专利名称：太阳能吸收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能吸收器，其具有吸收器本体，该吸收器本体具有一个面向聚焦器的侧面和一个背对该聚焦器的侧面，并且该吸收器本体设有一种选择性吸收层，该吸收层在一极限波长以下吸收太阳辐射的光谱，而在该极限波长以上抑制该吸收器本体的辐射能力。本发明还涉及根据权利要求13、17和22前序部分所述的太阳能吸收器。
背景技术：
太阳能吸收器是太阳能收集器的将太阳辐射转换成热量的部件。在吸收器上除了光学损失还会出现热损失，因为其由于将太阳辐射转换成热量具有比环境更高的温度。在聚焦的收集器如抛物面收集器、菲涅耳收集器和太阳能塔中，吸收器一般被加热到几百摄氏度。按照普朗克辐射公式与温度的四次方成比例的辐射损失在真空绝缘吸收器中相对于对流损失占据主要部分。
技术问题在于自相矛盾的愿望，即吸收器一方面很好地吸收太阳辐射，另一方面对固有辐射的辐射比较差。根据基尔霍夫定律，物体的光谱吸收能力和辐射能力是相同的。这个问题可以通过光学选择性涂层来解决，这种涂层具有一种极限波长，在该极限波长以下，吸收能力较大，而超过该极限波长，则辐射的固有辐射较小。一种这样的吸收层利用了这种状况，即吸收器的有待吸收的辐射和有待抑制的辐射的固有辐射的波长范围是不同的。
在WO 97/26488中描述了一种吸收器本体，其具有一种光学选择性涂层。该涂层的突出之处在于，其一方面很好地吸收由太阳辐射的短波辐射(最大0.5μm)，但另一方面来自吸收器的长波辐射(最大3.5到5μm)很难被辐射到环境中。选择性的吸收层在短波太阳光谱范围内具有较低的光谱反射率和较高的吸收率，相反在长波光谱范围内具有尽可能高的反射率，同样具有较低的辐射率。
从较低的反射率过渡到较高的反射率的理想极限波长主要取决于吸声层的工作温度。因此开发了用于平板收集器、真空管收集器和抛物面收集器的不同选择性层。
在设计理想光学选择性吸收层的最优的极限波长时，到目前为止仅仅考虑吸收器的温度。根据温度，极限波长与太阳标准光谱相匹配。但是理想的极限波长也取决于太阳辐射的聚焦。在聚焦的太阳能收集器的情况下，聚焦系数通常在吸收表面上是不均匀分布的。从而在抛物面收集器中仅仅只有大约一半的吸收管被聚焦的太阳辐射照射到，而另一半则由未经过聚焦的太阳辐射照射。在面向聚焦器的侧面上，辐射一般以系数10到100倍聚焦。因此在一种在吸收器本体的圆周上均匀的选择性吸收层的情况下，热损失由于辐射而没有降低到最低限度。
发明内容
本发明的任务是在聚焦的太阳能吸收器中将辐射损失总体上降低到最低限度，也就是不仅在面向聚焦器的侧面上、而且在背向聚焦器的侧面上，从而提高捕集的热量的收益。
该任务利用根据权利要求1、13和17所述的太阳能吸收器解决。这些解决方案在吸收器本体上设置了一种吸收层、在套管上设置了一种涂层以及在吸收管和套管之间设置至少一个元件，这在下面还会详细描述。也可以将这些解决方案相互组合，就像权利要求22的主题。
根据第一变型方案，吸收器本体的吸收层在面向聚焦器的侧面上具有一种极限波长，其大于在背向聚焦器的侧面上的极限波长。
本发明基于这种认识，即吸收器本体的两个对置侧面遭受不同的辐射密度，并且由此具有不同的吸收特性和辐射特性。在面向聚焦器的侧面上，极限波长例如为2350nm。由于在两个侧面上不同的极限波长，实现了极限波长与相应光谱密度的协调，从而入射的辐射的收益根据光谱密度得到了优化。由此可以实现对辐射非常高的收益。
对于聚焦器应该理解为所有聚焦的光学系统。尤其是菲涅耳透镜、反光镜、透镜系统或者收集光学系统都是聚焦器。
在最简单的情况下，涂层分成具有不同吸收层的两个区域。这种分区可以进行细化，方法是设置两个以上具有阶梯形变化的极限波长的区域。在此每个区域都与局部的辐射强度相匹配。
本发明尤其可以在抛物面收集器中使用，其具有纵向延伸的吸收管，该吸收管被一种传热介质例如油通流，其中纵向延伸的抛物面镜将太阳辐射聚焦到吸收管上。在其它类型的接收聚焦的太阳辐射的太阳能吸收器中也可以使用本发明。其适用于所有情况，在这些情况中吸收器本体的不同表面区域上的辐射强度是不同的。
吸收器本体优选是一种管子，尤其是一种钢管或者是一种多孔的陶瓷体。
吸收层的厚度优选小于10μm，尤其小于200nm。
