用于太阳能热设备的太阳能接收器和太阳能热设备的制作方法
【专利摘要】用于太阳能热设备的太阳能接收器利用六硼化镱（YbB6）构成。所述太阳能热设备具有这样的太阳能接收器。
【专利说明】用于太阳能热设备的太阳能接收器和太阳能热设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于太阳能热设备的太阳能接收器和太阳能热设备。
【背景技术】
[0002]在太阳能热设备中太阳光通过反射器被收集并且被聚束到太阳能接收器上。太阳能接收器具有吸收被聚束的太阳光并且由于在此情况下被吸收的太阳能而加热在太阳能接收器的内部的载热体的吸收器材料。
[0003]然而，在太阳能热设备中不仅仅载热体被加热。附加地，太阳能接收器连同吸收器材料本身也被加热，使得太阳能接收器向周围环境发射热辐射。热辐射的这种发射降低太阳能接收器的能量效率以及因此降低太阳能热设备的效率。热辐射由吸收器向周围环境的发射因此应该被保持为尽可能小。
[0004]已知如下的太阳能接收器，这些太阳能接收器在这样低的温度下运行，使得由吸收器发射的热辐射和太阳光的辐射在光谱上充分地分离。因此通常在0.3 μ m到2.5 μ m的波长范围内的辐射从太阳射到地球表面上。而太阳能接收器在运行时具有典型地350°C或400°C的温度并且因此发射大约在2到20μπι或1.5到20 μ m的波长范围内的热辐射。在这样的情况下，吸收器鉴于吸收器材料可以被构造为光谱选择性吸收器，即该材料在太阳辐射的波长情况下构成好的吸收器并且在热辐射的波长情况下构成差的发射器。
[0005]然而，在太阳能接收器的较高的运行温度下，入射的太阳光的光谱和吸收器的热辐射的光谱没有充分地分离。因此，已知的吸收器材料直到现在在长波长的情况下发出不期望地大量的热能和/或在太阳光的光谱范围内吸收不期望地少量的辐射能。仅仅鉴于该吸收器材料，太阳能接收器因此具有过小的能量输出或不以损失足够少的方式工作。
[0006]因此直到现在必需的是，给吸收器材料配备光学上薄的材料的层结构，利用所述层结构通过干涉效应影响辐射的发射和/或吸收。因此例如已知的是，给太阳能接收器配备布拉格(Bragg)反射镜。然而，即使在具有层结构的太阳能接收器的情况下光谱的发射和/或吸收外形(Absorptionsprofil)也不是任意可调节的，而是受各个层材料的光学特性的调节度以及层的数量限制。
[0007]替代这样的层结构，已知的太阳能接收器具有用于利用干涉效应的单独的金属陶瓷层。这样的金属陶瓷层、即由陶瓷-金属或陶瓷-金属氧化物复合料形成的层在此情况下在陶瓷层中具有由金属或金属氧化物形成的岛。在这些岛处进入到金属陶瓷层中的电磁辐射被散射。被不同的岛散射的辐射在此可以在适宜地选择这些岛的平均距离的情况下合适地干涉。
【发明内容】
[0008]因此本发明的任务是实现用于太阳能热设备的改进的太阳能接收器。特别是，该太阳能接收器应该具有更高的能量输出。此外，本发明的任务是实现相对于现有技术改进的具有改进的能量输出的太阳能热设备。[0009]这项任务利用具有在权利要求1中被说明的特征的太阳能接收器以及利用具有在权利要求12中被说明的特征的太阳能热设备来解决。本发明的优选的改进方案由所属的从属权利要求、随后的说明和附图得出。
[0010]根据本发明的用于太阳能热设备的太阳能接收器利用六硼化镱(YbB6)构成。适宜地，在此六硼化镱构成根据本发明的太阳能接收器的吸收器材料。根据本发明的太阳能接收器相较于根据现有技术的太阳能接收器可以损失特别少地并且以高的能量输出被构造。
[0011]因此，如果太阳能接收器可以以较高的运行温度来运行，那么可以正好实现太阳能热设备中的太阳能接收器的提高的能量输出。即，由于载热体的由此产生的较高温度，在发电中得出明显更高的能量输出。
[0012]太阳能接收器的特别高的能量输出要求太阳能接收器的500°C和更高的运行温度。然而，直到现在已知的吸收器材料具有在2.0 μ m到2.5 μ m处的发射率边沿，这意味着，只有在波长超过2 μ m的情况下吸收器材料的热辐射的发射才足够有效地被抑制。然而，因为热辐射的发射依赖于温度，所以已知的吸收器材料仅仅直至450°C的温度才可以有效地被运行。因为在较高的温度下即使在相较于上述的发射率边沿的光谱位置较小的波长处也出现很多热辐射，使得由此造成的能量损失阻止太阳能接收器的有效的构造。
[0013]与此相反，六硼化镱具有在明显小于2μπι的波长处的发射率边沿。因此六硼化镱在1.5 μ m处有陡峭的发射率边沿，其中六硼化镱的反射率在波长大于2 μ m的情况下是
0.8以及更大以及在波长小于1.5μπι的情况下是0.2以及更小。因此，六硼化镱鉴于其光谱发射和吸收特性明显更好地适应于太阳能接收器的高运行温度的要求。相应地，具有六硼化镱的太阳能接收器可以在明显较高的运行温度下、特别是在大于/等于500°C的温度下并且优选地在大于/等于600°C的温度下鉴于发射和吸收平衡并且因此以高的能量输出运行。此外，六硼化镱即使在上述的运行温度下也具有明显较高的热稳定性。换句话说，六硼化镱在高的吸收器温度下相较于已知的选择性吸收器构成光谱上明显改进的选择性吸收器。
