DE2545297C3

DE2545297C3 - Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der Wärmeverluste bei Solarenergiekollektoren

Info

Publication number: DE2545297C3
Application number: DE2545297A
Authority: DE
Inventors: Eckart Dipl.-Phys. Dr. 6501 Stadecken Hussmann
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE2545297B2; DE2545297A1; FR2327501A1; IT1078704B; GB1555795A; FR2327501B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der Wärmeverluste bei 4» Solarenergiekollektoren.

Solarenergiekollektoren zur Umwandlung der Sonnenstrahlungsenergie in Wärme — im Gegensatz zu Solarzellen, welche photoelektrische Effekte nutzen — bestehen aus einem Absorber, der die Strahlung -is 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) 5« 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 Vorrichtun- ''5 gen 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.

Wärmeverluste der Solarkollektoren durch Strahlungsaustausch lassen sich durch verschiedene Maßnahmen unterdrücken. Häufig benutzt man selektiv reflekiierende 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 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 zn 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 ; lnsmittierenden 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.

Um 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 Wandmaterini geeignet gewählt, dann werden sowohl der Strahlungsaustausch als auch die Konvektion vermindert oder fast vollständig unterdrückt.

F i g. 1 a zeigt Wabenstrukturen mit rechteckigem und F i g. Ib solche mit sechseckigem Querschnitt.

Die Wabenwände stehen senkrecht auf dem Absorber.

Vor fast 50 Jahren hat H ο 11 e I ( H ο 11 e I, Mech. Eng. 52 [1930], 7, S. 699-704; Hott el, 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 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 Fvermindert. Es gilt ungefähr:

/·■	■■= O,	52	0.36	0.27	0	4	0.19	0.10
HID	=	I	1	3		5	10

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 Zellenwandmateria! 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 (Ta b ο r, Solar Energy, Vol. 12, pp. 549—552, Pergamon Press, 1969). Für eine Temperaturdifferenz von 50°C 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 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 auskom-

s men. Die Wabenwände müssen dam 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 ut und nicht

,ο einen erheblichen Beitrag zu den Wärineverlusten des Sammlers durch Leitung im Zeilwandmaterial liefert.

Zum erstenmal sind Zellenstrukturen von russischen Forschern für Solarenergiekollekioren benutzt worden (V. B. Veinberg, Optics in Equipment for the

_IS Utilisation of Solar Energy, State Publishing House of Defense Ministry, Moscow [1959], [Translated by. U. S. Dept. of Army Intelligence Translation No. 44787 or USAECTranslation AEC-tr-4471 ]). Sie verwandten speziell behandeltes Papier zur Herstellung der Wabenstrukturen. Kunststoffolien erschienen zunächst ebenfalls als sehr geeignetes Material für die Wabenwände und sind auch versucht worden. Perrotet al (P e r rot, Solar Energy, g[1967], Vol. 11. No. 1, S. 34-40) haben Waben aus Kunststoffolien untersucht Die Ergebnis nisse entsprachen nicht den Erwartungen, da dünne Kunststoffolien für die langwellige Infrarotstrahlung teilweise transparent sind. B u c h b e r g et al. (B u c h berg, Solar Energy, Vol. 13, pp. 193—221, Pergamon Press, 1971) haben Papier als Wandmaterial benutzt,

,o welches mit Aluminium bedampft war, damit die Sonnenstrahlung zum Absorber hinunter reflektiert wird. Die Aluminiumoberfiäche wurde mit dicken (sonnenstrahlungstransparenten) Lackschichten belegt, welche dafür zu sorgen hatten, daß in ihnen das langwellige

is Infrarot absorbier; 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

_Ao 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

,o 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

_ss 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

do benutzen, um die Absorption zu erhöhen. Wegen der typischen Bandenstruktur der Inirarottransmissionsspektren organischer Polymere ist dadurch nur eine geringe Verbesserung zu erreichen: In Spektralbereichen hoher Transmissionen sind Folien so großer Dicke

bf, erforderlich, um die Transmission dort selbst merklich zu beschränken, daß schon der Preis der Folie Schranken setzen würde.
So läßt z. B. eine 75 μπι dicke Hostaphan-Folie noch

ca. 20% der Strahlung eines schwarzen Körpers von 350⁰C 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, i.rschwerend kommt hinzu, daß d^;e Kunststoffe außerordentlich siabil gegen verändernde Strahlungseinwirkungen sein müssen. Je mehr veischie· dene Kunststoffe an der Folie beteiligt sind, um so schwieriger ist es, neben den bereits genannten Eigenschaften auch noch diese Beständigkeitsforderungen zu erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wandmaterial für Wabenstrukturen zu schaffen, welches die obengenannten Schwierigkeiten und Nachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wandmaterial aus einer Folie besteht, in welche feinverteiltes Material eingelagert ist, das für die Sonnenstrahlung weitgehend transparent und für langwelliges Infrarot weitgehend undurchlässig ist, wobei die Brechungsindizes von Folie und eingelagertem Material so gut übereinstimmen, daß die Streuung für Sonnenstrahlung hinreichend klein ist.

Das erfindungsgemäße Material isi also für Sonnenstrahlung sehr gut transparent und absorbiert langwelliges Infrarot auch dann weitgehend, wenn die Stärke des Wandmaterials nur 35-50 μπι beträgt. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist. daß dünne Glasfolie ein sehr gut geeignetes Wandmaterial wäre. Man weiß solche Glasfolien 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 μηι) die langwellige Infrarotstrahlung praktisch vollständig absorbiert. Ein Nachteil ist aber, daß Glasfolicn 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 wird.

Der Brechungsindex beider Materialien muß für den Bereich 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 Dispersion (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 550 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" ^J beträgt.

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

Mit der gleichen Wirkung kann man auf eine Trägerfolie, welche vorzugsweise aus Kunststoff besteht, eine zusätzliche Schicht aufbringen, welche ihrerseits mit feinverteiltem Glas durchsetzt ist. Gemäß der Erfindung muß auch hier der Brechungsindex des feinverteiilen Glases und der des Materials, in dem das Glas eingebettet ist, gut übereinstimmen. Die Brechungsindizes von Trägerfolie und Schichtmatcrial dürfen jedoch verschieden sein. Man kann auch andere Materialien als Glas in feinverteilter 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:

Wabenwandmaterial aus einer transparenten

Trägerfolie und einer auf diese aufgebrachten

Schicht aus einem Kunststoff mit

eingelagertem Glaspulver

Auf eine transparente Trägerfolie (25 μπι) aus Polyethylenterephthalat wird eine dünne Schicht (25 bis 35 μΓη) Poiymethylmethacrylat (PMMA) aufgebracht, welche feinverteiltes Glaspulver enthält. Für Glas beträgt der Brechungsindex nj= 1,490. Es ist vorteilhaft, das PMMA in einem aromatischen oder chlorierten Kohlenwasserstoff zu lösen, 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Wandmaterial für Zellenstrukturen zur Unterdrückung der Wärmeverluste bei Solarenergiekol- ί lektoren, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Folie besteht, in die feinverteiltes Material eingelagert ist, welches für die Sonnenstrahlung weitgehend transparent und für langwelliges Infrarot weitgehend undurchlässig ist, wobei die Brechungsindizes von Folie und eingelagertem Material so gut übereinstimmen, daß die Streuung 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 Glasküge'chen 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 eingelagerte 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.