Thermochromie IV – Thermochromic coatings for overheating protection of so-lar thermal collectors – novel type of doping

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501239

Schlüsselwörter (Englisch)

Solar thermal collectors, stagnation, thermochromic materials, switchable coatings, selective solar absorber, Target 95

Kurzbeschreibung (Englisch)

Overheating and the resulting stagnation of solar thermal collectors is a common problem even in central European latitudes. During stagnation high temperatures lead to water evaporation, glycol degradation, and stresses in the collector with increasing vapor pressure. Additionally, the occurring elevated temperatures lead to degradation of the materials that compose collectors components such as sealing, thermal insulation, and also the selective absorber coating. A protection of solar thermal systems without any mechanical device (e.g. for shading or for pressure release) might be provided by thermochromic coatings which exhibit a change in optical properties at a critical temperature Tc. Desired are a high solar absorptance and a low thermal emittance below the Tc, and a low solar absorptance and a high thermal emittance above Tc. Such « smart » solar collectors will allow a better dimensioning of solar thermal systems. In a previous project, thermochromic films have been developed at EPFL/LESO-PB. The transition temperature of the vanadium oxide based films is usually around 68°C, and can be lowered by tungsten doping . Preliminary experiments have shown that by a novel type of doping of the thermochromic films, the transition temperature can also be raised considerably (e.g. to 85°C). In this project, the effect of doping on the transisiton temperature shall be confirmed, studied and understood in more detail. It will be investigated precisely, to which extend the transition temperature can be raised. Suitable designs of multi-layered coatings for maximised performance shall be developed, the variety of applications shall be explored, and promising fields for market introduction shall be identified.

Schlussbericht (Deutsch)

In diesem Projekt wurde ein neuartiges Absorbermaterial für eine neue Generation "intelligenter" Solarkollektoren entwickelt. Es wird eine Solarabsorber-Beschichtung angestrebt, die bei Überhitzung kontrolliert Wärme abstrahlt - durch Änderung ihrer optischen Eigenschaften entsprechend der Temperatur. Die Innovation besteht in der erfolgreichen Integration einer thermochromen Dünnschicht in eine mehrschichtige selektive Solarabsorberschicht. Anorganische Vanadiumdioxidfilme durchlaufen einen perfekt reversiblen thermochromen Übergang bei einer kritischen Temperatur von TC = 68°C. Durch den Übergang ändern sich die optischen Eigenschaften im infraroten Spektralbereich drastisch, was eine beträchtliche Änderung des thermischen Emissionsvermögens bewirkt (z.B. von ~ 5% unter TC zu ~ 35 - 45% über TC bei ~ 8 µm Wellenlänge). Dieser Emissionsgradwechsel und die dadurch bewirkte Wärmeabgabe an die Umgebung bei hohen Temperaturen reicht aus, um die Stagnationstemperatur auf Werte unterhalb der Zersetzungstemperatur von Glykol (160°C - 170°C) zu begrenzen. Die Verdampfung der Wärmeträgerflüssigkeit und übermäßige thermische Belastungen der Kollektormaterialien können vermieden werden, während die Stagnationszeiten ebenfalls reduziert werden. Ohne die Verwendung irgendeiner mechanischen Vorrichtung (z. B. zum Abschatten oder zur Druckentlastung) stellen thermochrome Beschichtungen somit eine elegante Lösung für die Überhitzung von Solarkollektoren bereit und ermöglichen eine bessere Dimensionierung von Solarthermie-Systemen. Allerdings ist die Übergangstemperatur von 68°C des reinen VO2 relativ gering. Daher wird für solarthermische Anwendungen eine höhere Schalttemperatur benötigt. Mit einer neuartigen Germanium-Dotierung ist es möglich, die Übergangstemperatur von reinen Vanadiumdioxidfilmen deutlich zu erhöhen. Eine maximale Übergangstemperatur von ~ 95°C wird mit ~ 5,9 at.% Ge erreicht. Darüber hinaus weist die Germanium-Dotierung auch den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie die Modulierung der thermischen Emission der schaltenden Filme erhöht. Im Hochtemperaturzustand ist das thermische Emissionsvermögen von Vanadiumdioxidfilmen winkelabhängig und nimmt mit wachsendem Abstrahlungswinkel zu. Dies deutet darauf hin, dass die Beschichtung im Hochtemperaturzustand wirksamer die Wärme ableitet, als dies aufgrund Messungen bei normalem Einfall vorhergesagt wird. Thermochrom basierte mehrschichtige Absorberschichten werden unter Verwendung der optischen Konstanten n und k der einzelnen Schichten simuliert. Ein Absorberdesign mit einem Solarabsorptionsgrad α ~ 97% und einem thermischen Emissionsvermögen ε ~ 6% wird ausgewählt und entsprechende Beschichtung werden im Labor hergestellt. Designs von mehrschichtigen Beschichtungen mit maximaler Schaltleistung werden entwickelt. Ein alternatives thermochromes Oxid wird untersucht. Schließlich werden eine Vielzahl von Anwendungen untersucht und vielversprechende Felder für die Markteinführung identifiziert.

