Desenvolvimento de sistemas óticos baseados em multicamada cerâmico/metal para aplicações de absorção da radiação solar

Abstract

Devido a apresentar resultados apreciáveis, assiste-se cada vez mais a uma forte aposta em sistemas de energia solar concentrada. Este método, que utiliza o sol como fonte de energia, pode tornar-se uma ajuda para a Humanidade como alternativa aos combustíveis fósseis. Ao longo deste projeto, foram processados e caraterizados sistemas óticos que têm como finalidade atuarem como conversores fototérmicos, transformando a energia solar em energia térmica, que mais tarde será transformada em energia elétrica, sendo depois introduzida na rede. O sistema ótico estudado é constituído por uma camada de tungsténio, duas camadas de um compósito cerâmico metal do tipo AlSiOx:W com diferente fração em volume do tungsténio e uma camada de óxido de AlSi. A camada de tungsténio funciona como reflector na região dos infravermelhos e a camada de AlSiOx como antireflector. As camadas de AlSiOx:W têm a função de absorver a radiação solar, tanto através da sua absorção intrínseca como por efeito de interferência. Todas as amostras foram produzidas por pulverização catódica reativa com magnetrão. Numa primeira fase, procedeu-se à deposição de camadas simples para conhecer as suas propriedades óticas (através da refletância e transmitância) e para a sua caraterização. Efetuou-se a caraterização estrutural, morfológica e química das amostras através das técnicas de Microscopia Eletrónica de Varrimento (MEV), Espectroscopia de raios-X (EDX), Espectroscopia de fotoelectrões por raios-X (XPS) e Difração de raios-X (DRX). A emissividade foi medida recorrendo a um emissómetro e a um espetrofotómetro de infravermelhos e os testes de longevidade foram realizados dentro de fornos (um em vácuo e outro ao ar). Com sucesso desenvolveram-se sistemas com absorção solar até 96% e estáveis após os testes de longevidade (sem perder as suas propriedades). Quanto à emissividade os resultados não foram tão promissores, tendo sido atingido 8% a 100ºC e 11% a 400ºC.

Concentrating solar power has grown in last decade due to its good results. This method, using sun as main source of energy, can help Humanity to become less dependent of fossil fuels. Throughout this project, optical systems were processed and characterized. These systems act as photothermal converters, transforming solar energy into thermal energy which is then transformed in electric energy, being introduced in the network. The optical system consists of a tungsten layer, two layers of a ceramic metal composite of AlSiOx:W (with different volume fraction of tungsten) and an oxide layer of AlSiOx. Tungsten layer works as a backreflector in IR wavelength region and AlSiOx as an antireflector. AlSiOx:W layers have the function to absorb solar radiation, both by their intrinsic absorption and the interference effect. All samples were produced by reactive magnetron sputtering. Firstly, it was necessary to produce simple layers to know its optical properties (measured through optical reflectance and transmittance) and to realize some characterizations. The samples were subjected to structural, morphological and chemical characterizations, which were performed using Scanning electron microscopy (SEM), Energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) methods. Emissivity was measured using an emissometer and durability tests were with thermal anneling (in vacuum at 580 ºC and in air at 400 ºC). Successfully were developed systems with solar absorption until 96% and stable after durability tests (without losing their properties). With respect to emissivity, results were not so promising, reaching 8% at 100ºC and 11% at 400ºC.