DD236978A1 - Solarselektive absorberschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft solarselektive Absorberschichten fuer Sonnenkollektoren mit niedriger thermischer Emission bei hoher Energieausbeute fuer Sonnenstrahlung. Durch die Winkelunabhaengigkeit der Absorption und durch ein grosses a:e-Verhaeltnis wird ein hoher Wirkungsgrad der Absorberschicht erreicht. Dabei ist auf Ventilmetallen wie Ti, Ta, Zr, Nb, Al eine definiert erschmolzene dunkelgefaerbte, chromdotierte Oxidschicht mit spezifisch absorbierenden Elementen aufgebracht, die homogen verteilt charakteristische Mikrostrukturierungen von durchschnittlich 500 nm aufweist. Die Beschichtung erfolgt durch anodische Oxydation unter Funkenentladung in bekannten Elektrolytkombinationen. Die Absorberschichten werden fuer Flach- und konzentrierende Kollektoren angwendet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft solarselektive Absorberschichten auf Ventilmetallen, wie z. B. Aluminium, und werden als Oberflächenschichten für Sonnenkollektoren, insbesondere für Flach- und konzentrierende Kollektoren angewendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Entwicklung von solarselektiven Absorberschichten sind die strahlungsphysikalischen Größen optische Absorption [al und thermische Emission (ε) für die Effektivität von Sonnenkollektoren von entscheidender Bedeutung.

Es ist bekannt, daß, diese Oberflächen neben hoher Absorption im sichtbaren Bereich eine niedrige thermische Emmission im Bereich der Wärmestrahlung aufweisen müssen und einfaches Schwarzfärben von Sonnenkollektoroberflächen zu hohen Absorptionen, aber gleichzeitig zu starken thermischen Emissionen führt. Dadurch wird das Verhältnis α:ε, welches die Qualität der Sonnenkollektoroberfläche bestimmt, etwa 1, so daß der Wirkungsgrad gering ist. Eine weitere Möglichkeit zur selektiven Absorption ist, wie in DE-OS 2811393 beschrieben wird, die Ausnutzung von Interferenzeffekten, d.h. dünne Schichten von λ/4 Dicke absorbieren Sonnenstrahlung durch Mehrfachreflexionen in diesen Schichten, während die glänzende Metalloberfläche Wärmestrahlung reflektiert. Diese Schichten führen zwar zu einem «^-Verhältnis von größer 1, technisch ist aber die Schichtdicke λ/4 über die gesamte Kollektoroberfläche nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren. Diese aus wenigen Atomlagen bestehenden Schichten sind außerdem mechanisch nicht beanspruch bar und bieten der Metallplatine wenig Korrosionsschutz.

Weiterhin ist bekannt, galvanische Absorberschichten durch Einlagerung von Farbpigmenten in vorhandene Oxidschichten herzustellen, wie es z. B. in AT 357389 beschrieben wird. Als Farbpigmente kommen auch Edelmetalle wie Ag zur Anwendung (QB-PS 821237), was aber einen erhöhten Aufwand erfordert. Diese Schichten zeigen keine homogene Oberflächenstruktur und besitzen ein relativ hohes Reflexionsvermögen für Sonnenstrahlung.

In jüngster Zeit werden auch selektive Schwärzungen mittels Kathodenzerstäubung beschrieben (DE-OS 3002704). Diese Absorberschichten besitzen ein relativ hohes thermisches Emissionsvermögen von ε größer/gleich 0,3, d. h. eine geringe Selektivität durch hohe Reflexion. Bekannte galvanische Schwarzchromschichten für Sonnenkollektoren erfordern einen extrem hohen Herstellungsaufwand, da die mikrostrukturierte Oberfläche erst durch vorheriges Aufrauhen der Kollektoroberflächen entsteht. (DE-OS 3218170). Dabei werden α/ε-Verhältnisse bis 4 erreicht. Der notwendige technische Herstellungsaufwand ist

