DE19515305A1

DE19515305A1 - Strahlungsenergiewandler auf Fullerenbasis

Info

Publication number: DE19515305A1
Application number: DE19515305A
Authority: DE
Inventors: Adalbert Prof Dr Ing Ding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 1996-11-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung befaßt sich mit Verbesserungen an Strahlungsenergiewandlern in Form von Solarkollektoren oder dgl. zur Umwandlung von Solarenergie in Wärme, die beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, zur Raumheizung oder als Prozeßwärme verwendet wird. Nach dem Stand der Technik sind ver schiedene Ausführungen bekannt, bei denen die Wärmeübertragung teilweise auf unterschiedlichen Prinzipien beruht.

Der Absorber eines im Niedertemperaturbereich üblicherweise eingesetzten Solarkollektors [1] besteht aus einem Rohr und Flügeln, die längs des Rohres angebracht sind, um die Absorberfläche zu vergrößern. Das Rohr wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das die Wärme des Absorbers auf nimmt. Die der Sonne zugewandte Seite des Absorbers ist im einfachsten Fall schwarz gefärbt bzw. mit einem Licht stark absorbierenden Material be schichtet [2]. Ein höherer Wirkungsgrad wird jedoch mit einer sogenannten selektiven Beschichtung, beispielsweise Schwarzchrom- oder -nickel, die kür zere Wellenlängen bevorzugt absorbiert, erreicht [3]. Die meisten der heute verwendeten Farbstoffe und Beschichtungen sind seit langem bekannt [2, 3], ihre Lebensdauer ist jedoch noch nicht zufriedenstellend [4], und die Her stellungsverfahren sind zum Teil aufwendig und damit teuer [5]. Selektive Schichten und ihre Herstellung sind daher nach wie vor Gegenstand aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (vgl. z. B. [6]).

Die meisten Farbstoffe sind nicht stabil gegenüber UV-Strahlung [7]. Mit der Zersetzung des Farbstoffs ändert sich auch sein Absorptionsspektrum. Die bisher am häufigsten verwendeten selektiven Beschichtungen Schwarz chrom- und -nickel werden in industrieller Fertigung galvanisch aufgebracht, müssen aus physikalischen Gründen sehr dünn sein und sind daher in gewis sem Maße feuchtigkeitsempfindlich [8].

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Wärmeübertragung beruht auf dem Verdampfungs- und Kondensationsprinzip [9]. Das absorbierende Medium ist dabei eine Flüssigkeit, die beim Erwärmen verdampft und am Verbraucher oder an einem von einem Wärmeträgermedium durchströmten Hohlkörper kondensiert. Diese Art von Solarkollektoren erweist sich als vorteilhaft für den Einsatz im Mittel- und Hochtemperaturbereich, beispielsweise zur Erzeu gung von Prozeßwärme, da konzentrierende optische Elemente, z. B. parabol förmige Spiegel, eingesetzt werden können. Durch diese Maßnahme läßt sich der nutzbare Strahlungseinfall erhöhen, wenn die Anlage unter geeigneten Bedingungen betrieben wird, d. h. in sonnenreichen Gegenden, in denen der Anteil direkter Strahlung an der Globalstrahlung groß ist.

Anforderungen an das absorbierende Medium

Die Anforderungen an das absorbierende Medium sind unabhängig von der Art des Wärmetransports im wesentlichen die gleichen. Der Absorber soll die einfallende Solarstrahlung möglichst vollständig in Wärme umwandeln und in möglichst geringem Maße im Infraroten Wärmestrahlung abgeben. Desweite ren soll das absorbierende Medium einfach herstellbar sein, eine hohe Lebens dauer von mindestens 10-15 Jahren aufweisen sowie insbesondere stabil gegenüber den in der Solaranlage zu erwartenden hohen Temperaturen sein.

Problemlösung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als absorbierendes Medium Fullerene, Fullerenderivate oder Verbindungen mit Fullerenen einzusetzen, da Fullerene eine Vielzahl derjenigen Eigenschaften aufweisen, die für den Einsatz in einem Solarkollektor erwünscht sind.

