DE2709837A1 - Solarkollektor - Google Patents
SolarkollektorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor, und zwar insbesondere auf ein Sonnenstrahlung absorbierendes
Material sowie selektive Sonnenenergie absorbierende Oberflächen für Solarkollektoren und dergleichen.
Im allgemeinen ist ein Solarkollektor eine Vorrichtung mit
einer Kollektoroberfläche zum Zwecke der Absorption von Energie von einfallender Solarstrahlung und zum Zwecke der
Leitung dieser Energie als Wärme zu einem Wärmeübertragungsmittel für den Transport zu der Stelle des schließlichen
Verbrauchs oder der Umwandlung in eine andere Energieform. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein Solarkollektor
eine Vorrichtung, welche in Kombination Mittel zur Absorption von Energie aus einfallender Solarstrahlung sowie
Mittel umfaßt, um die absorbierte Energie als Wärme zu den Wärmeübertragungsmitteln zu transportieren. Bei Solarkollektoren
sind die energieabsorbierenden Mittel oftmals ein schwarzer Überzug auf einem Metallsubstrat. Das Metallsubstrat
dient ebenfalls als ein Wärmeleitmittel. Der Überzug in Kombination mit dem Metallsubstrat (üblicherweise poliert) absor-
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-t-3
biert die Energie von der einfallenden Solarstrahlung und leitet die Energie durch das Metallsubstrat zu einem zirkulierenden
Wänneübertragungsströmungsmittel, wie beispielsweise Wasser. Ein Beispiel eines wärmeleitenden Substrats versehen
mit einem selektiven Solarenergiß absorbierenden Überzug ist im U.S. Patent 3 920 413 beschrieben. Dieses Patent zeigt
eine wärmeleitende Metalloberfläche, die mit einem selektiven Solarenergie absorbierenden Überzug aus elektroabgeschiedenem
schwarzen Nickel versehen ist. Das solar-selektive Überzugsverfahren der vorliegenden Erfindung ist für das Überziehen
derartiger Metallsubstrate als auch thermisch leitender nicht-metallischer Überzüge geeignet, und gemäß der Erfindung
überzogene Solarkollektoren sind zweckmäßig zur Erwärmung von Wärmeübertragungsströraungsmitteln zum Zwecke der Heizung
von Gebäuden, zur Elektrizitätserzeugung und für andere Anwendungsfälle.
Es sind bereits mehrere Überzüge zur Absorption von Sonnenenergie bekannt. Jedes schwarze Material, wie beispielsweise
einige der Alkydharz-Emailstoffe oder flache schwarze Farben, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoff-Schwarzpigment aufweisen,
erzeugen eine Oberfläche mit einer hohen Solarenergie-Absorptionsfähigkeit. Unglücklicherweise sind diese Farben
nicht für Solarenergie selektiv, und sie emittieren viel der absorbierten Solarstrahlung als Infrarotstrahlung an die
Umgebung. Solarenergie kann mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad dann ausgenutzt werden, wenn der Überzug hinsichtlich
der Solarenergie selektiv wirkt. Solar-selektive Überzüge sind gekennzeichnet durch ein hohes Absorptionsvermögen für sichtbares
Licht und ein geringes Emissionsvermögen (hohes Reflexionsvermögen) für Infrarotstrahlung.
Solar-selektive Überzüge des Standes der Technik umfassen die folgenden: keramische Emailstoffe, die Bleisulfid, Chromoxid,
gemischte Oxide von Kupfer oder gemischte Sulfide von Nickel-Zink enthalten; und elektro-abgeschiedene schwarze Überzüge,
wie beispielsweise Chromschwarz, Nickelschwarz, Zinkschwarz
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und auch Kupferschwarz. Diese Überzüge werden typischerweise in dünnen (1000 - 3000 Ä5) auf Metallsubstrate aufgebracht.
Die Metallsubstrate werden somit zur Verringerung der Infrarot-Emissionsfähigkeit
behandelt und der Überzug und das Substrat arbeiten als ein selektiver Solarabsorber.
