PL110969B1 - Luminous energy converter - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik energi swietl¬ nej stosowany do przemiany padajacego swiatla slo¬ necznego na energie cieplnq.Znane jest z publikacji „Physics Looks at Solar Energy" A.B. Meinel i inni, ukazujace sie w Phisics Today, luty 1972, str. 44-50 urzadzenie do przetwarza¬ nia swiatla slonecznego na energie cieplna posiada¬ jace wielowarstwowe struktury, zwane stosami interfe¬ rencyjnymi lub blokowymi stosami absorpcyjnymi. Stosy te tworza selektywna powierzchnie, która jest czarna dla dlugosci fal krótszych od 1,3 mikronów i zwiercia¬ dlana dla wiekszych dlugosci fal. W ten sposób stosy sluza do tworzenia powierzchni spelniajacej podwójna funkcje, a mianowicie, duzej zdolnosci absorpcyjnej po¬ wyzej pasma emisji slonecznej i malej absorpcji powy¬ zej zakresu emisji ciala czarnego i dlatego nadaja sie do wykorzystania jako wydajne przetworniki energii slo¬ necznej na energie cieplna.W urzadzeniach tych wystepuja problemy trwalosci w umiarkowanych temperaturach, takich jak 550°C i wy¬ magaja one tolerancji grubosci do submikronów na calym obszarze potrzebnym do przemiany promieniowa¬ nia slonecznego. Mala trwalosc cienkich warstw jest glówna przeszkoda w pracy tych urzadzen.Celem wynalazku jest usuniecie wad i niedogodnosci, znanych rozwiazan. Cel ten osiagnieto dzieki temu, ze przetwornik energii swietlnej posiada podloze, a na nim dendrytyczny: uklad materialu posiadajacy w zasadzie wyprostowane iglopodobne wystepy na podlozu, przy czym zageszczenie wystepów, ich dlugosc i szerokosc jest rzedu kilku dlugosci padajacej fali swietlnej.Podloze jest przyczepione do przewodzacego cieplo czlonu, w którym iglopodobne wystepy zwrócone sa w 5 kierunku na zewnatrz od przewodzacego cieplo dla lat¬ wego wystawienia na dzialanie bezposrednio padajace¬ go promieniowania swietlnego.Iglopodobne wystepy skladaja sie z materialu o malej emisyjnosci, korzystnie z szafiru lub z materialu zaro- 10 odpornego, korzystnie z wolframu. Podlozem korzystnie jest stal nierdzewna. Denokrytyczny uklad podloza i wy¬ stepów jest korzystnie pokryty powloka o znacznie mniej¬ szej emisyjnosci anizeli iglopodobne wystepy dla zmniej¬ szenia hemisferycznej emisyjnosci denokrytycznej po- 15 wierzchni.W rozwiazaniu wedlug wynalazku wykorzystano po¬ wierzchnie absorpcyjna, która jest labirynt geometrycz¬ ny, którego mikrostruktura jest geometrycznie podobna do akustycznej powierzchni bezechowej. Powierzchnia op- 20 tyczna absorbujaca energie swietlna sklada sie z ge¬ stych szeregów wyprostowanych iglopodobnych wyste¬ pów o wymiarach rzedu dlugosci fal widzialnych z od¬ stepami pomiedzy takimi wystepami rzedu kilku dlugos¬ ci fal swiatla widzialnego. 25 Powierzchnia taka daje gwarancje absorbowania z duza sprawnoscia z powodu wielokrotnych odbic, wyste¬ pujacych gdy padajace promieniowanie przenika do labirynt iglopodobnych wystepów w sposób podobny do absorbcji dzwieku w komorze bezechowej, wskutek 30 wielokrotnego odbicia dzwieku. Dla waskiego stozka pa- 110 969110 969 dajacego swiatla otaczajacego kierunek iglopodobnych wystepów labirynt posiada zdolnosc absorpcyjna osia¬ gajaca 1. Jednakze, tylko niewielka czesc hemisferycz- nej emisyjnósci skupiona jest w. waskim stozku. Wykonu¬ jac w przetworniku wystepy z metalu o malej emisyjnós¬ ci np: wolframu, uzyskuje sie calkowita emisyjnosc hemi- sferyczna urzadzenia znacznie mniejsza od 1.Material posiada korzystnie duza zdolnosc absorpcyjna w obrebie waskiego stozka padajacego swiatla, lecz bardzo mala emisyjnosc hemisferyczna powyzej dlugos¬ ci fal promieniowania ciala czarnego w temperaturze pracy przetwornika.