DE2545224C3 - Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der Wärmeverluste bei SolarenenergiekoUektoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der frontseitigen Wärmeverluste bei Solarenergiekollektoron.

Solarenergiekollektoren zur Umwandlung der Sonncnstrahlungsenergie in Wärme — im Gegensatz, zu Solarzellen, welche photoelektrische Effekte nutzen — bestehen aus einem Absorber, der die Strahiiung möglichst vollkommen aufnimmt und einer geeigneten Anordnung, welche die Wärme von dem Absorber zum Wärmespeicher oder direkt zur wärmenutzenden Einrichtung führt. Die Wärme wird im allgemeinen durch ein strömendes Medium (Gas oder Flüssigkeit) abtransportiert.

Der von der Sonnenstrahlung erwärmte Absorber gibt seine Wärme nicht nur an das Transportmediuni ab, sondern verliert auch Wärme an die Umgebung. Solche unerwünschten Verluste treten sowohl bei konzentrierenden Sammlern als auch bei Flachsammlern auf.

Bei flachen Sammlern ist die der einfallenden Sonnenstrahlung abgewandte Seite gegen Wärmeverluste auf einfache Weise zu schützen. Herkömmliche Isolierstoffe wie Glas und Steinwolle oder Schaumstoffe in geeigneter Stärke bieten gute Wärmeisolation bei niedrigen Kosten. Schwieriger ist die Seite des Absorbers gegen Wärmeverluste zu schützen, weiche der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Auf dieser Seite des Absorbers angeordnete, wärmedämmende Vorrichtungen müssen nämlich der Forderung genügen, daß die Strahlung die wärmedämmenden Anordnungen rrög- <■>?, liehst ungehindert passieren kann, d. h., sie mü;:sen weitgehend transparent für Sonnenstrahlung sein.

Wärmeverluste treten durch Wärmeleitung, Konvektion und durch Strahlungsaustausch ein. Maßnahmen zur Unterdrückung der Verluste betreffen oft nur eine der genannten Arten der Wärmeübertragung, manchmal auch gleichzeitig mehrere.

Wärmeverluste der Solarkollektoren durch Strahlungsaustausch lassen sich durch verschiedene Maßnahmen unterdrücken. Häufig benutzt man selektiv reflektierende Schichten als Absorber. Diese Schienten absorbieren die Sonnenstrahlung ausreichend gut, emittieren langwelliges Infrarot dagegen nur geringfügig. Gleichermaßen wirksam sind Beschichtungen auf transparenten Deckscheiben, welche für die Sonnenstrahlung transparent sind, aber langwelliges Infrarot reflektieren können. Befindet sich z. B. eine solche Schicht auf der dem Absorber zugekehrten Seite einer Abdeckscheibe, so wird die vom Absorber emittierte Strahlung an der Schicht reflektiert und von ihm wieder absorbiert Nicht ganz so wirksam wie die oben beschriebenen Maßnahmen sind ein- oder mehrfache Abdeckscheiben, welche für Sonnenstrahlung transparent sind, langwelliges infrarot aber absorbieren. Unterteilt man einen Zwischenraum durch eine weitere Scheibe, so wird die Wärmeübertragung in diesem Zwischenraum, bedingt durch Strahlungsaustausch, etwa halbiert.

Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion sind bei Solarenergiekollektoren eng miteinander verknüpft.

Die der Sonnenstrahlung zugewandte Seite des Absorbers ist meist von Luft begrenzt. Diese Luftschicht leitet Wärme an die Umgebung ab. Es genügt nun nicht, diese Gasschicht so dick zu machen, daß die Wärmeverluste durch Leitung vernachlässigbar klein werden. Die mit steigender Gasschichtdicke ebenfalls rasch zunehmende Konvektion führt dazu, daß die Summe aus den Wärmeübertragungsanteilen von Leitung unc. Konvektion fast unabhängig von der Gasschichtdicke sind, sobald eine bestimmte Dicke überschritten ist.

So ist z. B. bei Flachsammlern mit mehreren für Sonnenstrahlung transparenten Abdeckscheiben der Abstand zwischen dem Absorber und der darüberliegenden Scheibe, oder zwischen zwei Scheiben ab etwa 15 mm Dicke ohne Einfluß auf die wärmedämmenden Eigenschaften der Anordnung. Jede Steigerung der Dicke der Gasschichten führt nur zu erhöhter Konvektion.

