ES2289854A1

ES2289854A1 - Aparato de absorcion con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones y procedimiento para su produccion.

Info

Publication number: ES2289854A1
Application number: ES200500423A
Authority: ES
Inventors: Thomas Kuckelkorn; Wolfgang Graf
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2008-02-01
Also published as: ITTO20050096A1; US7793653B2; US20050189525A1; DE102004010689B3; CN1670446A; IL167080A; CN1670446B

Abstract

Se describe un aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones, que tiene un substrato metálico, una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión. La capa de barrera contra la difusión es una capa de óxidos, que consiste en componentes oxidables del substrato metálico. El procedimiento para la producción de un aparato de absorción de este tipo prevé que el substrato pulimentado, para la producción de una capa de barrera contra la difusión, se atempere en presencia de aire en un horno a una temperatura de 400 a 600°C durante 0,5 a 2 horas.

Description

Aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones y procedimiento para su producción.

El invento se refiere a un aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones, con un substrato metálico, una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión. El invento se refiere también a un procedimiento para la producción de un aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones, en el que se pulimenta un aparato de absorción a base de un metal, y la aspereza superficial de ajusta a r_{a} < 0,3 \mum, y se aplican una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-
reflexión.

En el aprovechamiento térmico de la energía solar, para la conversión de las radiaciones se emplean revestimientos absorbentes selectivos, que se distinguen por un alto grado de absorción solar y por un bajo grado de emisión térmica.

Se emplean predominantemente sistemas de capas delgadas sobre la base de un cermet o material metalocerámico (mezcla cerámica-metálica), que se producen mediante deposición desde fase vapor o mediante proyección catódica. La constitución de un sistema estratificado de este tipo se efectúa, partiendo del substrato, en el siguiente orden de sucesión: capa de reflexión metálica, capa de material metalocerámico y capa anti-reflexión.

La capa de reflexión metálica consiste por regla general en un metal, que refleja en alto grado en la región de los infrarrojos, tal como p.ej. cobre, aluminio o molibdeno. La capa de material metalocerámico consiste usualmente en un óxido tal como p.ej. Al_{2}O_{3}, SiO_{2}, que está empotrado en un metal tal como p.ej. Mo. La proporción del metal se designa como factor de relleno.

La capa anti-reflexión consiste en un óxido puro, tal como p.ej. SiO_{2} o Al_{2}O_{3}.

Con el fin de garantizar una buena adherencia del revestimiento sobre el substrato, tal como p.ej. de cobre, acero fino o vidrio, se emplean adicionalmente capas mediadoras de adherencia. Estas capas mediadoras de adherencia consisten en la mayor parte de los casos en cromo o son capas basadas en cromo.

Unas temperaturas de funcionamiento entre 300 y 600°C, que aparecen en particular en el caso de sistemas térmicos solares concentradores, originan procesos de difusión dentro del sistema estratificado del aparato de absorción y mediante el sistema estratificado del aparato de absorción. Estos procesos de difusión repercuten negativamente sobre el rendimiento del sistema global.

En este caso, hay que diferenciar entre los siguientes efectos: La difusión de elementos a partir del substrato dentro del revestimiento absorbente, que tiene como consecuencia una modificación de la característica de la capa. En el caso de un substrato de acero, p.ej. el hierro se difunde en el sistema estratifica-
do.

En el caso de piezas componentes que trabajan en vacío, tales como colectores tubulares o tubos de receptores para canales parabólicos, los procesos de difusión pueden conducir a la destrucción del vacío. De esta manera se disminuye el rendimiento. Los gases pueden también salir desde el substrato o se pueden difundir hacia fuera del portador de calor guiado dentro del tubo, a través del tubo y a través del revestimiento penetrando en el vacío. Como un proceso de difusión se conoce p.ej. la difusión de H_{2} a través del substrato de acero o del substrato de acero fino.

A partir de la cita "Solar selective absorber coating for high service temperatures, produced by plasma sputtering" [Revestimiento absorbente selectivo para radiaciones solares, para altas temperaturas de servicio, producido mediante proyección catódica en plasma] de M. Lanxner y Zvi Elgat, SPIE vol. 1272, Optical Materials Technology for Energy Efficiency and Solar Energy Conversion IX [Tecnología de Materiales Opticos para Obtener Eficiencia de Energía y Conversión de Energía Solar IX] (1990), páginas 240 y siguientes, se conocen tubos de aparatos de absorción a base de un acero fino, que se disponen dentro de tubos de vidrio puestos en vacío. Estos tubos, que absorben la energía solar, conducen un líquido portador de calor, cuya energía se transforma en corriente eléctrica. La superficie del aparato de absorción posee una temperatura de 350 a 400°C.

Con el fin de impedir efectos de difusión entre el substrato y el revestimiento absorbente, está prevista una capa de barrera contra la difusión a base de Al_{2}O_{3}. Antes de que se aplique por proyección catódica la capa de Al_{2}O_{3}, se pulimenta la superficie metálica del tubo, de manera tal que la aspereza media sea < 0,2 \mum. Después de la pulimentación, se efectúa todavía un proceso de limpieza en vacío mediando aportación de calor.

