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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsenergie-Wandler zum Umwandeln von optischer Strahlungsenergie in Wärmeenergie mit einem Absorptionsmedium mit rauher texturierter Struktur und einer darauf angeordneten Schicht.
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Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme hängt ab vom Verhältnis des Anteils der absorbierten Strahlungsenergie zum Anteil von Wärme, der wieder ausgestrahlt oder reflektiert wird. Metalle, die gute Wärmeeigenschaften aufweisen, absorbieren bei praktisch allen Wellenlängen. Gleichzeitig wird ein großer Teil der eingestrahlten Energie reflektiert. Im allgemeinen haben stark reflektierende Flächen sowohl ein geringes Absorptions- als auch ein geringes Emissionsvermögen. Da Absorption und Emission in gegenseitiger Beziehung stehen, wurden bisher mehrschichtige Vorrichtungen entwickelt, in denen eine Schicht eine gewünschte Eigenschaft und eine andere Schicht eine andere gewünschte Eigenschaft aufweist. Ein Beispiel dafür ist in der US-Patentschrift 39 20 413 beschrieben. Die Qualität solcher Vorrichtungen ist dadurch begrenzt, daß die Wirksamkeit einer Schicht die optimale Wirksamkeit der anderen Schicht beeinträchtigen kann. Außerdem ist die Herstellung mehrschichtiger Vorrichtungen häufig kompliziert und aufwendig.
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In der DE-OS 25 39 101 ist ein Strahlungsenergie-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmeenergie beschrieben, bei dem auf einem Substrat als Breitbandabsorber für Photonen eine dentritische Anordnung eines Absorptionsmaterials aufgewachsen ist, dessen Dimensionen und Abstände so gewählt sind, daß Licht im sichtbaren Spektralbereich absorbiert wird. Als Substratmaterialien sind Saphir, rostfreier Stahl und poliertes Wolfram angegeben. Als Absorptionsmaterial mit dendritischer Anordnung ist Wolfram beschrieben. Der Strahlungsenergie-Wandler, der in dieser Offenlegungsschrift beschrieben ist, weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Es ist in der angezogenen Schrift jedoch keine Schicht zur Reflexionskontrolle auf dem Absorptionsmedium beschrieben, durch welche der Wirkungsgrad des Strahlungsenergie-Wandlers noch erheblich verbessert wird. Der in der Offenlegungsschrift angegebene Goldüberzug dient zwar zur Herabsetzung der Emissionsfähigkeit, gleichzeitig wird aber auch die Absorptionsfähigkeit erheblich herabgesetzt.
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Aus der DE-Z. "Klima und Kälte-Ingenieur, Nr. 3, März 1976, S. 113- 118 ist bekannt, metallische Absorptionsmedien mit einer Oxidschicht zu versehen, um die vom Absorber abgestrahlte Wärme wieder zurückzureflektieren, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades eines Strahlungsenergie-Wandlers führt. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien sind dort nicht beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Strahlungsenergie- Wandlers mit einer Schicht auf einem Strahlung absorbierenden Medium, deren optische Konstanten so gewählt sind, daß durch das Zusammenwirken mit der Oberfläche des Strahlung absorbierenden Mediums die tatsächliche Reflexion stark herabgesetzt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Strahlungsenergie- Wandler der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß als Absorptionsmedium ein Metall aus der Gruppe von Wolfram, Molybdän, Hafnium, Vanadium, Tantal oder Niob mit dendritischer oder Mikrohügeloberfläche angewendet wird, auf dem eine Oxid-, Nitrid- oder Carbidschicht des darunterliegenden Metalls angeordnet ist und der Reflexionskoeffizient der Oberfläche dieser Schicht möglichst gleich dem Reflexionskoeffizienten der Oberfläche des Absorptionsmediums und die Dicke der Schicht so gewählt wird, daß die Reflexion der umzuwandelnden Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches auf einem Minimum gehalten ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf einer Wolframoberfläche mit einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit eine Schicht anodisch oxydierten Wolframtrioxids angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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Fig. 1 ein Schema der optischen Wirkungsweise der Erfindung;
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Fig. 2 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit des Reflexionsgrads von der Wellenlänge für drei verschiedene Oberflächen gemäß der Erfindung;
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Wellenlänge, aus der der Einfluß der Erfindung auf den Reflexionsgrad für verschiedene Einfallswinkel des Lichts ersichtlich ist;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der Dicke d einer Oberflächenschicht von Wolframoxid auf Wolfram gegen die Wellenlänge bei maximaler Absorption.
