DE2545297A1 - Wandmaterial fuer zellenstrukturen zur unterdrueckung der waermeverluste bei solarenergiekollektoren - Google Patents

Description

WANDMATERIAL FÜR ZELLENSTRUKTUREN ZUR UNTERDRÜCKUNG DER WÄRMEVERLUSTE DEI SOLARENERGIEKOLLEKTOREN

Solarenergiekollektoren zur Umwandlung der Sonnenstrahlungsenergie in Wärme - im Gegensatz zu Solarzellen, welche photoelektrische Effekte nutzen - bestehen aus einem Absorber, der die Strahlung 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 Transportmedium 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, welche der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Auf dieser Seite des Absorbers angeordnete, wärmedämmende Vorrichtungen müssen nämlich der Forderung genügen, daß die Strahlung die wärmedämmenden Anordnungen möglichst ungehindert passieren kann, d. h. sie müssen 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.

709 8Ί 6/0504

Wärmeverluste der Solarkollektorcn durch Strahlungsaustausch lassen sich durch verschiedene Maßnahmen unterdrücken. Häufig •benutzt man selektiv reflektierende Schichten als Absorber. Diese Schichten 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 und 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 darüber liegenden Scheibe, oder zwischen zwei Scheiben ab etwa 15 mm Dicke ohne Einfluß auf die wärmedämmenden Eigenschaften der Anordnung. Jede Steigerung der Dicke der Gas- " ... . ■/

schichten führt nur zu erhöhter Konvektion. · >

709816/0504

-B-

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 eigen, die sich mit den geschilderten Maßnahmen prinzipiell nicht beheben lassen.
So ist schon, um Regen oder Verschmutzung von dem Absorber fernzuhalten, mindestens eine transparente Abdeckung zu fordern. Jede • weitere - obwohl für 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. '

709816/05 0 4

COPY

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

Fig. 1 a zeigt V.'abenstrukturen mit rechteckigem und Fig. 1 b solphe mit sechseckigem Querschnitt.

Die Viabenwände stehen senkrecht auf dem Absorber.

Vor fast 50 Jahren hat HOTTEL gezeigt, daß der Strahlungsaustausch zwischen Boden und Deckel solcher Waben oder Zellen von der Form derselben und von dem Verhältnis zwischen mittlerem Durchmesser D und der Höhe H der Zelle abhängt. Für Zellen mit Wänden, die für langwelliges Infrarot absorbierend sind, ist der Strahlungsaustausch - verglichen mit ungehindertem Austausch - ' um den Faktor F vermindert.
Es gilt ungefähr:

F = 0,52 0,36 0,27 0,22 0,19 0,10 H/D =12 3 4 5 10

D. h., 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,

⁺ HOTTEL, Meeh. Eng. 52 (1930) 7, S. 699-704 HOTTEL, Am. Soc. Mech. Eng. Paper IS-55-6, Vol. 55 (1933) S. 39-49

709816/0504 · .

copy

-A-

unterhalb dessen die Konvektion vollständig unterdrückt ist.
Für eine Temperaturdifferenz von 50 °C zwischen Boden und Deckel
der Wabe konnte gezeigt werden, daß unterhalb von 1 ein Zelldurchmesser die Konvektion' vollständig unterdrückt wurde.

Im vorangegangenen wurden nur die Eigenarten solcher Zellenstrukturen beschrieben, welche für das wärmedämmende Verhalten
derselben von Bedeutung sine. Die V.'aben müssen neben der. beschriebenen Eigenschaften vor allen die Sonnenstrahlung bis zurr, 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. Sie verwandten speziell behandeltes Papier zur Herstellung der Wabenstrukturen. Einen neuen

TABOR, Solar Energy, Vol. 11, pp.549-552, Pergamon Press, 1969 ⁺⁺ HOLLANDS, Solar Energy, Vol. 9, No. 3, 1965,S. 159-164

V. B. VEINBERG, Optics in Equipment for the Utilisation of
Solar Energy, State Publishing House of Defense Ministry,
Moscov; (1959), (Translated by. U. S. Dept. of Army Intelligence Translation No. 44787 or USAEC Translation AEC-tr-4471)

709816/05(H

Auftrieb erfuhr die Benutzung von Wabenstrukturen durch FRANCIA. Er benutzte gebündelte Glasrohre zur Erzeugung hoher Temperaturen. Kunststoffolien erschienen zunächst ebenfalls als sehr geeignetes Material für die Wabenwände und sind auch versucht worden. PERROT et. al. haben Viaben aus Kunststoffolien untersucht. Die Ergebnisse entsprachen nicht den Erwartungen, da dünne Kunststoffolien für die langwellige Infrarotstrahlung teilweise transparent sind. BUCHBERG 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 wabenform!gen 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.

