DE2659279A1 - SOLAR ENERGY COLLECTOR - Google Patents
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Description
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SonnenenergiekollektorSolar energy collector
Unser ZeichensOur mark
T 79 PaGm 76/2T 79 PaGm 76/2
Die Erfindung betrifft einen Sonnenenergiekollektor mit einem Metallkörper, dessen dünne Oberflächenschicht eine Energieabsorptionskapazität bei geringer Reemission aufweist. Die Spektraleigenschaften des Metallkörpers und der Oberflächenschicht sind derartig, daß Metallkörper und Oberflächenschicht einen großen Anteil der Sonnenstrahlung im Bereich der energiereichen Emission absorbieren, im Vergleich zu der absorbierten Sonnenenergie jedoch nur eine geringe Energiemenge als Wärmestrahlung reemittieren.The invention relates to a solar energy collector with a metal body, the thin surface layer of which has an energy absorption capacity with low re-emission. The spectral properties of the metal body and the surface layer are such that metal body and surface layer absorb a large proportion of solar radiation in the area of high-energy emission, compared to the absorbed However, solar energy only re-emits a small amount of energy as thermal radiation.
Es ist bekannt, daß Oberflächenschichten oder Oberflächenüberzüge auf Körpern, insbesondere Metallkörpern, spektral das Vermögen dieser Körper erhöhen, den Spektralbereich hoher Strah-It is known that surface layers or surface coatings on bodies, especially metal bodies, spectrally increase the ability of these bodies to reduce the spectral range of high radiation
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lungsernergie unter anderem des Sonnenlichtes zu absorbieren, jedoch nur in geringem Maße Wärmestrahlung reemittieren.absorbing learning energy from sunlight, among other things, however, only re-emit thermal radiation to a small extent.
Eine solche Oberflächenschicht oder ein solcher Oberflächenüberzug kann zum Beispiel elektrolytisch aufgebracht werden. Hierzu wird ein Metallkörper, zum Beispiel ein Blech, ausgesprochen sorgfältig gereinigt und in ein oder mehrere elektrolytische Bäder eingetaucht, deren chemische Zusammensetzung sorgfältig kontrolliert wird. Die während des Elektrolysevorgangs angelegte elektrische Spannung und die Behandlungszeit müssen sorgfältigst überwacht werden. Auf diese Weise mit einem Oberflächenüberzug hergestellte Körper können außergewöhnlich günstige spektrale Eigenschaften aufweisen. Nachteiligerweise beinhalten die bislang bekannten elektrolytischen Verfahren jedoch eine Reihe von Zwischenschritten, die schwierig zu kontrollieren sind, einen hohen Energieverbrauch aufweisen und kostenungünstig durchzuführen sind, wobei die Ergebnisse sehr schwierig reproduzierbar bleiben. Weiterhin kann es notwendig sein, giftige und umweltverschmutzende Metallsalze und Chemikalien in Verbindung mit solchen Verfahren zu benutzen.Such a surface layer or such a surface coating can be applied electrolytically, for example. For this purpose, a metal body, for example a sheet metal, is pronounced carefully cleaned and immersed in one or more electrolytic baths, their chemical composition carefully is controlled. The electrical voltage applied during the electrolysis process and the treatment time must be meticulous be monitored. Bodies produced in this way with a surface coating can be exceptionally inexpensive have spectral properties. Disadvantageously, however, the electrolytic processes known hitherto include one Series of intermediate steps that are difficult to control, have high energy consumption and are inexpensive are to be carried out, whereby the results remain very difficult to reproduce. Furthermore, it may be necessary to be poisonous and to use polluting metal salts and chemicals in conjunction with such processes.
