Sistema ótico baseado em compostos de Al e Si para a conversão fototérmica da radiação solar

Abstract

A energia solar concentrada (CSP), será segundo alguns estudos a principal fonte de energia para a zona mediterrânica a partir do ano 2020 [1]. Para tornar estas previsões realidade é necessário maximizar a eficiência dos conversores fototérmicos. Como tal, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema ótico baseado em revestimentos multicamadas à base de compostos de Si e Al e com uma camada de W [W/AlSiNx/AlSiNxOy/ (SiO2/AlSiOx)] para a conversão foto térmica eficiente da radiação solar. Para tal, estes revestimentos devem ter uma absorção solar superior a 95% e uma emissão térmica, que está associada a perdas de energia por radiação, inferior a 9% a 400 °C. Estas propriedades óticas devem estar associadas a uma longa durabilidade do sistema ótico nas suas condições de funcionamento, ou seja, devem ser termicamente estáveis a temperaturas superficiais superiores a 400 °C, se possível ao ar (embora os sistemas sejam desenhados para serem utilizados em vácuo). O desenvolvimento/estudo destes revestimentos envolveu as seguintes etapas:  Produção de filmes de camadas individuais de W; AlSiNx; AlSiNxOy; AlSiOx por pulverização catódica com diferentes condições de deposição. Os compostos de Si e Al referidos foram depositados com 3 alvos com diferentes razões Al/Si, as deposições foram realizadas em regime estático ou rotativo. Produção de filmes de SiO2 por deposição química de vapores (CVD).  Caraterização ótica das camadas individuais através de medidas de transmitância e refletância  Caraterização química das camadas individuais através das técnicas de EDS e XPS.  Desenho e deposição dos revestimentos multicamadas através do conhecimento das constantes óticas das camadas individuais.  Caraterização ótica dos revestimentos multicamadas, determinação do coeficiente de absorção solar e da emissividade.  Caraterização morfológica e estrutural destes revestimentos multicamadas através das técnicas de SEM e XRD.  Avaliação do desempenho dos revestimentos através de testes de durabilidade tratamentos térmicos ao ar a 400ºC, em vácuo a 600ºC e em ambiente húmido >95% HR a 40ºC). Foram desenvolvidos revestimentos multicamadas com um coeficiente de absorção solar de cerca de 95% e uma emissividade de 7% (a 100 °C), os resultados dos testes de durabilidade permite afirmar que estes terão uma boa durabilidade nas condições de funcionamento definidas. Verificouse que dentro dos rácios de Al/Si estudados, o aumento do teor em Si não favoreceu o desempenho dos revestimentos multicamadas, afetando negativamente as suas propriedades óticas e a sua durabilidade. A deposição da camada de W e o polimento do substrato é um requisito necessário para a obtenção das propriedades desejadas. Positivamente o regime de deposição (estático vs. rotativo) não afeta as propriedades dos revestimentos.

According to some studies [1], the concentrated solar power (CSP) will be the main energy source for the Mediterranean region after 2020. To make these predictions a reality, is necessary to maximize the efficiency of the photothermal converters. Thus, the main goal of this work is the development of an optical system based on multilayer coatings composed by Si and Al compounds and a layer of W [W/AlSiNx/AlSiNxOy/(SiO2/AlSiOx)] for efficient photothermal conversion of the solar radiation. To this purpose, these coatings must have a solar absorption exceeding 95 % and a thermal emission, which is associated with energy losses by radiation, less than 9% at 400 ºC. These optical properties need to be associated with a long life of the optical system in operating conditions, i.e. they must be thermally stable at surface temperatures exceeding 400 ºC , if possible in air (even though the systems are designed for use in vacuum). The development/study of these coatings involved the following steps:  Production of the individual layers of W; AlSiNx; AlSiNxOy; AlSiOx with different sputter deposition conditions; Si and Al compounds were deposited by 3 targets with different Al/Si ratio; the depositions were performed under static or rotary regime. Production of SiO2 films by chemical vapor deposition (CVD).  Optical characterization of the individual layers through measures of transmittance and reflectance.  Chemical characterization of the individual layers through EDS and XPS techniques.  Design and deposition of multilayer coatings through knowledge of the optical constants of the individual layers.  Optical characterization of the multilayer coatings, determination of the solar absorption and emissivity coefficients.  Morphological and structural characterization of these multilayer coatings by XRD and SEM techniques.  Performance evaluation of the coatings through durability tests (heat treatment in air at 400 °C, in vacuum at 600 °C and in a humid atmosphere >95%RH at 40 °C). Multilayer coatings were successfully developed with an solar absorption coefficient of about 95% and an emissivity of 7% (at 100 ºC). The durability tests results indicate that these coatings will have a long life at the defined operating conditions. It was found that within the Al/Si ratios studied, the increase of the Si content did not improve the performance of the multilayer coating, adversely affecting its optical properties and durability. W layer deposition and the substrate polishing is necessary for obtaining the desired properties. Positively the deposition regime (static vs. rotary) does not affect the properties of the coatings.