indfaldende lys fra overfladen 2.

Tykkelsen d, dvs. element 4 i fig. 1, er af betydning på to måder. For det første indgår den i ligning 25 4 til at bestemme den ønskede refleksionsevne ved mi ni mets bølgelængde, og for det andet gør den det muligt, at forskyde bølgelængdeminimet, således som forklaret nedenfor under henvisning til fig. 6.

Ved sådanne forhold er det tydeligt, at målet 30 bør være at mest mulig stråling i det ønskede bølgelængdeområde absorberes, og at al stråling af uønskede bølgelængder bliver reflekteret. Dette opnås ifølge opfindelsen ved tilvejebringelsen af et bølgelængdeselektivt refleksionsstyrende overfladeområde ved overfladen af et foton-35 absorberende materiale, på en sådan måde, at følgende parametre samvirker til at formindske den lysmængde, der reflekteres fra det fotonabsorberende materiale: 6

O

151079 refleksionsevnen fra luften til området 1, området l's tykkelse området l's brydningsindeks, det fotonabsorberende materiales brydningsindeks, 5 det fotonabsorberende materiales ekstinktionsko efficient.

Overfladekonturen bør helst vælges så grov eller med en sådan profil, at vinkelret på overfladen indfaldende lys stort set skal reflekteres mere end en enkelt gang, inden 10 det igen forlader overfladen. Denne grove eller profilerede overflade samvirker med det reflektionsstyrende overfladeområde 1 til at tilvejebringe en absorptionsevne, som er større end og som dækker et bredere bølgelængdeområde end en enkelt antirefleksionsbelægning på en jævn metaloverflade.

15 Således har f.eks. en antirefleksionsbelægning på en jævn metaloverflade en refleks ions evne Rsamie-(-' som varierer i afhængighed af bølgelængden, mens en antirefleksionsbelægning på en opruet eller profileret overflade, hvor lyset tilbagekastes to gange inden det vender tilbage, har en re- 2 20 fleksionsevne R , , , som er mindre end den nævnte værdi samlet

Rsamlet*

Det refleksionsstyrende område ifølge opfindelsen kan sættes i. kontrast til såkaldte passiverende belægninger, idet disses hovedopgave er, at tilvejebringe en kemisk be-25 skyttelse, hvorfor dette bliver afgørende for valget af materiale.

Fig. 2 og 3 viser mikrofotografier af wolfram-overflader med stigende absorptionsevne. Den i fig. 2 viste knudrede overflade har "bjerge" (heraf den engelske beteg-30 nelse "hillock surface") og "dale", og den i fig. 3 viste overflade er en såkalt dendritisk overflade. Begge disse overflader kan frembringes ved hjælp af kendte pådampningsmetoder. Den knudrede struktur er meget tyndere end den dendritiske, og derfor billigere. Forstørrelsesgra-35 den er afmærket på de to mikrofotografier. Det strålingsstyrende overfladeområde ifølge opfindelsen medfører, når det

O

151079 7 fremstilles i tilslutning til sådanne overflader som vist i fig. 2 og 3 og en ikke vist plan overflade, en udtalt formindskelse af den samlede refleksionsevne for en bestemt bølgelængde, således som denne kan vælges i overensstemmel-5 se med de ovenfor anførte.

Dette fremgår af de tre kurver i fig. 4, der viser den samlede refleksionskoefficient for vinkelret indfaldende lys som funktion af bølgelængden i ^am. Den stregtegnende kurve gælder for plant wolframmateriale, den punkt-10 -stregtegnede kurve gælder for det i fig. 2 viste materiale med bjerge og dale, og den fuldt optrukne kurve gælder for det i fig. 3 viste dendritiske materiale. Det skulle fremgå, at der ved hjælp af det strålings&tyrende overfladeområde ifølge opfindelsen fremkommer et absorptions-mak-15 simum i området omkring 0,62 ^am. Denne bølgelængde er inden for teknikken anerkendt som liggende ved eller tæt ved solens udstrålingsmaksimum.

Af den logaritmiske skala i fig. 4 fremgår det, at det dendritiske materiale som vist i fig. 3 absorberer 20 99,94% af det indfaldende lys ved 0,55 yarn, når det er udstyret med det strålihgsstyrende overfladeområde ifølge opfindelsen.

Fig. 5 viser virkningen af opfindelsen ved forskellige indfaldsvinkler for lys, der rettes imod en dendri-25 tisk overflade.

Kurverne i fig. 5 viser den samlede refleksionskoefficient som funktion af bølgelængden i nanometer for lysindfaldsvinkler på 0°, 20°, 40°, 60° og 80°. I hvert enkelt tilfælde optræder absorptionsmaksimumet ved omtrent 30 den samme bølgelængde.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes det i fig, 1 viste refleksionsstyrende overfladeområde 1 ved at område l's materiale, som- er blevet formet efter det fotonabsorberende materiales overfladekontur, bibringes de øn-35 skede parametre, nemlig: refleksionskoefficienten for over fladen 2 af område l's materiale er omtrent lig med reflek- 8

O

151079 sionskoefficienten for grænsefladen 3 mellem det foton-absorberende materiale og område 1. Disse refleksionskoefficienter afhænger af brydningsindeks for materialet i området 1, samt det fotonabsorberende materiales brydnings-5 indeks og ekstinktionskoefficient. Disse parametre er veletablerede inden for teknikken, og kan findes i de fleste standardhåndbøger. I tabel 1 er der imidlertid angivet en række specifikke værdier for ligningerne 2-7 ved anvendelse af materialet WO^ som strålingsstyren-10 de overfladeområde på dendritisk W-materiale som vist i fig. 3.

