DE2630358A1

DE2630358A1 - Verglasungseinheiten fuer das sammeln von sonnenenergie

Info

Publication number: DE2630358A1
Application number: DE19762630358
Authority: DE
Inventors: Jean Olink; Jacques Dela Ruye
Original assignee: BFG Glassgroup GIE
Current assignee: BFG Glassgroup GIE
Priority date: 1975-07-08
Filing date: 1976-07-06
Publication date: 1977-01-20
Also published as: BE843482A; US4066815A; NL183849B; JPS6015855B2; JPS529132A; DE2630358C2; FR2317242B1; LU72932A1; CA1058438A; FR2317242A1; NL183849C; NL7607243A; GB1556195A

Description

MÜLLER-BORE · GROENING ■ DEUFEL ■ SCHÖN · HERTEL

PATENTASWÄLTK

BIG GLÄ.SSGR0UP
Rue Caumartin, 4-3
Paris - !Frankreich.

DB. WOLFGANG MÜU-ER-BOR£ (PATENTANWALT VON »927 - 1975) HANS W. GROENING. DIPL.-ING. DR PAUL DEUFEL, DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPU-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

G 2477

"Verglasungseinheiten für das Sammeln von Sonnenenergie"

Priorität; Luxemburg vom 8. Juli 1975 Nr. 72 932

Die Erfindung betrifft Verglasungseinheiten, insbesondere Verglasungseinheiten zur Bildung von Wänden von Behältnissen für das Ansammeln von Sonnenenergie.

Systeme zur Sammlung und Verwendung von Sonnenenergie, wie Solarzellen, sind im allgemeinen mit einer verglasten Wand versehen, durch welche die einfallende Sonnenenergie
durchtritt und wo sie zurückgeheItenwwird.

609833/0933

S HttNCHJBN 80 · SIEBEHTSTH. & · POSTFACH 860720 · KABEL: JlUEBOPAT · TEI.. (089) 471070 · TELEX 3-22639

-öl-

Bis jetzt wurden solche verglasten Wände aus industriellem Natronkalkglas von gewöhnlicher Zusammensetzung, wie gezogenem Glas oder !Floatglas gebildet.

Es wurde gefunden, dass bei Verwendung von solchem Glas ein Teil der einfallenden Sonnenenergie nicht verwertet wird und demzufolge der Sonnenenergiesammler nicht so wirksam ist, wie er sein könnte.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Verglasungseinheit, die eine Zunahme in der Menge an einfallender Sonnenenergie zur Folge hat, die durch einen Sammler, in welchen sie eingebaut ist, gesammelt werden kann.

Gemäss der Erfindung wird eine Verglasungseinheit vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass sie eine unterlage aufweist, deren gesamte Energiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung grosser ist als die einer entsprechend dimensionierten. Unterlage aus gewöhnlichem Natrönkalkglas, und dass wenigstens eine Seite der Unterlage wenigstens teilweise mit einem Überzug versehen ist, der Sonnenstrahlung durchlässt und wenigstens teilweise Infrarotstrahlung reflektiert, die eine Wellenlänge von mehr als 3 um hat.

Solche Verglasungseinheiten bieten mehrere Vorteile.

Wenn die an einer gegebenen Stelle hinter einer solchen Verglasungseinheit angesammelte Energie gemessen wird, beispielsweise unter Verwendung eines fe'nergieabsorbierenden Elementes, stellt man fest, dass die Menge an Energie, die dort angesammelt wird, in einer Weise erhöht wird, die mehr als direkt proportional der Energiedurchlässigkeit der Verglasungseinheit ist. Dies ist ein erhöhter Treibhauseffekt.

— 2 —

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Es wird daher möglich, Sonnenenergie in einer ausbaufähigen Weise nicht nur während Perioden hoher Intensität von Sonnenstrahlung zu sammeln, sondern Sonnenenergie in wirksamer Weise zu sammeln und zu verwenden, selbst wenn die Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung verhältnismässig schwach ist. Wenn z.B. die Temperaturdifferenz zwischen einer energieabsorbierenden Oberfläche in einem Sonnenenergiesammler und der Atmosphäre 25°C beträgt und der Fluss der einfallenden Sonnenenergie geringer ist als 200 W/m ist es möglich, soviel Energie zu sammeln und zu verwenden, indem eine Verglasungseinheit gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet, wie dies der Fall wäre, wenn man eine gewöhnliche Natronglasscheibe unter den gleichen Bedingungen, jedoch bei einem Fluss der einfallenden Sonnen-

energie von 4-00 W/m verwenden würde.

Als Ergebnis davon ist es möglich, auf Hilfsenergiequellen zu verzichten, die manchmal angewandt werden, oder wenigstens die Menge an Energie zu vermindern, die von einer solchen alternativen Energiequelle abgenommen wird.

Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung gestatten auch die Ansammlung von Sonnenenergie während längerer Perioden des Tages, und dies ist besonders wichtig im Falle von Ländern, wo der Fluss der Sonnenenergie nicht sehr hoch ist.

Für einen gegebenen Sonnenenergiesammler und einem konstanten Fluss an einfallender Sonnenenergie stellt man fest, · dass die Wirksamkeit des Sammlers sich vermindert, wenn die Differenz zwischen den Temperaturen des Sammlers und deroumgebenden Luft zunimmt. Es wurde gefunden, dass durch Verwendung einer Verglasungseinheit gemäss der Erfindung diese Verminderung nicht so gross ist, wie sie beim gleichen Sammler ist, der eine Vorderseite aus einer gewöhnlichen Natronglasscheibe hat.

