DE102010034901A1

DE102010034901A1 - Solarthermische Anordnung

Info

Publication number: DE102010034901A1
Application number: DE102010034901A
Authority: DE
Inventors: Dr. Chen Jie; Prof. Dr. Lux-Steiner Martha Christina
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: CH703652A2; CH703652B1; DE102010034901B4

Abstract

Bei einer solarthermischen Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht, ist erfindungsgemäß entweder unmittelbar auf der lichtabsorbierenden Schenbereich Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich angeordnet, wobei die Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich mit der lichtabsorbierenden Schicht eine selektive Absorberschicht bilden, terial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich angeordnet, deren Höhe größer ist als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht und die lichtabsorbierende Schicht mit dem darin eingebetteten Teil der Nanostrukturen eine Absorberschicht mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der Nanostrukturen eine Antireflexionsschicht bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht.
Solarthermische Bauelemente wandeln Sonnenlicht direkt in nutzbare Wärme um. Bekannt sind beispielsweise Vakuumröhrenkollektoren, Flachkollektoren und solare Speicher. So sollen Kollektorröhren möglichst effizient Licht einkoppeln, in Wärme umwandeln und die erzeugte Wärme in ein Wärmeträgermedium (z. B. Wasser oder Öl) leiten.
Bekannt sind dem Stand der Technik nach Vakuumkollektorröhren, bei denen zwei konzentrisch ineinander angeordnete Röhren einen geschlossenen Raum bilden, der evakuiert ist. Die äußere Wandung der inneren Röhre ist mit einer selektiven, lichtabsorbierenden Beschichtung versehen. In dieser in DE 298 01 531 U1 beschriebenen Anordnung erfolgt der Wärmeübergang von der absorbierenden Schicht auf der Außenseite der inneren Röhre auf das direkt an der Innenseite der inneren Röhre vorbeiströmende Wärmemedium.
In DE 100 33 240 A1 wird eine Vakuumröhre für Solarenergieanlagen beschrieben, die einen evakuierten, transparenten Zylinder mit einer teilweisen Verspiegelung aufweist, in dem mindestens ein Absorberrohr entgegen der Verspiegelung versetzt zum Mittelpunkt des transparenten Zylinders angeordnet ist. Außerdem kann auch mindestens eine Absorberfahne an dem Absorberrohr angeordnet sein. Diese Anordnung soll einen verbesserten solaren Ertrag realisieren. Angaben zur Absorberschicht wurden nicht gemacht.
Auf der Internetseite der Firma ESTEC Energiespartechnik GmbH sowie im Informationsblatt der Firma Optimuzz 7 Islas S. L. wird erwähnt, dass die hochselektive Absorberbeschichtung im Inneren des Vakuumreinraumes der Kollektorröhren auf die Glasoberfläche mittels Sputtern aufgebracht wurde. Im Inneren der Röhre ist ein 360° gerollter Kupferabsorber direkt anliegend an der Wand angeordnet, wodurch ein guter Wärmeübergang des Glases auf den Absorber realisiert werden soll. Durch den rundumlaufenden Absorber und einen dahinterliegenden Spiegel aus hochglanzeloxiertem Aluminium ist der Einstrahlwinkel unabhängig, wodurch die Lichteinkopplung verbessert wird.
Die bekannten Lösungen zur Lichteinkopplung brachten zwar eine Verbesserung, jedoch sind diese nur mit technischem Aufwand zu realisieren. Ein weiteres Problem sind die Reflexionen der Sonnenstrahlen bei fehlender Entspiegelung.
In den letzten Jahren wurden Nanostrukturen verschiedener Materialien auf ihre Eigenschaften und ihre Anwendungsmöglichkeiten untersucht.
In Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 wird über ZnO-Nanostrukturen, gewachsen auf einer auf einem Substrat angeordneten Keimschicht aus einer Lösung bei niedrigen Temperaturen, als effiziente Antireflexionsschichten in Solarzellen berichtet, um die Lichteinkopplung in die aktive Region des Bauelements zu verbessern.
In Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006 wird zur Herstellung von ZnO-Nanoröhren ein zweistufiger Prozess angewendet, bei dem zunächst eine gleichmäßige Keimschicht mittels ALD (Atomic Layer Deposition) auf ein beliebiges Substrat abgeschieden wird, auf der anschließend in einer wässrigen Lösung zweidimensionale ZnO-Nanostäbchen aufgewachsen werden.
Ein einstufiges Verfahren zur Herstellung von ZnO-Nanostäbchen mit hohem inneren Quantenwirkungsgrad mittels Elektrodeposition in wässriger Lösung aus Zn(NO₃)₂ und HNO₃ oder NH₄NO₃ oder NH₃ ist in WO 2009/103286 A2 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Anordnung für eine Kollektorröhre anzugeben, die eine vom Einstrahlwinkel des Sonnenlichts unabhängige Lichteinkopplung bei – im Vergleich zum Stand der Technik – verringerter Reflexion gewährleistet und die im Vergleich zum Stand der Technik weniger aufwändig in ihrer Herstellung ist.
Die Aufgabe wird für eine solarthermische Anordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Bei der ersten Variante ist Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich direkt auf der lichtabsorbierenden Schicht angeordnet. Sub-Wellenlängenbereich umfasst Wellenlängen unterhalb der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts, d. h. < 350 nm. Die lichtabsorbierende Schicht und das Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich bilden einen selektiven Absorber, der eine hohe Absorption und eine geringe Reflexion aufweist.
Die als Antireflexionsschicht wirkenden Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich vergrößern durch ihre Wirkung unabhängig vom Einstrahlungswinkel den Anteil des einfallenden Lichts, der absorbiert wird und damit zusätzlich für die Umwandlung in Wärme zur Verfügung steht. Das Sonnenlicht wird direkt in das Substrat unter den selektiven Absorber eingekoppelt und gibt die Wärme an das Wasser ab, was sich im Substrat befindet.
In der zweiten Variante ist in der lichtabsorbierenden Schicht Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich angeordnet. Die Höhe der Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich ist dabei größer als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht. Die lichtabsorbierende Schicht mit dem darin eingebetteten Teil der Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich bildet eine Absorberschicht mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich eine Antireflexionsschicht. Auch durch diese Anordnung wird wiederum ein größerer Anteil des einfallenden Lichts absorbiert und steht für die direkte Einkopplung und Wärmeumwandlung im Substrat zur Verfügung steht.
Beide erfindungsgemäße Anordnungen benötigen keine zwei konzentrisch ineinander angeordneten Röhren mehr, deren Zwischenraum evakuiert ist. Damit ist die Herstellung eines solarthermischen Bauelements wesentlich vereinfacht.
In Ausführungsformen ist vorgesehen, das Substrat aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl zu bilden oder aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Glas oder einem Polymer, und einer darauf angeordneten elektrisch leitenden Schicht. Diese elektrisch leitende Schicht ist eine TCO-Schicht oder eine Metallschicht. Das Substrat kann röhrenförmig oder flach für die Aufnahme des Wärmeträgermediums ausgebildet sein.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich zunächst auf das Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich. Dieses Nanomaterial kann aus die ZnO-Nanostäben gebildet sein. Es ist vorgesehen, dass die ZnO-Nanostäbe einen Durchmesser von 30 bis 500 nm und eine Länge von 100 bis 3.000 nm aufweisen. Der Abstand der ZnO-Nanostäbe zueinander liegt im Nanometerbereich und beträgt insbesondere 10 nm bis einige 100 nm. Die ZnO-Nanostäbe laufen in einem spitzen Kegelstumpf aus.
Die Herstellung der ZnO-Nanostäbe kann nach dem in WO 2009/103286 A2 beschriebenen Verfahren erfolgen.
Die lichtabsorbierende Schicht kann beispielsweise aus CdO oder schwarzer Farbe oder einem Gemisch aus TiO₂ und TiN oder Silizium gebildet sein.
Die Erfindung wird in folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen
1: schematisch eine Schichtenfolge eines ersten Ausführungsbeispiels;
2: schematisch eine Schichtenfolge eines zweiten Ausführungsbeispiels.
In 1 ist eine ca. 120 nm dicke Schicht aus ITO auf einer Glasröhre angeordnet, wobei ITO-Schicht und Glasröhre das Substrat S bilden. Auf dem Substrat befindet sich eine 100 nm dicke Absorberschicht A aus Si. Auf dieser Si-Schicht A sind kegelstumpfförmige ZnO-Nanostäbe NR als Nanostrukturen im Sub-Wellenlängenbereich aufgebracht, die eine Länge von 1.000 nm und einen sich von 450 nm auf der Si-Schicht bis 150 nm verjüngenden Durchmesser aufweisen. Die als Antireflexionsschicht wirkenden ZnO-Nanostäbe (NR) vergrößern durch ihre Wirkung den Anteil des einfallenden Lichts, der eingekoppelt wird und damit zusätzlich für die Umwandlung in Wärme zur Verfügung steht.
Die Schichtstruktur in 2 unterscheidet sich von der Struktur in 1 dadurch, dass die ZnO-Nanostäbe NR in der lichtabsorbierenden Schicht A angeordnet sind. Die Länge der ZnO-Nanostäbe NR beträgt hier 2.500 nm, die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht A 1.500 nm.
Durch die von ZnO-Nanostäben und lichtabsorbierender Schicht gebildete Absorberschicht mit über ihre Dicke variierendem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der ZnO-Nanostäbe wird ein größerer Anteil des einfallenden Lichts absorbiert, der für die direkte Einkopplung und Wärmeumwandlung im Substrat zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 29801531 U1 [0003]
DE 10033240 A1 [0004]
WO 2009/103286 A2 [0010, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 [0008]
Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006 [0009]