Eine oft benutzte Maßnahme zur Unterdrückung der Wärmeleitung und Konvektion ist, den Absorber in ein Gefäß einzuschließen, welches die Sonnenstrahlung zum Absorber durchläßt und evakuierbar ist. Unterhalb eines bestimmten Druckes ist die Konvektion zuverlässig unterdrückt. Mindert man den Druck noch weiter, dann gelangt man zu einem Punkt, von dem ab eine weitere Druckabsenkung die Wärmeleitung verkleinert.

Gefäße, welche evakuierbar sind, müssen aber dem Atmosphärendruck standhalten können und sind deshalb bei Flachsammlern nur mit größtem Aufwand zu realisieren.

Alle bislang genannten Maßnahmen sind in den mannigfaltigsten Kombinationen sowohl bei konzentrierenden als auch bei Flachsammlern angewandt worden.

Man kennt z. B. konzentrierende Sammler mit selektiv reflektierenden Absorberschichten, selektiv transmittierenden Schichten auf den Abdeckscheiben oder auch beidem. Oft sind die umhüllenden Gefäße mehr oder minder evakuiert.

Bei Flachsammlern sind viele Anordnungen mit selektiv reflektierenden Absorberschichten unter Einfach- oder Mehrfachscheibenabdeckungen versucht worden.

Allen Kombinationen sind Nachteile eiger, die sich mit den geschilderten Maßnahmen prinzipiell nicht beheben lassen.

So ist schon, um Regen oder Verschmutzungen von dem Absorber fernzuhalten, mindestens eine transparente Abdeckung zu fordern. Jede weitere — obwohl FiL die Wärmedämmung wünschenswert — erhöht aber die Absorptions- und Reflexionsverluste der Sonnenstrahlung auf ihrem Weg durch die Abdeckung zum Absorber.

Selektiv reflektierende Schichten sind kostspielig und zeigen meist einen Absorptionskoeffizienten, der vom Optimum weit entfernt ist. Diese Schichten sind außerdem bei höheren Temperaturen oft unbeständig.

Uni die obengenannten Nachteile zu vermeiden, sind auch bereits wabenförmige Strukturen zwischen Absorber und den transparenten Abdeckscheiben vorgeschlagen worden. Sind die Form und Größe sowie das Wandmateriai geeignet gewählt, dann werden sowohl der Strahlungsaustausch als auch die Konvektion vermindert oder fast vollständig unterdrückt.

F i g. la zeigt Wabenstrukturen mit rechteckigem und F i g. 1 b solche mit sechseckigem Querschnitt.

Die Wabenwände stehen senkrecht auf dem Absorber.

Vor fast 50 Jahren hat H ο 11 e I, (Mech. Eng. 52 [1930] 7, S. 699-704, und Am. Soc. Mech. Eng. Paper IS-55-6, Vol. 55 [1933], S. 39-49) gezeigt, daß der Strahlungsaustausch zwischen Boden und Deckel solcher Waben oder Zellen von der Form derselben und von dem Verhältnis zwischen mittlerem Druchmesser D und der Höhe H der Zelle abhängt. Für Zellen mit Wänden, die für langwelliges Infrarot absorbierend sind, ist der Strahlungsausiausch — verglichen mit ungehindertem Austausch — um den Faktor Fvermindert.

Es gilt ungefähr:

F = 0,52 0,36 0,27 0,22 0,19 0,10
H/D = 1 2 3 T 5 iÖ

Das heißt, eine Zellenstruktur, deren mittlerer Zellendurchmesser nur ein Zehntel der Zellenhöhe beträgt, unterdrückt die Wärmeübertragung durch Strahlung um den Faktor Zehn, vorausgesetzt, daß das Zellenwandmaterial langwelliges Infrarot absorbiert.

Wählt man den mittleren Durchmesser einer einzelnen Wabe klein genug, dann wird auch die Konvektion unterdrückt. Je nach Temperaturdifferenz und Wabenhöhe kann man einen Durchmesser finden, unterhalb dessen die Konvektion vollständig unterdrückt ist (T a b ο r, Solar Energy, Vol. 11, pp. 549 - 552, Pergamon Press, 1969). Für eine Temperaturdifferenz von 50⁰C zwischen Boden und Deckel der Wabe konnte gezeigt werden, daß unterhalb von 1 cm Zelldurchmesser die Konvektion vollständig unterdrückt wurde (Hollands. Solar Energy, Vol. 9, No. 3, 1965, S. 159-164).