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In entsprechender Weise ergibt sich eine Verminderung in der Wirksamkeit eines gegebenen Sammlers, wenn die Tempera turdifferenz konstant bleibt und nur der Fluss der einfallenden Sonnenenergie sich vermindert. Auch hier wird wieder durch Ersatz einer gewöhnlichen Natronglasscheibe durch die Verglasungseinheit der Erfindung dieser Abfall in der Wirksamkeit vermindert.

Vorzugsweise hat der Überzug eine Rückstrahlung (Reflektivität) von zumindest 0,5 fur Infrarotstrahlen mit Wellenlängen von mehr als 3 pn. Diese erhöht die Wirksamkeit einer Verglasungseinheit für die beabsichtigten Zwecke durch Verminderung der WärmeVerluste durch Strahlung aus einem umschlossenen Raum, in welchem sie eine Wand oder einen Wandteil bildet.

Vorteilhafterweise hat die beschichtete Unterlage eine Gesamtenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung die zumindest 80 % und optimal wenigstens gleich derjenigen einer sdLchen Ubferlage . aus gewöhnlichem Natronkalkglas ist. Diese Merkmale haben die Wirkung der Erhöhung der Wirksamkeit einer Verglasungseinheit durch Erhöhung der durchgelassenen einfallenden Sonnenenergie.

Die Unterlage kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Sie kann beispielsweise eine Scheibe eus Kunststoffmaterial umfassen. Vorzugsweise umfasst jedoch die Unterlage wenigstens eine glasartige Scheibe, da solche Unterlagen bequem zu verwenden und leicht an Ort und Stelle anzubringen sind.

Solche glasartigen Scheiben können aus einer besonderen Zusammensetzung sein, beispielsweise aus einem Glas mit hoher Durchlässigkeit für den Infrarotteil des Sonnen— spektrum, jedoch ist es nicht immer notwendig, ein Spezialglas zu verwenden und es ist in der Tat bevorzugt, dass

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die oder wenigstens eine glasartige Scheibe der Verglasungseinheit aus Natronkalkglas bestehen soll, d.h. ein Glas, dessen Zusammensetzung auf Soda, Kalk und Kieselsäure beruht. Es wurde gefunden, dass selbst bei Verwendung von Natronkalkglas, das etwa 68 bis 74 tf SiO₂, 12 bis 16 # Na₂O und 7 bis 14 % CaO (Gewichtsverhältnisse) enthält, was tatsächlich den Anteilen entspricht, die derzeit für die Herstellung der meisten industriellen Gläser benutzt werden, es möglich ist, durch. Modifizierung der Nebenbestandteile eine Gesamtenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung zu erzielen, die grosser ist als die von gewohnlichem Natronkalkglas.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, durch welche die erforderliche Durchlässigkeit erzielt werden kann. Eine Möglichkeit ist die Verminderung der Menge an Eisen im Glas. Eisen ist fast immer wegen Verunreinigungen vorhanden. Diese Verminderung oder Entfernung von Eisen kann jedoch teuer sein, und demgemäss wird es bevorzugt, die Menge an zweiwertigem, (im Gegensatz zu dreiwertigem) Eisen im Glas zu vermindern, da das Vorliegen von Eisen(III)-oxid im Glas keinen solchen nachteiligen Effekt auf seine Infrarotdurchlässigkeit hat, wie das Vorliegen von Eisen(II)-oxid. Eine Möglichkeit, durch welche dies erreicht werden kann, besteht einfach in der Kontrolle der Glasschmelzbedingungen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, verschiedene Zusätze zum verglasbaren Ansatz beizumischen, beispielsweise NaNO,, As₂O,, Sb₂O, und/oder Selen.

Eine besonders wirtschaftliche und daher besonders bevorzugte Möglichkeit zu gewährleiste!,dass ein grosser Mengenanteil von allem vorhandenen Eisen im Glas in dreiwertiger Form vorliegt, besteht darin, sicherzustellen, dass das Glas Manganoxid und/oder Ceroxid enthält. Es ist am besten, nur kleine Mengen dieser Oxide zu verwenden, und vorzugsweise

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liegt das Gesamtgewicht an Mangenoxid und/oder Ceroxid zwischen 0,01 # und 1,0 % des Gewichts des Glases.

Vorteilhafterweise enthält das Natronkalkglas, welches die Unterlage bildet, zwischen 0,01 Gew«-# und 0,5 Gew,-# an Manganoxid, berechnet in Form von MnO₂. Solche Unterlagen können besonders billig sein und haben doch zufriedenstellende optische und Energielextungseigenschaften für die beabsichtigten Zwecke, und diese Eigenschaften bleiben während der Gebrauchsdauer gut erhalten.

Vorzugsweise ist praktisch alles vorhandene Eisenoxid (falls solches vorliegt) Eisen(III)-oxid, und es ist besonders zweckmässig, Natronkalkglas zu verwenden, das weniger als 0,12 Gew.-$ sn Eisen(HI)-oxid, beispielsweise zwischen 0,03 % und 0,12 #, enthält. Bei solchen geringen Mengen an Eisen(III)-oxid ist es möglich, eine hohe Gesamtenergiedurchlässigkeit zu erzielen, ohne zu teuereren Materialien Zuflucht zu nehmen.

Ein besonders brauchbares Glas zur Bildung dieser Unterlage enthält in Gew.-% 0,27 % MnO₂, 0,1 % Fe₃O₅, 0,06 % CeO₂. Eine solche Unterlage ist nicht gefärbt und kann eine besonders hohe Energiedurchlässigkeit bezüglich Sonnenstrahlung erreichen.

Wenn eine glasartige Scheibe in der Verglasungseinheit verwendet wird, insbesondere eine Natronkalkglasseheibe, kann deren mechanische Festigkeit ohne Modifizierung ihrer optischen und Energiedurchlässigkeitseigenschaften erhöht werden, und es ist demgemäss bevorzugt, Glas zu verwenden, das chemisch gehärtet wurde. Dies gibt besondere Vorteile, wenn es nötig ist, das Glas in einer Stellung anzubringen, wo es leicht mechanischen Spannungen unterworfen werden kann.

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Die Erfindung erfordert die Verwendung eines reflektierenden Überzuges, der Sonnenstrahlung durchlasst$ und Infrarotstrahlung mit V/ellenlängen von mehr als 3 um wenigstens teilweise reflektiert. Durch sorgfältiges Anbringen eines solchen Überzuges ist es möglich, einen sehr hohen Mengen— anteil an einfallender Sonnenstrahlung zu verwerten, während gleichzeitig Wärmeverluste vermindert werden, beispielsweise aus einer Sonnenenergieaufnehmenden Oberfläche, die hinter der Verglasungseinheit angebracht ist, und zwar sowohl durch Konvektion als auch durch Strahlung. Vorzugsweise ist ein solcher Überzug gegenüber sichtbarem Licht transparent, da dies die Sicht durch die Verglasungseinheit nicht behindert und die natürliche Beleuchtung des Raums dahinter gestattet.

Um eine maximale Verwertung der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass dieser infrarotreflektierende Überzug gegenüber praktisch .allen Wellenlängen im Sonnenspektrum transparent ist.

Z.Bw kann ein 5OOO S dicker Überzug aus SnÜ2 nicht mehr als beispielsweise 10 % an einfallender Energie bei Wellenlängen über 2 um durchlassen. Es sollte jedoch darauf hingewiesen sein, dass der Mengenanteil an Sonnenenergie, der bei diesen Wellenlängen eingestrahlt wird, sehr klein ist, und demgemäss ist dies nicht als sehr wichtig zu betrachten.

Vorzugsweise besteht dieser infrarotreflektierende Überzug aus wenigstens einer Schicht von Metalloxid. Solche Überzüge können einfach durch Anwendung bekannter Arbeitsweisen und billiger Reagenzien gebildet werden. Überzüge, die Zinnoxid, Bleioxid und Indiumoxid enthalten, entweder allein oder als Mischungen, sind bevorzugt. Die Verwendung eines solchen Überzuges, der Zinnoxid aufweist, ist besonders vorteilhaft, da er transparent gegenüber Sonnen-

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Strahlung und hart und chemisch und mechanisch beständig ist, so dass man keine Probleme hat, wenn der Überzug direkt der Atmosphäre ausgesetzt ist.

Vorzugsweise enthält eine solche Oxidschicht kleine Mengen an einem oder mehreren der Verbindungen Antimonoxid, Arsen(V)-oxid, Cadmiumoxid, Telluroxid, Fluorionen, Chlorionen. Die Verwendung dieser sogenannten Dotierungsmittel erhöht die Wirksamkeit des Überzuges als Infrarotstrahlungsreflektor.

Die Dicke des Überzuges sollte so gewählt werden, dass er ί maximale Wirksamkeit ergibt, und dies ist ein Kompromiss zwischen maximaler Eeflektion im fernen Infrarotbereich und minimaler Absorption von Sonnenstrahlung. Für eine gegebene Unterlage wird mit zunehmender Dicke des Überzuges auch die Reflektion für Infrarot und für Absorption von Sonnenstrahlung zunehmen. Es wurde gefunden, dass die optimale Dicke eines Metalloxidüberzuges zwischen 500 i? und 5500 2 liegt.

Verglasungseinheiten gemäss der vorliegenden Erfindung sind besonders geeignet zur Anbringung in einer Wand eines Sonnenenergiesammlers. Der Ausdruck "Sonnenenergiesammler" wird hier im breiten Sinn benutzt und umfasst beispielsweise Treibhäuser, Sonnenzellen für direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in Elektrizität, sowie andere Sonnenenergieumwandler, wie Systeme zum Erhitzen von V/asser oder anderen fliessfähigen Medien durch Sonnenstrahlung, um ein Heisswassersystem oder ein Wärmeaustauschsystem für ein Wohnhaus oder ein anderes Gebäude zu speisen.

Solche Sonnenenergieumwandler umfassen im allgemeinen einen umschlossenen Raum irgendeiner Art, von dem eine Wand oder mehrere Wände verglast ist oder sind, um den Durchtritt

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von Sonnenstrahlung zu gestatten und das austreten von Energie möglichst weitgehend zu verhindern. Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung eignen sich besonders für diesen Zweck, insbesondere wenn der infrarotreflektierende Überzug auf einer Fläche der Unterlage ist, die gegen die Sonnenenergie aufnehmende Oberfläche des Umwandlers liegt, wie dies bevorzugt ist.

Wärmeverluste aus einem umschlossenen Raum, der durch eine Verglasungseinheit verschlossen ist, kann durch Strahlung durch und von der Verglasungseinheit erfolgen, aber auch durch Konvektion und Leitung durch die Verglasungseinheit zur umgebenden Atmosphäre. Wie oben erläutert wurde, sollen Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung vor allem den Wärmeverlust durch Strahlung vermindern. Um die Wärmeleitung durch eine Verglasungseinheit gemäss der Erfindung, die in einer Einschlusswand angebracht ist, weiter zu verhindern,

und/oder Einheit
kann diese Wand/mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen an ihrer Aussenseite versehen sein, die so angeordnet sind, dass sie als Windbrecher für die verglaste fläche dienen, und dies hat den Effekt, das-rAusmass zu vermindern, mit welchem frische, kühlere Luft die Verglasungseinheit berührt. Wenn, wie dies bevorzugt ist, diese Windbrecher als lichtdurchlässige Vorsprünge ausgebildet sind, beschatten sie die Verglasungseinheit nicht. Eine sehr einfache Weise, solche Vorsprünge bereitzustellen, besteht darin, die Verglasungseinheit aus profiliertem Glas zu machen. Alternativ oder zusätzlich dazu können Hippen vorgesehen sein, die von der Wand abstehen. Für beste Ergebnisse sollten diese Vorsprünge aus dem gleichen Material bestehen, wie die Unterlage der Verglasungseinheit.

Indem man Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung verwendet, wurde festgestellt, dass die thermische Wirksamkeit von Sonnenenergiesammlern beträchtlich erhöht werden kann.

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Als Anzeichen der Ergebnisse, die erzielt werden können, zeigt die folgende Tabelle Resultate, die mit einem Sonnenenergieumwandler erhalten wurden, der einen Kollektor mit einer schwarzen .energieaufnehmenden Oberfläche hat, bei

2 einem Fluss der einfallenden Sonnenenergie von 400 W/m und einer Temperaturdifferenz von 25⁰C zwischen dem Kollektor und der umgebenden Atmosphäre. Die energieaufnehmende Oberfläche war nacheinander von drei Verglasungseinheiten bedeckt. Die Einheit A war eine gewöhnliche Scheibe aus industriellem Natronkalkglas, die Einheit B war eine Scheibe aus Natronkalkglas der gleichen Dicke, in welcher praktisch alles Eisen in dreiwertiger Form vorlag und die Einheit C bestand aus einer Scheibe von Glas, entsprechend demjenigen der Einheit B, jedoch mit einem Überzug auf der Basis von Zinnoxid auf der Seite, welche gegen den Sammler gerichtet war.

	Gesamtenergietransmission	Wirksamkeit
Einheit A	82 %	42 #
Einheit B	92 %	51 #
Einheit C	86 %	64 #

Die Verwendung einer Verglasungseinheit gemäss der Erfindung in einem Sonnenenergieumwandler hat auch den Vorteil, die Wirksamkeit bei kleinen Intensitäten zu vergrössern, bei welchen das Verhalten von herkömmlichen Sonnenenergieumwandlern sehr schlecht ist. Dies gestattet die längere Verwendung während des Tages und die Verwendung an mehr Tagen während des Jahres. Dies ist sehr wichtig in Ländern, die keine hohen Intensitäten an Strahlung von der Sonne erhalten. Als Beispiel sei erwähnt, dass für einen Fluss an einfallender Strahlungsenergie von 150 W/m und einer Temperaturdifferenz zwischen einem Kollektor und der umgebenden Atmosphäre von 25⁰C ein schwarzer Sammler, der von einer herkömmlichen Glasscheibe überdeckt ist, selten eine

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Wirksamkeit von mehr als 20 % hat, während die' Verwendung· des gleichen Kollektors und einer Verglasungseinheit gemäss der Erfindung zu einer Wirksamkeit von mehr als 30 # führt.

Bei einem Fluss der einfallenden Sonnenenergie von 500 W/m , was eine ganz gute Intensität für den Betrieb eines Sonnenenergieumwandlers ist, und einer Temperaturdifferenz zwischen dem energieaufnehmenden Element, d.h. dem Kollektor, und der Luft von 50°C kann durch Ersatz einer gewöhnlichen Natronkalkglasscheibe durch eine Verglasungseinheit gemäss der Erfindung die Gesamtenergie, die zum Sammler durchgelassen wird, um 5 % erhöht werden, jedoch kann die Verbesserung in der Wirksamkeit I50 # übersteigen. V/enn eine gewöhnliche Natronkalkglasscheibe mit einem reflektierenden Überzug für das ferne Infrarot durch eine Verglasungseinheit gemäss der Erfindung ersetzt wird, kann die Wirksamkeit um 25 % erhöht werden, während die gesamte zum Sammlerelement durchgeleitete Energie nur "I3 # mehr beträgt. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung eines schwarzen Sammlerelementes erhalten, jedoch ist ersichtlich, dass, sie auch erhalten werden können, wenn ein selektives Energieaufnahmeelement verwendet wird.

Bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung besteht die Verglasungseinheit aus mehr als einer Scheibe. Sie kann z.B. eine doppelte Verglasungseinheit sein. In solchen Fällen ist es am besten, dass der infrarotreflektierende _: Überzug auf der Aussenseite der Einheit ausgebildet ist, welche in den Sonnenenergieumwandler gerichtet ist. Selbst wenn nur eine Scheibe eines solchen¹ Mehrscheibenverbundes eine grössere Gesaratenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung hat als eine gewöhnliche Natronkalkscheibe, ergeben sich gewisse Vorteile gegenüber einer gleich dimensionierten mehrschichtigen Scheibe, die ganz aus gewöhnlichem Natronkalkglas gebildet ist. Selbstverständlich ist es

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natürlich bevorzugt, dass jede Scheibe eines Mehrscheibenverbundes gemäss der Erfindung die angegebene höhere Durchlässigkeit hat.

Es wurde gefunden, dass für einfallende Sonnenstrahlung geringer Intensität ein Mehrscheibenverbund eine erhöhte Wirksamkeit im "Vergleich zu einer einzigen Scheibe aus dem gleichen Glas und mit dem gleichen Überzug ergibt, dass jedoch mit zunehmender Intensität dieser Vorteil kleiner wird und verschwinden kann.

Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielsweise beschrieben und unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Kurve, welche die Mengenanteile an Strahlungsenergie verschiedener Wellenlängen zeigt, welche von einer Unterlage einer Verglasungseinheit gemäss der Erfindung durchgelassen wird, und

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Verglasungseinheit, die in einen Sonnenenergieumwandler eingebaut ist.

Fig. 1 zeigt das Verhältnis zwischen Energiedurchlässigkeit und Wellenlänge für eine Glasscheibe von 3 mm Dicke mit der folgenden Zusammensetzung (auf das Gewicht bezogen):

SiO₂ zwischen 68 % und 74- %

Na£O zwischen 12 # und 16 #

CaO zwischen 7 # und 14 # Fe₂O, weniger als 0,12 %.

CeO₂ + MnO₂ zwischen 0,01 # und 1 %>.

Es ist ersichtlich, dass bei allen Wellenlängen zwischen

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400 nin und 2500 nm das Glas etwa 90 # der einfallenden Strahlung durchlässt. Tatsächlich wird nur ein kleiner Mengenanteil der Energie durch die Sonne bei Wellenlängen von mehr als 2000 nm abgestrahlt.

Fig. 2 zeigt einen Sonnenenergieumwandler für das Erwärmen von Wasser oder einem anderen Fluid durch Sonnenstrahlung. Der Umwandler umfasst einen umschlossenen Raum mit Wänden 1, welche einen flachen Sammler 2 umgeben. Der Sammler 2 ist aus einem geschwärzten Material gebildet, das eine energiesammelnde Oberfläche in thermischen Kontakt mit einem System von Röhren 3 ergibt, durch welche ein Fluid, beispielsweise Wasser, zum Aufheizen durch die vom Sammler absorbierte Energie zirkulieren kann. Der Sammler und die ihn begleitenden Rohre sind thermisch vom Äusseren des umschlossenen Raumes durch herkömmliches Isoliermaterial 4, wie Glasfaser, isoliert. Eine Verglasungseinheit ist an den Wänden des umschlossenen Raumes durch nicht-gezeigte Mittel befestigt, um den Sammler zu decken. Die Verglasungseinheit umfasst eine Glasscheibe 5_} die einen Überzug 6 auf der Seite aufweist, welche dem Sammler zugewandt ist, wobei der Überzug zum Reflektieren der vom Sammler abgestrahlten Infrarotstrahlung dient.

Beispiel Λ

Eine Glasscheibe von 3 mm Dicke wurde aus einem Band geschnitten, das durch einen üblichen Ziehprozess, wie den Pittsburgh- oder den Libbey-Owens-Prozess, hergestellt war.

Das Glas hatte die folgende Zusammensetzung, ausgedrückt in Gew.-^ Oxid:

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72,50 %

Na₂O + K₂O 13,90 %

CaO 7,42 %

MgO 4,00 %

Al₂O₃ 1,75 %

Fe₂O^ 0,10 %

MnO₂ 0,27 #

CeO₂ 0,06 %

In diesem Glas lag das Eisen praktisch alles in dreiwertiger Form vor.

Die Gesamtenergiedurchlässigkeit dieser Glasscheibe für Sonnenstrahlung beträgt etwa 90 #, während diejenige einer Scheibe der gleichen Dicke aus Natronkalkglas gleicher Zusammensetzung, das jedoch kein Ceroxid oder Manganoxid enthält, nur §6 # beträgt.

Auf der hochgradig durchlässigen Glasscheibe wurde ein infrarotreflektierender Überzug gebildet, der vor allem aus SnO₂ bestand und kleine Mengen an Fluorionen enthielt. Ein solcher Überzug kann in bekannter Weise durch Pyrolyse von Zinnoxid und Ammoniumf luorid gebildet werden. Der Überzug wurde bis zu einer Dicke von 400 S. abgeschieden. Der Überzug hatte gute Durchlässigkeit im sichtbaren Spektrum und im naheninfrarot, und eine Reflektionsfähigkeit bezüglich Strahlung von Wellenlängen von mehr als 3 #m von etwa 0,7. Die Gesamtenergiedurchlässigkeit des beschichteten Glases betrug etwa 84 #.

Glasscheiben, die in dieser Weise unter Bildung von Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung beschichtet waren, wurden in ein Treibhaus eingesetzt, wobei ihre beschichtete Fläche auf der Aussenseite in direktem Kontakt mit der Atmosphäre waren.

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Auf diese Weise wurde gefunden, dass eine beträchtliche Verminderung im Wärmeverlust durch.Strahlung gegenüber dem Himmel erfolgte, und die günstige Wirkung davon wurde besonders im Winter bei klarem Himmel ersichtlich. Auch war die Menge an Sonnenenergie, die durchtreten und im Treibhaus zurückgehalten werden konnte, viel höher als bei einem herkömmlichen Treibhaus, bei dem nur Scheiben aus gewöhnlichem Glas verwendet werden. Die Zunahme in der Verwertung von Sonnenenergie, welche durch Verwendung der erwähnten beschichteten Glasscheiben möglich war, gestattete Einsparungen im Heizen des Treibhauses. Es wurde gefunden, dass solche Einsparungen selbst bei trübem und bedecktem Wetter sehr beträchtlich sind. Solche Einsparungen beim Heizen von Treibhäusern durch Verwendung von Verglasungseinheiten gemäss der Erfindung werden selbst in Ländern beobachtet, in denen im Verlaufe des Jahres die Sonneneinstrahlung nicht sehr intensiv ist.

In entsprechender Weise ist es möglich, den Verbrauch von Brennstoff für Heizzwecke zu vermindern, indem man Einheiten gemäss der Erfindung als Fenster von Gebäuden verwendet. Eine besonders interessante Verwendung solcher Verglasungseinheiten besteht auf dem Gebiet von Sonnenheizsystemen für Gebäude.

Noch bessere Ergebnisse, d.h. eine noch grössere Verminderung in den Heizkosten, können erhalten werden, indem man die oben beschriebene Glasunterlage durch ein Glas ersetzt, das nicht mehr als 0,0? Gew.-^ Fe₂O, und 0,2 Gew.-# MnO₂ enthält.

Beispiel 2

Eine Glasscheibe wurde aus e.inem 5 mm dicken Band geschnitten, das in einem herkömmlichen Glasziehprozess erhalten worden war. Das Glas hatte die folgende Gewichtszusammen-

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SiO₂	+ K₂O	3
Na₂O		3
CaO
MgO
Al₂O
Fe₂O
MnO₂
CeO₂

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Setzung, ausgedrückt als Gew.-^ der Oxide:

72,3 % 14,5 % 7,0 * 4 ■ %

1,3 * 0,10 % 0,51 * 0,20 %

In diesem Glas liegt der Eisengehalt im wesentlichen in dreiwertiger Form vor.

Die Gesamtenergiedurchlassigkeit dieses Glases für Sonnenstrahlung ist grosser als die eines entsprechenden Natron— kalkglases, das kein MnO₂ oder CeO₂ enthält. Das Glas hat eine sehr schwache rosa-violette Färbung, ähnlich wie Amethyst.

Die Gesamtenergiedurchlassigkeit des Glases betrug 88 i&, während die einer Scheibe der gleichen Dicke sus gewöhnlichem Natronkalkglas 86 % beträgt.

Eine infrarotreflektierende Schicht von SnO₂ wurde auf der Scheibe wie in Beispiel 1 beschrieben abgeschieden. Die Gesamtenergiedurchlassigkeit der beschichteten Scheibe war etwa 82 %.

Diese beschichtete Scheibe wurde in einem Sonnenenergiesammler wie in Fig. 2 beschrieben-angeordnet, wobei der infrarotreflektierende Überzug gegen die energieaufnehmende Fläche des Sammlers gerichtet war.

Die Wirksamkeit dieses Konverters mit einem schwarzen Samm-

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ler und einer Tempera turdifferenz ζ v/i se hen Sammler und umgebender Atmosphäre von 25°C war grössenordnungsmassig

60 % für einen Fluss der einfallenden Sonnenstrahlung von ρ

4-00 W/m , während bei einem gleichen Kollektor, der mit einer gewöhnlichen Natronglasscheibe abgedeckt war, die Wirksamkeit nur etwa 4-5 $ betrug.

Beispiel 3

Eine Glasscheibe der in Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung von 5 mm Dicke wurde gebildet. Sie zeigte eine Durchlässigkeit von 89 % für die einfallende Sonnenstrahlungsenergie. Die Scheibe erhielt einen Überzug, der vor allem aus SnO^ bestand, das mit Fluorionen dosiert war. Ein solcher Überzug wurde nach bekannten Arbeitsweisen durch thermische Zersetzung von SnCl^ und NH^F.HF erhalten.

Ein solcher Überzug, abgeschieden bis zu einer Dicke von 3500 i?, hat eine ausgezeichnete Durchlässigkeit bezüglich sichtbarem Licht und nahem Infrarot und eine Reflektionsfähigkeit bezüglicher längerwelligem Infrarot von 0,75·

Die beschichtete Scheibe wurde in einen Sonnenenergieumwandler wie in Fig. 2 gezeigt eingebaut, wobei ihre beschichtete Seite dem Sammler zugewandt war, der eine schwarze !energieaufnehmende Oberfläche hatte.

Die Wirksamkeit dieses Umwandlers wurde gemessen und mit der Wirksamkeit des gleichen Umwandlers verglichen, bei dem die Verglasungseinheit gemäss der Erfindung durch eine gewöhnliche Natronkalkglasscheibe ersetzt war.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt, worin:

Spalte 1 die Wirksamkeit für einen Fluss der einfallenden

Energie von 400 W/m und eine Temperaturdifferenz

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zwischen Sammler und Atmosphäre von 25 C angibt, und

Spalte 2 die Wirksamkeit für einen Fluss der einfallenden

ο
Energie von 800 W/m und eine Temperaturdifferenz

zwischen Sammler und Atmosphäre von 25°C angibt, Spalte 3 die Wirksamkeit für einen Fluss der einfallenden Energie von 4-00 W/m und eine Temperaturdifferenz zwischen Sammler und Atmosphäre von 50⁰G,

Spalte 4- die Wirksamkeit für den Fluss der einfallenden

2
Energie von 800 W/m und einer Temperaturdifferenz

zwischen Sammler und Atmosphäre von 50⁰C und Spalte 5 die Gesamtenergiedurchlässigkeit der Verglasungseinheit für Sonnenstrahlung angeben.

Der hier genannte Überzug ist derjenige, wie er schon früher in diesem Beispiel gezeigt wurde.

	1	2	3	4-	5
Beschichtetes Glas nach Beispiel 3		71 %	36 %	58 %	83 #
Gewöhnliches Natronkalk glas	4-2 %	61 fo	3 %	4-0 ^	82 ^
Beschichtetes gewöhnliches Na tr onka lkg la s	54- %	64- %	29 #	51 ^	76 %

Es wurde gefunden, dass die Zunahme der Wirksamkeit des Sonnenenergieumwandlers der Zunahme in der durchgelassenen Energie mehr als proportional war.