吸收层优选分成两个具有不同极限波长的区域。在此其中一个区域在吸收器本体的整个背向聚焦器的侧面上延伸，而第二区域在吸收器本体的整个面向聚焦器的侧面上延伸。
如果吸收器本体位于管子中，那么对于区域应理解为一种表面，其一方面在管子长度上延伸，并且另一方面在圆弧上延伸。多个区域沿管子的圆周方向依次并排。
吸收层可以分成具有连续变化的极限波长的区域。在此从一个区域到相邻的区域的过渡部分可以连续地构造。在这些区域内部极限波长也可以连续改变。
在单个区域中不同极限波长的设置可以通过吸收层的不同厚度或者整个层系统的各个分层的不同厚度实现。在此层厚变化优选为5％到20％，最好为10％到20％。层厚减小可以围绕整个管圆周实施，这在制造技术上例如由此实现，即在涂层过程中改变管子的旋转速度。
优选在背向聚焦器的侧面上的吸收层比在面向聚焦器的侧面上的吸收层薄5％到20％。由此吸收层从吸收过渡到反射的极限波长朝较短的波长偏移。高温的辐射率由此得到减小。同时太阳能吸收也减小，因为太阳光谱的大部分被反射了。
吸收层可以由一种三层系统构成，该三层系统由金属镜面层、陶瓷金属层和介电的回波抑制层构成。用于使极限波长改变的厚度变化优选在陶瓷金属层中进行。通过减小陶瓷金属层厚度，在可见光谱区域内的吸收率也变小。通过增加回波抑制层的厚度，可以部分平衡这种效应，而不会影响极限波长。因此有利的是在减小陶瓷金属层厚度的同时增加回波抑制层的厚度。
为了简化制造方法，也可以对层厚进行改变，方法是在单个的或者在所有的涂层过程中使管子不均匀地旋转。
根据另一种用于设置变化的极限波长的实施方式，吸收层在各个区域中具有不同的成分。
不同的成分优选通过金属填充材料实现，其在各个区域中以不同的份额存在。这种金属填充材料优选可以存在于陶瓷金属层中。作为金属填充材料优选的是铬、铝、铜和/或钼。陶瓷金属层中填充材料的份额在各个区域中处于20％和60％之间。
聚焦器在可见区域和红外区域之间的整个波长区域内具有高反射性。通过陶瓷金属层和/或回波抑制层的厚度和/或成分可以在可见区域或者说近红外区域中影响吸收的辐射的份额。
根据本发明另一种变型方案，太阳能吸收器具有吸收管和套管，该套管包围着吸收管，其中与聚焦器组合，该太阳能吸收器具有一个面向聚焦器的侧面和一个背向聚焦器的侧面。根据本发明，套管在背向聚焦器的侧面上的至少一个区域设有一种反射热辐射的涂层。该涂层在太阳辐射的波长范围内可以是部分透明(low-e涂层)的或者反射的(金属镜面)。
这种涂层最多在套管的圆周的一半上延伸。在此这种涂层优选设置在套管的内侧。
这种涂层优选设置在两个侧面的边缘区域中，在其之间没有设置任何涂层。由此可以使用直接太阳辐射的份额，该份额在边缘区域之间的区段中入射。
直接来自太阳的并且直接、也就是没有通过聚焦器的转向照射到吸收器的份额在普通的抛物面收集器中大约占所有可以收集到的辐射的1％。
侧面的边缘区域是既没有被太阳直接照射、也没有被由聚焦器反射的辐射照射到的区域。因此在这些边缘区域中设置了一种相应的涂层，用于降低在该区域中的热损失。
当太阳能吸收器的工作温度很高时，借助于透明的或者金属涂层将套管的背向聚焦器的整个区域进行完全地覆盖是有利的。在工作温度较低时，该涂层优选设置在边缘区域中。
对于部分透明应该理解为一种优选为30％到70％的透射率，其中该透射率涉及的是在300nm到2500nm范围内的太阳辐射波长区域。在红外区域(波长范围＞2500nm)，该优选为金属的涂层具有高反射性，对此应理解为＞70％的反射率。
涂层优选由一种具有高反射率的材料制成。作为涂层的材料优选使用铝或者银。
根据本发明另一种变型方案，在套管和吸收管之间在背向聚焦器的侧面上设置至少一个由一种在红外区域反射的材料制成的元件。
该元件可以是一种金属箔、一种织物或者一种板材。
一个或者多个这种元件的布置可以根据套管的涂层进行选择。只要该元件在吸收管的半个管圆周上延伸。但也可以根据套管在边缘区域中的涂层的布置设置两个元件，其布置在侧面的边缘区域中。
所述元件可以具有竖起的棱边，由此实现了附加的聚焦作用。竖起的棱边相对于聚焦器的轴线优选具有＜45°的角度。
所述元件优选由铝或者精炼钢制成。为了提高在红外波长区域中的反射性，该元件附加地用银进行涂层。