Im vorangegangenen wurden nur die Eigenarten solcher Zellenstrukturen beschrieben, welche für das wärmedämmende Verhalten derselben von Bedeutung sind. Die Waben müssen neben den beschriebenen <>s Eigenschaften vor allem die Sonnenstrahlung bis zum Absorber gelangen lassen. Das Zellwandmaterial muß also für Sonnenstrahlung transparent oder hochreflektierend sein. In beiden Fällen kann die Sonnenstrahlung bis zum Grund der Zelle, also bis zum Absorber gelangen. Führt man den Sammler dem Stand der Sonne nach, dann kann man auch mit dünnen, für Sonnenstrahlung undurchlässigen Wabenwandmaterialien auskommen. Die Wabenwände müssen dann nur parallel zur einfallenden Strahlung stehen.

An die Zellwände ist noch eine weitere Forderung zu stellen. Sie sollen so dünn wie möglich sein, damit die Wärmeleitung in den Zellwänden gering ist. und nicht einen erheblichen Beitrag zu den Wärmeverlusten des Sammlers durch Leitung im Zellwandmaterial liefert.

Zum ersten Mal sind Zellenstrukturen von russischen Forschern für Solarenergiekollektoren benutzt worden (V. B. V e i η b e r g, Optics in Equiment for the Utilisation of Solar Energy, State Publishing House of Defense Ministry, Moscow [1959], [Translated by. U. S. DepL of Army Intelligence Translation No. 44 787 or USAEC Translation AEC-tr-4471]. Sie verwandten speziell behandeltes Papier zur Herstellung der Wabenstrukturen. Einen neuen Auftrieb erfuhr die Benutzung von Wabenstrukturen durch G. F r a η c i a (Paper E/Conf. 35/5/71. U. N. Conf. on New Sources of Energy, Rome [1961]). Er benutzte gebündelte Glasrohre zur Erzeugung hoher Temperaturen. Kunststoffolien erschienen zunächst ebenfalls als sehr geeignetes Material für die Wabenwände und sind auch versucht worden. P e r r ο t (Solar Energy, g [1967], Vol. 11., No. 1, S. 34-40) et al. haben Waben aus Kunststoffolien untersucht. Die Ergebnisse entsprachen nicht den Erwartungen, da dünne Kunststoffolien für die langwellige Infrarotstrahlung teilweise transparent sind. Buchberg (Solar Energy, Vo. 13, pp. 193-221, Pergamon Press, 1971) et al. haben Papier als Wandmaterial benutzt, welches mit Aluminium bedampft war, damit die Sonnenstrahlung zum Absorber hinunter reflektiert wird. Die Aluminiumoberfläche wurde mit dicken (sonnenstrahlungstransparenten) Lackschichten belegt, welche dafür zu sorgen hatten, daß in ihnen das langwellige Infrarot absorbiert wird.

Faßt man die bisherigen Untersuchungen an Solarenergiekollektoren mit wabenförmigen Strukturen zur Unterdrückung der Wärmeverluste zusammen, so kommt man zu dem Schluß, daß man sehr gute Sammler nach diesem Prinzip bauen könnte, wenn man nur geeignete Materialien für die Wabenstrukturen hätte.

Die besseren Materialien sind diejenigen, welche für Sonnenstrahlung transparent sind. Haben solche Wandmaterialien eine optisch gute Oberfläche, d. h. streuen sie die Strahlung nur sehr gering und ist das Material absorptionsarm, dann gelangt ein sehr hoher Prozentsatz bis zum Boden der Zellen, also bis zum Absorber. Nicht für Sonnenstrahlung transparente Wandmaterialien sind grundsätzlich schlechter geeignet, da es keine einfachen Beläge gibt, die Sonnenstrahlung verlustfrei reflektieren. Ein Teil der Sonnenstrahlung gelangt also nicht auf den Absorber.

Ebenso schwierig und unbefriedigend steht es um das Absorptionsvermögen für langwelliges Infrarot, das notwendig ist, damit der Strahlungsaustausch gemindert wird.