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Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme kann ausgedrückt werden als: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht den Einfluß der Erfindung auf die Absorption und Reflexion des Lichts. Ein Oberflächenbereich 1 zur Strahlungskontrolle aus für die bestimmte Wellenlänge optische transparentem Material hat eine Oberfläche 2, die parallel verläuft zur Oberfläche 3 des Photonen absorbierenden Materials 9 und die Dicke 4, die mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts in Beziehung steht. Die optischen und physikalischen Eigenschaften der die Reflexion kontrollierenden Schicht weisen Beziehungen zueinander auf, die nachfolgend erklärt werden.
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Unter Reflexion soll in der vorliegenden Beschreibung die Energie verstanden werden, die eingestrahlt und zurückgeworfen wird, ohne in das Substrat eingedrungen zu sein. Im Gegensatz dazu steht die abgestrahlte Energie, die absorbiert wurde, zur Erwärmung des Materials beigetragen hat und dann in Form von Energie durch das Material wieder abgestrahlt wird.
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Das in Fig. 1 auf die Oberfläche 2 einfallende Licht hat eine erste Reflexionskomponente 5 und eine Reihe abnehmender nachfolgender Komponenten 6, 7 und 8. Weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Das an der Oberfläche 3 reflektierte Licht wird verstärkt und geschwächt durch Interferenz mit dem Licht, das von der Oberfläche 2 aus einer früheren Reflexion wieder nach unten fällt.
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Im folgenden wird angenommen, daß die die Reflexion kontrollierende Schicht 1 aus dem Oxid des darunterliegenden metallischen Absorptionsmediums besteht.
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Der anfängliche Reflexionskoeffizient (Strahl 5) in Fig. 1 bestimmt sich wie folgt: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei r&sub1; die Reflexion Luft-Oxid und N o der Brechungsindex des Oxids bedeuten.
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Der zweite Reflexionskoeffizient ist: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei r&sub2; die Reflexion Oxid-Metall, N m der Brechnungsindex des Metalls und k m der Extinktionskoeffizient des Absorptionsmediums bedeuten, i = &udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;^1&udf53;lu&udf54;.
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Die Beziehungen der Reflexionskoeffizienten der Komponenten 5, 6, 7 und 8 sind somit:
(Strahl 5) = r&sub1;
(Strahl 6) = r&sub2; (1-r&sub1;)²
(Strahl 7) = r&sub2;²r&sub1; (1-r&sub1;)²
(Strahl 8) = r&sub2;³R&sub1;² (1-r&sub1;)²
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Die Reflexion der die Reflexion kontrollierenden Schicht 1 ergibt sich, wie nachfolgend in Gleichung 4 angegeben: °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei d die Dicke 4 der Schicht 1 und λ die Wellenlänge des Lichts ist.
Die Zeichen || bedeuten Absolutwerte.
Es ist also °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;Das ist näherungsweise °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Bei Anwendungen zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme sollte die gewünschte Reflexion bei minimaler Wellenlänge ( λ min.) weniger als 0,05 betragen.
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Es ist also erstrebenswert, R TOTAL so klein wie möglich und die Reflexion der Oberfläche 2 möglichst gleich der Reflexion der Oberfläche 3 zu halten.
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Die Kriterien einer die Reflexion kontrollierenden Schicht 1 bei einer bestimmten Wellenlänge können durch die Gleichung 7 angegeben werden: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Aus der Gleichung 7 ist im wesentlichen ersichtlich, daß die Kriterien der die Reflexion kontrollierenden Schicht so zu wählen sind, daß der Effekt der Reflexionskomponenten an Oberfläche 3 gleich dem der ursprünglichen Reflexion des einfallenden Lichts an der Oberfläche 2 ist. Die Dicke d (4 in Fig. 1) wirkt sich auf zwei Arten aus. Einmal ist sie ein Faktor in Gleichung 4 zur Bestimmung der gewünschten Reflexion bei der minimalen Wellenlänge und zudem erlaubt sie, wie noch zu beschreiben ist, dieses Minimum zu verschieben.
