DE2725914C2

DE2725914C2 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE2725914C2
Application number: DE2725914A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Lester Dr. Harding; David Robert Sydney New South Wales McKenzie; Brian Hornsby Heights New South Wales Window
Original assignee: University of Sydney
Current assignee: University of Sydney
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1987-02-19
Also published as: NL180124B; FR2354521B1; CH624755A5; NL7705467A; SE7706648L; CA1083452A; IL52213A0; IT1083135B; JPS5545815B2; DE2725914A1; IL52213A; GB1558440A; JPS52150834A; SE422783B; ES459670A1; NL180124C; FR2354521A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die zur Zeit bekannten Solarkollektoren arbeiten nach dem Prinzip der totalen Absorption. Hierfür wird eine mattschwarze Oberfläche verwendet, die fähig ist, einfallende Energiestrahlung zu absorbieren und sie an ein Strömungsmittel zu übertragen, das durch den Kollektor fließt. In der Praxis arbeitet die Oberfläche mit totaler Absorption knapp oberhalb der Temperatur des aufzuheizenden Strömungsmittels und strahlt unvermeidbar ebenso Wärme ab, wie sie welche aufnimmt. Es wurden bereits Versuche unternommen, den Anteil abgestrahlter Wärme so weit wie möglich zu reduzieren. Die Wärmeverluste wachsen jedoch infolge der Strahlung mit der Betriebstemperatur, so daß Oberflächen mit totaler Absorption in der Praxis nur bis etwa 100° verwendbar sind. Es wurde des weiteren vorgeschlagen, Solarkollektoren unter Verwendung sogenannter "selektiver Oberflächen" zu entwickeln, die Sonnenenergie stark absorbieren, aber mit größeren Wellenlängen als jene, die charakteristisch für die Sonnenstrahlung sind, reflektieren. Auf diese Weise wird die Strahlung von einem solchen Kollektor weitgehend reduziert. Kollektoren mit solch einer selektiven Oberfläche sind zum Sammeln von Sonnenwärme bei Temperaturen oberhalb von 100°C anwendbar, da ihre Strahlungsverluste geringer als diejenigen mattschwarzer Oberflächen sind.
Aus der DE-OS 25 08 339 ist ein Solarkollektor bekannt, der einen als Energiesammler dienenden Glaskörper aufweist. Der Glaskörper wird von einem flüssigen Medium durchströmt, auf seiner Oberfläche ist eine Kupferfolie aufgeklebt. Auf diese Kupferfolie ist ein absorbierender Belag aufgebracht. Diese Vorveröffentlichung enthält jedoch keinerlei Angaben über den absorbierenden Belag.
In der DE-PS 25 51 832 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer selektiv absorbierenden Oberfläche für Solarkollektoren vorgeschlagen worden, wobei der Grundkörper aus einem Übergangsmetall oder einer Legierung eines Übergangsmetalles besteht, auf den zunächst mittels galvanischer Verfahren eine Metallschicht aus einem Übergangsmetall oder einer Legierung eines Übergangsmetalls aufgebracht wird. Die Oberfläche wird dabei durch Behandlung mit einer Glimmentladung bei einer erhöhten Temperatur - insbesondere zwischen 200 und 500°C - in schwarze halbleitende Verbindungen wie Oxyde, Nitride, Karbide oder Boride umgewandet. Auch dieses ältere Recht nimmt somit die vorliegende Erfindung nicht vorweg.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor zu schaffen, der eine verbesserte selektive Oberfläche zum Sammeln solarer Energie aufweist und der zudem sehr kostengünstig hergestellt werden kann.