Benutzt man dünne Kunststoffolien, dann wird ein erheblicher Anteil der langwelligen Infrarotstrahlung hindurchgelassen. Man könnte nun dickere Folien benutzen, um die Absorption zu erhöhen. Wegen der typischen Bandenstruktur der Infrarottransmissionsspektren organischer Polymere ist dadurch nur eine geringe Verbesserung zu erreichen: In Spektralberei-

\ chen hoher Transmissionen sind Folien so großer Dicke erforderlich, um die Transmission dort selbst merklich zu beschränken, daß schon der Preis der Folie Schranken setzen würde.

So läßt z. B. eine 75 μίτι dicke Hostaphan-Folie noch s ca. 20% der Strahlung eines schwarzen Körpers von 350°C hindurch. Copolymerisate, deren Zusammensetzung so gewählt wurde, daß Spektralgebiete großer Durchlässigkeit des einen Polymers von den Absorptionsbanden des anderen abgedeckt werden, bringen teilweise Abhilfe. Ebenso sind lackierte und kaschierte Folien möglich. Erschwerend kommt hinzu, daß die Kunststoffe außerordentlich stabil gegen verändernde Strahlungseinwirkungen sein müssen. Je mehr verschiedene Kunststoffe an der Folie beteiligt sind, um so schwieriger ist es, neben den bereits genannten Eigenschaften auch noch diese Beständigkeitsforderungen zu erfüllen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wandmaterial für Wabenstrukturen zu schaffen, welches die obengenannten Schwierigkeiten weitgehend beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wandmaterial aus dünnen Fasern besteht, die transparent für Sonnenstrahlung und für langwellige Infrarotstrahlung stark absorbierend und parallel mehrlagig angeordnet sind, wobei die Achsen der Fasern senkrecht auf der Schnittlinie zwischen Faserwandebene und Absorberebene stehen.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip kann man am einfachsten an der in F i g. 2 wiedergegebenen Skizze erkennen. Dünne Glasfasern werden parallel so nebeneinander angeordnet, daß sie — mehrschichtig hintereinander liegend — eine geschlossene, überdekkende Wand bilden. Legt man durch die Achsen der Fasern der obersten Schicht eine allen gemeinsame Ebene (»Faserwandebene« genannt, Punkte E, F, G, H) sollen die Achsen senkrecht auf der Schnittlinie der Faserwandebene mit der Absorberebene stehen (Linie G-H).

Die Faserwandebene steht im allgemeinen senkrecht auf der Absorberebene (Punkte A. B, C, D), obwohl man — wie später noch ausgeführt werden wird — von dieser Forderung abweichen kann. An einem Strahl, der in einer Einfallsebene (Punkte /, K, L, M) liegt, welche z. B. senkrecht auf der Faserwandebene steht, kann man erkennen, daß der an den Fasern reflektierte Anteil der einfallenden Strahlung vom Auftreffpunkt P in viele verschiedene Richtungen reflektiert wird; die Neigung dieser verschiedenen Strahlen gegen die Absorberebe- so ne bleibt aber für jeden Strahl die gleiche. Damit gelangt auch an verschiedenen Faserwandebenen mehrfach reflektierte Strahlung sicher zum Boden der Wabe, d. h. zum Absorber. Man kann zeigen, daß auch der Anteil der Strahlung, welcher durch die Fasern hindurchtritt, stets seine Neigung zur Absorberebene beibehält Weicht man von der Forderung ab, daß die Faserwandebene nicht mehr senkrecht auf der Absorberebene steht, dann wird auch in diesem Fall der Oberwiegende Teil der einfallenden Strahlung zum Boden der Waben gelangen, so lange der Einfallswinkel zwischen Strahlung und Absorberebene kleiner bleibt, als der Winkel zwischen Faserwandebene und Absorberebene (hier ist der Winkel gemeint, welcher kleiner als 90° ist). Als Einfallswinkel ist hier — wie üblich — der Winkel fts zwischen der Normale auf der Absorberebene und dem einfallenden Strahl zu verstehen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Wabenwand-

materialien aus parallel angeordneten Fasern zu bilden.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine oder mehrere Lagen von Fasern auf einer Trägerfolie parallel anzuordnen und durch ein geeignetes Bindemittel mit der Folie zu verkleben. Weder der Brechungsindex der Trägerfolie, noch der des Klebstoffes müssen mit dem Brechungsindex der Faser übereinstimmen. Die Trägerfolie muß nur für die Sonnenstrahlung transparent sein, wie dies auch für den Klebstoff ,zu fordern ist.

Eine andere Möglichkeit zur Bildung von Wabenwandmaterial ergibt sich, wenn man mehrere Lagen von parallel angeordneten Fasern durch einen Kunststoff dauerhaft miteinander verbindet, d. h. auf die Trägerfolie verzichtet. Auch hier dürfen die Brechungsindizes von Faser und Kunststoff völlig verschieden sein. Der die Fasern verbindende Kunststoff muß natürlich für Sonnenstrahlung transparent sein.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht aus Fasern, die über einen Rahmen gewickelt sind. Hierzu nimmt man geeignete Rahmen aus gestanztem Blech, gespannten Drähten oder anderen einen stabilen Rahmen bildenden Materialien und wickelt Glasfasern so dicht darüber, daß eine geschlossene Faserwand entsteht. Aus diesen Faserwänden werden dann Waben gefertigt. Dieses zuletzt genannte Verfahren ist besonders für Waben geeignet, die bei Temperaturen höher als 200° C eingesetzt werden sollen. Die meisten transparenten Kunststoffe sind nur bis ca. 200⁰C einzusetzen.

Die hier beschriebenen Fasern müssen nicht unbedingt aus Glas gefertigt sein, solange sie nur für die Sonnenstrahlung transparent sind und langwellige Infrarotstrahlung stark absorbieren. Mineralfasern sind ebenfalls geeignet. Nimmt man Glasfasern, dann sollten sie so übereinander angeordnet sein, daß die Sonnenstrahlung im Mittel mindestens 10 bis 15μΓη zu durchdringen hat. Bei Fasern von 10 μπι Dicke genügt bereits eine doppelte Lage Fasern.

Glasfasern haben den wirtschaftlichen Vorteil, daß sie äußerst wirtschaftlich sind. Für Hochtemperatur-Anwendungen sind Quarzglasfasern besonders geeignet.

Die Herstellung des Wandmaterials wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1
Wandmaterial aus miteinander verklebten Fasern

Man wickelt ΙΟμηι dicke Glasfasern (Ε-Glas) über eine Stabtrommel dicht und gleichmäßig, so daß 2 bis 4 Lagen Fasern parallel übereinander zu liegen kommen. Diese Fasern werden durch Polymethylmetacrylat (PMMA) miteinander verbunden, indem die Trommel kurz in gelöstes PMMA getaucht wird oder PMMA auf die Fasern aufgetragen wird. Als Lösungsmittel bietet sich Chloroform an. Nach Aushärten des PMMA wird die Faserfolie in geeigneter Breite von der Trommel geschnitten.

Beispiel 2

Wandmaterial aus über einen Rahmen gewickelten Fasern

Ober gestanzte Blechrahmen werden 10 μπι dicke Glasfasern (E-GIas) so dicht gewickelt daß eine 2- bis 4fache Lage von parallel übereinander angeordneten Fasern entsteht Der Blechrahmen ist aus dünnem (0,1 bis 03 mm) Blech gefertigt Falls notwendig, können in geeigneten Abständen Stützen in den Rahmen eingezo-

gen sein (Fig.3). Eine große Verbesserung der Stabilität der Rahmen und gleichzeitig geeigneten Wabenquerschnitt erreicht man, indem die mit Fasern bewickelten Rahmen in regelmäßigen Abständen abgewinkelt werden. F i g. 4 zeigt eine Wabenstruktur, die sich aus abwechselnd gewinkelten und geraden Rahmen zusammensetzt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der frontseitigen Wärmeverluste bei Solarenergiekollektoren, dadurch gekennzeichnet, daß es aus dünnen Fasern besteht, die transparent für Sonnenstrahlung und für langwellige Infrarotstrahlung stark absorbierend und parallel mehrlagig angeordnet sind, wobei die Achsen der ι ο Fasern senkrecht auf der Schnittlinie zwischen Faserwandebene und Absorberebene stehen.

2. Wandmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Glas bestehen.

3. Wandmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Quarzglas bestehen.

4. Wandmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Mineralien bestehen.

5. Wandmaterial nach einem der Ansprüche II — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern auf einer transparenten Trägerfolie angeordnet sind.

6. Wandmaterial nach einem der Ansprüche t —3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens einer Lage von parallel angeordneten Fasern besteht, die durch einen transparenten Kunststoff fest miteinander verbunden sind.

7. Wandmaterial nach einem der Ansprüche 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern derart über einen Rahmen gewickelt sind, daß eine geschlossene, überdeckende Faserwand entsteht.