CN1368627A - 日光收集器元件 - Google Patents
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Abstract
日光收集器元件,带有一个吸收器部分和一个与吸收器部分在第一侧相连的用于载热流体的管,其中吸收器部分由一种复合材料制成,该复合材料带有一个金属支架和一个位于该支架第二侧上的光学作用的涂层。这样一方面在热辐射范围内具有高的光吸收和高的反射率,另一方面在尽可能费用很低的制造方式下获得一种在特别强烈热负荷工况下改善的使用特性和较长使用寿命,实现了牢固的机械连接和在吸收器部分和管之间良好热传递,且这种日光收集器元件突出表现在在高温收集器使用范围内的可能静止温度和较高的化学稳定性。为此该涂层是由三层构成的光学作用的多层系统,其最上面的层是一介电层,最下面的层由金、银、铜、铬、铝和/或钼构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种日光收集器元件，带有一个吸收器部分和一个与吸收器部分在第一侧相连的用于载热流体的管，其中吸收器部分由一种复合材料制成，该复合材料带有一个金属支架和一个位于该支架上吸收器部分的第二侧上的光学作用的涂层。
背景技术
这种日光收集器已知用于从太阳光辐射中获取能量。这里在一个日光收集器的例如板状吸收器部分上的太阳光辐射转换为热并加热收集器中的载热流体。对于该载热流体有一个由管构成的循环系统，该系统使得收集的热又可被加热到工业用水中的一个消耗器上例如一个热交换管上，或者释放出用来加热游泳池。
通常在一个受到辐射的物体上—如在一个吸收器部分的被涂层的表面上所发生的—，该辐射分为反射部分、吸收部分和发射部分，分别由物体的反射率(反射能力)、吸收率(吸收能力)和透射率(透射能力)决定。反射能力、吸收能力和透射能力是光学性能，其可根据投射的辐射波长(例如处在紫外线范围内、可见光范围内、红外线范围内和热辐射范围内)对同一材料具有不同的值。关于吸收率，这里已知Kirchhoffsche法则，根据该法则，在一定温度和波长下，吸收率与发射率处于恒定比例。而对于吸收能力也可以应用Wiensche移位法则或Plancksche法则以及Stefan-Boltzmann法则，描述一种所谓“黑体”的辐射强度、光谱能分布密度、波长和温度之间的一定关系。这里应注意的是，“黑体”本身并不存在，实际的物质都与理想分布有其特征性偏差。为了保证高效的能量利用，对吸收器部分要求在日光波长范围内(约300纳米至约2500纳米)有最大的吸收率，在热辐射范围内(约2500纳米以上)有最大的反射率。
已知一种名为Tinox的用于平板收集器(Flachkollector)的吸收器，其中使用了前述类型的带有涂层吸收器部分的日光收集器元件，其很大程度上满足了对选择性吸收的要求。吸收器部分的材料在这里是由一种铜带支架构成，该支架上面有一层氮氧化钛(Titanoxynitrid)涂层和一层二氧化硅覆盖层。与吸收器部分相连的管同样是由铜制成并与吸收器部分焊接。
具体说，日光收集器分为工作温度在100℃以下的低温收集器和工作温度在100℃以上的高温收集器，其中在所谓的塔式设备中用于准备过程热，吸收器温度可高达1200℃。作为日光收集器的特征参数常常给出所谓的静止温度，该静止温度可理解为收集器的最大理论可能使用温度，在该温度下材料与环境处于热平衡。对于所述的Tinox吸收器，低温范围的静止温度是特征性的。在较高的温度范围内，对已知的带有Tinox涂层或者有另一种众所周知的涂层如黑漆或着色塑料的日光收集器元件存在这样的危险，即由于例如黑色涂层的退色而出现涂层分解、气体排出、或者至少较短期地降低收集器元件的功率能力。
至于吸收器部分和管之间的连接，应注意到，这不仅必须保证必要的强度而且保证足够高的热传递，其中应注意的是，在必要时希望改变吸收器部分/管的材料组合(不再是Cu/Cu)时，可能出现寻找适当的连接技术问题。
发明内容
本发明的任务是提出一种开头所述类型的日光收集器元件，借助该日光收集器一方面可达到在热辐射范围内很高的光吸收和很高的反射率，另一方面可在尽可能节省费用的制造方式中具有在特别强的热负荷工作条件下改进的使用特性和较长的使用寿命。此外通过本发明还可实现在吸收器部分和管之间保证牢固的机械连接和良好的热传递的最佳问题解决方案。最后，日光收集器元件的突出优点还在于在高温收集器使用范围内的可能的静止温度和很高的化学稳定性。