因为该元件布置在吸收管和套管之间的中间区域中，需要考虑的是，在两个管子中的一个上的连接由于不同材料的不同纵向膨胀系数会导致应力。因此优选使用一种可以膨胀的材料，或者可运动地、尤其是可移动地布置所述元件。
下面根据附图来说明本发明示例性的实施方式。附图示出图1是具有吸收器本体和聚焦器的太阳能吸收器的示意图；图2是照射到吸收器本体的辐射密度的饼形图；图3是在入射辐射未聚焦的情况下光谱辐射密度和吸收率根据波长的图表；图4是在入射辐射聚焦的情况下光谱辐射密度和吸收率的图表；图5是吸收器本体第一实施例的横截面图；图6是图5中所示吸收管的局部横截面图；图7-11是根据不同实施方式的具有吸收管和套管的太阳能吸收器的剖面图。
具体实施例方式
图1示出了吸收器本体10，其中这里是一种纵向延伸吸收管30，其内腔11被一种传热介质通流。入射的太阳辐射12由一种抛物面镜形式的聚焦器13聚集或者说聚焦在吸收器本体10上。该吸收器本体10吸收太阳辐射并将其转换成热量，这些热量被传递到传热介质中。传热介质由此得到加热。
图2以极坐标示出了辐射密度14在吸收器本体的圆周上的分布。在面向聚焦器13的侧面36，辐射密度较高。在背向聚焦器的侧面38，辐射密度等于入射的太阳辐射的辐射密度，该辐射密度可以用数值“1”来表示。
图3通过用20表示的曲线说明了入射的太阳辐射的辐射密度的光谱分布。用21表示了一条说明在温度为500℃时一种黑体的光谱辐射密度。这两条曲线20和21分别具有一个最大值，并从该最大值向两侧下降。这两条曲线相互分开，但在底脚区域相交。
用22表示理想的极限波长，该极限波长通过太阳光谱20和黑体光谱21的交点，在该波长以下，理想的光学选择性吸收器完全吸收太阳辐射，而其仅仅辐射很微小的辐射损失。这种辐射损失由处于1350nm极限波长以下曲线21下面的面积构成。在该极限波长22以上，吸收率以及由此辐射率等于零。也就是说，吸收器本体10不辐射任何热量，而其由反射仅仅损失很微小的太阳辐射。这种辐射损失与曲线20下面波长λ＞1350nm部分的面积成比例。
图4示出了聚焦了系数50的太阳光谱20a以及500℃的热的黑体的光谱的曲线21a。图4曲线的比例尺相对于图3进行了改变。曲线22a示出了一种理想光学选择性涂层的吸收率变化曲线。其通过两条曲线20a和21a的交点延伸，该交点在辐射密度增加的情况下处于波长λ＝2400nm处。
由此由图3和4得出这样的结论，即在较高的辐射密度的情况下，曲线22朝着较大的波长进行了偏移。
本发明充分利用这种状况，方法是构造成吸收管30的吸收器本体10根据图5具有不同的吸收层17、18。区域40中的吸收层17处于面向聚焦器13的侧面上，并且区域45中的吸收层18处于背向聚焦器的侧面38上。
吸收层17和18是纳米范围内的薄层。它们由例如在WO 97/26488中描述的材料制成。尤其是基于Ti-N-O基的干涉吸收层，其取决于层厚引起不同的颜色效果。吸收层17、18基本上可以由相同的基材制成，其中单个的区域的区别是不同的层厚。通过干涉作用获得对于这些区域不同的极限波长22。吸收层的厚度应小于10μm，并且尤其小于1000nm，最优选小于100nm。吸收层均匀地涂覆。
在下面的表1中示出了按本发明的太阳能吸收器的一种实施例。其中λ表示波长，GWL表示极限波长，ε表示吸收层的辐射率。
表1
可以看到，总体上太阳能吸收器在不同辐射密度的所有区域上都具有较高的吸收能力，并提供了较高入射辐射的收益。
图5中的吸收层17和18两者也可以具有相同的层结构。这些层优选通过薄层技术制造，其中将多个层依次涂覆在基底上。在钢管31上尤其可以依次分离出镜面层25、金属陶瓷层26和介电的回波抑制层27(参见图6)。镜面层25反射红外和可见波长范围内的电磁辐射。金属陶瓷层和回波抑制层26、27的厚度和/或成分影响被吸收的辐射的份额。在金属陶瓷层26中包含一种填充材料，该填充材料一般占有陶瓷金属层26的20％到60％。作为填充材料尤其可以考虑铬、铝、铜或钼。
吸收层的光学特性由区域17和18中的层厚和/或成分的改变而会改变。在背向聚焦器的侧面上，吸收层18例如比面向聚焦器的吸收层17构造得薄5到20％。厚度优选是不变的。由此吸收层的变化仅仅通过陶瓷金属层和回波抑制层的改变实现。背向聚焦器13的吸收层18包括最多一半的管圆周。层厚的减小例如可以通过改变涂层过程中管子的旋转速度来实现。