Weiterhin ist es bekannt, die saubere Oberfläche eines Metalls bei.hoher Temperatur in einem speziellen Ofen, der eine sorgfältig eingestellte Atmosphäre hat, zu oxidieren. Weiterhin ist es bereits bekannt, eine Oberflächenschicht mit spektral selektivenEigenschaften durch Aufbringen in einer Vakuumapparatur zu erhalten. Auch diese Verfahren sind störanfällig, energie-It is also known to clean the surface of a metal at a high temperature in a special furnace that carefully set atmosphere has to oxidize. Furthermore, it is already known to provide a surface layer with spectrally selective properties obtained by applying in a vacuum apparatus. These processes are also prone to failure, energy-efficient
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intensiv und kostenungünstig durchzuführen.to be carried out intensively and inexpensively.
Auch die anderen, bislang bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Schicht auf einen Metallkörper, wobei diese Schicht dem Metallkörper günstige Spektraleigenschaften verleiht, haben in wesentlichen dieselben, schon erwähnten Nachteile. Diese Verfahren sind kompliziert, teuer und sehr ungünstig für die kommerzielle Herstellung von Sonnenenergie absorbierenden Bauteilen eines Feldes von Sonnenenergiekollektoren geeignet.The other previously known methods for applying a layer to a metal body, this layer being the Metal bodies, which impart favorable spectral properties, have essentially the same disadvantages already mentioned. These procedures are complicated, expensive and very inconvenient for the commercial manufacture of solar energy absorbing components an array of solar energy collectors.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Sonnenenergiekollektoren zu vermeiden und insbesondere einen einfach und kostengünstig herstellbaren Sonnenenergiekollektor zu schaffen, der sehr günstige spektrale Absorptionsund Emissionseigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Oberflächenschicht von einem Metallsulfid gebildet ist, dessen metallischer Bestandteil das Metall des Metallkörpers ist.The object of the present invention is to avoid these disadvantages of the known solar energy collectors, and in particular to create a solar energy collector that can be produced easily and inexpensively, the very favorable spectral absorption and Has emission properties. This object is achieved in that the surface layer is made of a metal sulfide is formed, the metallic component of which is the metal of the metal body.
Bei der vorliegenden Erfindung hat es sich herausgestellt, daß ein Metallkörper mit einer dünnen Oberflächenschicht, die ein Sulfid des Metalles, aus dem der Metallkörper hergestellt ist, aufweist, ein hohes Energieabsorptionsvermögen und eine Energieabsorptionskapazität bei geringer Reemission aufweist und als Bestandteil eines Sonnenenergiekollektors sehr geeignet ist. Der Metallkörper ist dabei vorzugsweise ein Körper aus Eisen zum Beispiel aus Eisenblech oder Eisenplatten, und das Metall-In the present invention, it has been found that a metal body with a thin surface layer, the a sulfide of the metal from which the metal body is made, has a high energy absorption capacity and a Has energy absorption capacity with low re-emission and is very suitable as part of a solar energy collector is. The metal body is preferably a body made of iron, for example made of sheet iron or iron plates, and the metal
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sulfid ist vorzugsweise Eisensulfid. Jedoch kann der Metallkörper neben Eisen auch aus Kupfer, Zinn, Blei oder ihren Legierungen bestehen, das Metallsulfid ist dabei ein metallisches Sulfid des Metalls, das der Hauptbestandteil dieser Legierung ist und zugleich den Metallkörper bildet.sulfide is preferably iron sulfide. However, in addition to iron, the metal body can also be made of copper, tin, lead or their alloys consist, the metal sulfide is a metallic sulfide of the metal that is the main component of this alloy is and at the same time forms the metal body.
Ein mit einer dünnen Oberflächenschicht eines Metallsulfids überzogener Metallkörper, zum Beispiel ein Eisen- oder Kupferblech oder ein Blech einer Legierung dieser Metalle, der günstig als Bestandteil eines Sonnenenergiekollektors einsatzbar ist, kann grundsätzlich in einfacher Weise hergestellt werden. Die Oberfläche des Metallkörpers wird zunächst gereinigt und mechanisch bearbeitet, so daß eine saubere Metalloberfläche erhalten wird. Diese saubere Oberfläche des Metallkörpers wird daraufhin in Kontakt mit Schwefel oder einer Schwefelverbindung gebracht, die mit dem Metall in der sauberen Oberfläche des Metallkörpers reagiert, so daß eine Schicht metallischen Sulfids sich auf diesem Metallkörper ausbildet.One with a thin surface layer of a metal sulfide Coated metal body, for example an iron or copper sheet or a sheet of an alloy of these metals, the Can be used favorably as part of a solar energy collector, can basically be produced in a simple manner will. The surface of the metal body is first cleaned and mechanically processed, so that a clean metal surface is obtained. This clean surface of the metal body is then in contact with sulfur or a sulfur compound brought that reacts with the metal in the clean surface of the metal body, leaving a layer of metallic sulfide forms on this metal body.