根据本发明这个任务是这样实现的，涂层是一个由三层构造的多层系统，其最上面的一层是介电层，最好是化学成分为MeOz，MeFr，MeNs的氧化层、氟化层或氮化层，折射率n＜1.8，其中间层是化学成分为CrOx的氧化铬层，其最下面一层由金、银、铜、铬、铝和/或钼组成，其中下标x，z，r和s表示氧化物、氟化物或氮化物中的化学计量或非化学计量比例。
根据本发明的这种光学多层系统首先优选通过可消除在制造中危害环境的、部分有毒的盐溶液而成为可涂覆的。因此，光学多层系统的金属层可以是喷溅层或者通过蒸发尤其是通过电子轰击或由热源产生的层。光学多层系统的上面两层同样可以是喷溅层，尤其是通过反应喷溅产生的层，CVD层或PECVD层或通过蒸发尤其是通过电子轰击或由热源产生的层，从而整个光学多层系统由在真空效果中尤其是在一种连续方法中涂覆的层构成。
最上面的层最好是一个化学成分为SiOy的氧化硅层，其中下标y也是在氧化组分中的化学计量或非化学计量的比例。
除了较高的热稳定性和化学稳定性，根据本发明的日光收集器元件特征还在于由于制造吸收器部分的材料的良好可加工性尤其是可塑性，主要由于金属支架-其中该支架可以是铜最好是铝-而具有节省费用的制造方式和很高的导热性。后者具有特别的意义，因为由此可迅速地传递由于光吸收而收集的热量并以高效率传递给载热流体。
所述涂覆层系统的方法最好还允许最上面的层的化学成分MeOz，MeFr，MeNs和氧化铬层的化学成分CrOx的下标x，y，z，r和s不仅可以调整为一定的离散的值，而且在被氧化物质和氧气之间的化学计量或非化学计量比例可在一定的界限内连续变化。由此，例如减少反射的、也使机械负载能力值提高(DIN 58196，第5部分)的最上层的折射率和氧化铬层的吸收率可以适当地调整，其中随着下标x的值增加，吸收率降低。
根据本发明，在光学多层系统的侧面上根据DIN 5036第3部分确定的光总反射率可调整到小于5％的一个优选值，其中除了可保证高的抗老化能力，还能保证高的热稳定性，从而在温度负荷为430℃/100小时的情况下，变化小于现有反射率的7％，最好小于4％。此外在这种温度负荷下最好也不出现有害气体排出。
根据本发明的用于吸收器部分的复合材料由于以下的其协同作用的性能组合而具有出色的性能以制造本发明的日光收集器元件：
-支架层，例如其出色的可塑性，借助该可塑性它可轻松地抵抗在进行中的成型工艺中在制造根据本发明的日光收集器元件的制造过程中的负荷，例如其高的导热性以及—具体说在支架材料为铝的情况下—可制成一种在光波长范围内附加促进吸收的表面结构的能力，这种表面结构与其它层形状匹配，此外还有在热辐射范围内的反射能力，这种反射能力增强了光学三层协同的金属层作用；
-金属层，通过其在热辐射范围内具有高反射能力从而具有低发射的构造，考虑了下述事实，即按照Lambert-Bouguer法则，随着射入深度的增加，辐射功率以指数特征被吸收，对于大多数无机物质在很小的深度(小于约1微米)可作为存储器或可中继传输的热能使用。
-氧化铬层，吸收率具有很高的选择性(在波长约300至2500纳米的范围内峰值高于90％，在波长＞约2500纳米的范围内最小值低于15％)，并具有已述的修正能力(下标x)；
-最上层，尤其是氧化硅层，其优点在前面已有所述，除了其抗反射效果还有很高的透射能力，由此提高了氧化铬层部分的日光范围内的可吸收辐射值；
因此在采用本发明的日光收集器元件的情况下，不仅可以制造工作温度在100℃以下的低温收集器，而且也可以制造静止温度在250℃以上的高温收集器。
此外，在采用该光学多层系统时还可在支架上备有一个中间层，其一方面保证对支架的机械和抗腐蚀保护，另一方面保证该光学多层系统的高附着性。在背向光学多层系统的一侧上可在支架上覆一个底层—同样作为保护层。在铝支架情况下，两个层都可以由氧化铝制成，其可由阳极氧化的或电解发光和阳极氧化的支架材料制造，此外在支架上或在底层上还可以覆上具有提高反射作用的另外一层。
在吸收器部分的支架材料是铝和管材料是铜的情况下，这两个部件最好是(在支架上存在一个氧化铝涂层时)通过激光焊接相互连接。这里通过融化和再凝固铝和将铝移入到铜中实现材料匹配的连接。为了焊接可以例如使用具有足够功率的CO2-或Nd-YAG-激光辐射。
与吸收器部分/管的材料组合无关，使用激光焊接相对钎焊具有以下优点，即可以排除多余的金属界面(没有焊剂)，可实现较高的机械连接强度从而实现对振动和冲击较大的阻抗，并提高本发明吸收器部分的允许工作温度(静止温度)和保证较大的工作安全性。
具体说，在此处，管和吸收器部分可以沿着其接合点通过在管两侧的用脉冲焊接法产生的点焊缝连接。这里，在确定激光功率和脉冲频率时应注意，焊点尺寸主要取决于热传导，其中表面温度、照射时间、吸收器部分的厚度和材料种类是相互影响的因子。在融化深度和计算出的激光功率之间成一定比例。