Der Hauptnachteil der Solariiberzüge gemäß dem Stand der Technik
sind die hohen Kosten beim anfänglichen Aufbringen sowie bei der Wartung. Die Überzugsdickensteuerung ist bei den Überzügen
gemäß dem Stand der Technik kritisch, weil für jedes verwendete Überzugsmaterial ein optimaler Dickenbereich vorhanden
ist für das Verhältnis aus Solarenergie-Absorptionsvermögen zu Solar-Emissionsfähigkeit. Dieses Verhältnis muß
so hoch als möglich gehalten werden, ohne einen signifikanten Verlust bei der Absorption im Bereich der sichtbaren Wellenlängen,
um so maximalen Wirkungsgrad zu erhalten. Wenn die Dicke dieser Überzüge über den optimalen Wert ansteigt, so
geht die Selektivität verloren und die Überzüge ähneln in ihren Eigenschaften nicht selektiver schwarzer Farbe. Weil
eine genaue Oberflächenaufbereitung und Dickensteuerung für den Wirkungsgrad dieser Überzüge wesentlich ist, sind die
Kosten der Überzugsvorgänge oftmals viel zu hoch. Der Preis für das Überziehen von Oberflächen ist in der folgenden Literaturstelle
angegeben: NASA Technical Memorandum, vom November 1974, NASA TM-X-71730 mit dem Titel "Survey of Coatings for
Solar Collectors" N-75-23989; diese Literaturstelle ist von dem National. Technical Information Service, United States
Department of Commerce, Springfield, Virginia, U.S.A. erhältlich. Die angegebenen Preise umfassen nicht die Oberflächenvorbereitung
und die Materialkosten und lagen im Bereich von 50 Cent pro Quadratfuß für Alkydemail und Kupferschwarz und
reichten bis 80 Cent pro Quadratfuß für Chromschwarz und Zinkschwarz.
Die Metalloberflächen-Vorbereitung für Überzugsverfahren gemäß dem Stand der Technik umfaßt Sandstrahlen und Honen mit
Scheuerteilchen, Waschen mit organischem Lösungsmittel,
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Reinigung durch anodische Oberflächenauflösung, Säurereinigung, Vor-Elektroplattieren, elektrolytische Alkali-Gelatreinigung,
Spülen usw. Für Farben muß die Metalloberfläche von lockerem Oxid befreit sein und mit einem Antikorrosionsiiberzug und
einem Voranstrich versehen werden. Einige Elektroabscheidungsverfahren
machen die Elektroabscheidung einer Metallage erforderlich, bevor der schwarze Überzug aufgebracht wird. Wenn
beispielsweise Chromschwarz als ein solar-selektiver Überzug auf Stahl verwendet wird, so muß der Stahl zuerst mit Nickel
plattiert werden, um das Rosten des Stahls zu verhindern, da Chromschwarz keinen solchen Schutz erzeugt. Wenn Chromschwarz auf Aluminium plattiert wird, so wird das Aluminium
entweder zuerst mit Nickel, nach einer Verzinkung, plattiert, oder es wird direkt mit Chrom plattiert, vor dem Plattieren
mit Chromschwarz.
Einige Überzüge gemäß dem Stand der Technik erfahren eine Zerstörung
durch ultraviolettes Licht, durch Korrosion und Verunreinigung
oder durch thermische Verschlechterung. Dünne durch Elektroabscheidung aufgebrachte schwarze Überzüge können leicht
durch Abrieb verloren gehen.
Ferner sind die Kosten für eine Reparatur der bekannten Überzüge beträchtlich hoch, da der Solarkollektor auseinandergebaut
werden muß und wiederum der teuren Oberflächenaufbereitung und den überzugsverfahren unterworfen werden muß.
Sie Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine solar-selektive
Oberfläche sowie ein Überzugsverfahren vorzusehen, welches beträchtlich reduzierte Naterialkosten und Anwendungskosten
verursacht. Die Erfindung sieht ferner eine solar-selektive Oberfläche sowie ein Überzugsverfahren vor, welches unabhängig
von der überzogenen Oberfläche arbeitet und keine genaue Dickenkontrolle
erforderlich macht. Die Erfindung hat sich ferner ein Überzugsverfahren zum Ziel gesetzt, welches eine wesentlich
weniger teure Oberflächenbehandlung erforderlich macht, als die Überzüge gemäß dem Stand der Technik. Die Erfindung
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sieht auch einen Solarkollektor vor, der eine solar-selektive Oberfläche aufweist, die leicht durch nicht ausgebildetes
Personal repariert werden kann, und zwar ohne ein teures Auseinandernehmen erforderlich zu machen.