在图7中示出了另一种实施方式，该实施方式具有一个吸收管30和一个套管32，其中在套管32的内侧面上涂上一种涂层60。这种优选为金属的涂层60位于套管的区域55中，该区域背向未示出的聚焦器。在套管32的面向聚焦器的区域50中，没有在套管32上设置任何涂层。
在图8中示出了一种改进的实施方式，该实施方式与图7中所示的实施方式的区别在于，涂层60仅仅在边缘区域56、57中施加，在该边缘区域中既没有用箭头表示的直接的太阳辐射照射，也没有被聚焦器反射的辐射照射。
在中间区域58中设置了一种不透明的或者半透明的涂层，从而在该区域58中可以使太阳辐射通过，并且可以照射到吸收管30上。
在区域58中的金属涂层的半透明性存在于太阳辐射的3000nm到2500nm的波长范围中。所有入射的辐射中透射的辐射的份额在太阳光光谱中优选为大约30％到70％。在远红外区域(＞2500nm)中，涂层是高反射性的，也就是说反射的辐射的百分比份额为大于70％。
在图9中，在该区域58中根本没有设置任何涂层。
如果背向反射器的侧面38对太阳辐射不透明或者说不透光，那么套管20的一个区域可以构造成不涂层。不涂层的区域就像构成了一个用于从外部入射到套管32的背侧38上的太阳辐射的窗口。由此保证了太阳辐射可以用于获取热量。
在图10中示出了另一种实施方式，其中在吸收管30和套管32之间设置了一个元件70，其由一种在红外区域中反射的材料制成。该元件70延伸圆周的一半，并且位于背向聚焦器的区域中。
该元件70由一种金属箔制成，该金属箔优选由铝或者精炼钢制成。为了提高在红外波长范围内的反射率，作为箔还可以使用涂有银的材料。金属箔与吸收管或者套管进行热耦合。由此避免了金属箔局部加热，并由此使其在环形缝隙中的形状或位置由于热膨胀而改变。在工作中，吸收管30被加热，从而其膨胀。金属箔本身是可膨胀和可运动的，从而吸收管30和金属箔之间的长度差得到了平衡。
在图11中示出了另一种实施方式，其在吸收管30和套管32之间的中间空间中具有两个元件71、72，这两个元件设置在边缘区域76和77中，这些边缘区域既没有被由聚焦器反射的辐射照射到，也没有被直接的太阳辐射照射到。
为了提高辐射收益，在边缘上设置了竖起的棱边78，其与聚焦器轴线(未示出)构成了一个45°的角度。
附图标记列表10吸收器本体11内腔12太阳辐射13聚焦器14辐射密度17吸收层18吸收层20曲线，太阳光谱21曲线，黑体光谱21a 曲线22极限波长22a 曲线25镜面层26陶瓷金属层27回波抑制层30吸收管31钢管32套管36面向聚焦器的侧面38背向聚焦器的侧面40吸收管的区域45吸收管的区域50套管的区域55套管的区域56边缘区域57边缘区域58中间区域60金属涂层70元件71元件
72元件76边缘区域77边缘区域78棱边
权利要求
1.太阳能吸收器，其具有吸收器本体(10)，该吸收器本体具有一个面向聚焦器(13)的侧面(36)和一个背向聚焦器(13)的侧面(38)，并且设有选择性吸收层，该选择性吸收层在极限波长(22)以下吸收太阳辐射的光谱，并在该极限波长(22)以上抑制吸收器本体(10)的辐射能力，其特征在于所述吸收层(17、18)在面向聚焦器(13)的侧面(36)上的极限波长(22)大于在背向聚焦器(13)的侧面(38)上的极限波长(22)。
2.按权利要求1所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)分成两个以上具有阶梯形变化的极限波长(22)的区域(40、45)。
3.按权利要求1或者2所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收器本体(10)是一种吸收管(30)，尤其是一种钢管(31)。
4.按权利要求1或者2所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收器本体(10)是一种多孔的陶瓷体。
5.按权利要求1到4中任一项所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)的厚度小于10μm，尤其小于200nm。
6.按权利要求1所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)分成两个具有不同极限波长(22)的区域(40、45)。