Es handelt sich hierbei speziell um die Schaffung einer Oberfläche, die eine relativ hohe Absorptionsfähigkeit für direkte oder diffuse Sonnenstrahlung aufweist, die unmittelbar oder nach Reflexion durch eine andere Fläche einfällt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
Vom Kostenstandpunkt wird Eisen für die Herstellung der Schichten bevorzugt, obwohl auch andere und teurere Metalle wie Molybdän, Chrom, Wolfram, Tantal, Titan oder Mischungen davon verwendet werden können. Beispielsweise wird die Zerstäubungselektrode aus rostfreiem Stahl hergestellt, um in der Schicht Eisen-, Chrom- und Nickelatome zu erhalten. Die Kohlenstoffatome werden vorzugsweise durch Verwendung von Methan oder anderem Kohlenwasserstoff als Verunreinigung in einem inerten Gas (Argon) beim reaktivem Zerstäubungsprozeß erhalten. Die bevorzugte Dicke des Metallkarbidfilms ist 0,09 µm.
Um eine gleichförmige Filmzusammensetzung auf einer ausgedehnten Unterlage zu erhalten, wird vorzugsweise ein reaktives Zerstäubungsverfahren angewandt, bei dem das die Verunreinigung bildende Gas daran gehindert wird, von einem Ort zum andern zu wandern, wo jeweils die reaktive Zerstäubung stattfindet. Ein sich aus der Erfindung ergebender Vorteil liegt darin, daß stabile selektive Schichten aus billigen Metallen, wie Eisen, anstelle von teureren, wie Molybdän, Wolfram oder Zirkonium hergestellt werden können. Gewünschtenfalls können aber auch teurere Metalle verwendet werden.
Bei der Erfindung wird das Interferenzprinzip angewandt. Obwohl dieses Prinzip bestens bekannt ist, wurden bisher selektive Oberflächen entweder aus Metalloxyden, (wie Kupferoxyd oder Chromoxyd) vorgeschlagen, die bei hohen Temperaturen im Vakuum nicht besonders stabil sind, oder verhältnismäßig teure hitzebeständige Metalle und Metallverbindungen (z. B. eine sog. "AMA"-Oberfläche, die abwechselnd aus Schichten von Aluminiumoxid und Molybdänoxyd besteht).
Deshalb machten die bisher vorgeschlagenen selektiven Oberflächen die kommerzielle Produktion von Hochtemperatur-Solarkollektoren unattraktiv. Die selektiven Oberflächen, die bei Ausführung der Erfindung zum Einsatz kommen, können unter Verwendung billiger Metalle, wie Eisen und Chrom hergestellt werden und sind auch bei Temperaturen oberhalb 100°C stabil. Ferner können sie durch ein billiges Zerstäubungsverfahren aufgebracht werden. Die Dicke der Schicht kann leicht durch Beeinflussung der Zerstäubungszeit kontrolliert werden.
Unter dem Ausdruck "geringe Infrarotstrahlung" soll in dieser Beschreibung eine Abstrahlung bei Raumtemperatur unterhalb von 10% und vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 5% der auf die Schicht auftreffenden Strahlung verstanden werden. Substrate, die eine solche geringe Abstrahlung aufweisen, bestehen beispielsweise aus Kupfer, Silber und Gold.
Unter dem Ausdruck "hohe Absorption für Sonnenstrahlung" soll in dieser Beschreibung eine Absorption des Films von zumindest 75% und vorzugsweise 76% oder mehr der Sonnenstrahlung verstanden werden, die normal zur Filmoberfläche einfällt, unabhängig davon, ob diese Strahlung direkt oder nach Reflexion durch eine andere Fläche, wie durch einen Kuppen- oder Zylinderreflektor, auftrifft.