G. FRANCIA, Paper E/Conf. 35/5/71. U.N. Conf. on New Sources of Energy, Rome (1961).

⁺⁺ PERROT, Solar Energy, g (1967) Vol. 11. No. 1, S. 34-40 .

⁺⁺⁺. BUCHBERG, Solar Energy, Vol. 13, pp.193-221, Pergamon Press,197:

709816/0504 ·

ÖOW

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 Spektralbereichen 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 laßt z. B. eine 75 ym-dicke Hoskaphan-Foli.e_.-noch ca....?0__% der Strahlung eines schwarzen Körpers von 350 C hindurch. Copoly-. merisate, deren Zusammensetzung so gewählt wurde, daß Spektralgebiete großer Durchlässigkeit des einen Polymers von den Absorptionsbanden des anderen abgedeckt v/erden, 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.

70981 6·/050A.

• s.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Wandrnaterial für Wabenstrukturen, welches die oben genannten Schwierigkeiten und Nachteile in manchen Aspekten völlig beseitigt und in anderen wenigstens erhebliche Vorteile gegenüber dem bislang Bekannten mit sich bringt. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einem Material erreicht, das aus einer Folie besteht, in welche fein verteiltes Material eingearbeitet ist, das für Sonnenstrahlung weitgehend durchlässig und für langwellige Infrarotstrahlung weitgehend undurchlässig ist, wobei der Brechungsindex von Folie und eingearbeitetem Material so gut übereinstimmen soll, daß die Streuung für Sonnenstrahlen hinreichend klein ist. Das erfindungsgemäße Material ist also für Sonnenstrahlung sehr gut transparent und absorbiert langwelliges Infrarot auch dann weitgehend, wenn die Stärke des Wandmaterials nur 35 - 50 ym beträgt. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist, daß dünne Glasfolie ein sehr gut geeignetes Wandmaterial wäre. Man weiß solche Glasfolier zu fertigen und könnte sie auch zu Wabenstrukturen formen. Glas hätte den großen Vorteil, daß es die Sonnenstrahlung ungehindert durchläßt, aber bereits in dünnen Schichten (10 - 15 ym) die langwellige Infrarotstrahlung praktisch vollständig absorbiert. Ein Nachteil ist aber, daß Glasfolien teuer und schwer zu handhaben sind.

Die vorliegende Erfindung umgeht nun diesen Nachteil, indem man die gute Transparenz des Glases für Sonnenstrahlung und seine hohe Absorption für langwellige Infrarotstrahlung nutzt, die schwierige ■ Handhabbarkeit einer Glasfolie aber umgeht.

\ Das Folienmaterial ist vorzugsweise ein organischer Kunststoff.

In das Ausgangsmaterial der Folie wird Glas in Form von Pulver, Flitter, Kügelchen, geschnittenen Fasern oder gemahlenen Fasern zugegeben. Beim Herstellungsprozess der Folie -Walzen, Pressen oder Extrudieren - wird das Glas so eingebracht, daß in der fertigen Folie eine gleichmäßige Verteilung in der Kunststoffmatrix erreicht v;ird.

709816/0504

Der Brechungsindex beider Materialien muß für den Dereich der Sonnenstrahlung gut übereinstimmen. Ist dies der Fall, dann wird die Sonnenstrahlung - welche die Waben bei schrägem Einfall mehrfach durchsetzt - nicht oder nur geringfügig gestreut. Dies ist wichtig, damit der weitaus überwiegende Teil der auf die Wabenstrukturen fallenden Sonnenstrahlung bis zum Boden derselben gelangt und dort auf dem schwarzen Absorber in Wärme umgewandelt' wird. Streuten die Wabenwände stark, dann würde ein erheblicher Teil der Sonnenstrahlung nicht bis zum schwarzen Absorber gelangen. Da Gläser und organische Kunststoffe sehr unterschiedliche Dispersio; (Änderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge) zeigen und außerdem bei den Kunststoffen der Brechungsindex in viel stärkerem Maße eine Funktion der Temperatur ist, kann nur bei einer Wellenlänge und für eine Temperatur Übereinstimmung der Brechungsindizes erreicht werden. Es ist sinnvoll, diese Übereinstimmung für eine an der Wabenstruktur auftretende mittlere Temperatur (abhängig von der jeweiligen Anwendung) und für die Wellenlänge zu erreichen, bei der die stärkste Sonneneinstrahlung stattfindet, d. h. bei 55o nm. Der Brechungsindex sollte bei dieser Wellenlänge und der von Anwendung zu Anwendung unterschiedlichen mittleren Wabentemperatur für beide Materialien so gut aneinander angepasst sein, daß der Unterschied nicht mehr als 10 beträgt.

