DE2656490C3

DE2656490C3 - Absorberplatte für Sonnenkollektoren

Info

Publication number: DE2656490C3
Application number: DE2656490A
Authority: DE
Inventors: Trevor P. Dr. Fällanden Woodman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1976-12-14
Publication date: 1981-10-08
Also published as: IT1082604B; CH606944A5; DE2656490B2; DE2656490A1; US4153753A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Absorberplatte für Sonnenkollektoren mit einer schlecht emittierenden metallischen Grundschicht und einer aus spektralselektiv wirkenden Pigmenten, zum Beispiel Metalloxiden, bestehenden Oberflächenschicht, die die Sonnenstrahlung absorbiert und für die Wärmeabstrahlung weitgehend transparent ist

Bei Absorberplatten, wie sie in der Technik der Strahlung verwendet werden, sind normale Schwarzflächen oder mattschwarz lackierte Oberflächen bekannt Solche Absorberplatten sind aber für Sonnenkollektoren bestimmter Bauarten, beispielsweise bei Flachkollektoren, unter gewissen Bedingungen viel zu wenig wirkungsvoll.

Deshalb wird beim Flachkollektor einerseits eine möglichst hohe Absorption der Sonnenstrahlung (WeI- so lenlänge von ca. 03 bis ca. 3 μπι) an der Oberfläche der Absorberplatte, andererseits eine möglichst niedrige Emissivität dieser Oberfläche für die Wärmeabstrahlung (Wellenlängen größer als ca. 3 μΐη) angestrebt, um die Abstrahlungsverluste der aufgeheizten Absorberplatte möglichst niedrig zu halten. Wie aus der Zeitschrift »Klima* und Kälteingenieur« Jahrgang 4, März 1976, Heft 3, Seiten 113 bis 118 bekannt, werden zu diesem Zweck gewöhnlich dünne Schichten von Substanzen, die für die Sonnenstrahlung gut absorbierend, für die μ Wärmeabstrahlung aber weitgehend transparent sind, auf schlecht emittierende Oberflächen von metallischen Grundschichten, wie zum Beispiel blankem Kupfer oder Aluminium, abgeschieden. Ein derartiger Schichtaufbau wird als spektral selektiv bezeichnet.

Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Absorberplatten sind einerseits elektrochemische oder chemische Prozesse, andererseits Aufdampfverfahren bzw. Verfahren zur Abscheidung aus der Dampf- oder Gasphase, Beiden Verfahrensgruppen haftet der Nachteil eines großen apparativen Aufwands an: Der ersten Gruppe im besonderen auch noch Abwasserprobleme, der zweiten Gruppe die bekannten Probleme der Vakuumtechnik bzw. Schleusen- und Gasmisclitechnik, wie auch der Temperaturkontrolle, Gleichmäßige Schichtdicken bei großen Flächen sind bei beiden Verfahrensgruppen schwierig herzustellen.

Zwar wurde, wie aus einer Kurzdarstellung von Pettit und Sowell, International Solar Energy Congress and Exposition, Los Angeles, Juli/August 1975, Nr. 30/1, S. 164 und 165 hervorgeht, versucht, spektral selektive Lackschichten aus Halbleiterpigmenten unter Verwendung einer Silikon-Haftmasse herzustellen, doch scheiterten diese Versuche an der hohen Emissivität der Haftmasse, so daß die Schichten für Solai7*ecke nicht geeignet waren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Absorberplatte für Sonnenkollektoren mit gegenüber Strahlenkollektoren mit normalen Schwarzflächen erheblich erhöhter Wirkung zu schaffen, wobei die Absorberplatte gegenüber den bisher bekannten, spektral selektiven Absorberplatten einfacher und somit erheblich wirtschaftlicher herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einer Absorberplatte der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pigmente in pulverförmigem Zustand durch Pressen, insbesondere durch Walzen, auf die metallische Grundschicht aufgebracht sind

Dabei besteht eine andere Alternative darin, daß die Pigmente in pulverförmigem Zustand mittels eines Paraffinöls, festen Paraffins oder Polyäthylens oder einer Mischung dieser Stoffe als Haftmasse auf die metallische Grundschicht aufgebracht sind.

Beide Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Absorberplatte unterscheiden sich von den zum Stande der Technik gehörenden Vorrichtungen grundsätzlich dadurch, daß eine getrennt hergestellte chemische Verbindung, ein Pigment, in pulverförmigem Zustand direkt, das heißt ohne chemische Umwandlung oder Phasenveränderung auf eine metallische Grundschicht aufgebracht ist, so daß eine für Sonnenkollektoren sehr gut brauchbare Absorberplatte mit spektral selektiver Beschichtung gebildet wird.