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przetwornik wedlug wynalazku, schematycznie, czescio¬ wo w przekroju, fig. 2 — przetwornik z fig. 1 w widoku perspektywicznym, w powiekszeniu, fig. 3 — stozek wy¬ sokiej absorpcji, którego pionowa os jest równolegla do promieni padajacego promieniowania i kat stozka wy¬ nosi 15-20 stopni, fig. 4 — schemat zastosowania prze¬ twornika wedlug wynalazku jako odbiornika i akumula¬ tora energii slonecznej, fig. 5 - przetwornik w widoku z boku z uwidocznieniem wplywu chemicznego trawienia na dendrytyczny rozrost powierzchni.Przetwornik wedlug wynalazku (fig. 1) zawiera grafi¬ towy luk weglowy przewodnik bierny 2 umieszczony w komorze 4, przy czym przewodnik bierny 2 utrzymywa¬ ny jest w wymaganej temperaturze 450 do 550°C za pomoca skretek grzejnych 6, otaczajacych komore 4 w poblizu przewodnika biernego 2. Przed: umieszczeniem przewodnika biernego 2 w komorze 4, na przewodniku* biernym 2 zamocowywane sa w róznych miejscach pod¬ loza 8. Podloza 8 wykonane moga byc z szafiru (AI2O3), stali nierdzewnej lub polerowanego wolframu. Najko¬ rzystniejsza jest stal nierdzewna, która jest najpierw tra¬ wiona w HCI dla. rozpuszczenia zawartego w niej chro¬ mu, ewentualnie na stal nierdzewna jest nakladany gal¬ wanicznie nikiel dla zapewnienia podloza, na którym moga rozrastac sie dendryty.Po umieszczeniu podlozy 8 i podtrzymujacego je klocka przewodnika biernego 2 w komorze 4, skretki grzejne 6 zasilane zostaja energia dla nagrzania pod¬ lozy 8 do temperatury pomiedzy 450-550°C za pomca znanych termopar do kontroli temperatury i obwodów sprzezenia zwrotnego dla dostarczania wiekszej lub mniejszej ilosci pradu do skretek grzejnych 6 (nie po¬ kazanych). Jednoczesnie do komory 4 wprowadzane sa wodór H2 i szesciofluorek wolframu WF6 przez otwór wlotowy 1Q. Predkosc przeplywu szesciofluorku Wolframu l(WF6) wynosi 100 cm3 na minute a predkosc przeplywu fH2 wynosi 10—25 litrów na minute, przy cisnieniu atmo¬ sferycznym. Gazy WF6 i H2 reaguja w komorze 4 wedlug wzoru WF6+3H2-*6HF+W, przy czym wol¬ fram osadza sie na podlozach & a niewykorzystane H2, WF6 w stanie gazowym i HF w stanie gazowym jako i produkt reakcji, odprowadzane sa przez otwór wylotowy 12. Proces redukcji wodorem szesciofluorku wolframu, - opisany jest bardziej szczególowo w artykule A.F. Maya- das'a, JJ. Cuemo i H. Rpsenberg'a na stronach 1742- . 45, tom 116 Journal of the Electrochemical Society, wyd. 1969 r.W jednym z przykladów szybkosc przeplywu H2 wy¬ nosi okolo 10 litrów/minute a szybkosc przeplywu WF6 - i 0,1 litra/minute. Po czasie 15 minut, grubosc warstewki 20 wolframu osadzonego na podlozu 8 siega od 125 do 500 mikronów. Po przeanalizowaniu, stwierdzono, ze warstewka wolframu na podlozu z szafiru posiada struk¬ ture krysztalu (111 )W/ / (0001)aAI2O3 i orientacja jej 5 w plaszczyznie warstewki wolframu jest (110~~)W/ / / (1l20)aAI2O3. Orientacja dendrytów wolframu byla blizniacza i ustalono, ze wystepuje ona w dwóch spe¬ cyficznych ukladach, jednym posiadajacym 6-krotnq sy¬ metrie i drugim posiadajacym 3-krotnq symetrie.Dendrytyczny rozrost wolframu osadzonego za pomoca redukcji wodorem szesciofluorku wolframu przy cisnieniu atmosferycznym (fig. 2) daje w rezultacie zazwyczaj po¬ wloke wielowarstwowa. Podloze 8 z szafiru, wolframu, stali nierdzewnej lub podobnego materialu okresla ko- 15 rzystna orientacje, poczatkowych iglopodobnych wyste¬ pów 14 wolframu, które narosly na nim. Poczatkowe wy¬ stepy rosna w pierwszych 10-15 minutach i posiadaja wysokosc okolo 2-3 mikronów. Dalszy