Bei einem Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Sonnen energiekollektor wird der Metallkörper in ein Bad eingetaucht, dem eine gasförmige Schwefelverbindung zugeführt wird. Nach zwei bis dreißig Minuten, in Abhängigkeit von der Konzentration der Schwefelverbindung, der Badtemperatur und so weiter, hat sich eine Metallsulfidschicht ausgebildet, die günstige Eigenschaften für die Absorption von Sonnenenergie aufweist. DerIn a manufacturing method for the sun according to the invention energy collector, the metal body is immersed in a bath to which a gaseous sulfur compound is supplied. To two to thirty minutes, depending on the concentration of the sulfur compound, the bath temperature and so on a metal sulfide layer is formed, which has favorable properties for the absorption of solar energy. Of the
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mit dem Metallsulfid überzogene Metallkörper wird aus dem Bad herausgezogen und getrocknet. Das Herstellungsverfahren läßt sich einfach kontrollieren und die Ergebnisse sind reproduzierbar, eine kommerzielle und maschinelle Herstellung von Sonnenenergieabsorbern, die Bestandteil von Sonnenenergiekollektoren sind, ist mit diesem Verfahren möglich.Metal bodies coated with the metal sulfide are pulled out of the bath and dried. The manufacturing process leaves easy to control and the results are reproducible, a commercial and machine production of solar energy absorbers, that are part of solar energy collectors is possible with this method.
Gemäß eines zweiten Herstellungsverfahrens wird die saubere Metalloberfläche des Metallkörpers in Kontakt mit einer Atmosphäre gebracht, die sich aus Dampf und einer gasförmigen Schwefelverbindung zusammensetzt. Dabei wird Metallsulfid auf der gereinigten Metalloberfläche gebildet und der so mit Metallsulfid überzogene Metallkörper wird anschließend aus der reaktiven Atmosphäre entnommen und getrocknet. Hervorragende Ergebnisse bezüglich der spektral - selektiven Eigenschaften des Metallkörpers werden so erreicht und die Reproduktionsmöglichkeiten der erhaltenen Ergebnisse sind außergewöhnlich gut.According to a second manufacturing process, the clean metal surface of the metal body brought into contact with an atmosphere made up of steam and a gaseous sulfur compound composed. During this process, metal sulfide is formed on the cleaned metal surface and the metal sulfide coated in this way Metal bodies are then removed from the reactive atmosphere and dried. Excellent results regarding the spectrally selective properties of the metal body are achieved in this way and the reproductive possibilities of the ones obtained Results are exceptionally good.
Das mit einer gasförmigen Schwefelverbindung gesättigte Bad und die einen Dampf und eine gasförmige Schwefelverbindung aufweisende Atmosphäre können Teil eines geschlossenen Systems sein. Die gasförmige Schwefelverbindung wird bei der Ausbildung des Metallsulfids vollständig aufgebraucht und Folgeprodukte, die einen umweltschädlichen Einfluß haben könnten, werden nicht gebildet. Der aus der Badoberfläche aufsteigende und entweichende Teil der gasförmigen Schwefelverbindung wird dem Bad wiederThe bath saturated with a gaseous sulfur compound and the bath containing a steam and a gaseous sulfur compound Atmosphere can be part of a closed system. The gaseous sulfur compound is used in the formation of the Metal sulfide is completely used up and by-products, which could have an environmentally harmful influence, are not educated. The part of the gaseous sulfur compound that rises and escapes from the bath surface is returned to the bath
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zugeführt und im Verlauf des Herstellungsverfahrens verbraucht.supplied and consumed in the course of the manufacturing process.