Routinemäßig wurden Überzüge aus einer einzigen homogenen Schicht eines Metallkarbids auf Kupfersubstraten hergestellt, um eine Abstrahlung von 3% der auf die Schicht auftreffenden Strahlung bei Raumtemperatur und eine Absorpitonsfähigkeit von 80% zu erzielen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles.
Fig. 1 zeigt einen Solarkollektor.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein Absorber- Rohr in dem Kollektor.
Fig. 3 veranschaulicht eine Sonnenheiztafel mit solchen Kollektoren.
Fig. 1 zeigt einen Solarkollektor mit einem Reflektor 1, der eine Seite eines als Absorber 2 dienenden Glasrohres 5 umgibt, durch das ein Strömungsmittel kontinuierlich in Richtung des Pfeiles 3 hindurchgeschickt wird, um die durch die Rohrwandung transportierte Wärme abzuführen, und das den Wärmeträger darstellt. In der Praxis liegt eine Reihe solcher Kollektoren Seite an Seite, und der Wärmeträger durchströmt sie nacheinander. Die Öffnung des Reflektors 1 ist gegen die Sonne gerichtet. Eine Glashülle 10 umschließt den Reflektor 1.
Fig. 2 ist wie Fig. 1 schematisch. Das auf den Absorber 2 direkt oder durch Reflexion von dem Reflektor 1 fallende Licht wird durch eine wärmesammelnde Schicht 4 absorbiert, die ein Glasrohr 5 bedeckt, durch den der Wärmeträger fließt.
Die Schicht 4 weist eine Kupferschicht 6 auf, die auf die Oberfläche des Glasrohres 5 zerstäubt ist. Das verwendete Verfahren bringt das Zerstäuben in einer Atmosphäre niedrigen Drucks mit sich, die von einem inerten Gas, wie Argon, gebildet ist, um so auf dem Glasrohr 5 eine Kupferschicht mit geringer Infrarotabstrahlung gemäß obiger Definition zu bilden. Das Zerstäuben wird unterbrochen, sobald die Schichtdicke zumindest 0,05 µm und vorzugsweise 0,2 µm beträgt.
Die Kupferschicht wird dann mit einem Film 7 von Eisenkarbid überdeckt, der eine Dicke zwischen 0,04 µm und 0,20 µm, vorzugsweise aber von 0,09 µm aufweist. Die erforderliche Dicke dieser Schicht und ihre Qualität kann durch die elektrischen sowie andere Parameter des benutzten reaktiven Zerstäubungsverfahrens erhalten werden. Es ist besonders zu erwähnen, daß der gewünschte elektrische Widerstand durch die Größe der Metall- und Karbidatome im Film bestimmt wird. In der Praxis wurde festgestellt, daß annehmbare Resultate bei einem elektrischen Widerstand eines Metallkarbids pro Flächeneinheit von 10 kΩ bis 1 MΩ erhalten werden. Der Ablagerungsprozeß kann so gesteuert werden, daß der Anteil der Metallkomponenten im Film mit wachsender Dicke abnimmt und entsprechend der Anteil der Kohlenstoffkomponente zunimmt.
Die Dicke des Karbidfilms 7 ist so gewählt, daß die Reflexionscharakteristik (bei etwa normalem Lichteinfall) ein Minimum bei Wellenlängen zwischen 0,8 µm und 1,0 µm aufweist. Dies entspricht in der Praxis einer Metallkarbidschichtdicke von annähernd 0,09 µm.
Der Film 7 kann in kleinem Maßstab auf einer ebenen Oberfläche durch Anordnung einer flachen Kupferscheibenelektrode parallel zu und in einem Abstand von dieser Oberfläche in einem inerten Gas, wie Argon, hergestellt werden. Die Oberfläche wird von einer zweiten flachen Elektrodenscheibe getragen, die am elektrischen Nullpotential liegt. Der Elektrodenfläche 7,5 × 10^-3 m². Unter diesen Voraussetzungen sind die folgenden Bedingungen für die Ablagerung der Kupferschicht zweckmäßig.