Fullerene sind sphärische Kohlenstoff-Cluster, die aus mindestens 28 bis zu mehreren hundert Kohlenstoffatomen bestehen. Die am einfachsten in quanti tativer Menge herstellbaren Fullerene, C₆₀ und C₇₀, sind als rötlich-braune mikrokristalline Pulver kommerziell erhältlich [10]. Der Preis für reines C₆₀ ist seit der ersten Herstellung quantitativer Mengen ständig gesunken und wird voraussichtlich in den kommenden Jahren weiter drastisch fallen [11]. Bei den derzeit gängigen Herstellungsverfahren fallen C₆₀ und C₇₀ im Verhältnis von etwa 9 : 1 an. C₆₀ mit C₇₀-Beimischung ist daher noch deutlich preiswerter als reines C₆₀.

Fullerene absorbieren UV-Strahlung und sichtbares Licht, weisen aber nur eine geringe Absorption und Emission im nahen und mittleren Infrarotbereich auf. Abb. [A] zeigt das Absorptionsspektrum im Bereich sichtbaren Lichts für Kohlenstoffruß und für dünne C₆₀-Schichten. Abb. [B] zeigt die Infrarot absorptionsspektren von C₆₀ enthaltendem Kohlenstoffruß und reinem C₆₀- Pulver. Es wird deutlich, daß C₆₀ im Gegensatz zu beispielsweise gewöhn lichem Kohlenstoffruß eine selektive Absorptionscharakteristik aufweist. Für C₇₀ und andere höhere Fullerene beobachtet man ein sehr ähnliches Absorp tionsverhalten [12]. Daher kann als absorbierendes Medium eine Mischung verschiedener Fullerene verwendet werden.

Dünne Fullerenschichten lassen sich durch Verdampfen bei Temperaturen oberhalb von etwa 300-400°C relativ leicht und damit kostengünstig her stellen [13]. Fullerene können auch in einem nach dem Verdampfungs- und Kondensationsprinzip arbeitenden Solarkollektor eingesetzt werden, da sie in unpolaren Lösungsmitteln, z. B. Dekalin, Toluol oder Tetralin, löslich sind [14].

Im Vergleich mit gängigen Farbstoffen weisen Fullerene eine wesentlich höhere Stabilität gegenüber UV-Strahlung auf [15]. Fullerene sind außerdem temperaturbeständig bis zu ca. 900°C [16]. Eine hohe Lebensdauer ist auch für Fullerenbeschichtungen zu erwarten, selbst wenn sie teilweise oxidiert sind, da mit der Bildung der Oxide C₆₀O und C₇₀O keine wesentliche Ände rung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Fullerene ver bunden ist [17]. Auch weisen Oxide eine ähnliche Absorptionscharakteristik auf [18]. Eine wesentliche Änderung des Absorptionsspektrums (vgl. Abb. [A] und [B]) ist somit weder durch die UV-Licht-Einwirkung noch durch höhere Temperaturen im Absorber zu erwarten.

Bevorzugte Anwendungen der Erfindung sind in den Abb. 1 bis 3 schematisch und beispielsweise dargestellt. Es zeigen im einzelnen:

Abb. 1 einen Solarkollektor nach dem Verdampfungs- und Kondensations prinzip (Längsschnitt und Querschnitt)

Abb. 2 Schnitt durch einen Solarkollektor mit beschichtetem Absorber

Abb. 3 Schnitt durch einen Solarkollektor, der das absorbierende Medium zwischen dem Absorber und einer abdeckenden Platte enthält.

Abb. 1 zeigt einen auf dem bekannten Verdampfungs- und Kondensations prinzip beruhenden Solarkollektor 1, bei dem die restlichen Teile des Kreislaufs wie Anschlußleitungen, Wärmespeicher oder dgl. nicht darge stellt sind. Ebenfalls nicht dargestellt sind die anderen Teile der Gesamt anlage wie konzentrierende optische Elemente, Wärmedämmung oder dgl. Das absorbierende Medium 2, bestehend aus einer Lösung von einer fullerenhaltigen Substanz (Fullerene, Fullerenderivate oder Verbin dungen mit Fullerenen) in einem geeigneten Lösungsmittel, z. B. Toluol, befindet sich in einem Gehäuse 5 aus transparentem Material, z. B. Glas. Das Gehäuse 5 wird über das Ventil 7 auf einen Druck unterhalb von etwa 10-100 mbar teilevakuiert. Die für eine dunkle Färbung des Wärmeträgermediums erforderliche Fulleren-Konzentration beträgt für C₆₀ etwa ein Gramm pro Liter. Die maximale Konzentration ist durch die Löslichkeit des Lösungsmittels begrenzt und liegt zwischen 2 g und einigen 10 g pro Liter [14].