Bei einer Variante dieser Ausführungsform war die beschichtete Glasscheibe von einer zweiten gleichen jedoch unbeschichteten Glasscheibe überdeckt, um eine Doppelverglasungseinheit gemäss der Erfindung zu bilden.

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Es wurde gefunden, dass die Wirksamkeit des Umwandlers für schwache einfallende Strahlung höher war als mit einer einfachen Scheibe, dass jedoch für einen Fluss der ein-

fallenden Energie von der Grössenordnung von 4-00 W/m oder mehr die Wirksamkeit geringer war als wenn eine Einscheibenverglasungseinheit gemäss der Erfindung verwendet wurde. Für eine gegebene Temperaturdifferenz zwischen Sammler und Atmosphäre ist jedoch unabhängig vom Fluss der einfallenden Energie die Wirksamkeit des Umwandlers, welcher diese Doppelverglasungseinheit enthält, immer grosser als diejenige eines Umwandlers, der den gleichen Sammler und eine Doppelverglasungseinheit hat, die aus gewöhnlichen Natronkalkglasscheiben gebildet ist.

Beispiel 4·

Eine Glasscheibe von Λ mm Dicke und der in Beispiel 1 ange gebenen Zusammensetzung wurde mit einer Schicht von SnC^ beschichtet, die mit Antimon dotiert war. Der Überzug war 4000 S, dick und wurde in bekannter Weise unter Verwendung einer Lösung von SnOIp und SbCT^ erhalten.

Die Durchlässigkeit dieser Schicht im sichtbaren und nahe Infrarotbereich ist ausgezeichnet und seine Reflektionsfähigkeit bezüglich dem fernen Infrarot ist hoch.

Eine solche Glasscheibe (ohne Überzug) lässt 92 % der gesamten Energie von einfallender Sonnenstrahlung durch im Vergleich mit etwa 90 # für eine gewöhnliche Natronkalkglasscheibe der gleichen Dicke. In Gegenwart des Überzuges beträgt die Durchlässigkeit etwa 86 #.

Die beschichtete Scheibe wurde in einen Sonnenenergieumwandler wie in Fig. 2 gezeigt eingebaut, wobei ihre beschichtete Seite dem Sammler zugewandt war, der eine schwarze energieaufnehmende Oberfläche hatte. Für eine

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Temperaturdifferenz von 25°C zwischen Sammler und Atmosphäre

und für einen Fluss der einfallenden Energie von 800 W/m wurde festgestellt, dass die Wirksamkeit des ümwandlers etwa 7^ % betrug. Beim Vergleich und unter Verwendung e iner 1 mm-Scheibe von gewöhnlichem Natronkalkglas im gleichen Umwandler und unter den gleichen Bedingungen war die Wirksamkeit nur 67 %.

Ein entsprechendes Ergebnis kann erhalten werden, wenn der SnOp-Überzug durch einen 2000 S dicken Überzug aus In₉O, ersetzt wird. Dieser Überzug kann in bekannter Weise unter Verwendung einer Lösung von InCl^ erhalten werden.

Beispiel 5

Glasscheiben von 5 mm Dicke wurden aus einem in herkömmlicher Weise gezogenen Glasband geschnitten. Das Glas hatte die in Beispiel 1 angegebene Zusammensetzung.

Die Scheiben zeigten jeweils eine Gesamtenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung von 89 % im Vergleich mit 82 % für eine Scheibe aus gewöhnlichem Natronkalkglas der gleichen Dicke.

Auf einer Seite jeder Scheibe wurde ein Überzug aus SnO2 wie in Beispiel 1 beschrieben gebildet.

Die mit diesem Überzug bedeckten Glasscheiben wurden in ein Treibhaus eingebaut, wobei die beschichteten Seiten der Scheiben nach aussen gerichtet und in Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre waren.

Es wurde gefunden, dass der Wärmeverlust aus dem Treibhaus durch Strahlung gegen den Himmel um ein beträchtliches Ausmass vermindert wurde, im Vergleich mit einem gleichen Treibhaus, das mit gewohnlxchen Natronkalkglasscheiben ge-

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baut wurde, und das die Menge der im Treibhaus angesammelten Sonnenenergie viel grosser war.

Eine der Scheiben mit einem Überzug von SnO2, die eine Gesamtenergiedurchlässigkeit von etwa 85 % aufwies, wurde in einen Sonnenenergieumwandler gemäss Fig. 2 eingebaut. Die Seite der Scheibe, welche den Überzug von SnC^ aufwies, war gegen den Sammler gerachtet.

Es wurde beobachtet, dass mit einer solchen Verglasungseinheit und bei einer Temperaturdifferenz von 25 C zwischen Sammler und Atmosphäre und einem Fluss der einfallenden

Sonnenenergie von 5OO W/m es möglich war, eine Wirksamkeit von ca. 65 % zu erhalten. Unter den gleichen Bedingungen,, jedoch unter Ersatz der Verglasungseinheit gemäss der Erfindung durch eine 5 mm dicke Scheibe aus gewöhnlichem HTatronkalkglas betrug die Wirksamkeit nur 50 #. Es wurde festgestellt, dass die Wirksamkeit noch weiter vergrössert werden konnte, indem auf die Seite der Verglasungseinheit, welche der Sonne zugerichtet war, ein dünner antireflektierender Überzug abgeschieden wurde, der vor allem aus Kieselsäure bzw. SiOp bestand. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Zersetzung von Methylsilikat. Die Gegenwart dieses Überzugs vergrössert die Gesamtenergiedurchlässigkeit der Verglasungseinheit.