Elektrodenmaterial Kupfer
Elektrodenspannung -1200 V
Gas reines Argon
Strömungsgeschwindigkeit so rasch wie möglich
Gasdruck 26,7 Pa
Zerstäubungszeit 5Minuten

Für eine Elektrodenfläche von 7,5 × 10^-3m² sind die folgenden Bedingungen für die Ablagerung eines Eisenkarbidfilms zweckmäßig.

Elektrodenmaterial Eisen (oder rostfreier Stahl)
Elektrodenspannung -1200 V
Gas 1,6 Vol.-% Methan in Argon
Strömungsgeschwindigkeit 0,25 cm³s^-1 bei 1 bar
Gasdruck 26,7 Pa
Zerstäubungszeit 4Minuten
Filmdicke 0,09 µm

Eine unter obigen Bedingungen erstellte Beschichtung hat eine Absorptionsfähigkeit von 82% und eine Abstrahlung von 3% der auf die Beschichtung auftreffenden Strahlung bei Raumtemperatur.
Zum Beschichten langer Glasrohre kann die Bildung des Metallkarbidfilms durch reaktive Zerstäubung unter Verwendung einer langen Metallelektrode (z. B. aus rostfreiem Stahl) durchgeführt werden, die sich parallel zur Achse des Rohres und in einem Abstand von etwa 10 mm von dessen Oberfläche erstreckt. Während der Zerstäubung wird das Rohr langsam um seine Achse gedreht.
Argon und Methan läßt man so in die Zerstäuberkammer strömen, daß an allen Punkten in einer Zerstäubungsebene, durch die gleichzeitig die elektrische Entladung hindurchgeht, dieselben Zerstäubungsbedingungen aufrecht erhalten werden. Dies wird dadurch erreicht, daß das Gas im rechten Winkel zu der Ebene aus einem perforierten Einlaßrohr zu einem perforierten Auslaßrohr strömt, die sich beide parallel zur Elektrode erstrecken und jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Zerstäubungsebene liegen. Wird die Zerstäubung unter diesen Bedingungen ausgeführt, so ist die auf dem Rohr abgelagerte Schicht von gleichförmiger Dicke über seine gesamte Länge.
Die Gesamtschichtdicke wird durch die Zeit bestimmt, während welcher die Zerstäubung stattfindet, und die Qualität der Schicht durch Überwachung ihres elektrischen Widerstandes.
Die Bildung der Kupferschicht kann durch Zerstäuben unter Verwendung einer sich parallel zur Rohrachse erstreckenden Kupferelektrode und von reinem Argon für den Gasstrom durchgeführt werden.
Nach dem Bilden der Kupferschicht 6 und des Metallkarbidfilms wird das so hergestellte Kollektorrohr mittels einer ständig vakuumdichten Glashülle 10 aus gebranntem Hart- oder Sodaglas zusammen mit dem Reflektor 1 eingehüllt. Der Reflektor 1 ist übrigens nicht wesentlich.
Der Wärmeträger kann Öl oder ein anderes Strömungsmittel sein, das in einen Kollektor durch eine sich in das Sammelrohr erstreckende Leitung hindurchgelassen werden kann. Der Wärmeträger läuft dann entlang des Ringraumes zwischen der Leitung und aus dem Rohr heraus.
Eine Anzahl solcher Rohre sind Seite an Seite montiert und bilden eine Heizreihe einer Sonnenheiztafel 20 (Fig. 3), die gegen die Sonne gerichtet aufgestellt wird, wobei die Rohre hydraulisch in einem geschlossenen Kreis 21 mit einer Pumpe 22 und einem Wärmeaustauscher 23 in Serie oder parallel geschaltet sind.

Claims

1. Solarkollektor mit einem von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Glasrohr (5) als Absorber (2), das auf seiner Oberfläche eine Kupferschicht (6 ) aufweist, auf welche ein absorbierender Film (7) aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht (6) durch Zerstäuben bis zu einer Dicke von wenigstens 0,05 µm direkt auf die Oberfläche des Glasrohres (5) aufgebracht ist, und daß auf der Kupferschicht (6) der ein Metallkarbid enthaltende absorbierende Film (7) durch reaktive Zerstäubung mit einer Dicke von 0,04 bis 0,2 µm aufgetragen ist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Film (7 ) Eisenkarbid enthält.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (7) Eisen-, Chrom-, Nickel- und/oder Kohlenstoffatome aufweist, die in einer Schichtdicke von ca. 0,1 µm auf der Kupferschicht (6) abgelagert sind.