本发明的其它优点在从属权利要求中和下面的详细描述中给出。
附图简要说明
借助附图所示的实施例进一步描述本发明。
图1示出了通过本发明日光收集器元件的一个吸收器部分的的截面原理图，
图2示出了本发明的日光收集器元件的实施形式部位的立体视图，
图3示出了带有曲折形管道的本发明日光收集器元件实施形式的俯视图。
具体实施方式
在各图中同一部件总是采用同一个附图标记，因而每个只描述一次。
根据本发明的日光收集器元件(图2中以附图标记E表示)的吸收器部分(图2中以附图标记10表示)由一种复合材料构成，其在日光波长范围内和热辐射范围内具有很高的吸收率和反射率选择性。该复合材料由一个特别是具有可塑性的带状铝制支架1、一个涂在该支架1的一侧A上的中间层2和一个覆在中间层2上的光学作用的多层系统3构成。
支架1最好具有一种特别规律的辊压结构，沿从优极化方向有基本平行的凹槽。在凹槽平行于北-南方向时，通过这种结构可以使本发明的日光收集器元件E的吸收能力具有与太阳光在一天里不断变化的角度尽可能无关的值。
按照DIN 5036第3部分确定的光总反射率在光学多层系统3的A侧可小于5％。
复合材料可优选加工成宽高达1600毫米，最好1250毫米，厚度D约0.1至1.5毫米，最好约0.2至0.8毫米的线圈，其中根据本发明的日光收集器元件E可由此以简单的方式通过冲压板状吸收器部分10和将之与一个管(图2中附图标记11)制造。复合材料的支架1的厚度D1最好是0.1至0.7毫米。
支架1的铝可特别具有高于99.0％的纯度，由此可促进其导热性。
中间层2由阳极氧化的或电解发光和阳极氧化的铝构成，其由支架材料制成。
多层系统3由三个单层4，5，6构成，其中两个上面的层4，5是氧化层，最下面的层6是一个涂在中间层2上的金属层。光学多层系统3的最上面的层4具体说是化学成分为SiOy的氧化硅层。中间层5是化学成分为CrOx的氧化铬层，最下面的层6由金、银、铜、铬、铝和/或钼组成。
下标x，y在这里表示在氧化物中被氧化的物质相对氧气的化学计量的或非化学计量的比例。该化学计量的或非化学计量的比例x可优选在0＜x＜3范围内，而化学计量的或非化学计量的比例y值可在1≤y≤2范围内。
由于光学多层系统3的两个上面的层4，5可以是喷溅层，尤其是通过反应喷溅产生的层，CVD层或PECVD层或通过蒸发尤其是通过电子轰击或由于热源产生的层，因此可以不按级地调节比例x，y(也就是可调节到非化学计量的下标值)，从而可改变各层性能。
光学多层系统3的最上面的层4可以优选地具有大于3纳米的厚度D4。在该厚度D4下，该层已具有足够的效率，而其中时间、材料和能源耗费却只有很低的值。从这个角度讲，层厚D4的上限在大约500纳米。从该角度讲，对光学多层系统3的中间层5的最佳值是最小厚度D5大于10纳米，最大约1微米。最下面的层6的相应值是厚度D6最少为3纳米，最大约500纳米。
考虑到高效率，光学多层系统3的最下面的层6应优选具有高于99.5％的纯度。如上所述，该层可以是喷溅层或通过蒸发尤其是通过电子轰击或由于热源产生的层，因而整个光学多层系统3最好是由在真空效果中以连续方法涂覆的层4，5，6构成。
在带状支架1的背向光学多层系统3的B侧是一底层7，该底层如同中间层2，由阳极氧化的或电解发光和阳极氧化的铝构成。中间层2和底层7最好可同时以湿化学方法产生，其中氧化铝层的气孔可在湿化学工艺链的最后阶段尽可能地通过热缩合来封闭，从而产生耐用的表面。底层7因此与中间层2一样为支架1提供了一种机械的和抗腐蚀的保护。
根据本发明尤其可以这样设计层结构，使得在温度负荷为430℃/100小时时，按照DIN 5036第3部分确定的在光学多层系统3的A侧上的光总反射率的变化小于7％，最好是小于4％。
图2示出了本发明日光收集器元件E的整体结构。图中示出了日光收集器元件E的吸收器部分10和用于载热流体的管11。吸收器部分10由一种复合材料构成，如前所述该复合材料带有铝制支架1和由三层4，5，6构造成的多层系统3。通过可用有利环保的和经济的方式制造的吸收器部分10实现了高的光吸收和向管11的散热，其中在收集器强烈热负荷的工况下，可以保证较长的使用寿命。