rozrost daje ko¬ rzystnie wyzsze ostrza. Zazwyczaj, rozrost ma miejsce dla skutecznego wytworzenia trójwarstowej struktury, zlozonej z podloza 8, rzedów poszczególnych dendrytów formujacych wystepy 14, które posiadaja wysokosc oko¬ lo 5 mikronów i sa oddalone od siebie o okolo 5 mikro¬ nów oraz z mniej zwartych rzedów wolframowych den¬ drytów formujacych wystepy 16, które posiadaja wysokosc od okolo 20 do 40 mikronów i oddalone sa od siebie o 40 do 60 mikronów.Stwierdzono, ze ponad 98 procent energii swietlnej, o dlugosci fal pomiedzy 0,2 do 40 mikronów, absorbo¬ wane jest przez strukture dendrytyczna, jezeli fale te pa¬ daja na rzedy wystepów 14, 16 w obrebie stozka o kacie 5 stopni i os pionowa 1ff tego stozka jest równo¬ legla do kierunku osi rozrostu dendrytów. 35 Wystepy 16 z dendrytycznego wolframu sa szczegól¬ nie korzystne w przetworniku energii swietlnej, ponie¬ waz wolfram jest metalem slabo absorbujacym i slabo emitujacym promieniowanie. Jednakze bezechowe za¬ chowanie sie zageszczonych dendrytów formujacych ig- ^0 lopodobne wystepy 14 i 16 wzgledem padajacego pro¬ mieniowania powoduje to, ze dendrytyczny labirynt po¬ siada duza zdolnosc absorbowania takiego promienio¬ wania, W widoku pod katem 15-30° rzedy wystepów sa czarne, zas w widoku pod katem wiekszym od 30° - 45 powierzchnia ich ma odcien szary, zblizony do srebrne¬ go wskazujacy na to, ze optyczna emisyjnosc dendrytycz- nej struktury jest znacznie mniejsza.Emisyjnosc fo) w stozku prostopadlym do powierzchni przetwornika (fig. 3) równa jest absorpcji promieniowa- 50 nia (At) w tym samym stozku. Idealnie obydwie wiel¬ kosci równe sa 1. Emisyjnosc (e2) pod wszystkimi katami na zewnatrz stozka równa jest absorpcji (A2), a w przy¬ padku idealnym obydwie wielkosci powinny byc bardzo male. Os 18 ukladu ostrzy jest równolegla do padaja- 55 cego promieniowania, które wpada w obrebie stozka o katach 15—30°, przy czym korzystny jest stozek o kacie 5 stopni. Dla takiego stozka zdolnosc absorbowania i emisyjnósci przetwornika jest rzeczywiscie równa jed¬ nosci. 60 Emisyjnosc hemisferyczna, która jest emisyjnoscia sca¬ lona nad cala hemisfera powierzchni, jest mniejsza od 0,26.W praktycznym zastosowaniu przetwornika wedlug wy¬ nalazku (fig. 4) przewodzacy cieplo czlon 22 w postaci 65 pojemnika z ciecza tworzaca pare wysokoprezna w tern-110 969 peraturze pracy, korzystnie z woda, jest czesciowo oto¬ czony zespolem 24, posiadajacym wlasciwosci fizyczne przetwornika z fig. 2. Promienie sloneczne odbijane sa przez lustro 26 i padaja na labirynt wolframowych den- drytów tworzacych wystepy 14 i 16, zespolu 24 do prze¬ miany promieniowania na cieplo.Dla zaabsorbowania przez dendrytyczny wolfram pro¬ mieniowania o róznej czestotliwosci, niezbedna moze byc zmiana stosunku wysokosci do szerokosci poszcze¬ gólnych iglopodobnych wystepów 14 i 16. Dokonuje sie tego przez trawienie calego ukladu z fig. 2, w roztworze H202 NH4OH. Szerokosci dendrytycznych wystepów wy¬ trawiaja sie szybciej anizeli ich wysokosci tak, ze dla promieniowania o wiekszej dlugosci fal, zastosowac moz¬ na zmodyfikowany uklad pokazany na fig. 5 z lepszym skutkiem, anizeli nietrawiony uklad przedstawiony na fig. 2. Linie przerywane pokazuja szerokosc wystepów po wytrawieniu.Inne wlasnosci absorbowania osiaga sie przez zmiane zageszczenia dendrytycznych wystepów i ich wysokosci.Dokonac tego mozna przez zmiane temperatury osadza¬ nia i szybkosci przeplywu gazu w komorze pokazanej na fig. 1.Korzystne jest nalozenie na iglopodobne wystepy 14 i 16 powloki z materialu o malej emisyjnosci. Wolfram posiada emisyjnosc hemisferyczna wynoszaca 0,08, zas zloto posiada emisyjnosc wynoszaca tylko 0,02 w tem¬ peraturze 550°C. Tak wiec, powloka zlota na wystepach wolframowych obnizylaby emisyjnosc hemisferyczna wol¬ framu z 0,08 do 0,02. Przez rozsadny dobór, powlok, osiagnac mozna porównywalne wlasnosci, uzyskujace jednoczesnie male emisyjnosci. Tego rodzaju powloka o malej emisyjnosci sluzy takze do pasywacji wolframu i wplywa hamujaco na procesy korozji i utlenianie. 