Dadurch wird erreicht, daß das Beschichtungsmaterial unabhängig vom Beschichtungsverfahren und von der metallischen Grundschicht wählbar ist und daß seine Eigenschaften und Herstellungskosten optimiert sind.

Infolge der Möglichkeit, das Pigment im pulverförmigen Zustand direkt aufzubringen, und wegen der Einfachheit der Beschichtungsverfahren wird die Wirtschaftlichkeit der zur Herstellung nötigen Verfahrensmaßnahmen in erheblichem Maße erhöht.

Ein erheblicher Vorzug der erfindungsgemäßen Absorberplatte gegenüber den bislang in der Lacktechnik bekannten Maßnahmen besteht darin, daß entweder die stark emittierende Haftmasse gänzlich fortfällt oder erfindungsgemifl eine für Wärmestrahlung durchlässige Haftmasse verwendet wird.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Haftmasse nur zwischen Pigment und metallischer Grundschicht liegt. Zweckmäßig enthält die Pigmentschicht Metalloxide, beispielsweise Kupfer-, Kobalt-, Eisen- oder Nickeloxide oder Mischungen dieser Stoffe.

Die optimale Korngröße der Pigmente hängt unter anderem von ihren Brechungsindizes, dem Brechungsindex der als Klebstoff verwendeten Haftmasse und dem

Grad der Einbettung des Pigmente ab, Das heißt, je nachdem, ob die Pigmentkörner partiell oder ganz in die Oberflache eingebettet sind. Die optimale Korngröße muß von Fall zu Fall bestimmt werden.

Die optimale Schichtdicke des Pigments, das heißt, das Gesamtvolumen des Pigments je Flächeneinheit, hängt von der relativen Größe der Absorption des Pigments im Wellenbereich der einfaüenden Strahlung und der Abstrahlung ab.

Die effektive Schichtdicke der Haftmasse ist nicht kritisch. Sie sollte jedoch auf einem Minimum gehalten werden.

Als vorteilhaft hat es sich in vielen Fällen erwiesen, farbige Pigmente zu verwenden. Das verbessert unter anderem die ästhetische Wirkung. Die Energieverluste, die durch eine schlechtere Absorption der Sonnenstrahlung verursacht werden, werden durch die verminderte Abstrahlung (im Vergleich zu einem normalen schwarzen Absorber) kompensiert oder mehr als kompensiert Eine farbliche Anpassung von Sonnenkollektoren an die Landschaft bzw. das Stadibild dürfte deren Einfahrung wesentlich erleichtern.

Die Absorberplatte weist zweckmäßig eine Grundschicht aus Metall, insbesondere blankem oder poliertem Kupfer oder Aluminium auf, da aufgrund des verwendeten Materials und der wie vorstehend behandelten Oberflächen niedrig emittierende Flächen gebildet werden.

Zum Herstellen von Absorberplatten für Sonnenkollektoren befreit man die die Pigmentschicht aufnehmende Oberfläche der metallischen Grundschicht von die Emissivität steigernden Verunreinigungen und verbindet anschließend das Pigment mechanisch mit dieser Oberfläche, Die Materialien für die metallische Grundschicht und die Oberflächenschicht werden so gewählt, daß die Kombination ihrer optischen Eigenschaften zur gewünschten Art der optischen Selektivität führt

Bei der erfindungsgemäßen Variante der Absorberplatte, bei der auf die Oberfläche der metallischen Grundschicht eine Mischung von Pigment und einer als Klebstoff dienenden Haftmasse aufgebracht ist, wird die Haftmasse so gewählt, daß die Kombination der optischen Eigenschaften der metallischen Grundschicht und der als Pigment verwendeten Substanz nicht oder nur wenig gestört, allenfalls dadurch sogar ergänzt werden. Auch in diesem Falle werden die Materialien für die metallische Grundschicht und die Oberflächenschicht so gewählt, daß die Kombination ihrer optischen Eigenschaften zur gewünschten Art der optischen Selektivität führt

Die Haftmasse wird dabei beispielsweise in Folienform auf die metallische Grundschicht aufgebracht Gegebenenfalls werden beide erhitzt und anschließend Pigment auf die klebrige Oberfläche verteilt

Die Vorteile dieser Variante der Absorberplatte für Sonneiikollektoren gemäß der Erfindung sind folgende:

— kleiner apparativer Aufwand,

— geeignet zur fabrikmäßigen oder handwerklichen Herstellung selektiver Oberflächen,

— niedrige Materialkosten, keine Abfälle,

— schnelles Herstellungsverfahren,

— das Herstellungsverfahren kann kontinuierlich betrieben werden,

— große Flexibilität in der Wahl von metallischer Grundschicht/Pigment-Kombination, da keine Eigenhaftung der Pigmente nötig ist Demgegenüber muß bei den bisher bekannten Absorberplatten die Oberflächenschicht auf der metallischen Grundschicht, unter anderem trot? meist ungleichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien, gut haften,

— die Absorption für Sonnenstrahlung kann durch geeignete Korngröße des Pigments erhöht werden: Mehrfachstreuung des einfallenden Lichts zwischen den Körnern reduziert den Anteil der zurückreflektierten Sonnenstrahlung, ohne daß die Transparenz für die Abstrahlung zerstört wird, während bei den gebräuchlichen Verfahren dieser Effekt schwierig zu erreichen ist,
— einfache Reparierbarkeit der Schichten.

Beispiel 1 Zu beschichtende Platte:

Reinaluminium als metallische Grundschicht, 1 mm dick

Beschichtungsmaterial:

Pigment Kupferoxyd, CuO,
durchschnittliche Korngröße 0,1 μΐη

Haftmasse:

Paraffinöl (im Handel als Reinparaffin oder als Paraffin, flüssig, /ür Infrarotspektrometrie, erhältlich)

Die Aluminiumplatte wird gleichmäßig mit Stahlwol-Ie, Seife und Wasser aufgerauht, mit Wasser gespült und mit einem Tuch getrocknet Eine Mischung von 3 g CuO und 7 g ParaffinöL/m² Fläche der Platte wird mit einer Gummiwalze gleichmäßig über die vorbereitete Aluminiumfläche verteilt

Beispiel 2

Eine Aluminiumplatte als metallische Grundschicht wird, wie im Beispiel 1, vorbehandelt und pigmentiert Als Haftmasse dient eine Folie aus H«chdruckpolyäthylen, 25 μπι dick.

Die Polyäthylen-Folie wird auf die vorbehandelte Aluminiumplatte gelegt Nach dem Erhitzen der beiden, zum Beispiel auf einer Heizplatte, auf eine Temperatur von mindestens 12O⁰C ist die Folie angeklebt Das

Pigment wird auf die klebrige Oberfläche des Polyäthylens gestreut und Oberflüssiges mit einem Pinsel weggewischt Nach Abkühlung entsteht eine feste Oberfläche. Bei der anderen Variante der Absorberplatte für

Sonnenkollektoren gemäß der Erfindung, bei der pulverförmiges Pigment auf die Oberfläche der metallischen Grundschicht aufgebracht und das Pigment in die metallische Grundschicht, insbesondere durch Walzen, gepreßt wird, besteht ein sehr zweckmäßiges Herstellungsverfahren darin, daß man einen Stempel erstellt und auf diesem mittels Klebstoff (zum Beispiel Rubber Cement) das Pigment festhält und daß man den Stempel auf die vorbereitete metallische Grundschicht bringt und aufpreßt Ein anderes, ebenfalls zweckmäßiges Herstellungsverfahren besteht darin, daß man die aus Klebstoff und Pigment bestehende Schicht nachträglich (zum Beispiel durch Walzen) in die metallische Grundschicht preßt und daß man anschließend den Klebstoff mittels Lösungsmittel entfernt

Bei dieser Maßnahme zur Herstellung werden also Pigmente direkt in die Oberfläche einer metallischen Grundschicht gepreßt, so daß eine mechanische Haftung erreicht wird. Die deformierte Oberfläche der

metallischen Grundschicht wirkt dabei als Haftmasse, Die Vorteile sind;

— niedrige Materialkosten,

— schnelles Herstellungsverfahren,

— die Herstellung kann kontinuierlich betrieben werden,

— relativ große Flexibilität in der Wahl von Pigment/ Metall-Kombinationen im Gegensatz zu den bisher bekannten Absorberplatten: Keine Probleme infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten,

— außerordentliche kratz- und abriebfeste Oberflächenschicht,

— kann mit dem Roll-Bond-Verfahren zur Herstellung von Absorberplatten kombiniert werden, indem das gleiche Walzwerk verwendet wird oder die beiden Verfahren simultan ablaufen; eventuell gleichzeitige Behandlung mehrerer Platten,

— die Temperaturfestigkeit ist nicht durch eine Haftmasse limitiert.

— Entfernen des
Abklopfen,

nichtklebenden Pigments durch

Beispiel 3 Zu beschichtende Platte:

Reinaluminium als metallische Grundschicht, 2 mm dick

Beschichtungsmaterial:

Pigment Eisenoxidschwarz, Fe₃O*.
durchschnittliche Korngröße 0,1 μπι

Vorbereitung der Al-Platte:

gleichmäßiges Aufrauhen mit Stahlwolle, Wasser und Seife, Spülen mit Wasser, Trocknen mit Tuch.

Aufbringen des Pigments auf einen Träger:

— Entfetten eines Stückes Federstahlband als Pigmentträger, 0,05 mm dick, mit Azeton,

— gleichmäßige Verteilung von stark verdünntem Rubber Cement auf das Stahlband mittels getränkter Watte,

— Streuen des Pigments auf die trockene, klebrige Schicht bis vollständig gedeckt,

Aufbringen des Pigments auf die Aluminiumplatte:

— Auflegen des präparierten Stahlbandes auf die Al-Platte, die Pigmentschicht der vorbereiteten Al-Fläche zugekehrt,

— Durchfahren von Träger und Platte durch ein Walzwerk,

ein- bis zweimalige Wiederholung des Walzens, jedesmal mit einem neuen Pigmentträger, bis zu gleichmäßiger, schwarzer Beschichtung,

— Schichtdicke ca. 0,5 um.

Die Aluminiumplatte wird bei diesen Walzvorgängen insgesamt um ca. 25% in der Dicke reduziert

Beispiel 4 Die Vorbereitung der Platte erfolgt wie im Beispiel 3;

es wird aber kein Pigmentträger (Stahlband) verwendet Statt dessen wird die Aluminiumplatte mit Paraffinöl klebrig gemacht und das Pigment direkt auf diese Fläche gestreut Nach dem letzten Walzdurchgang wird das Paraffinöl mit einem Lösungsmittel entfernt

Selektive Schichten werden mit Vorteil an Absorberplaiten für Sonnenkollektoren verwendet, um die Strahlungsenergie der Sonne in Nutzwärme mit besserer Wirkung umzuwandeln, als dies zum Beispiel bei normalen schwarzen Absorberflächen oder mattschwarz lackierten Oberflächen der Fall ist

Damit werden verbesserte Wirkungsgrade der Umwandlung und/oder höhere Temperaturen bei gleichbleibender Einstrahlungsleistung der Sonne erreicht; andererseits können vorgegebene Wirkungsgrade und Temperaturen bei niedrigerer Einstrahlungsleistung erzeugt werden, als bei einer normalen schwarzen Absorberfläche. Wenn die letzten beiden Parameter gleich bleiben, kann bei Anwendung von selektiven Schichten die Auffangsfläche für eine bestimmte

Nutzleistung reduziert werden.

Bei genügend niedrigen Herstellungskosten können selektive Schichten die Kosten-Nutzen-Relation eines Sonnenkollektors verbessern und so beispielsweise die Rentabilität eines Sonnenheizsystems erhöhen.

Claims

Patentansprüche:

1. Absorberplatte für Sonnenkollektoren mit einer schlecht emittierenden metallischen Grundschicht und einer aus spektralselektiv wirkenden Pigmenten, zum Beispiel Metalloxiden, bestehenden Oberflächenschicht, die die Sonnenstrahlung absorbiert und für die Wärroeabstrahlung weitgehend transparent ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmente in pulverförmigem Zustand durch Pressen, insbesondere durch Walzen, auf die metallische Grundschicht aufgebracht sind.

2. Absorberplatte für Sonnenkoliektoren mit einer schlecht emittierenden metallischen Grundschicht is und einer aus spektralselektiv wirkenden Pigmenten, zum Beispiel Metalloxiden, bestehenden Oberflächenschicht, die die Sonnenstrahlung absorbiert und für die Wärmeabstrahlung weitgehend transparent ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmente in pulverförmigem Zustand mittels eines Paraffinöis, festen Paraffins oder Polyäthylens oder einer Mischung dieser Stoffe als Haftmasse auf die metallische Grundschicht aufgebracht sind.

3. Absorberplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftmasse nur zwischen Pigment und metallischer Grundschicht liegt

4. Absorberplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung farbiger Pigmente.