最后还有吸收器部分10和尤其是用铜制成的管11之间的连接形式，其借助激光焊接方法尤其是在一个实施例中以脉冲焊接法实现。激光焊接是一种熔焊方法，就是说待连接的部件在激光辐射作用下熔融。一个特点在于很高的功率密度和在脉冲焊接时可以较短的作用时间获得迅速的冷却。因为吸收器部分10和管11的激光焊接优选没有附加物质地进行，所以在两个待连接部件之间产生的材料匹配的连接仅仅由吸收器部分10和管11各自的材料构成，其中由于铝的较低的熔点在吸收器部分10上形成水滴状的主要由铝构成的凝固的熔融小球12，并将铝渗入到管11的铜中。熔融小球12搭接了在吸收器部分10和管11之间可能存在的间隙或缓冲气垫。由此产生一种最佳的连接，在考虑到前述标准下，焊接时激光的功率密度应不超过107W/cm2，最好是106W/cm2。焊点的总能量应超过一定作用时间直到约10毫秒，最好是在时间上分段作用。除了前述的标准外还应考虑在作用处实际的空间和时间强度分布(尖峰，过热点)。
具体说，这里管11和吸收器部分10-如图2所示-沿着接合点通过管11两侧的焊缝连接，焊缝由相互有一定间距(间距a)特别是有规律布置的焊点(熔融小球12)形成。
由于在日光收集器工作时从吸收器部分10到管11的热量传递主要在焊点上进行，因此熔融小球12的大小和熔融小球12之间的间距a共同决定收集器效率。另一方面吸收器部分10在其延伸平面内的热阻抗受限于收集器效率。吸收器部分10的热阻抗在这里基本上一方面由复合材料的导热性主要是支架1的导热性，另一方面由吸收器部分10的厚度D决定。因此熔融小球12间的间距a在吸收器部分10为规定复合材料下和熔融小球12大小(直径d)固定的情况下取决于其厚度D。支架1为铝制的，吸收器部分的厚度D约0.3至0.8毫米，熔融小球12的直径d约0.2至3.2毫米时，最佳间距a(熔融小球12中心的间距)约为0.5至2.5毫米。吸收器部分10的厚度D越大，焊点间的间距a必须选择得越小。
本发明不限于图示的实施例，而是包括所有在本发明意义下作用相同的手段和措施。因此，例如也可以是，光学多层系统3的最下面的层6由多个上下布置的金、银、铜、铬、铝和/或钼的部分层构成。
如前所述，最上面的层也可以由氟化物或氮化物构成。作为支架材料—如公知—也可以用铜，其具有出色的性能，虽然在大致相同的热传递值情况下-不必设置折边-达到了较高的刚性。
另外，本技术领域的普通技术人员也通过附加的有利措施来扩充本发明，而不偏离本发明的框架。从而也可以，如图3所示，管11在吸收器部分10上具体可设计成直的或曲折形。在曲折形设计下，焊接可以限制在直的管部位I，而弯曲的管部位K不焊接。
此外，本发明不限于在权利要求1中限定的特征组合，而是也可以通过所有公开的单个特征的某些特征的任意其它组合来限定。这意味着，原则上可行地可以删去权利要求1的任意一个特征或者用至少一个在本申请的其它地方公开了的特征来代替。因此，权利要求1仅理解为本发明的第一种表达方式。
Claims (28)
1.日光收集器元件，带有一个吸收器部分(10)和一个与吸收器部分(10)在第一侧(B)相连的用于载热流体的管(11)，其中吸收器部分(10)由一种复合材料制成，该复合材料带有一个金属支架(1)和一个位于该支架(1)上的第二侧(A)上的光学作用的涂层，其特征在于，涂层是由三层(4，5，6)构成的光学作用的多层系统(3)，其最上面的层(4)是一介电层，最好是化学成分为MeOz，MeFr，MeNs的氧化层、氟化层或氮化层，其折射率n＜1.8，中间层(5)是化学成分为CrOx的氧化铬层，最下面的层由金、银、铜、铬、铝和/或钼构成，其中下标x，z，r和s表示在氧化物、氟化物或氮化物中的化学计量的或非化学计量的比例。
2.根据权利要求1所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的最上面的层(4)是化学成分为SiOy的氧化硅层，其中下标y表示化学计量的或非化学计量的比例。
3.根据权利要求1或2所述的日光收集器元件，其特征在于，覆在光学多层系统(3)下面支架(1)上面的中间层(2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，覆在支架(1)的背向光学多层系统(3)的一侧(B)上的底层(7)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，支架(1)由铝制成。