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Es ist erstrebenswert, daß alle Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich absorbiert, unerwünschte Wellenlängen reflektiert und die reflektierte Energie im gewünschten Wellenlängenbereich auf einem Minimum gehalten wird. Dies geschieht mittels einer auf die Wellenlänge abgestimmten, die Reflexion kontrollierenden Schicht auf der Oberfläche eines Photonen absorbierenden Materials, die so beschaffen ist, daß die Luft- Bereich-1-Reflexion, die Dicke und Beschaffenheit, der Brechungsindex von Bereich 1 und der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient des Photonen absorbierenden Materials zusammenwirken, um die Menge des Lichts, das von dem Photonen absorbierenden Material reflektiert wird, auf einem Minimum zu halten.
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Als Oberflächenbeschaffenheit wird vorzugsweise eine rauhe, texturierte Struktur gewählt, wodurch senkrecht auffallendes Licht mehr als einmal reflektiert wird, bevor es die Oberfläche verlassen kann. Die rauhe oder texturierte Oberfläche erlaubt zusammen mit der die Reflektion kontrollierenden Schicht ein größeres Absorptionsvermögen, das einen breiteren Wellenbereich umfaßt als eine einfache Antireflexschicht auf einer glatten Metallfläche. Wenn eine Antireflexschicht auf glattem Metall eine Reflexion R TOTAL aufweist, die von der Wellenlänge abhängt, weist dieselbe Schicht auf einer rauhen oder texturierten Oberfläche, in welcher das Licht zweimal reflektiert wird, bevor es zurückgeworfen wird, eine Reflexion R TOTAL ² auf, die geringer ist als R TOTAL .
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Die die Reflexion kontrollierende Schicht ist zu unterscheiden von Passivierungsschichten, die hauptsächlich zum chemischen Schutz des darunterliegenden Körpers erzeugt werden und bei denen die Wahl des Materials unter diesem Gesichtspunkt erfolgt.
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Es ist bekannt, Metalle aus der Dampfphase so niederzuschlagen, daß die Oberfläche aus dicht aneinanderliegenden mikroskopischen Hügelchen, nachfolgend als Mikrohügelfläche bezeichnet, besteht. Es ist ebenfalls bekannt und in der zweiten, eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 25 39 101 beschrieben, Metalle mit dendritischer Oberfläche aus der Dampfphase niederzuschlagen. Die Schicht der Mikrohügelfläche ist wesentlich dünner als die Dendritenschicht und daher billiger herzustellen. Die Mikrohügelfläche, wie auch die Dendritenfläche weisen im Vergleich mit einer glatten Metallfläche für eine bestimmte Wellenlänge, die nach den zuvor genannten Kriterien wählbar ist, eine wesentlich geringere Refektion auf, wenn sie mit der erfindungsgemäßen, die Reflexion kontrollierenden Schicht bedeckt sind. Das ist dargestellt in Fig. 2, wo der totale Reflexionsgrad für senkrecht einfallendes Licht als Funktion der Wellenlänge in µm aufgetragen ist. Die gestrichelte Kurve bezieht sich auf eine glatte Fläche aus Wolfram, die strichpunktierte Kurve auf eine Mikrohügelfläche und die ausgezogene Kurve auf eine Dentritenoberfläche. Es soll hervorgehoben werden, daß die die Reflexion kontrollierende Schicht gemäß der Erfindung zu einem Absorptionsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 0,62 µm führt. Bekanntlich liegt diese Wellenlänge nahe bei oder in dem Maximum der Sonnenemission. Gemäß der logarithmischen Skala der Fig. 2 absorbiert eine mit der die Reflexion kontrollierende Schicht belegte Dendritenoberfläche 99,94% des einfallenden Lichts bei 0,55 µm.
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Fig. 3 zeigt die Wirksamkeit der Schicht beim Lichteinfall aus verschiedenen Richtungen auf eine Dentritenoberfläche mit einer solchen Schicht. Dargestellt ist der totale Reflexionsgrad als Funktion der Wellenlänge des Lichts für Einfallswinkel von 0°, 20°, 40°, 60° und 80°. Die maximale Absorption erfolgt in jedem Fall bei etwa derselben Wellenlänge.