Die die spektralen Eigenschaften verbessernde Metallsulfidoberflächenschicht kann nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auf metallische Gegenstände mit beliebigen Abmessungen, zum Beispiel einem Gegenstand aus gepreßtem Blech, aufgebracht werden. Gegenstände, die mit Hilfe der bekannten Metallverarbeitungstechniken, Schweißen oder ähnlichem hergestellt werden, können mit einer glatten, spektral-selektiven Sulfidschicht in sehr einfacher und kostengünstiger Weise überzogen werden.The metal sulfide surface layer improving the spectral properties can be applied to metallic objects with any dimensions according to the manufacturing process according to the invention, for example an object made of pressed sheet metal. Objects that are made with the help of known metalworking techniques, Welding or similar can be made with a smooth, spectrally selective sulfide layer in can be coated in a very simple and inexpensive manner.
Weiterhin ist es möglich, Metallkörper mit Metallsulfidschichten die spektral-selektive Eigenschaften aufweisen, zu überziehen, indem man die saubere Metalloberfläche des Metallkörpers in Kontakt mit amorphem oder kristallinem Schwefel oder einer Schwefelverbindung in Form von Puder bringt. Durch Aufheizen wird eine dünne und glatte Schicht eines Metallsulfids an der Oberfläche dieses Metallkörpers ausgebildet. Der Metallkörper wird danach abgekühlt, der Teil des Schwefels oder der Schwefelverbindung, der nicht reagiert hat, wird entfernt und der mit einer Sulfid-Oberfläche ausgestattete Metallkörper wird nötigenfalls getrocknet. Bei diesem einfachen Herstellungsverfahren wird ein hoher Grad an Reproduzierbarkeit erreicht.It is also possible to coat metal bodies with metal sulfide layers that have spectrally selective properties, by having the clean metal surface of the metal body in contact with amorphous or crystalline sulfur or a Brings sulfur compound in the form of powder. By heating a thin and smooth layer of a metal sulfide on the Surface of this metal body formed. The metal body is then cooled, the part of the sulfur or the sulfur compound, which has not reacted is removed and the metal body equipped with a sulfide surface is, if necessary dried. With this simple manufacturing process, a high degree of reproducibility is achieved.
Wird Schwefel verwendet, so ist es günstig, die Temperatur bis zum oder bis oberhalb des Schmelzpunktes von Schwefel zu erhöhen.If sulfur is used, it is beneficial to keep the temperature up to or above the melting point of sulfur raise.
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Wird Schwefel oder eine Schwefelverbindung pulverförmig auf die gereinigte Oberfläche eines Metallkörpers während des Heizens aufgewalzt oder anderweitig aufgedrückt, so kann eine gute Qualität der amorphen Metallsulfidschicht und eine gute Reproduzierbarkeit bei vergleichsweise geringen Temperaturen erreicht werden.When sulfur or a sulfur compound is powdered on the cleaned surface of a metal body during heating rolled on or otherwise pressed on, the quality of the amorphous metal sulfide layer and good reproducibility can be achieved can be achieved at comparatively low temperatures.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf drei Beispiele erläutert:The invention will now be described with reference to three examples explained:
Eine normale Stahlplatte einer handelsüblichen Stahlqualität wird sorgfältig mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen um anhaftenden Schmutz und Fett abzulösen. Dicke Oxidschichten werden durch Abschleifen, Bürsten und Polieren entfernt, so daß eine glatte Oberfläche erhalten wird. Die mechanische Behandlung ist dabei keineswegs so extensiv und zeitaufwendig wie bei den bekannten mechanischen Vorbehandlungen von Metalloberflächen vor der elektrolytischen Behandlung und dem Aufbringen in Vakuum, um eine Oberflächenschicht auf diese Oberflächen bringen zu können. Das Metallteil, das eine komplizierte äußere Form hat, wird vollständig in ein Wasserbad eingetaucht, in das gasförmiger Schwefelwasserstoff in einem derartigen Maße eingeleitet wird, daß das Wasser mit Schwefelwasserstoff gesättigt ist. Das von der Oberfläche entweichende Wasserstoffsulfid wird wiederA