Erik Zäll: ”Målet var bättre och billigare solfångare”
Erik Zäll, doktorand i experimentell fysik vid Företagsforskarskolan på Umeå universitet, visar i sin avhandling hur optiska ytbeläggningar för solfångare kan skräddarsys för att förbättra både verkningsgrad och hållbarhet. Forskningen har bedrivits i nära samarbete med det svenska solenergibolaget Absolicon Solar Collector i Härnösand.
Forskare vid Umeå universitet har utvecklat nya ytbeläggningar som förbättrar prestandan hos solfångare och stärker solvärmens konkurrenskraft. Arbetet har fokuserat på två nyckelkomponenter: täckglas och receiver. De nya lösningarna har störst potential inom solfångarteknik för industriell processvärme och fjärrvärme.
– Fokus för min forskning har varit att utveckla nya och bättre optiska ytbeläggningar till företagets koncentrerande solfångare. Målet har varit att göra dem både effektivare och billigare att tillverka, säger Erik Zäll.
Han har arbetat experimentellt i labbmiljö för att ta fram små prover med önskade optiska egenskaper. Det övergripande målet har varit att utveckla ytbeläggningar som kan bidra till att göra solvärmetekniken mer konkurrenskraftig.
Arbetet har kretsat kring två centrala komponenter i solfångare: täckglaset, som släpper in solljus, och receivern, som absorberar ljuset och omvandlar det till värme.
Vi har genomgående använt tekniker, metoder och material som är återvinningsbara eller inte har någon betydande miljöpåverkan.
För täckglaset har Zäll utvecklat en antireflekterande beläggning av kiseldioxid med en hexagonalt ordnad porstruktur. Genom att anpassa porernas storlek och utformning, samt beläggningens tjocklek, har han lyckats öka glasets ljusgenomsläpp. Samtidigt har ytan blivit mer motståndskraftig mot smuts, fukt och repor.
Till skillnad från traditionella beläggningar, som ofta har slumpmässigt orienterade porer och därmed en ojämn yta, har den nya beläggningen en sluten och plan yta. Porerna ligger i substratets plan, vilket gör att ytan inte har någon direkt öppning mot atmosfären. Detta ger en mer reptålig och lättrengjord yta som bibehåller sin optiska prestanda över längre tid.
För receivern har två olika lösningar tagits fram. Den första är en elektropläterad kobolt-krombeläggning som absorberar ljus effektivt tack vare sin ytstruktur. Denna beläggning använder trevärt krom, som är mycket mer miljövänligt än det traditionellt använda och cancerogena sexvärda kromet.
Den andra lösningen är mer innovativ. En dispersion av kolnanorör och kiseldioxid sprejas på värmebehandlat substrat av rostfritt stål med hjälp av ultraljudsteknik för att skapa en kompositbeläggning. När stålet värmebehandlas bildas ett tunt oxidskikt som förbättrar både de optiska egenskaperna och värmetåligheten.
Metoden är fortfarande på proof-of-concept-stadiet (konceptvalidering), men har stor potential tack vare sin enkelhet, låga kostnad och frånvaro av tungmetaller, uppger Erik Zäll.
Båda ytbeläggningarna absorberar effektivt solljus men avger samtidigt minimalt med värmestrålning. De kan dessutom tillverkas med billiga, miljövänliga metoder som lämpar sig för storskalig produktion.
– Vi har genomgående använt tekniker, metoder och material som är återvinningsbara eller inte har någon betydande miljöpåverkan, säger Erik Zäll.
Flera faktorer samverkar för att öka konkurrenskraften hos de nya lösningarna jämfört med de befintliga: kostnadsreduktion, miljövänliga depositionsmetoder samt förbättrad prestanda – både initialt och över tid.
En annan förklaring till att solvärmemarknaden är relativt liten i dag är det begränsade utbudet av alternativ för de optiska komponenterna. Olika typer av solfångare kräver varierande geometriska utformningar och optiska egenskaper på komponenterna.
– Därför krävs flexibla tekniker för att utveckla komponenter som kan anpassas till olika solfångartyper och deras temperaturspann, säger Erik Zäll.
De nya beläggningarna är direkt anpassade till Absolicons solfångarteknik och har lett till två patentansökningar, en för den antireflekterande beläggningen och en för den elektropläterade beläggningen.
De nya lösningarna har störst potential inom solfångarteknik som används för industriell processvärme och fjärrvärme. Många industriella processer, till exempel inom livsmedelsindustrin, kräver temperaturer mellan 100 och 200 grader, vilket är ett spann där solfångartekniken fungerar bra. Optimalt är om den används i geografiska områden med hög solinstrålning och torrt klimat, till exempel Sydeuropa.
Solvärme lämpar sig också för att integreras i fjärrvärmesystem, exempelvis i Sverige. Mindre solfångaranläggningar kan leverera värme direkt till fjärrvärmenätet så länge produktionen inte överstiger behovet.
Fokus för min forskning har varit att utveckla nya och bättre optiska ytbeläggningar till företagets koncentrerande solfångare. Målet har varit att göra dem både effektivare och billigare att tillverka.
– Men om man vill täcka en större andel av värmebehovet med solvärme, som främst produceras under sommarhalvåret, krävs någon form av termisk lagring, säger Erik Zäll.
Det kan handla om korttidslagring över natten eller storskaliga säsongslager för att kunna använda under de kallare årstiderna. Ett exempel är så kallade groplager, som redan används i Danmark. I Sverige har potentialstudier genomförts för att identifiera lämpliga platser för sådana lager här.
Den största utmaningen nu för de nyutvecklade teknikerna är att gå från labbskala, som påvisar potentialen, till industriell produktion och en kommersiell produkt.
– Det är ett stort steg att ta, och det kräver uppskalningsprojekt och samarbete med industriella aktörer som har kompetens inom beläggningsteknik. Genom samarbeten med företag som Absolicon och andra aktörer hoppas vi kunna ta tekniken vidare, säger Erik Zäll.