Das absorbierende Medium 2 wandelt das einfallende Sonnenlicht in Wärme um, verdampft und kondensiert an dem Hohlkörper bzw. Kon densor 3, z. B. einem Kupferrohr, der über Zufluß 6 von dem Wärme trägermedium 4 durchströmt wird. Die Wärme des absorbierenden Mediums 2 wird als Kondensationswärme auf den Kondensor 3 über tragen und erwärmt das durch diesen fließende Wärmeträgermedium 4. Das Kondensat tropft beispielsweise am Kondensor 3 und den Innen wänden des Gehäuses 5 ab und wird dem Kreislauf wieder zugeführt.

Abb. 2 zeigt einen Solarkollektor 1 mit einem plattenförmigen Absorber 5, in den rohrförmige Hohlkörper 3 zur Führung des Wärmeträgermediums 4 eingebettet sind. Die restlichen Teile des Kreislaufs und die anderen Teile der Gesamtanlage sind nicht dargestellt. Auf dem gesamten Absorber 5 befindet sich das absorbierende Medium 2 in Form einer fullerenhaltigen Schicht (Fullerene, Fullerenderivate bzw. Verbindungen mit Fullerenen), die beispielsweise durch bekannte Verdampfungs- oder Sputterverfahren aufgebracht werden kann. Die Sonnenstrahlung wird im absorbierenden Medium 2, der fullerenhaltigen Schicht, absorbiert und in Wärme umgewandelt. Über den Absorber 5 und den Hohlkörper 3 wird die Wärme dann an das Wärmeträgermedium 4 weitergegeben. Für eine annähernd vollständige Absorption der Solarstrahlung ist eine Fullerenschicht von einigen µm bis einigen 100 µm Schichtdicke ausrei chend und kann beispielsweise durch bekannte Sublimationsverfahren hergestellt werden.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf den in Abb. 2 dargestellten plattenförmigen Absorber beschränkt. Es können auch andere Absorber, z. B. Rohre ohne Flügel, mit der fullerenhaltigen Substanz beschichtet werden. Das absorbierende Medium kann entweder eine reine Schicht aus Fullerenen, Fullerenderivaten oder Verbindungen mit Fullerenen sein oder auch eine Beschichtung mit einer Substanz, die Fullerene, Fulleren derivate oder Verbindungen mit Fullerenen enthält.

Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Solarkollektor 1, der das absorbie rende Medium 2, eine fullerenhaltige Substanz, zwischen dem platten förmigen Absorber 5 und einer abdeckenden transparenten Platte 6 enthält. Die Wärme aus dem absorbierenden Medium 2 wird über den Absorber 5 und den Hohlkörper 3 an das Wärmeträgermedium 4 abge geben. Die in in dieser Abbildung gezeigte Anordnung kann zweck mäßig sein, wenn als fullerenhaltige Substanz ein Pulver oder eine sonstige Substanz verwendet werden soll, die nicht als feste Beschich tung aufgebracht werden kann.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf den in Abb. 2 und 3 dargestellten plattenförmigen Absorber 5 beschränkt, sondern bezieht sich auch auf anders geformte, ein Wärmeträgermedium führende Absorber.

Der Einsatz von Fullerenen, Fullerenderivaten oder Verbindungen mit Fullerenen als absorbierendes Medium ist nicht auf solche Systeme be schränkt, bei denen ein Wärmetauscher zwischen dem absorbierenden Medium und einem Wärmeträgermedium zum Einsatz kommt, sondern wird erfindungsgemäß auch für solche Systeme vorgeschlagen, die nach dem bekannten Prinzip der Direktverdampfung des Wärmeträgermediums arbeiten.