Schlussbericht (Englisch)

Within this project, a novel absorber material has been developed for a new generation of “smart” solar collectors. A coating which can absorb and repel heat in a controlled manner – by changing its optical properties – according to temperature is envisaged. The innovation consists in the successful integration of a thermochromic thin film into a multilayered selective solar absorber coating. Inorganic vanadium dioxide films undergo a perfectly reversible thermochromic transition, at a critical temperature of TC = 68°C. Through the transition, the optical properties in the infrared spectral region change drastically implying a considerable change of the thermal emissivity (e.g. from ~5% below TC to ~35-45% above TC at ~8 μm wavelength). This switch in emissivity and subsequent heat dissipation to the surroundings at high temperatures is sufficient to limit the stagnation temperature to values below the degradation temperature of glycol (160°C-170°C). Evaporation of the heat transfer fluid and excessive thermal stresses on the collector materials can be avoided, while the stagnation times are also reduced. Thus, thermochromic coatings provide an elegant solution to the overheating of solar thermal collector systems, without the use of any mechanical device (e.g. for shading or for pressure release) and allow for a better dimensioning of solar thermal systems. Nonetheless, the transition temperature of 68°C of the pure VO2, is relatively low and for solar thermal applications a higher switching temperature is required. Using a novel type of Ge doping, it is possible to significantly increase the transition temperature of pure vanadium dioxide films. A maximum transition temperature of ~95°C is reached with ~5.9 at.% Ge. Furthermore, Ge doping is also shown to have the added benefit of increasing the thermal emittance modulation of the switching films.  In the high temperature state, the thermal emittance of vanadium dioxide films is angle dependent and it increases with the angle from normal incidence. This indicates that the coating is more efficient at dissipating heat in the high temperature state than normal incidence measurements predict.  Thermochromic based full multi-layered absorber coatings are simulated based on n and k optical constants of the constituting individual layers. An absorber design, with a solar absorptance, α ~97% and thermal emittance, ε ~6% is selected and deposited. Designs of multi-layered coatings with maximized switching performance are developed. An alternative thermochromic oxide is investigated. Finally, a variety of applications are explored, and promising fields for market introduction are identified.

Zugehörige Dokumente

• Thermochromic coatings for overheating protection of solar thermal collectors – novel type of doping - Final Report [PDF] 2'905 kB

Schlussbericht (Französisch)

Dans le cadre de ce projet, un nouveau matériau absorbant a été développé pour une nouvelle génération de capteurs solaires «intelligents». Un revêtement pouvant absorber et repousser la chaleur de manière contrôlée - en modifiant ses propriétés optiques en fonction de la température - est envisagé. L'innovation consiste en l'intégration réussie d'un film mince thermochrome dans un revêtement multicouche d'absorbeur solaire sélectif. Les films inorganiques de dioxyde de vanadium subissent une transition thermochrome parfaitement réversible, à une température critique de TC = 68°C. Grâce à cette transition, les propriétés optiques dans la région spectrale de l’infrarouge changent radicalement, ce qui implique un changement considérable de l'émissivité thermique (par exemple de ~ 5% en dessous de TC à ~ 35 - 45% au-dessus de TC à une longueur d'onde d'environ 8 μm). Ce changement d'émissivité aux températures élevées et la dissipation thermique à l'environnement impliquée suffisent pour limiter la température de stagnation aux valeurs inférieures à la température de dégradation du glycol (160°C à 170°C). L'évaporation du fluide caloporteur et les contraintes thermiques excessives sur les matériaux collecteurs peuvent être évitées, tandis que les temps de stagnation sont également réduits. Ainsi, les revêtements thermochromiques apportent une solution élégante à la surchauffe des systèmes de capteurs solaires thermiques, sans utilisation de dispositif mécanique (par exemple pour l'ombrage ou la libération de pression) et permettent un meilleur dimensionnement des systèmes solaires thermiques. Néanmoins, la température de transition de 68°C du VO2 pur est relativement faible et, pour les applications thermiques solaires, une température de transition plus élevée est requise. En utilisant un nouveau type de dopage au germanium, il est possible d’augmenter de manière significative la température de transition des films de dioxyde de vanadium purs. Une température de transition maximale de ~ 95°C est atteinte avec ~ 5,9% at. En outre, le dopage de germanium présente également l'avantage supplémentaire d'augmenter la modulation de l'émittance thermique de ces films dynamiques. Dans l'état à haute température, l'émittance thermique des films de dioxyde de vanadium dépend de l'angle et augmente avec l'angle par rapport à l'incidence normale. Cela indique que, dans l'état audessus de la température de transition, le revêtement est plus efficace pour dissiper la chaleur que ne le prédisent les mesures d'incidence normale. Les revêtements absorbants multicouches à base thermochromique sont simulés sur la base des constantes optiques n et k des couches individuelles. Une conception du revêtement absorbant, avec un coefficient d'absorption solaire, α ~ 97% et une émittance thermique, ε ~ 6%, est sélectionnée et des revêtements correspondants sont déposés. Des conceptions de revêtements multicouches avec des performances optimisées sont développées. Un oxyde thermochrome alternatif est étudié. Enfin, diverses applications sont explorées et des domaines prometteurs pour l’introduction sur le marché sont identifiés.