Brevettato rivestimento assorbitore solare spettralmente selettivo dalle alte prestazioni
Il brevetto nasce dall’esigenza di rendere disponibili innovativi rivestimenti assorbitori con prestazioni foto-termiche e stabilità incrementate rispetto a quelli attualmente disponibili sul mercato dei ricevitori 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.
I moderni tubi ricevitori, con particolare riferimento a quelli evacuati adoperati in impianti solari termodinamici per la produzione di energia elettrica, devono operare in vuoto a temperature quanto più alte possibili al fine di incrementare il rendimento del ciclo termodinamico di conversione dell’energia e implementare un sistema di accumulo diretto del calore compatto e dunque economico, in grado di garantire la continuità di servizio anche di notte o con cielo nuvoloso. Pertanto, è sempre stato considerato strategico lo sviluppo di rivestimenti assorbitori solari spettralmente selettivi in grado di operare con elevata efficienza in vuoto a una temperatura massima di esercizio di almeno 550 °C. Questa sfida ambiziosa, che è stata raccolta dall’ENEA sin dai primi anni 2000, ha permesso di sviluppare rivestimenti assorbitori per ricevitori solari ad elevate prestazioni fototermiche che presentavano elevata stabilità nelle condizioni di esercizio di almeno 550 °C per una vita utile del componente di almeno 25 anni. Allo stato attuale l’ENEA ha reso disponibile per la produzione e la commercializzazione dei tubi ricevitori un rivestimento assorbitore solare, coperto da un precedente brevetto ENEA del 2011, che può essere considerato l’unico di comprovata affidabilità disponibile sul mercato per la temperatura operativa di 550 °C. Sebbene la scelta dei materiali, in particolare quella del tungsteno come riflettore infrarosso termico del rivestimento, abbia garantito un basso degrado delle prestazioni foto-termiche del ricevitore solare alla temperatura di esercizio di 550 °C, non ha tuttavia permesso di ottenere prestazioni foto-termiche particolarmente spinte, questo a causa delle proprietà ottiche intrinseche di riflettanza del tungsteno nell’infrarosso che non consentono un abbattimento ottimale delle dispersioni termiche del ricevitore solare, limitandone l’efficienza di conversione foto-termica. Allo stesso tempo, le diverse alternative sperimentate, che prevedevano l’impiego al posto del tungsteno di metalli con proprietà ottiche di riflettanza più alte nell’infrarosso come il rame, l’alluminio, l’argento e l’oro, si sono dimostrate non perseguibili a causa dell’instabilità di questi metalli alla temperatura di esercizio di 550 °C.
Il nuovo brevetto ENEA si propone di utilizzare proprio questi metalli a più alta riflettanza per migliorare le prestazioni foto-termiche a più alta temperatura del rivestimento solare con riflettore metallico di tungsteno. Per superare i problemi d’instabilità alle alte temperature di esercizio di rame, alluminio, argento e oro, l’invenzione prevede tutta una serie d’innovazioni che si concretizzano in una struttura multistrato da applicare sopra lo strato metallico di tungsteno che svolge la funzione di primo strato riflettente del rivestimento assorbitore solare. La struttura multistrato è costituita da uno o più strati di metalli ad alta riflettanza selezionati fra rame, alluminio, argento e oro, che svolgono la funzione di incrementare la riflettanza nell’infrarosso del tungsteno e da uno o più strati stabilizzanti di materiali opportunamente selezionati che assolvono la funzione di bloccare la diffusione e di migliorare la stabilità strutturale intrinseca degli strati metallici ad alta riflettanza.
Un ulteriore vantaggio derivante dall’impiego di questa innovativa struttura multistrato in qualità di riflettore ad infrarosso nei rivestimenti assorbitori solari consiste nel riuscire a soddisfare l’esigenza d’incrementare la stabilità dei rivestimenti garantendo, così, un minor degrado delle prestazioni foto-termiche durante la vita d’esercizio del ricevitore solare. Nella fattispecie, a prescindere del metallo utilizzato come riflettore ad infrarosso del rivestimento solare, la durabilità del riflettore può essere migliorata realizzando una struttura multistrato in cui il metallo del riflettore è accoppiato con uno o più materiali, opportunamente selezionati, dalla funzione stabilizzante.
Ultimo, ma non meno importante beneficio che deriva dall’impiego della struttura multistrato nel rivestimento assorbitore solare, è quello di rendere il rivestimento particolarmente versatile per l’efficace utilizzo sia in tubi ricevitori di tipo evacuato, operanti fino ad almeno 550 °C, sia in tubi ricevitori di tipo non evacuato o in tubi ricevitori operanti in aria, fino ad almeno 300 °C. Quest’ultima caratteristica del rivestimento assorbitore solare risulta particolarmente interessante se si prendono in considerazione gli impianti solari termici, ad esempio per produzione di calore di processo per applicazioni civili o industriali, dove le temperature di esercizio richieste sono tipicamente più basse, le perdite termiche convettive del tubo ricevitore sono meno critiche e, pertanto, è possibile adoperare più economici ricevitori di tipo non evacuato o operanti in aria. In tal caso è strategico avere a disposizione un rivestimento solare spettralmente selettivo in grado di operare, per lunghi tempi, con elevata efficienza in aria ad una temperatura massima di almeno 300 °C. L’innovativo rivestimento assorbitore solare dell’invenzione, dotato di un riflettore ad infrarosso del tipo a multistrato, può rappresentare la soluzione al problema. Infatti, se il metallo del riflettore è accoppiato con uno o più materiali opportunamente selezionati, i quali oltre che a stabilizzare lo strato metallico ad alta riflettanza svolgono anche la funzione di barriera rispetto alla diffusione degli agenti ossidanti atmosferici, è possibile ridurre significativamente il degrado delle prestazioni foto-termiche del rivestimento causato proprio dall’azione degli agenti ossidanti.
In conclusione, sebbene l’obiettivo principale della nuova invenzione sia di consolidare la posizione strategica dell’ENEA nel settore di riferimento degli impianti solari termici e termodinamici operanti a temperature medie ed alte, la versatilità di funzionamento della nuova invenzione prefigura la possibilità di ampliamento dell’offerta tecnologica ENEA in ulteriori campi di applicazione afferenti alla componentistica per impianti solari termici e termodinamici a temperature basse e medie, inclusi gli impianti solari termici per la produzione di calore di processo per usi civili o industriali.