Vakuumrörsolfångaren En kort historik Interiör från Sunrains fabrik i Lianyungang. I de höga skåpen appliceras den selektiva beläggningen på glasrören under hög temperatur. Processen sker genom förångning i flera steg. Idén att, på liknande sätt som i en kaffetermos, utnyttja vakuum för att minska värmeförlusterna i en solfångare hade kläckts i USA redan under 1970‐talet. Men det räckte inte att glasrören i den nya typen av solfångare var väl isolerade. Man måste också utveckla en teknik för att hindra att en alltför stor del av den infallande strålningen reflekterades bort av rörens glasyta och istället absorberas och omvandlas till värme i systemet. De forskare som tog sig an den uppgiften var professorerna Geoffrey Lester Harding och R.E Collins vid University of New South Wales i Sydney och professor Yin Zhiqiang från Bejing TsingHua University i Kina. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] År 1982 slog de sig samman för att gemensamt forska kring avancerade solfångarsystem. Forskningens mål var klart definierat − man skulle finna det mest optimala materialet för en selektiv antireflexbeläggning för termosisolerade solfångarrör. Beläggningen skulle minimera reflektionen och samtidigt maximera absorptionen av energin i solens strålning. Deras forskning ledde till ett flertal grundläggande internationella patent, för vilka de tre forskarna delade upphovsrätten. De fysikaliska förutsättningarna Det fysikerna kallar ”en svart kropp” är ett föremål som avger elektromagnetisk strålning på grund av sin temperatur. Så länge temperaturen ligger under cirka 400°C (672°K) är denna strålning osynlig för våra ögon, men då temperaturen stigit tillräckligt kommer strålningen att nå sådana våglängder att den blir synlig för det mänskliga ögat. Till en början syns det som mörkt rött, sedan blir det orangefärgat. För att få den gula färgen som på stålöglan på fotot nedan, bör temperatur uppgå till omkring 1000°C (1272°K). Färgen på den glödgade stålöglan visar att den bör ha en tem-peratur på ungefär 1000°C. Ju högre temperaturen är desto kortare är våglängden, samtidigt som frekvensen och strålningsintensiteten ökar. I diagrammet nedan kan vi se att strålningen för den röda kurvan som markerar 300ºK (30ºC) aldrig kommer att bli synlig för vårt öga och att dess maximala intensitet kommer att ligga omkring en våglängd på 10 µm, samtidigt som den maximala strålningsintensiteten är under 100 W/(m² µm). Den gula kurvan motsvarar temperaturen för solens yta, 5777ºK . OBS! Skalorna i diagrammet är logaritmiska. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Den gula kurvan i diagrammet motsvarar istället temperaturen för solens yta, 5777ºK (5505ºC). För ett föremål med denna temperatur kommer (som framgår av diagrammet) strålningens intensitet att ha sitt maximum omkring 0,5 mikrometer, samtidigt som den kommer att vara 1 miljon gånger starkare än vid 30°C! Det ovan nämnda strålningsvärdet avser den strålning solen skulle avge som en teoretiskt svart kropp, men lyckligtvis är den strålning som når oss från solen inte så intensiv. Det mesta av det ultravioletta ljuset, samt mikrovågs‐ och röntgenstrålningen, reflekteras från jordens atmosfär – eller absorberas. I annat fall skulle vi inte kunna leva här. Nästan all solstrålningsenergi som når ned till oss har en våglängd som är kortare än 2000nm (2 mikrometer). Vid denna våglängd kommer ett föremål med en temperatur på 100ºC (372ºK) då vatten kokar, ha en strålningsintensitet nära noll. En selektiv beläggning som ska ta tillvara den solenergi som når jorden bör som framgår av detta kunna absorbera (och därmed i princip också emittera) strålning med korta våglängder, samtidigt som den inte kan emittera (eller absorbera) strålning med långa våglängder, som infraröd strålning. Den ideala gränsen går som diagrammet ovan visar vid cirka 2‐3 mikrometer. Det hela bygger på att absorption och emission är i princip samma process, fast i olika riktningar – om ett ämne kan absorbera kan det också emittera i samma utsträckning. Det viktiga i detta sammanhang är att denna egenskap är våglängdsberoende, och att en yta kan ha just de selektiva egenskaper som beskrivits ovan. Detta är egentligen inte alls något märkvärdigt: en vanlig gul yta är selektiv såtillvida att den absorberar alla våglängder utom de som våra ögon uppfattar som gula. De ”gula våglängderna” reflekterar den. Grunden för resonemanget är vidare att tre saker kan hända med strålning som träffar materia: absorption, transmission och reflektion. Men någon energi går inte förlorad, eftersom den i enlighet med energiprincipen alltid är konstant, och endast kan omvandlas. Summan av den återstående energin måste således vara 100 %. I många fall är transmissionen för strålningen noll (materialet är ogenomskinligt) vilket innebär att all strålningsenergi fördelas mellan reflektion och absorption. Den revolutionerande absorptionsbeläggningen Vilka var då de filteregenskaper för det material som professorerna Harding, Collins och Yin letade efter för sin absorptionsbeläggning då de forskade vid universitet i Sydney? Svaret ges av resonemanget ovan: Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected]  Det skulle ha en reflektion nära noll och således nästan 100 % absorption för alla våglängder under 3 mikrometer.  