[0014]在本发明的一个优选的改进方案中，太阳能接收器具有特别是利用金属陶瓷构成的层或层结构。
[0015]太阳能接收器特别是具有布拉格反射镜，其中该布拉格反射镜优选地是如上所提及的层结构的部分。通过这种具有布拉格反射镜的层结构，发射率、即热辐射在波长超过发射率边沿的情况下可以进一步被降低。相应地，根据本发明的太阳能接收器的能量输出在本发明的该改进方案中进一步被提闻。
[0016]同样优选地，代替布拉格反射镜，存在由正好两个层构成的层结构。在此适当地选择这些层的几何尺寸和材料参数、特别是这些层的厚度和折射率，使得吸收器的发射率进
一步被提闻。
[0017]在本发明的一个同样优选的改进方案中，在根据本发明的太阳能接收器中，代替或附加于所述层结构，存在单独的层。特别地，该层是金属陶瓷层、即具有陶瓷-金属或陶瓷-金属氧化物复合料的层。适宜地，金属陶瓷层具有在陶瓷层中利用金属构成的岛和/或在金属或金属氧化物层中利用陶瓷构成的岛。在本发明的这个改进方案中，进入到金属陶瓷层中的辐射在金属陶瓷层的岛处被散射。适宜地，选择岛相互的平均距离并且优选地还选择岛相互的距离的分布，使得吸收器的发射率在热辐射的波长处被降低。[0018]优选地，太阳能接收器的六硼化镱的至少一部分在此构成层或层结构的至少一部分。适宜地，这部分被置于层结构之内并且特别是构成层结构的最内层。进一步优选地，这部分优选地完全被所述层或层结构包围。以这种方式，层结构可以被构造为光谱滤波器，该光谱滤波器进一步降低太阳能接收器的出现的热辐射在波长处的发射率。原则上，在此情况下可以通过层结构的参数以本身已知的方式自由地选择波长范围，在该波长范围中发射率被进一步降低。然而，正好在根据本发明的解决方案中，所述层或层结构可以特别有利地、尤其是特别简单地、例如利用特别少的或没有完美地精确地被构造的层来构造，因为六硼化镱的发射率光谱已经特别合适地适配于理想的选择性吸收器的光谱。因此在本发明的这个改进方案中相对于现有技术明显降低了对层系统或层的构造的技术要求。特别地，层结构根据本发明可以利用相对于现有技术减少的数量的层或利用诸如金属陶瓷层的更薄的层来构造，使得制造成本明显被降低。此外，对层或层结构的构造的降低的要求表示，为了构造层或层结构可以使用明显更宽的材料选择。因此所述层结构可以合适地适配于其他的技术的或经济的要求。特别地，可以实现鉴于热稳定性或鉴于降低的制造成本的适配。
[0019]有利地，根据本发明的太阳能接收器利用非或弱和/或慢氧化的材料来构成并且特别是来涂覆和/或太阳能接收器具有涂层，该涂层具有非或弱和/或慢氧化的材料或由非或弱和/或慢氧化的材料构成。特别适宜地并且替代或附加于上述的具有层结构的太阳能接收器，太阳能接收器的层结构的至少一部分、层结构的至少一个处于外部的层利用或由非或弱和/或慢氧化的材料、优选地由六硼化镱构成。因此六硼化镱在至少700°C的温度下在氧气中几乎不氧化。与此相比，太阳能接收器中的吸收器材料的直到现在已知的涂层或层与氧气在通常的运行温度下剧烈地反应。为此直到现在接收器的吸收器材料必须被封装并且被抽真空到高真空。典型地，真空为了大约20年的寿命而必须被高度保持。然而，如果吸收器材料的涂层或层和/或层结构利用非或弱和/或慢氧化的材料构成，那么吸收器材料的封装和抽真空是非必需的。
[0020]正好由于如之前所阐明的、用于构造层或层结构的材料的明显扩大的选择可能性，根据本发明也可以使用合适的非或弱和/或慢氧化的材料来构造太阳能接收器。在此上下文中，弱和/或慢氧化的材料表示这样的材料，这些材料在至少一年、优选地至少5年并且特别是至少20年的时间间隔上在500°C、优选地600°C、并且理想地700°C的温度下在
氧气中是稳定。
[0021]优选地，根据本发明的太阳能接收器具有在可见光谱范围内透明的腔室，其中六硼化镱至少部分地并且优选地完全被布置在该腔室内。以这种方式，对流损失和因此效率损失可以明显地被减少。合适地，所述透明的腔室在此至少部分地被构造成圆筒状和/或管状。适宜地，该腔室以本身已知的方式利用玻璃构成。
[0022]有利地，在可见光谱范围内透明的腔室至少部分地被抽气体成真空(gasevakuiert)。以这种方式,太阳能接收器的以及利用根据本发明的太阳能接收器构成的太阳能热设备的对流损失和因此效率损失可以明显地被减少。在此情况下，“至少部分地被抽气体成真空”在此上下文中表示，腔室的至少一部分被抽气体成真空和/或气体或气体混合物的至少一个组分的至少一部分被抽真空、特别是被抽氧气成真空。在本发明的最后提及的改进方案中也可以以本身已知的方式采用更快地和/或更强地氧化的材料。
[0023]根据本发明的太阳能热设备具有如之前已描述的太阳能接收器。根据本发明的太阳能热设备因此相较于现有技术能够以高的能量输出来构造。
[0024]理想地，根据本发明的太阳能热设备被构造用于在大于/等于500°C的温度下并且特别是在大于/等于600°C的温度下并且特别有利地在大于/等于700°C的温度下运行太阳能接收器。适宜地，在根据本发明的太阳能热设备中太阳能接收器的收集器面积、聚束度和几何尺寸被构造用于例如以一个或多个被设置的运行温度的方式达到上述温度中的一个或多个。
[0025]下面借助附图进一步阐明六硼化镱作为选择性吸收器的合适性。
[0026]唯一的图1示出六硼化镱(YbB6)的反射率光谱(修改地摘引自“Incandescentlamp with filament consisting of a hexaboride of a rare earth material，，,E.Kauer，US 专利 3399321)。
[0027]六硼化镱的反射率R在图1中依赖于电磁辐射的波长λ作为连续的曲线C被示出。反射率R的说明在图1中在垂直轴上以百分比被说明。如在图1中所示，六硼化镱在波长λ (横坐标轴，以ym画出，在图中通过说明“[μπι]”加以说明)小于1.5μπι的情况下具有小的反射率R (R在可见光谱范围内小于/等于40%并且对于小于1.5 μ m并且大于/等于Iym的波长小于/等于20%)。
[0028]反射率R以本身已知的方式与发射率E通过关系式:
R=1-E(I)
相关。
[0029]因此六硼化镱在波长λ小于1.5 μ m的情况下具有高的发射率(大于/等于60%的发射率)。六硼化镱的吸收率是与六硼化镱的发射率相同的量。因此六硼化镱在波长小于1.5μπι的情况下具有高的吸收率。因此六硼化镱在所提到的波长范围内构成有效的吸收器。
[0030]如从图中可得知的，对于大于/等于1.5 μ m的波长，反射率(对于大于/等于2 μ m的波长，R^80%)大并且发射率因此极其小。相应地，对于在大于/等于1.5 μ m的波长λ并且特别是大于/等于2μπι的波长λ的范围内的辐射、即对于在热辐射的范围内的辐射，六硼化镱同时构成差的、不大有效的发射器。
[0031]六硼化镱的高的和低的反射率R的光谱范围和因此低的和高的发射率和吸收率的光谱范围如图1中所示通过光谱上陡峭的发射率边沿S相互连接，该发射率边沿被置于大约1.5μπι的波长λ处。在发射率边沿S的范围内六硼化镱的发射率和吸收率很强烈地依赖于波长入。
【权利要求】
1.用于太阳能热设备的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器利用六硼化镱构成。
2.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器具有特别是利用金属陶瓷构成的层或层结构。
3.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器具有布拉格反射镜。
4.根据权利要求2和3所述的太阳能接收器，其特征在于，所述布拉格反射镜是所述层结构的部分。
5.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，六硼化镱的至少一部分构成层或层结构的至少一部分、特别是层结构的处于内部的部分。
6.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器利用非或弱和/或慢氧化的材料来构成、特别是来涂覆。
7.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器具有在可见光谱范围内透明的腔室并且六硼化镱至少部分地被布置在所述腔室中。
8.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，在可见光谱范围内透明的腔室至少部分地被构造为圆筒状和/或管状。
9.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，在可见光谱范围内透明的腔室利用玻璃构成。
10.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，在可见光谱范围内透明的腔室至少部分地被抽气体成真空。
11.根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器，其特征在于，在可见光谱范围内透明的腔室至少部分地被抽氧气成真空。
12.太阳能热设备，其特征在于，所述太阳能热设备具有根据上述权利要求之一所述的太阳能接收器。
13.根据上述权利要求之一所述的太阳能热设备，其特征在于，所述太阳能热设备被构造用于在大于/等于500°C的温度下、特别是在大于/等于600°C的温度下、优选地在大于/等于700°C的温度下运行太阳能接收器。
【文档编号】F24J2/07GK103620317SQ201280032933
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】P.C.豪厄尔, S.瓦尔特 申请人:西门子公司