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Gemäß Fig. 1 wird auf eine Photonen absorbierende Oberfläche, in Anpassung an die Oberflächenkonfiguration derselben, eine Schicht 1 aufgetragen, wobei folgende Parameter zu berücksichtigen sind:
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Der Reflexionskoeffizient an der Oberfläche 2 der Schicht 1 soll möglichst gleich dem Reflexionskoeffizienten an der Grenzfläche 3 zwischen dem Photonen absorbierenden Material und der Schicht 1 sein. Diese Reflexionskoeffizienten stehen in Beziehung zum Brechungsindex des Materials der Schicht 1, zum Brechungsindex und zum Extinktionskoeffizienten des Photonen absorbierenden Materials. Diese Parameter sind bekannt und können für die verschiedenen Materialien der Literatur entnommen werden. In Tabelle 1 ist ein Satz spezifischer Werte für Gleichungen 2 bis 7 für das Material Wolframtrioxid (WO&sub3;) als Reflexion kontrollierende Schicht 1 auf einer dendritischen Wolframoberfläche angegeben. Tabelle 1 &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Zur Herstellung der die Reflexion kontrollierenden Schicht sind besonders Prozesse geeignet, bei denen chemische Verbindungen des Photonen absorbierenden Materials entstehen. Dazu wird dieses Material selbst als eine Komponente benutzt, um eine der Oberfläche angepaßte Schicht zu bilden, deren gewünschte Schichtdicke leicht kontrollierbar ist. In Frage kommen vor allem Oxide, Nitride und Carbide. Oxid wird vorzugsweise durch Anodisierung gebildet, wobei das Photonen absorbierende Material oxidiert wird. Dabei wird häufig ein Oxid gebildet, das den Stromfluß begrenzt, so daß die Dicke der Schicht in exaktem Zusammenhang mit der angelegten Spannung steht. Metalle wie Wolfram, Molybdän, Hafnium, Vanadium, Tantal und Niob bilden vorteilhafte Oxide gemäß der Erfindung. Tabelle 2 gibt die Dicke 4 (Fig. 1) einer durch Anodisierung gebildeten Oxidschicht in Abhängigkeit von der Anodisierungsspannung für das Material Wolframtrioxid auf Wolfram an. Tabelle 2 &udf53;ta10,6:24,6:28,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Spannung (V)\ Dicke (Óm)&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;\20\ 0,035&udf53;tz&udf54; \25\ 0,045&udf53;tz&udf54; \30\ 0,055&udf53;tz&udf54; \35\ 0,065&udf53;tz&udf54; \40\ 0,075&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;
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Um die außergewöhnlichen Ergebnisse gemäß der Erfindung zu zeigen, werden Versuchsergebnisse eines bestimmten Ausführungsbeispiels angegeben. Es wurde eine Mikrohügelfläche aus Wolfram in einem Phosphorsäurebad bei einer Spannung von 30 Volt anodisiert. Der Wolframtrioxidbereich bringt die anodische Reaktion bei einer spezifischen Dicke, die durch die angelegte Spannung gegeben ist, zum Stillstand. Das Verhältnis von "Absorptionsvermögen" zu einfallender Strahlung "über" "hemisphärischem Emissionsvermögen", in anderen Worten, α/ε für diese Oberfläche bei 150°C beträgt 3,9. Tabelle 3 gibt den nach Gleichung 1 berechneten Wirkungsgrad einer solchen Oberfläche im Vergleich mit einem Schwarzkörper als Standard für verschiedene Temperaturen an. Tabelle 3 &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz13&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Wie ersichtlich, ist der Wirkungsgrad größer 50% bei Temperaturen bis zu 150°C.
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Ein wesentlicher Vorteil ist, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein neues Photonen absorbierendes Material bereitgestellt wird, indem die Vorteile von Antireflexüberzügen Substraten mit Photonen absorbierenden Eigenschaften, die von Oberflächenunregelmäßigkeiten herrühren, einverleibt werden können.
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Bei den meisten Sonnenenergie-Wandlern ist eine Absorption von mehr als 90% des Sonnenspektrums erwünscht. Weder glattes oder rauhes Metall, noch einfache Antireflexschichten darauf sind dazu geeignet. Mit rauhen oder texturierten Metalloberflächen, beispielsweise aus Wolfram, in Verbindung mit einer die Reflexion kontrollierenden Schicht kann ein niedrigerer Reflexionsgrad über einen breiten Spektralbereich erhalten werden. Es wurde gefunden, daß texturierte oder gerauhte Metalloberflächen, an denen senkrecht einfallendes Licht Mehrfachreflexionen von der Oberfläche der die Reflexion kontrollierenden Schicht erfährt, das gewünschte Absorptionsvermögen aufweisen. Antireflexbeläge dagegen auf glattem Metall weisen ein Absorptionsvermögen, das nur einen schmalen Bereich des Sonnenspektrums umfaßt, auf.