7.按权利要求1、3或者6所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)分成具有连续变化的极限波长(22)的区域。
8.按权利要求1到7中任一项所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)在所述区域(40、45)中具有不同的厚度。
9.按权利要求1到8中任一项所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)在所述区域(40、45)中具有不同的成分。
10.按权利要求9所述的太阳能吸收器，其特征在于所述吸收层(17、18)具有至少一个陶瓷金属层(26)，其具有至少一种金属填充材料，该填充材料在所述区域(40、45)中的份额是不同的。
11.按权利要求10所述的太阳能吸收器，其特征在于所述金属填充材料包括铬、铝、铜和/或钼。
12.按权利要求10或者11所述的太阳能吸收器，其特征在于所述在陶瓷金属层(26)中的填充材料在所述区域中的份额在20％和60％之间。
13.太阳能吸收器，其具有吸收管(30)和套管(32)，该套管具有一个面向聚焦器(13)的侧面(36)和一个背向聚焦器(13)的侧面(38)，其特征在于所述套管(32)在背向聚焦器(13)的侧面(38)上的至少一个区域(55)设有一种反射热辐射的涂层(60)。
14.按权利要求13所述的太阳能吸收器，其特征在于所述涂层(60)最多在套管(30)的一半圆周上延伸。
15.按权利要求14所述的太阳能吸收器，其特征在于所述涂层(60)设置在两个侧面的边缘区域(56、57)中，在这两个边缘区域之间没有设置任何涂层。
16.按权利要求14或者15所述的太阳能吸收器，其特征在于所述涂层(60)由一种在红外区域中具有高反射率的材料制成。
17.太阳能吸收器，其具有吸收管(30)和套管(32)，该套管具有一个面向聚焦器(13)的侧面(36)和一个背向聚焦器(13)的侧面(38)，其特征在于在所述吸收管(30)和套管(32)之间在背向聚焦器(13)的侧面(36)上设置至少一个由一种在红外区域中反射的材料制成的元件(70、71、72)。
18.按权利要求17所述的太阳能吸收器，其特征在于所述元件(70)是一种金属箔、一种织物或者一种板材。
19.按权利要求17或者18所述的太阳能吸收器，其特征在于所述元件(70、71、72)最多在套管(32)的一半圆周上延伸。
20.按权利要求17或者18所述的太阳能吸收器，其特征在于在两个侧面的边缘区域(76、72)中设置两个元件(71、77)。
21.按权利要求17到20中任一项所述的太阳能吸收器，其特征在于所述两个元件(71、72)具有竖起的棱边(78)。
22.太阳能吸收器，其具有吸收管(30)和套管(32)，该套管具有一个面向聚焦器(13)的侧面(36)和一个背向聚焦器(13)的侧面(38)，其特征在于所述吸收管(30)具有一种吸收层(17、18)，其在面向聚焦器(13)的侧面(36)上的极限波长(22)大于在背向聚焦器的侧面(38)上的极限波长(22)，并且/或者所述套管(32)在背向聚焦器(13)的侧面(38)上的至少一个区域(50、55)设有一种金属涂层(60)，并且/或者在吸收管(30)和套管(32)之间在背向聚焦器(13)的侧面(36)上设置至少一个由一种在红外区域中反射的材料制成的元件(70、71、72)。
全文摘要
一种太阳能吸收器，其具有吸收器本体(10)，该吸收器本体在由聚焦器聚焦的辐射入射的侧面上具有一种吸收层(17)，并且在对置的侧面上具有一种吸收层(18)。在面向聚焦器的侧面上的吸收层具有比在对置的吸收层大的极限波长。通过这种方式在较高辐射密度的区域中，吸收器本体的辐射发射的极限朝着较大的波长偏移，从而吸收器本体的两侧分别以尽可能最高的辐射收益工作。
文档编号F24J2/05GK101023305SQ200580026394
公开日2007年8月22日 申请日期2005年8月5日 优先权日2004年8月5日
发明者K·-J·里费尔曼, T·库克尔科恩, C·希尔德布兰德特 申请人:肖特股份有限公司