Las capas de barrera contra la difusión, a base de materiales aplicados por proyección catódica, tienen sin embargo la desventaja de que presentan unas estructuras porosas, con lo que se disminuye la eficacia contra difusiones.

La misión del invento consiste en mejorar la hermeticidad contra la difusión y las propiedades adhesivas de superficies del substrato a base de un acero o acero fino, sobre las que se aplican revestimientos absorbentes selectivos para radiaciones.

El problema planteado por esta misión se resuelve con un aparato de absorción, que está caracterizado porque la capa de barrera contra la difusión es una capa de óxidos, que consiste en componentes oxidados del substrato metálico.

La capa de óxidos forma una capa de barrera hermética contra a la difusión entre el revestimiento absorbente y el substrato. Ella impide o disminuye los procesos de transporte y difusión desde el substrato, así como una difusión de los gases a través del substrato, penetrando en el revestimiento absorbente selectivo para radiaciones. Una capa de óxidos de esta índole también la ventaja de que se forma una buena base de agarre para el revestimiento absorbente que se ha de aplicar subsiguientemente.

De modo preferido, el substrato metálico consiste en un acero o acero fino y los óxidos son óxidos de hierro y/u óxidos de cromo.

La capa de óxidos tiene, de modo preferido, un grosor comprendido entre 50 y 200 nm, en particular entre 50 y 100 nm.

Un tubo de aparato de absorción para aplicaciones térmicas solares, a base de un acero o acero fino, con una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión, está caracterizado porque la capa de barrera contra la difusión entre las superficies exteriores del tubo y la capa de reflexión metálica es una capa de óxidos, que tiene óxidos de hierro y/u óxidos de cromo.

El procedimiento para la producción de un aparato de absorción con un revestimiento selectivo para radiaciones, en el que se pulimenta un aparato de absorción a base de un metal y en el que la aspereza se ajusta a r_{a} < 0,3 \mum, y a continuación se aplica un revestimiento selectivo para radiaciones, está caracterizado porque la superficie pulimentada del substrato, para la producción de una capa de barrera contra la difusión, se atempera en presencia de aire en un horno a una temperatura de 400 a 600°C durante 0,5 a 2 horas.

Mediante este proceso de atemperamiento se forma sobre la superficie una capa de óxidos, que es reconocible visualmente por un color empañado desde pardo hasta azul.

El proceso de oxidación en el horno pasa a detenerse después de haberse alcanzado un determinado grosor de capa. Se ha mostrado que el grosor de capa depende de la aspereza superficial. En el caso de mayores asperezas superficiales resultan capas más gruesas de óxidos.

Preferiblemente, el substrato es pulimentado por medios mecánicos o eléctricos. Por la expresión de "pulimentación por medios eléctricos" se entiende un proceso galvánico invertido.

Ejemplo de realización

Una superficie pulimentada de un acero fino (material 1.4404) se atempera durante una hora en presencia de aire en un horno con aire circulante. La temperatura del horno está situada entre 450°C y 550°C. Unas temperaturas bajas prolongan el proceso de atemperamiento. El material ha sido pulimentado previamente, de modo que la aspereza superficial es r_{a} < 0,3 \mum. Mediante el proceso de atemperamiento se forma una capa de óxidos, con un grosor de 50 nm hasta 100 nm, que es hermética frente a la difusión. El proceso de oxidación pasa a detenerse después de haberse alcanzado el mencionado grosor de la capa.

Después de haberse terminado el proceso de atemperamiento, se aplica en vacío sobre el substrato un sistema estratificado de aparato de absorción, selectivo para radiaciones.

Claims

1. Aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones, con un substrato metálico, una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión, caracterizado porque la capa de barrera contra la difusión es una capa de óxidos, que consiste en componentes oxidados del substrato metálico.

2. Aparato de absorción de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el substrato metálico consiste en un acero o acero fino, y porque los óxidos son óxidos de hierro y/u óxidos de cromo.

3. Aparato de absorción de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa de óxidos tiene un grosor comprendido entre 50 y 200 nm.

4. Aparato de absorción de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la capa de óxidos tiene un grosor comprendido entre 50 y 100 nm.

5. Tubo de aparato de absorción para aplicaciones térmicas solares, a base de un acero o acero fino, con una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión, caracterizado porque la capa de barrera contra la difusión es una capa de óxidos, que tiene óxidos de hierro y/u óxidos de cromo.

6. Procedimiento para la producción de un aparato de absorción con un revestimiento absorbente selectivo para radiaciones, en el que se pulimenta un aparato de absorción a base de un metal y la aspereza se ajusta a r_{a} < 0,3 \mum, y en el que se aplican una capa de barrera contra la difusión, una capa de reflexión metálica, una capa de material metalocerámico y una capa anti-reflexión, caracterizado porque el substrato pulimentado para la producción de una capa de barrera contra la difusión se atempera en presencia de aire en un horno a una temperatura de 400 a 600°C durante 0,5 a 2 horas.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el substrato se pulimenta por medios mecánicos o eléctricos.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el substrato se atempera a 450 hasta 550°C durante un período de tiempo de 0,5 a 1 hora.