6.根据权利要求5所述的日光收集器元件，其特征在于，支架(1)的铝具有高于99.0％的纯度。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，中间层(2)由阳极氧化的或电解发光和阳极氧化的铝制成。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，底层(7)由阳极氧化的或电解发光和阳极氧化的铝制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，支架(1)具有特别规律的辊压结构，沿优化极化方向有基本相互平行的凹槽。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，支架(1)由铜制成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，化学计量的或非化学计量的比例x在0＜x＜3范围内。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，化学计量的或非化学计量的比例y在1≤y≤2范围内。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的最下面的层(6)是由多个上下布置的金、银、铜、铬、铝和/或钼制的部分层构成。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的两个上面的层(4，5)是喷溅层，尤其是通过反应喷溅产生的层，CVD层或PECVD层或通过蒸发尤其是通过电子轰击或由于热源产生的层。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的金属层是喷溅层或通过蒸发尤其是通过电子轰击或由于热源产生的层。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)由在真空效果中以连续方法涂覆的层构成。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的最上面的层(4)厚度(D4)大于3纳米，最大约500纳米。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的中间层(5)厚度(D5)大于10纳米，最大约1微米。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，光学多层系统(3)的最下面的层(6)厚度(D6)至少为3纳米，最大约500纳米。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，按照DIN 5036第3部分确定的在光学多层系统(3)的侧面(A)上的光总反射率小于5％。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，在温度负荷为430℃/100小时时，按照DIN 5036第3部分确定的在光学多层系统(3)的侧面(A)上的光总反射率变化小于7％，最好小于4％。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，吸收器部分(10)具有平板形结构，其厚度(D)为约0.1至1.5毫米，最好是约0.2至0.8毫米。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，管(11)由铜制成。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，吸收器部分(10)和管(11)通过一种材料匹配的、借助激光焊接方法尤其是在一种实施例中是脉冲焊接法制造的连接相互连接的。
25.根据权利要求24所述的日光收集器元件，其特征在于，在吸收器部分(10)和管(11)之间的材料匹配连接仅由吸收器部分(10)和管(11)各自的材料构成。
26.根据权利要求24或25所述的日光收集器元件，其特征在于，吸收器部分(10)和管(11)之间的材料匹配连接在吸收器部分(10)带有一个铝制支架(1)和一个铜制管(11)的情况下，通过凝固在吸收器部分(10)上的主要由铝制成的熔融小球(12)和通过铝扩散到管(11)的铜中形成。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的日光收集器元件，其特征在于，管(11)和吸收器部分(10)沿着其接合点通过管(11)两侧的焊缝连接，该焊缝是由相互间隔一定间距(间距a)的焊点(熔融小球12)形成。
28.根据权利要求26或27所述的日光收集器元件，其特征在于，管(11)和吸收器部分(10)在铝制支架(1)、吸收器部分厚度(D)为约0.3至0.8毫米、熔融小球(12)的直径(d)为约0.2至3.2毫米的情况下，熔融小球(12)中心之间的间距(a)处于约0.5至2.5毫米范围内。
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