normal steel plate of a commercial steel grade is carefully washed with an organic solvent to remove stubborn dirt and grease. Thick oxide layers are removed by grinding, brushing and polishing, so that a smooth surface is obtained. The mechanical treatment is by no means as extensive and time-consuming as with the known mechanical pretreatments of metal surfaces before electrolytic treatment and application in vacuum, in order to be able to bring a surface layer onto these surfaces. The metal part, which has a complicated external shape, is completely immersed in a water bath into which gaseous hydrogen sulfide is introduced to such an extent becomes that the water is saturated with hydrogen sulfide. The hydrogen sulfide escaping from the surface becomes again
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in das Bad zurückgeführt. Die Badtemperatur ist ungefähr 20°C und die Behandlungszeit variiert zwischen 5 und 15 Minuten. Das Metallteil wird während der Bildung einer dünnen Schicht von Eisensulfid dunkler, es wird anschließend in Luft getrocknet. Verschiedene Bereiche der Oberfläche dieses Teils werden hinsichtlich ihrer spektral-selektiven Eigenschaften mit Hilfe eines Gerätes, mit dem die Sonnenstrahlung simuliert werden kann, getestet. Die aus diesen Tests erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß die. Qualität hinsichtlich der spektralen Selektivität bei weitem besser ist als die Qualität, die mit den Tests an einer mit schwarzem Ruß bestrichenen Vergleichsplatte nachgewiesen werden konnte.returned to the bathroom. The bath temperature is around 20 ° C and the treatment time varies between 5 and 15 minutes. That Metal part darkens during the formation of a thin layer of iron sulfide, it is then dried in air. Different areas of the surface of this part are determined with regard to their spectrally selective properties with the help of of a device that can simulate solar radiation. The results obtained from these tests show that the. Quality in terms of spectral selectivity is far better than the quality obtained with the tests on one with black carbon black coated comparison plate could be detected.
Die Feinstruktur der Sulfidschicht wird mit einem Mikroskop kontrolliert. Dieser Kontrollschritt zeigt, daß die Oberfläche außergewöhnlich glatt ist und die mechanisch gereinigte Oberfläche des Metallteils gut überzieht, auch in den gekrümmten Bereichen dieser Oberfläche.The fine structure of the sulfide layer is checked with a microscope. This control step shows that the surface is exceptionally smooth and the mechanically cleaned surface of the metal part well coated, also in the curved areas of this surface.
Eine dünne Schicht amorphen Schwefels wird auf die ebene Oberfläche von Kupfer, das mechanisch wie im ersten Beispiel ausgeführt behandelt wurde, gestreut. Die Platten werden anschließend 10 Minuten geheizt. Anschließend werden sie abgekühlt, der nicht reaktive Schwefel wird entfernt und die Platten werden getrocknet. Beim Test in einer Anordnung zur Simulierung derA thin layer of amorphous sulfur is put on the flat surface of copper that has been mechanically treated as outlined in the first example. The panels are then Heated for 10 minutes. Then they are cooled down, the non-reactive sulfur is removed and the plates become dried. When testing in an arrangement to simulate the
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Sonnenstrahlung zeigen diese Platten im Vergleich zu rußbedeckten Eisenplatten unterschiedliche, jedoch positive Ergebnisse.Solar radiation, these panels show different, but positive results compared to soot-covered iron panels.
Zwei gereinigte Bleche einer Kupferlegierung werden oberflächenbehandelt, indem Schwefel zwischen die Bleche gegeben wird und diese Bleche bei erhöhter Temperatur gegeneinander gedrückt werden. Die so behandelten Oberflächen sind speziell für das Sonnenlicht spektral-selektiv.Two cleaned sheets of a copper alloy are surface treated, by adding sulfur between the sheets and pressing these sheets against one another at an elevated temperature. The surfaces treated in this way are spectrally selective especially for sunlight.
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