Literatur

[1] Einen aktuellen Überblick über Hersteller von Solarkollektoren liefert:
R. Schüle, M. Ufheil "Thermische Solaranlagen - Marktübersicht 1994/95" Öko-Institut e.V. Freiburg (1994)
[2] C.M. Lampert Solar Energy Materials 2 (1979) 1-17 "Coatings for enhanced photothermal energy collection- Non-selective and energy control films"
[3] C. M. Lampert Solar Energy Materials 1 (1979) 319-341 "Coatings for enhanced photothermal energy collection- Selective absorbers"
[4] H. Ladener "Solaranlagen - Planung und Bau von Solarsystemen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung", Ökobuch Verlag Freiburg (Mai 1993) Kapitel 2.3.2: "Flachkollektoren - Absorberbeschichtung"
M. Köhl, U. Frei Materialprüfung 11 (1990) und 3 (1991) Carl Hanser Verlag München "Beschleunigte Alterungsuntersuchungen an Solarabsorberschichten"
[5] Eine Übersicht über Herstellungsverfahren für die unterschiedlichsten selektiven Schichten findet man in Zitat 3, Seite 335.
Die Problematik der Herstellung mittels galvanischer Prozesse, insbeson dere in Hinblick auf eine umweltfreundliche Durchführung, erwähnen R. Schüle, M. Ufheil in:
"Thermische Solaranlagen - Marktübersicht 1994/95" Kapitel 7.3: "Umweltvergleich - Eingesetzte Materialien" Öko-Institut e.V. Freiburg (1994)
[6] M. Koltun, G. Gukhman, A. Gavrilina Solar energy Materials and Solar Cells 33 (1994) 41-44 "Stable selective coating "black nickel" for solar collector surfaces"
[7] F.P. Schäfer (Herausgeber) "Dye lasers", Springer-Verlag Berlin (1973) Kapitel 1.1: "General properties of organic compounds"
[8] H. Böck, R. Hallemayer, W. Schölkopf, R. Sizmann in: BMFT-Forschungsbericht T 84.042 (März 1984) "Verbesserung von Flachdachkollektoren zur thermischen Energienutzung" Kapitel 1.2.2: "Galvanische Herstellung von Absorberschichten" H. Ladener "Solaranlagen - Planung und Bau von Solarsystemen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung", ökobuch Verlag Freiburg (Mai 1993) Kapitel 2.3.2: "Flachkollektoren-Absorberbeschichtung"
[9] Jochen Fricke, Walter L. Borst "Energie", R. Oldenbourg Verlag (1984) Kapitel 9.7: "Das Wärmerohr ("heat pipe")"
[10] Herstellungsverfahren werden u. a. beschrieben in:
D.R. Huffman Physics Today Nov. (1991) 22-29 "Solid C₆₀"
Bezugsquelle für Fullerene Co und C₇₀ ist u. a.:
Hoechst AG, Coordination Fullerene Applications, Dr. T.F. Stehlin, Angewandte Physik, D-65926 Frankfurt a.M.
[11] J. Dettmann "Fullerene - die Buckyballs erobern die Chemie" Birkhäuser Verlag (1994) S. 73
[12] H. Ajie et al. J. Phys. Chem. 94 (1990) 8630-8633 "Characterization of the soluble all-carbon molecules C₆₀ and C₇₀" K. Kikutchi et al. "Chem. Phys. Lett. 188 (1992) 177-180 "Isolation and identification of fullerene family: C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₈₄, C₉₀ and C₉₆"
R. Ettl et al. Nature 353 (1991) 149-153 "Isolation of C₇₆, a chiral (D₂) allotrope of carbon"
[13] W. Krätschmer et al. Nature 347 (1990) 354-358 "Solid C₆₀: a new form of carbon"
[14] R.S. Ruoff et al. J. Phys. Chem. 97 (1993) 3379-3383 "Solubility of C₆₀ in a variety of solvents"
[15] Th. Drewello et al. Int. J. of Mass Spectr. and Ion Proc. 124 (1993) R1-R6 "Photoionization dynamics of C₆₀ studied with synchrotron radiation"
[16] J. Dettmann "Fullerene - die Buckyballs erobern die Chemie" Birkhäuser Verlag (1994) S. 50
[17] F. Diederich et al. Science 252 (1991) 548-551 "The higher fullerenes: Isolation and characterization of C₇₆, C₈₄, C₉₀, C₉₄, and C₇₀O, an oxide of D_5h-C₇₀"
K.M. Creegan J. Am. Chem. Soc. 114 (1992) 1103-1105 "Synthesis and characterization of C₆₀O, the first fullerene epoxide"
[18] K. Aoki et al. J. Phys. Chem. 95 (1991) 9037-9039 "High-pressure FT-IR study of solid C₆₀"