Diese bisher beschriebenen selektiven Absorberschichten weisen zudem eine starke Winkelabhängigkeit ihres Wirkungsgrades bezüglich der zu absorbierenden Strahlung auf. Dadurch ist die Sonnenkollektoreffektivität nur auf einen relativ kleinen Einstrahlungswinkel begrenzt, wenn nicht komplizierte technische Einrichtungen zum Nachführen des Sonnenkollektors auf den optimalen Einstrahlungswinkel zum Einsatz kommen. Die genannten selektiven Absorberschichten besitzen relativ geringe optische und/oder mechanische Stabilität bei dargestellt geringem Verhältnis.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einfach aufgebaute, solarselektive Absorberschichten zu schaffen, welche für Sonnenstrahlung bei niedrigerthermischer Emission eine hohe Energieausbeute erreicht, und einen einfachen Aufbau der Kollektoren ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solarselektive Absorberschichten mit guten strahlungsphysikaliüchen Parametern, hoher optischer Stabilität, Schutzfunktion für Kollektorgrundkörper, guter Wärmeleitung und Übertragung auch auf kompliziert geformter! Sonnenkollektoroberflächen effektiv herzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung des ANOF-Verfahrens dadurch gelöst, daß auf Ventilmetallen wie Ti, Ta, Zr, Nb, Al eine definiert erschmolzene chromdotierte Oxidschicht mit spezifisch absorbierenden Elementen aufgebracht ist, die homogen verteilt charakteristische Mikrostrukturierungen von ca.500mm aufweist. Die Beschichtung der Kollektorgrundkörper erfolgt durch anodische Oxidation unter Funkenentladung in bekannten Elektrolytkombinationen, denen Chromate in Konzentration von größer 1,0mol 1~¹ zugesetzt sind und wenn Impulsspannungen von größer 10V verwendet werden, wobei die entsprechende Absorberschicht aus erschmolzenen Chromoxiden und Oxiden des Kollektorgrundkörpers besteht. Überraschenderweise finden dabei in Anodennähe Reduktionen der Schwermetellionen in solchen Partialbereichen statt, die zu den gewünschten Mikrostrukturen führen. Die reduzierten Ionen sind gleichzeitig in die mit dem Kollektorgrundkörper fest verbundene Oxidschicht so eingelagert,

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daß ζ. B. bei Al eine homogene Schwarzfärbung der Absorberschicht und nicht die bisher bekannten Rot-bzw. Grünfärbungen bei isomorphem Einbau von Chromionen im Aluminiumoxid entsteht.

Das während der Reduktion von den Partialbereichen austretende Gas prägt der erschmolzenen Oberfläche die charakteristische Morphologie auf. Dadurch weisen die dunkelgefärbten Absorberschichten ein hohes Absorptionsvermögen von a > 0,92 auf. Aus diesem Oberflächenstruktureffekt resultieren Mehrfachreflektionen, so daß die entfallende Strahlung ihre Energie in Form von Wärme an die Absorberschicht abgibt und diese durch den erschmolzenen, gut wärmeleitenden, porenarmen Zustand der Absorberschicht auch auf den Kollektorkörper optimal übertragen wird. Gleichzeitig wirkt die darunterliegende glänzende Metalloberfläche stark reflektierend für Wärmestrahlung, so daß der Kollektor eine geringe thermische Emission besitzt. Durch die spezifischen Strukturdimensionen von etwa 500nm wird außerdem eine Winkelunabhängigkeit der absorbierenden Strahlung erreicht, so daß auch bei nicht senkrechter Einstrahlung maximale Absorptionswerte erzielt werden und hohe Energieausbeuten vorhanden sind.

Ausführungsbeispiel

Auf einem Kollektorgrundkörper aus Aluminium wird die solarselektive Absorberschicht mittels anodischer Oxydation unter Funkenentladung in einem Elektrolyten mit hohem Streuvermögen, welcher je 0,1 molar an NH₄F und Na₂B₄O?, je 0,5 molar an NaH₂PO₄ und NaF und 1,5 molar an Na₂CrO₄ ist, bei einer Impulsstromdichte von 0,2 A cm"¹ aufgebracht. Die Absorberschicht liegtauf dem Kollektorgrundkörper in einem hohen Erschmelzungsgrad haftfest vor, ist porenarm, tiefschwarz gefärbt udn schützt die Metallplatine vor Korrosion. Die Absorbtionsschicht besitzt eine charakteristisch mikrostrukturierte homogene Oberfläche mit Strukturdimensionen von 400-600 nm. Langzeituntersuchungen weisen die hohe Lichtechtheit und Korrosionsbeständigkeit aus. Kalorische Messungen zeigen ein thermisches Emissionsvermögen von ε =0,12 bei 333 K, so daß sich ein Verhältnis von α : e bei winkel unabhängiger Einstrahlung von 8 ergibt. Damit entfällt ein ständiges Nachführen des Sonnenkollektors entsprechend dem Sonnenstand, wie es für Kollektoren mit glänzender Oberfläche erforderlich ist.

Claims (2)

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   Patentansprüche:

   1. Solarselektive Absorberschichten auf Sonnenkollektorgrundkörpern, gekennzeichnet dadurch, daß diese aus einer definiert erschmolzenen, dunkelgefärbten, chromdotierten Oxidschicht auf Ventilmetallen bestehen, wobei charakteristische homogene Mikrostrukturierungen mit Strukturdimensionen von etwa 500 nm ausgebildet sind.
2. 2. Solarselektive Absorberschichten nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß sie aus erschmolzenen Chromoxiden und Oxiden des Kollektorgrundkörpers bestehen.