Det skulle ha maximal reflektion (således emittans nära noll) för infraröd strålning vid den maxtemperatur på 200°C som kommer att gälla för komponenterna i det inre av vakuumröret som ska värma upp varmvattnet (heat pipe, eller U‐rör, samt de aluminiumflänsar som dessa är försedda med). Den värmestrålning som skulle komma från rörets varma inre skulle inte få stråla ut från rörets absorptionsbeläggning och ge värmeförluster. Värmeenergin skulle bevaras effektivt då den väl trängt in i röret. I diagrammet nedan kan vi se den kurva R(ideal) som motsvarar det ideala materialet de letade efter. En brytpunkt går vid 3 mikrometer där ingen strålning reflekteras för kortare våglängder medan all strålning reflekteras för längre våglängder. R(ideal), den streckprickade linjen, visar en teoretisk beräkning där ingen strålning reflekteras för våglängder som är kortare än 3 mikrometer, medan all strålning reflekteras för längre våglängder. Den blå kurvan visar funktionen hos den beläggning som de tre forskarna uppfann. Den röda kurvan visar den infallande strålningen från solen. De tre forskarna kom som framgår av diagrammet mycket nära detta optimum! Hur kunde de lyckas? Vari låg hemligheten? Hur var det möjligt att hitta ett material med reflektansegenskaper som dess – var det inte nästan omöjligt? Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Jovisst var det det! De skulle aldrig ha kunnat hitta ett sånt material om de hoppades finna en metall eller substans med dessa egenskaper att applicera på glasrörets inre yta; sådana material existerar inte på vår jord. − De ick alltså uppfinna det! Professorerna Harding, Collins och Yin lyckades, men inte genom att använda ett material, utan genom att använda flera olika material. Efter oräkneliga tester och försök fick de så småningom fram en optimal beläggning som var sammansatt av flera lager av olika material: en kombination av keramiska och metallmaterial med aluminium, kväve, molybden och koppar som viktigaste komponenter, där varje lager hade sina speciella absorberande och reflekterande egenskaper. Efter återkomsten till Kina koncentrerade sig professor Yin på att finna lösningar för att industrialisera processen att applicera specialbeläggningen på glasrörets yta. År 1985 lyckades han och hans forskarlag att utveckla en första cylindrisk magnetron‐sputtering maskin för att automatiskt applicera den selektiva absorptionsbeläggningen. Professor Yin demonstrerar ett av de första exemplaren av vakuumrören med den revolutionerande antireflexbeläggningen för professor Yang Chen Ning (Nobelpristagare i Fysik 1957) Mirakelröret som Harding, Collins och Yin skapade Det yttre glasröret är gjort av högsta kvalitet Borosilicate glas, men även detta kommer oundvikligen att reflektera en liten del av strålningen och absorbera lite värme. − Mer ä n 90 % av strålningen kommer dock att nå fram till innerörets selektiva beläggning, där den först kommer i kontakt med antireflexlagren som kommer att låta nästan all strålningsenergi passera utan att reflektera eller stråla den utåt igen. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] 80 % av all strålning tränger vidare in i de underliggande absorberande lagren, vilket kommer att göra att temperaturen stiger väsentligt. − Om det inte skulle innas någon kylning genom att värmen överförs till någonting i rörets inre skulle innerröret snabbt komma upp till en temperatur över 200ºC, och röret skulle inte svalna mer. Det är mycket effektivt isolerat genom sitt vakuum, så det blir inga konvektionsförluster − den enda kylningen ä r energin som strålar från en svart kropp på 200ºC. Men normalt kommer vi naturligtvis inte upp till den temperaturen: vi har kylning på insidan av innerröret, för vi vill ju producera varmvatten. Heat‐pipen är för detta ändamål försedd med en tunn aluminiumfläns som är pressad mot det inre rörets inre yta, och denna fläns leder värmen från det heta glasröret till heat‐ pipen. Heat‐pipens temperatur kommer således att öka, men den kyls av vattnet som cirkulerar i solfångarens samlingsrör. Därför kommer det alltid att vara ett enkelriktat värmeflöde från glasröret till heat‐pipen. Yttre glasrör Inre glasrör Vakuum Heat-pipe Selektivt skikt Men kommer inte heat‐pipen alltid att åtminstone förlora en del av sin värmeenergi genom svartkroppsstrålning? Nej! Det blir inga värmeförluster genom strålning, eftersom beläggningens allra innersta lager består av koppar med mycket hög reflektans för temperaturer under 200ºC och heat‐ pipen kommer inte komma upp i mycket mer än 100ºC Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] eftersom den avger värme till den cirkulerande vatten och glykolblandningen i samlingsröret. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom • Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected]