Hochtemperaturstabile Absorberschichten für linear konzentrierende solarthermische Kraftwerke

Abstract

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung zweier selektiver Absorberschichten für verschiedene Anwendungsbereiche und Betriebsbedingungen - für den Einsatz in Parabolrinnenkollektoren im Vakuum und in Fresnelkollektoren an Luft. Zum einen ist es in Parabolrinnenkollektoren, mit den Bestrebungen durch die Direktverdampfung zu höheren Temperaturen überzugehen, erforderlich, neben der selbstverständlich hohen Absorption die Emissivität der selektiven Beschichtung im Vergleich zu den bestehenden kommerziellen Absorberschichten zu vermindern. Zum anderen verlangt die Fortentwicklung des Fresnelsystems die Entwicklung einer selektiven Absorberschicht, die bis 450°C an Luft stabil ist. Bisher sind luftstabile Absorberschichten kommerziell nur bis 300°C verfügbar. Die Arbeit beschreibt das Zusammenspiel von Simulationen, mit denen es gelingt, das Potential verschiedener Schichtsysteme abzuschätzen und der praktischen Schichtentwicklung inklusive Übertrag auf eine Großanlage am Fraunhofer ISE. Mittels Beständigkeitstests und begleitenden optischen Messungen können Degradationsprozesse verfolgt, und in Materialanalysen näher charakterisiert werden. Daraus resultierende Schlussfolgerungen bestimmen die jeweils nächsten Schritte im Entwicklungsprozess. In optischen Simulationen wurde das Potential verschiedener IR-Spiegelmaterialien zur Emissionsminderung bestimmt. Mit Silber konnte dabei die höchste Selektivität erreicht werden, weshalb es für die Anwendung in Absorberschichtsystemen für Parabolrinnenkraftwerke gewählt wurde. Da Silber bei hohen Temperaturen stabilisiert werden muss, wurden geeignete Barriereschichten sowie Prozess- und Schichtparameter untersucht. Schließlich konnte ein Schichtsystem identifiziert werden, welches sich durch eine hohe Selektivität auszeichnet und bei 500°C über 1200 h im Vakuum stabil ist. Für die Anwendung an Luft wurde ebenfalls Silber als potentieller IR-Spiegel analysiert. Zwar konnte die Stabilität deutlich verbessert werden, jedoch nicht in ausreichendem Maße. Eine höhere Oberflächenqualität, zusätzliche Barriereschichten und angepasste Prozessparameter wirken sich positiv auf die Stabilität an Luft aus. Diese Kenntnisse wurden für die Entwicklung einer bei 500°C über 1000 h stabilen Absorberschicht genutzt, die auf alternativen IR-Spiegelmaterialien basiert. Die Höhe der erzielbaren Emission hängt dabei von ökonomischen Gesichtspunkten ab.

This work describes the development of new absorber coatings for different applications - parabolic trough and linear Fresnel collectors - and operating conditions - absorber in vacuum or in air. The demand for higher efficiencies of solar thermal power plants using parabolic trough technology results in higher temperatures in the collectors and on the absorber tubes. As heat losses increase strongly with increasing temperatures, the need for a lower emissivity of the absorber coating at constant absorptivity arises. The linear Fresnel application envisions absorber tubes stable in air at high temperatures of about 450°C, which are to date commercially not available. This work comprises the theoretical background, the modeling and the fabrication of absorber tubes including the technology transfer to a production-size inline sputter coater. In annealing tests and accompanying optical measurements, degradation processes have been observed and specified more precisely by material characterization techniques. The simulations provided the capability of different materials used as potential IR-reflector. The highest selectivity can be achieved by applying silver which consequently has been chosen for the application in absorber coatings of the parabolic trough technology. Thin silver films however need to be stabilized when used at high temperatures. Appropriate barrier layers as well as process and layer parameters were identified. A high selectivity was achieved and stability of the absorber coating for 1200 h at 500°C in vacuum has been demonstrated. For the application in air, silver was also analyzed as a potential IR-reflector. Even though the stability could be increased considerably, it nevertheless proved to be insufficient. The main factors influencing stability in a positive way are the use of higher quality polishing, additional barrier layers and adequate process parameters. This knowledge was applied for developing coatings which are stable in air at temperatures of 500°C for more than 1000 h, using alternative IR-reflectors. The minimum emissivity which can be achieved depends on economic aspects.