Diese sowie weitere Ziele werden erfindungsgemäß in einem Solarkollektor erreicht, der in Kombination folgendes aufweist:
Mittel zur Absorption von Solarenergie aus einfallender Solarstrahlung und Mittel zur Leitung dieser Energie zu einem Wärmeübertragungsmittel,
wobei die erfindungsgemäße Verbesserung insbesondere darin besteht, daß die Mittel zur Absorption
von Solarenergie mit einer solar-selektiven Oberfläche ausgestattet sind, die Kohlenstoff aufweist und wobei die Oberfläche
eine Majorität von externen Poren innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,2 bis 2 Mikrometer aufweist.
Im folgenden seien nunmehr die erfindungsgemäßen Merkmale im einzelnen beschrieben. Ein Aspekt der Erfindung sieht die Verwendung
als solar-selektive Oberflächen eines Materials mit hoher Absorptionsfähigkeit für sichtbares Licht in einer
porösen Ausgestaltung vor, und zwar in der Lage, infrarote Strahlung zu reflektieren, wodurch die thermische Emissionsfähigkeit
der Oberfläche reduziert wird. Eine derartige Oberfläche wirkt daher als ein "schwarzes Loch" für sichtbares
Licht und ein Reflektor für Infrarotstrahlung. Kohlenstoff ist ein besonders geeignetes Material für diesen Zweck.
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß Kohlenstoff in geeigneter Form solar-selektive Eigenschaften besitzt, die
vergleichbar zu den teuren solar-selektiven Überzügen gemäß dem Stand der Technik sind. Eine solar-selektive Kohlenstoffoberfläche
gemäß der Erfindung ist eine poröse Oberfläche mit einer Mehrzahl der Poren innerhalb des Bereichs von 0,2 bis
2 Mikrometer. Eine derartige Kohlenstoffoberfläche besitzt gute Absorptionseigenschaften für die sichtbaren Wellenlängen
der Solarstrahlung, wirkt aber als ein Reflektor für längere Wellenlängen der Infrarotstrahlung oberhalb ungefähr
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2 Mikrometer Wellenlänge. Die gewünschten Ergebnisse werden mit jeder Oberfläche erreicht, die hinreichend viel Poren
innerhalb des 0,2 bis 2 Mikrometer-Bereiches aufweist, um so die Solar-Selektivität zu demonstrieren. Obwohl ein gewisser
Grad an Solar-Selektivität bei Überzügen mit weniger als
einer Majorität der Poren innerhalb des Bereichs auftritt, so wird die Oberfläche jedoch umso solar-selektiver desto
größer der Porenanteil innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,2 bis 2 Mikrometer ist. Obwohl die solar-selektive Oberfläche
gemäß der Erfindung im wesentlichen aus Kohlenstoff oder Kohlenstoff teilchen in einem geeigneten Bindemittel besteht,
so können kleinere Mengen an Verunreinigungen vorhanden sein, ohne die Leistungsfähigkeit des Überzugs ernsthaft zu stören.
Zur Erzeugung solar-selektiver Oberflächen gemäß der Erfindung sind diejenigen Kohlenstoffarten zweckmäßig, welche eine hohe
Absorptionsfähigkeit für sichtbares Licht besitzen, und zwar gehört dazu amorpher, halb-graphitischer und graphitischer
Kohlenstoff, und zwar im Gegensatz zu Diamant, der im wesentlichen für sichtbares Licht transparent ist. Formen von
Kohlenstoff, welche solar-selektive Eigenschaften besitzen, umfassen feste mikroporöse Kohlenstoffartikel mit einer
Mehrzahl der Oberflächenporen innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 2 Mikrometer, und eine Anordnung von Kohlenstoffteilchen
oder -fasern mit Zwischenteilchen- oder Zwischenfaser-Räumen im Bereich von 0,2 bis 2 Mikrometer. Die hier
verwendeten Ausdrucke "Porengröße" oder "Durchmesser", die sich auf Poren oder Teilchen beziehen, nehmen auf den
äquivalenten Flächendurchmesser des Teilchens oder der Pore Bezug (der Durchmesser eines Kreises mit äquivalenter Fläche
wie die Pore oder eine planare Projektion des Teilchens).
