Rivestimento assorbitore spettralmente selettivo per ricevitori solari stabili in aria in grado di operare oltre i 400 gradi
L’invenzione nasce dall’esigenza di rendere disponibili innovativi rivestimenti assorbitori stabili in aria per temperature operative superiori ai 400°C. Tali rivestimenti sono destinati al mercato dei ricevitori operanti in aria per impianti solari termici e termodinamici e, in particolare, dei tubi ricevitori d’impianti solari a collettori lineari (parabolici o Fresnel), per la produzione di energia termica e/o elettrica.
Per tubo ricevitore operante in aria si intende, o il solo tubo d’acciaio ricoperto dal rivestimento assorbitore (tubo ricevitore non incapsulato), o il tubo ricevitore incapsulato con l’intercapedine fra il tubo interno e il tubo esterno di vetro non evacuata (tubo ricevitore incapsulato ma non evacuato). Nel primo caso la componentistica è ridotta al minimo, mentre nel secondo caso la componentistica è meno performante rispetto a quella del tubo ricevitore incapsulato ed evacuato. Pertanto, sono evidenti i benefici che si hanno in termini di riduzione del costo e di miglioramento della robustezza tecnologica del tubo ricevitore, soprattutto nel caso del tubo ricevitore non incapsulato.
Nonostante la tecnologia del tubo ricevitore non incapsulato o incapsulato ma non evacuato sia economicamente più vantaggiosa, la sua diffusione è stata fortemente limitata a causa della difficoltà di realizzare tubi ricevitori operanti a media (400 °C) e alta temperatura (550 °C), con prestazioni fototermiche e di durabilità confrontabili con quelle dei tubi ricevitori evacuati. Il rivestimento assorbitore dei tubi ricevitori non incapsulati o incapsulati ma non evacuati, essendo sempre in contatto con l’aria, è soggetto a meccanismi di degrado accelerati da fenomeni di tipo ossidativo, che coinvolgono le parti metalliche del rivestimento con conseguente deterioramento delle prestazioni fototermiche (ad esempio, perdita delle proprietà assorbenti degli strati cermet e/o delle proprietà riflettenti dello strato riflettore infrarosso) e della stabilità strutturale (delaminazione e/o fratturazione del rivestimento a causa dei disadattamenti meccanici causati dalla formazione degli ossidi). Questi fenomeni si ripercuotono negativamente sulla durabilità del rivestimento assorbitore e sono tanto più rilevanti quanto più alta è la temperatura d’esercizio del tubo ricevitore.
Il nuovo brevetto ENEA si propone di realizzare degli innovativi rivestimenti assorbitori stabili in aria, per temperature operative superiori ai 400°C. Per raggiungere questo obiettivo, il rivestimento assorbitore prevede l’impiego di una o più strutture in grado di proteggere le componenti metalliche del rivestimento assorbitore dagli agenti ossidanti atmosferici. La struttura protettiva è composta da uno strato di lega metallica e da uno strato ceramico, posto sullo strato di lega metallica. I due strati, grazie a ben definite caratteristiche composizionali, stechiometriche e strutturali, consentono, quando operanti in aria a elevate temperature, la creazione all’interfaccia lega metallica - strato ceramico di uno strato di ossido estremamente sottile, stabile e compatto che si comporta come efficace barriera alla diffusione degli agenti ossidanti presenti nell’atmosfera verso le componenti metalliche del rivestimento.
Gli autori del brevetto hanno individuato due possibili impieghi della struttura protettiva per realizzare un rivestimento in grado di lavorare in aria ad alta temperatura: nel primo la struttura protettiva è collocata sopra un rivestimento solare progettato per lavorare in vuoto rendendolo idoneo per operare in aria, nel secondo la struttura protettiva è utilizzata direttamente per realizzare un rivestimento solare innovativo operante in aria ad alta temperatura.
Nel primo caso il ruolo della struttura protettiva è quello di bloccare la diffusione degli agenti ossidanti atmosferici che provocano il degrado delle componenti metalliche del rivestimento progettato per lavorare in vuoto. Inoltre, agendo opportunamente sulla composizione della lega metallica e/o agendo sulla stechiometria dello strato ceramico della struttura protettiva, quest’ultima risulta poco impattante sulle prestazioni ottiche del rivestimento solare consentendo la realizzazione di un rivestimento assorbitore, capace di lavorare in aria, alla stessa temperatura e con prestazioni ottiche prossime a quelle del rivestimento assorbitore progettato per lavorare in vuoto.
Nel secondo caso, aspetto rilevante e peculiare caratterizzante l’uso diretto della struttura protettiva è che si possono realizzare rivestimenti solari con proprietà molto interessanti in termini di efficienza fototermica, stabilità ottica e chimico-strutturale in aria per temperature operative superiori a quelle dei tubi ricevitori evacuati attualmente disponibili sul mercato.
Infine, ultimo ma non meno importante beneficio derivante dall’impiego della struttura protettiva è che il rivestimento solare in grado di operare in aria può essere realizzato mediante la sola tecnica di deposizione dello sputtering, particolarmente idonea per processi di produzione industriale, sia che si utilizzi la struttura protettiva per incapsulare il rivestimento solare progettato per lavorare in vuoto, sia che si utilizzi la struttura protettiva per realizzare un rivestimento solare innovativo.
In conclusione, il rivestimento assorbitore spettralmente selettivo della presente invenzione permette di ampliare ulteriormente l’offerta tecnologica ENEA nel campo della componentistica per impianti solari termici e termodinamici, con particolare riferimento a impianti solari a concentrazione per la produzione di energia termica e/o elettrica che utilizzano ricevitori operanti in aria e in grado di operare a temperature medie (400 °C) e alte (550 °C o superiori). Inoltre, il rivestimento assorbitore spettralmente selettivo oggetto di brevetto permette l’implementazione di un tubo ricevitore innovativo operante in aria di costo notevolmente inferiore rispetto ai tubi ricevitori evacuati, efficiente e affidabile alla temperatura di esercizio.
TRL attuale
Stato di sviluppo dell’invenzione:
- Validazione in laboratorio del concetto alla base dell’invenzione con sviluppo e produzione di prototipi del rivestimento assorbitore oggetto dell’invenzione, per applicazione in tubi ricevitori operanti in aria e temperatura operativa di almeno 500 °C (TRL 4)
Sviluppo in corso dell’invenzione:
- Campagna sperimentale finalizzata alla validazione delle soluzioni implementate nei prototipi, con particolare riferimento alla stabilità e durabilità dei rivestimenti in condizioni che riproducano quelle operative previste dall’applicazione di destinazione (TRL 5)
Ulteriori sviluppi dell’invenzione:
- Validazione in laboratorio del concetto alla base dell’invenzione con sviluppo e produzione di prototipi del rivestimento assorbitore oggetto dell’invenzione, per applicazione in tubi ricevitori operanti in aria e temperatura operativa superiore a 550 °C. Campagna sperimentale finalizzata alla validazione delle soluzioni implementate nei prototipi, con particolare riferimento alla stabilità e durabilità dei rivestimenti in condizioni che riproducano quelle operative previste dall’applicazione di destinazione (TRL 4-5) - In collaborazione con partner industriali, dimostrazione dei prodotti derivanti dall’invenzione/brevetto (TRL da 6 a 8)