Beispiel 6

Zwei 1 mm dicke Scheiben aus Glas der in Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung wurden zu einer Doppelverglasungseinheit angeordnet.

Die Gesamtenergiedurchlässigkeit für einfallende Sonnenstrahlung für eine dieser Scheiben beträgt 92 % und diejenige der Anordnung der zwei unbeschichteten Scheiben demgemäss 85 #-. Die Gesamtenergiedurchlässigkeit einer gleichen Einheit, die aus zwei 1 mm dicken Scheiben von ge-

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wohnlichem Natronkalkglas besteht, ist nur 81 $.

Eine aussere Seite dieser Doppelverglasungseinheit trug einen Überzug von SnO₂, wie in Beispiel 1 beschrieben, und die Verglasungseinheit wurde in einen Sonnenenergieumwandler, wie in Fig. 2 gezeigt, eingebaut, wobei die beschichtete Seite gegen den Sammler gerichtet war, der eine schwarze önergieaufnehmende Oberfläche aufwies. Die Gesamtenergiedurchlässigkeit einer solchen Yerglasungseinheit beträgt 79 %·

Die Wirksamkeit des Umwandlers betrug etwa 69 % für einen

ρ Fluss der einfallenden Sonnenstrahlung von 800 W/m und eine Temperaturdifferenz von 25 C zwischen Sammler und umgebender Atmosphäre. Unter identischen Bedingungen mit der Ausnahme, dass die Doppelverglasungseinheit gemäss der Erfindung durch eine Einheit ersetzt wird, welche zwei 1 mm dicke Scheiben aus gewöhnlichem Ratronkalkglas aufweist, betrug die Wirksamkeit nur etwa 55 $·

Es wurde auch festgestellt, dass die Wirksamkeit des Sonnenenergieumwandlers noch weiter verbessert v/erden konnte, indem ein dünner antireflektierender Überzug von Magnesiumfluorid auf der Aussenseite der Doppelverglasungseinheit, welche der Sonne zugerichtet war, aufgebracht wurde.

Patentansprüche:

PP

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1.J Verglasungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass sie .ne Unterlage aufweist, deren Gesamtenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung grosser ist als die einer gleich dimensionierten Ubberlagg _: aus gewöhnlichem Natronkalkglas, und dass wenigstens eine Seite der Unterlage wenigstens teilweise mit einem Überzug bedeckt ist, der Sonnenstrahlung durchlässt und Infrarotstrahlen mit Wellenlängen von mehr als 3 Jim wenigstens teilweise reflektiert.

2. Verglasungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Reflektionsfähigkeit von wenigstens 0,5 für Infrarotstrahlen mit Wellenlängen von mehr als 3 pm aufweist.

3. Verglasungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Unterlage eine Gesamte nergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlung aufweist, die wenigstens 80 # derjenigen derUnterüage aus gewöhnlichem Natronkalkglas ist.

4-, Verglasungseinheit nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Unterlage eine Gesamtenergiedurchlässigkeit für Sonnenstrahlen aufweist, die wenigstens so gross ist wie diejenige der Unterlage aus gewöhnlichem Natronkalkglas.

5. Verglasungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage wenigstens eine glasartige Scheibe aufweist.

6. Verglasungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder wenigstens eine glasartige Scheibe aus Natronkalkglas besteht.

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αν.

7« Verglasungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Natronkalkglas Manganoxid und/oder Ceroxid umfasst.

8. Verglasungseinheit nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtgewicht an Manganoxid und/oder Ceroxid zwischen 0,01 und 1,0 Gew.-^ des Glases beträgt.

9. Verglasungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas zwischen 0,01 und 0,5 % an Manganoxid, berechnet in Form von MnOp, aufweist.

10. Verglasungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Glas Eisenoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass praktisch alles Eisenoxid als Eisen(III)-oxid vorliegt.

11. Verglasungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Natronkalkglas weniger als 0,12 Gew. -% Eisen(III)-oxid enthält.

12. Verglasungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Natronkalkglas 0,27 Gew.-JIi MnOp, 0,1 Gew,-# Fe₂O* und 0,06 Gew.-# CeO₂ enthält.

13- Verglasungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine glasartige Scheibe chemisch gehärtet ist.

Verglasungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der infrarotreflek tierende Überzug für sichtbares Licht transparent ist.

15- Verglasungseinheit nach Anspruch 14-, dadurch gekenn zeichnet, dass der infrarotreflektierende überzug transparent für praktisch alle Wellenlängen im Sonnenspektrum ist.

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AS-

16. Verglasungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der infrarotreflektierende Überzug aus zumindest einer Schicht eines Metalloxids besteht.

17· Verglasungseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der infrarotreflektierende Überzug Zinnoxid enthält.

18. Verglasungseinheit nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des infrarotreflektierenden Überzugs eines oder mehrere der Oxide Bleioxid und Indiumoxid enthalt.

19· Verglasungseinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht kleine Mengen an einer oder mehreren der Verbindungen Antiraonoxid, Arsenoxid, Cadmiumoxid, Telluroxid, lluorionen und Chlorionen enthält.

20. Verglasungseinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 19» dadurch gekennzeichnet, dass der infrarotreflektierende Überzug eine Dicke zwischen 5°0 S. und 5900 S. hat.

21. Verglasungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verglasungseinheit in einer Wand eines Sonnenenergiesammlers angeordnet ist.

22. Verglasungseinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler ein Sonnenenergieumwandler ist und d©r infrarotreflektierende Überzug auf einer Seite der Unterlage sitzt, die in den Umwandler gerichtet ist.

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