Erfindungsgemäß ist ein effektiver Solar-Kollektor ein fester
Kohlenstoffkörper mit einer Mehrzahl von externen Poren im Bereich von 0,2 bis 2 Mikrometer. Für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung sind externe Poren diejenigen Poren auf der Oberfläche des Kohlenstoffkörpers, der der einfallenden
Solarstrahlung ausgesetzt ist. Ein derartiger Kohlenstoffkörper
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arbeitet sowohl als ein solar-selektiver Absorber und ein thermischer Leiter; auf diese Weise kann ein wirkungsvoller
Solarkollektor aus einem Körper hergestellt werden, der mit geeigneten Leitungsmitteln für ein WärmeUbertragungsströmungsmittel
ausgestattet ist. Kleinere Kohlenstoffkörper wie beispielsweise Kohlenstoff- oder Graphit-Mikrosphären (Mikrokügelchen)
mit externen Poren im 0,2 bis 2 Mikrometer-Bereich werden mit einem geeigneten Bindemittel an einem thermisch
leitenden Substrat zum Anhaften gebracht, um eine solar-selektive Oberfläche zu bilden.
Der Fachmann auf dem Gebiet der Kohlenstoff- und Graphit-Technik ist in der Lage, die verschiedensten Kohlenstoffartikel
mit gesteuerter Porengrößenverteilung herzustellen. Dies wird routinemäßig durch Veränderung bestimmter Parameter
beim Herstellungsverfahren erreicht. Beispielsweise sind die Poreneigenschaften eines Kohlenstoffkörpers üblicherweise
eine Funktion der Poren des Ausgangsmaterials und der Verkokungstemperatur.
Kohlenstoffmikrokügelchen mit einer Porengrößenverteilung, die zur Erzeugung der solar-selektiven
Oberfläche der Erfindung geeignet sind, sind im Handel verfügbar oder können durch Verkokung von im Handel verfügbarer
Kationenaustauschharze hergestellt werden. Geeignete Kohlenstoffmikrokügelchen
können ohne weiteres durch langsames Verkoken von Polymerkügelchen (beads) hergestellt werden, und
zwar bei ungefähr 900 0C in fließendem Stickstoff oder
einer inerten Atmosphäre, und zwar für eine Zeitdauer von 48 h. Geeignete Polymerkügelchen sind kreuzvernetztes Polystyrol,
hergestellt aus einer Polymerisationsmischung, die ungefähr 16 Mol-# Divinylbenzol enthält. Es gibt zahlreiche
verschiedene Verfahren zur Herstellung geeigneter Kohlenstoff-Ausgangskügelchen.
Typisch für solche Verfahren ist das Verfahren zur Herstellung
kreuzvernetzter PolystyrolkUgelchen durch die Perlenpolymerisation,
die im einzelnen in der folgenden Literaturstelle
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beschrieben ist: "Ion Exchange", von Friedrich Helfferich,
McGraw Hill Book Company, New York (1962), S. 35-37. Die Porengröße wird durch Steuerung des Grades der Kreuzvemetzung
gesteuert, welche durch die Divinylbenzol-Konzentration in der Polymerisationsmischung bestimmt ist. Wenn gewünscht
kann die Teilchengröße durch mechanische Rührvorgänge, Dispersionsmittel und andere Mittel gesteuert werden, wie
sie in der folgenden Literaturstelle beschrieben sind: "Particle Size in Suspension Polymerization", von F. H. Winslow
und W. Matreyek in Ind. Eng. Chem. £3 (1951), S. 1108-1112.
Ein Beispiel für Kohlenjtoffmikrokügelchen, welche die angenäherte
Porengrößenverteilung aufweisen, die für die vorliegende Erfindung zweckmäßig ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung
dieser Kilgelchen, ist in der folgenden Literatursteile
beschrieben: "Carbon Microspheroids As Extinguishing Agents for Metal Fires", von C. R. Schmitt in "The Journal
of Fire and FlammabiIity", Band 5 (Juli 1974), S. 223-233;
auf diese Literaturstelle wird zum Zwecke der Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen. Obwohl die dort gezeigten Porengrößen
vielleicht etwas größer als für die solar-selektiven Überzüge zweckmäßig sind, so wird eine gesteuerte Erhitzung
der verkokten Teilchen oberhalb ungefähr 2000 0C die Porengröße
auf den gewünschten Bereich einschrumpfen, oder das Ausmaß der Kreuzvernetzung im Polystyrol kann erhöht
werden, und zwar durch Erhöhung des Divinylbenzol-Gehalts in der Polymerisationsmischung, und zwar von ungefähr 12 Mol-#
auf ungefähr 16 Mol-%.