Bei der Vielzahl an bekannten Gläsern und Folienmaterialien ist es möglich, eine Kombination zu finden, bei der Brechungsindex von Folie und fein verteiltem Glas hinreichend gut übereinstimmen. Kopolymerisate sind besonders gut geeignet, um eine kontinuierlich sich ändernde Skala von Brechungsindizes zu überstreichen. Der Folie muß mindestens soviel fein verteiltes Glas zugesetzt werden, daß ein hindurchtretender Strahl etwa 10 bis 15 pm Glas zu durchdringen hat. Ist dies der Fall, dann wird die langwellige Infrarotstrahlung praktisch vollständig absorbiert.

7098 16/05(U

- 10 -

-44.

Mit der gleichen Wirkung kann man auf eine Trägerfolie, welche vorzugsweise aus Kunststoff besteht, eine zusätzliche Schicht aufbringen, welche ihrerseits mit fein verteiltem Glas durchsetzt ist. Gemäß der Erfindung muß auch hier der Brechungsindex des feinverteilten Glases und der des Materials, in dem das Glas eingebettet ist, gut übereinstimmen. Die Brechungsindizes von Trägerfolie und Schichtmaterial dürfen jedoch verschieden sein. Man kann auch andere Materialien als Glas in fein verteilter Form'in die Folie einbetten, solange das Material für Sonnenstrahlung transparent ist und langwellige Infrarotstrahlung stark absorbiert. Geeignete Materialien sind Mineralien, Glaskeramiken, usw.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels näher erläutert:

WaDenwandmaterial aus einer transparenten Trägerfolie und einer auf diese aufgebrachten Schicht aus einem Kunststoff mit eingelagertem Glaspulver.

Auf eine transparente Trägerfolie (25 ym) aus Polyäthylenterephtalat wird eine dünne Schicht (25 bis 35 vm) Polymethylmethacrylat (ΡΜΜΛ) aufgebracht, welche feinverteiltes Glaspulver enthält. Das Glas ist ein im Brechungsindex η, = 1,4 90. Es ist vorteilhaft, das PMMA in einem aromatischen oder chlorierten Kohlenwasserstoff z\x losen, das Glaspulver der Lösung zuzugeben und die Trägerfolie mit dieser Suspension zu beschichten. Als Lösungsmittel bietet sich Chloroform an. Nach Verdunsten des Lösungsmittels bleibt eine PMMA Schicht, die feinverteiltes Glaspulver enthält, auf der Trägerfolie zurück.

709816/0504 COPY

Leerseite

COPY

Claims (7)

Ansprüche

1. Wandmatcrial für Zellenstrukturen von Solarcnergiekollektorcn, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Folie besteht, in die fein verteiltes Material eingelagert ist, welches für die Sonnenstrahlung weitgehend transparent und für langwelliges Infrarot weitgehend undurchlässig ist, wobei der Brechungsindex von Folie und eingelagertem Material so gut übereinstimmen, daß die Streuunc für Sonnenstrahlung hinreichend klein ist.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingelagerte Material aus Glas besteht.

3«. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingelagerte Material aus Glaskügelchen besteht.

4. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingelagerte Material aus geschnittenen Glasfasern besteht.

5. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ein-. gelagerte Material aus gemahlenen Glasfasern besteht.

6. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingelagerte Material aus einem Mineralpulver, Mineralkügelchen,
Mineralfaserbruch oder Mineralfasermehl besteht.

7. Wandmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Folie, in welche das feinverteilte Material eingelagert ist,
auf einer ebenfalls transparenten Trägerfolie aufliegt.

709816/0504

cow