15 Przetwornik wedlug wynalazku nadaje sie zwlaszcza do wykorzystania jako przetwornik energii slonecznej, poniewaz uzyty zostal zwykly material zaroodporny, na¬ dajacy przetwornikowi trwalosc. 5 Zastrzezenia pa t e n t o w e 1. Przetwornik energi swietlnej, znamienny tym, ze posiada podloze (8), a na nim dendrytyczny uklad ma¬ lo terialu, posiadajacy w zasadzie wyprostowane iglopo¬ dobne wystepy (14, 16) na podlozu (8), przy czym za¬ geszczenie wystepów (14, 16) ich dlugosc i szerokosc jest rzedu kilku dlugosci padajacej fali swietlnej. 2. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze podloze (8) przyczepione jest do przewodzacego cieplo czlonu (22), w którym iglopodobne wystepy (14, 16) zwrócone sa w kierunku na zewnatrz od przewodzacego cieplo czlonu (22) dla latwego wystawiania na dziala¬ nie bezposrednie padajacego promieniowania swietl¬ nego. ' 3. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze iglopodobne wystepy 0V 16) skladaja sie z materialu o malej emisyjnosci, korzystnie z szafiru. 25 4. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze iglopodobne wystepy (14, 16) sa z materialu zarood¬ pornego, korzystnie z wolframu.. 5. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze 30 podlozem (8) jest stal nierdzewna. 6. Przetwornik ^wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze dendrytyczny uklad podloza (8) i wystepów (14, 16) jest pokryty powloka o znacznie mniejszej emisyjnosci ani¬ zeli iglopodobne wystepy (14, 16) dla zmniejszenia he- 35 misferycznej emisyjnosci dendrytycznej powierzchni.110 969 Fcg.1 Fig. 3 F£9. 4 22 24 .-14,16 F^ 5 LDA-Zaklad 2 - zam. 584/81-120 szt.Cena 45 zl PL PL PL PL

Claims (3)

1. Zastrzezenia pa t e n t o w e 1. Przetwornik energi swietlnej, znamienny tym, ze posiada podloze (8), a na nim dendrytyczny uklad ma¬ lo terialu, posiadajacy w zasadzie wyprostowane iglopo¬ dobne wystepy (14, 16) na podlozu (8), przy czym za¬ geszczenie wystepów (14, 16) ich dlugosc i szerokosc jest rzedu kilku dlugosci padajacej fali swietlnej.

2. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze podloze (8) przyczepione jest do przewodzacego cieplo czlonu (22), w którym iglopodobne wystepy (14, 16) zwrócone sa w kierunku na zewnatrz od przewodzacego cieplo czlonu (22) dla latwego wystawiania na dziala¬ nie bezposrednie padajacego promieniowania swietl¬ nego. ' 3. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze iglopodobne wystepy 0V 16) skladaja sie z materialu o malej emisyjnosci, korzystnie z szafiru. 25 4. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze iglopodobne wystepy (14, 16) sa z materialu zarood¬ pornego, korzystnie z wolframu.. 5. Przetwornik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze 30 podlozem (8) jest stal nierdzewna. 6. Przetwornik ^wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze dendrytyczny uklad podloza (8) i wystepów (14, 16) jest pokryty powloka o znacznie mniejszej emisyjnosci ani¬ zeli iglopodobne wystepy (14, 16) dla zmniejszenia he- 35 misferycznej emisyjnosci dendrytycznej powierzchni.110 969 Fcg.1 Fig.

3. F£9. 4 22 24 .-14,16 F^ 5 LDA-Zaklad 2 - zam. 584/81-120 szt. Cena 45 zl PL PL PL PL