Tabel I

15 W wo3 W - wo3 n 3,43 2,26 --- k 2,96 0,0 ir.,] --- --- 0,386 20 N — — °'496 iKl'Mj — — °'°12

Fremstillingen af det strålingsstyrende område 1 25 sker fortrinsvis ved processer, hvor der frembringes kemiske forbindelser af det fotonabsorberende materiale.

I sådanne processer udnyttes det fotonabsorberende materiale som en komponent, og der opbygges en kontur, der er lig med overfladens, og disse processer er i almindelighed 30 lette at styre med henblik på opnåelse af det ønskede tykkelsesområde for det styrende overfladeområde. Som eksempel på sådanne processer kan nævnes anodisering eller oxidation, nitrering og carbonisering. En proces, som er særlig nem at styre, er anodiseringen, ved hvilken det fo-35 tonabsorberende materiale samvirker med det dannede strålingsstyrende overfladeområde, således at de ovenfor angivne

O

151079 9 kriterier for opfindelsen opfyldes. Ved denne teknik dannes ofte et oxid, som begrænser strømtætheden, så at områdets tykkelse nøje afhænger af spændingen. Metaller, som danner oxider, der kan anvendes med opfindelsen, er W, 5 Mo, Hf, V, Ta og Nb.

For at gøre det lettere at udøve opfindelsen angiver tabel 2 tykkelsen 4 som vist i fig. 1 sammen med de hertil svarende anodiseringsspændinger for materialet W03 på W.

10

Tabel 2

Spænding Tykkelse i i volt jm 15 20 0,035 25 0,045 30 0,055 35 0,065 40 0,075 20

Nedenfor følger prøveresultaterne for et specielt udførelseseksempel, der viser opfindelsens udtalte fordele.

En wolframoverflade med bjerge og dale som vist i-fig. 2 blev underkastet anodisk oxidation i et phosphor-25 syrebad under en spænding pa 30 volt. Ved denne proces standses den anodiske reaktion af WO^-området ved en bestemt tykkelse, der afhænger af den påtrykte spænding..

Forholdet mellem på den ene side absorptionsevnen for indfaldende stråling og pa den anden side hemisfærisk 30 emissionsevne - med andre ord α/c for denne overflade ved 150°C er 3,9.1 nedenstående tabel 3 sammenlignes virkningsgraden for denne overflade, som beregnet ifølge ligning 1, med virkningsgraden for et standard-absorptionslegeme (sort legeme) ved varierende temperatur.

35 10

O

151079

Tabel 3 o T Virkningsgrad i % Genudstråling i watt/cm

Wolfram Standardabs.- Wolfram Standardabs.- 5 legeme legeme 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 10 200°C 26% 0 0,063 >0,1

Det fremgår af tabel 3, at der for temperaturer op til 150°C opnås virkningsgrader over 50%.

En væsentlig fordel består i, at opfindelsen 15 nu muliggør et nyt fotonabsorberende materiale, idet fordelene ved anti-refleksionsbelægninger nu kan meddeles substrater, hvis fotonabsorberende egenskaber skriver sig fra overfladeuregelmæssigheder.

For de fleste anvendelser ved omdannelse af solener-20 gi er det ønskeligt, at det fotonabsorberende materiale absorberer mere end 90% af solsprektret. Hverken jævne metaloverflader, opruede metaloverflader eller enkle anti--refleksionsbelægninger kan give sådanne resultater. Kombinationen af det refleksionsstyrende overfladeområde 25 ifølge opfindelsen med visse typer af profilerede eller grove metaloverflader, f.eks. wolfram, kan imidlertid give en lav refleksionsevne over et bredt spektralområde. Profilerede eller grove overflader, ved hvilke vinkelret indfaldende lys reflekteres flere gange fra det reflek-30 sionsstyrende overfladeområdes overflade, har vist sig at medføre den ønskede absorptionsevne for solspektret. Absorptionsevnen for anti-refleksionsbelægninger på jævne metaloverflader dækker derimod kun en lille del af solspektret .

35

Claims (4)

1. Fototermisk absorberingselement med formindsket refleksionsevne for et valgt bølgelængdebånd, hvilket absorberingselement omfatter et fotonabsorberende legeme 5 med en sådan overfladestruktur, fortrinsvis knudret ("hillock") eller dendritisk struktur, at indfaldende lys reflekteres flere gange, kendetegnet ved et refleksionsstyrende område (1) på overfladestrukturen til refleksionsdæmpning af lyset inden for det valgte bøl-10 gelængdeområde, „idet det refleksionsstyrende område (1) har et brydningsindeks som sammen med brydningsindeks og ekstinktionskoefficienten for det fotonabsorberende legeme medfører hovedsageligt ens værdier for refleksionsevnen for det refleksionsstyrende område (1) og reflek-15 sionsevnen mellem det fotonabsorbrende legeme og det reflek-tionsstyrende område (1).

2. Element ifølge krav 1, kendetegnet ved, at variationen i forskellen mellem den første og anden refleksionsevne er omtrent 0,05.

3. Element ifølge krav 1 eller 2, kendeteg net ved, at det fotonabsorberende legeme består af wolfram, og at det refleksionsstyrende overfladeområde (1) består af wolframoxid.

4. Element ifølge krav 1 eller 2, kendeteg-25 net ved, at det refleksionsstyrende overfladeområde (1) består af anodisk oxideret wolframoxid.