Bezugszeichenliste

Abb. 1
1 Solarkollektor
2 Absorbierendes Medium
3 Kondensor
4 Wärmeträgermedium
5 Gehäuse
6 Zufluß des Wärmeträgermediums
7 Ventil zur Evakuierung des Gehäuses
Abb. 2 und 3:
1 Solarkollektor
2 Absorbierendes Medium
3 Hohlkörper zur Führung des Wärmeträgermediums
4 Wärmeträgermedium
5 Absorber
6 Abdeckplatte

Die vertikalen Pfeile deuten die Richtung der Sonneneinstrahlung an.

Claims

1. Strahlungsenergiewandler, insbesondere Solarkollektor, zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme, der auf einem der bekannten Verfahren beruht, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung absorbierendes Medium eine fullerenhaltige Substanz (Fullerene, Fullerenderivate oder Verbindungen mit Fullerenen) eingesetzt wird, die einheitlich oder uneinheitlich sein kann.

2. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, der nach dem bekannten Ver dampfungs- und Kondensationsprinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die fullerenhaltige Substanz in Lösung verwendet wird.

3. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die Strahlung im nahen und mittleren infraroten Wellenlängenbereich (ca. 3-10 µm) nur wenig absorbiert.

4. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß als Lösungsmittel eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die einen Siedepunkt zwischen ca. 40°C und ca. 200°C aufweist.

5. Strahlungsenergiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel eine unpolare Substanz, beispielsweise ein Alkan wie z. B. Dekalin, oder ein Aromat wie z. B. Toluol oder Tetralin, eingesetzt wird.

6. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsgemisch verwendet wird, das ein Lösungsmittel für die fullerenhaltige Substanz, z. B. ein aromatisches Lösungsmittel, enthält.

7. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch Strahlung im nahen und mittleren infraroten Wellenlängenbereich (ca. 3-10 µm) nur wenig absorbiert.

8. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 2, 6 und 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch einen Siedepunkt zwischen ca. 40°C und ca. 200°C aufweist.

9. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 und 2, der nach dem bekannten Verdampfungs- und Kondensationsprinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die fullerenhaltige Substanz als Suspension in einer Flüssigkeit verwendet wird.

10. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flüssigkeit Strahlung im nahen und mittleren infraroten Wellenlängenbereich (ca. 3-10 µm) nur wenig absorbiert.

11. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 2, 9 und 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flüssigkeit einen Siedepunkt zwischen ca. 40°C und ca. 200°C aufweist.

12. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, der einen von einem Wärme trägermedium durchströmten Absorber aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die fullerenhaltige Substanz als dünne Schicht von etwa einigen µm bis einigen 100 µm Schichtdicke auf dem Absorber eingesetzt wird.

13. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die fullerenhaltige Beschichtung durch bereits bekannte Verdampfungs- oder Sputterverfahren hergestellt wird.

14. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die fullerenhaltige Beschichtung auf dem Absorber mit einer transparenten Abdeckung versehen ist. Eine solche Abdeckung ist erfor derlich, wenn die fullerenhaltige Substanz in einer für feste Beschich tungen ungeeigneten Form, beispielsweise in Pulverform, vorliegt.

15. Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, der einen von einem Wärme trägermedium durchströmten Absorberkörper aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß die fullerenhaltige Substanz im Material des Absorbers ent halten ist.