Claims

Solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der lichtabsorbierenden Schicht Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich angeordnet ist und das Nanomaterial mit der lichtabsorbierenden Schicht eine selektive Absorberschicht bildet.
Solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass in der lichtabsorbierenden Schicht Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich angeordnet ist, wobei die Höhe der Strukturen größer ist als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht, und die lichtabsorbierende Schicht mit dem darin eingebetteten Teil des Nanomaterials eine Absorberschicht mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen des Nanomaterials eine Antireflexionsschicht bilden.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat gebildet ist aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat gebildet ist aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Glas oder einem Polymer, und einer darauf angeordneten elektrisch leitenden Schicht.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht eine TCO-Schicht oder eine Metallschicht ist.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat röhrenförmig oder flach ausgebildet ist.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanomaterial mit Strukturen im Sub-Wellenlängenbereich vertikal freistehende ZnO-Nanostäbe (NR) sind.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ZnO-Nanostäbe (NR) einen Durchmesser von 30 bis 500 nm und eine Länge von 100 bis 3.000 nm aufweisen.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ZnO-Nanostäbe (NR) zueinander einen Abstand im Nanometerbereich aufweisen, insbesondere 10 nm bis einige 100 nm.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ZnO-Nanostäbe (NR) in einem spitzen Kegelstumpf auslaufen.