Andere solar-selektive Formen des Kohlenstoffs umfassen Kohlenstoff-Fasern oder -Borsten, wie beispielsweise faserartigen
Graphit, und zwar orientiert derart, daß eine Mehrheit von Poren innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 2 Mikrometern
vorgesehen ist. Beispielsweise kann faseriger Graphit durch Carbonisierung und Graphitisierung von Kunstfasern
(Rayon-Fasern) hergestellt werden, und durch Orientierung dieser Fasern in einem thermisch leitenden Substrat durch
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konventionelle elektrostatische Plockverfahren, um so eine bürstenartige Form auszubilden. Durch Regelung oder Steuerung
der Räume zwischen den Fasern auf einen Bereich von 0,2 bis Mikron wird eine solar-selektive Oberfläche durch die Enden
der Fasern erzeugt. Diese Oberfläche erzeugt "schwarze Löcher" für sichtbares Licht, während sie als ein Reflektor
für Infrarotstrahlung wirkt. Die Länge der Fasern sollte mindestens das 5- bis 10-fache des Zwischenfaserraums sein,
um das Einfangen von hinreichend viel sichtbarem Licht vorzusehen.
Eine besonders zweckmäßige Anwendung dieser Erfindung liegt in der Anwendung bei der Herstellung von solar-selektiven
Überzügen für thermisch leitende Oberflächen, wie beispielsweise in üblichen Solarkollektoren. Ein billiger leicht
aufzubringender selektiver Überzug ist eine solar-selektive Anordnung von Kohlenstoffteilchen in einem geeigneten Bindemittel.
Eine solar-selektive Anordnung ist ein Überzug aus Kohlenstoffteilchen von geeigneter Größe zur Erzeugung der
richtigen Zwischenteilchenräume von ungefähr 0,2 bis 2 Mikrometer, um als Reflektoren für Infrarotstrahlung oberhalb
ungefähr 2 Mikrometer Wellenlänge zu wirken, wobei die Ausbildung einer solchen Anordnung leicht durch einen Überzug
aus Kohlenstoffteilchen in einem geeigneten Bindemittel erfolgt, und wobei eine Majorität der Kohlenstoffteilchen
Durchmesser zwischen ungefähr 0,2 Mikrometer und 10 Mikrometer aufweist. Je größer die Majorität der Teilchen innerhalb
des erforderlichen Bereiches ist, umso wirkungsvoller wird natürlich die Anordnung für das Einlassen des sichtbaren
Lichts und das Reflektieren des infraroten Lichts. Ein erhöhter Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Teilchen oberhalb ungefähr
1900 0C gebrannt wurden.
Demgemäß umfaßt ein einen hohen Wirkungsgrad aufweisender billiger Solarkollektor eine Kollektoroberfläche in thermischer
Verbindung mit einem Wärmeübertragungsmedium, wobei die Oberfläche mit einer solar-selektiven Anordnung von Kohlen-
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Stoffteilchen ausgestattet ist, um die Solarenergie von einfallender
Solarstrahlung zu absorbieren. Ein verbessertes Überzugsverfahren zur Erzeugung eines thermisch leitenden
Substrats mit einer selektiven Solarenergie absorbierenden Oberfläche, umfaßt das Anhaften eines Überzugs aus Kohlenstoff
teilchen an der Oberfläche, wobei die Majorität der Kohlenstoffteilchen Durchmesser zwischen ungefähr 0,2 Mikrometer
und 10 Mikrometer aufweist.
Ein geeignetes Bindemittel ist jedes keramische oder adhäsive Material, wie beispielsweise die Acrylthermoplast-Harze,
die in der Lage sind, die Kohlenstoffteilchen aneinander und an der wärmeleitenden Oberfläche zum Anhaften zu bringen.
Bevorzugte Bindemittel sind diejenigen, welche für sichtbares Licht transparent sind, und die in kleinen Mengen wirken.
Das Bindemittel sollte gegenüber Wettereinfliissen und gegenüber thermischer Zerstörung bei der Betriebstemperatur außerordentlich
beständig sein. Das Bindemittel sollte vorzugsweise in den verwendeten Dicken im wesentlichen transparent für Infrarot
sein. Geeignete Bindematerialien sind ohne weiteres verfügbar und umfassen Natriumsilikat mit hohem SiOg-zu-NagO-Verhältnis,
wie beispielsweise Natriumsilikat nach Auslaugen mit Fluorkieselsäure, hydrolysiertes Äthylsilikat,
Acrylharz, Phenolharze, Polyesterharze, Styrol und Copolymere, Epoxide und Hochtemperatur-Polymere als Klebemittel.
Es wird angenommen, daß die mit Kohlenstoffteilchen eines Durchmessers im Bereich von 0,2 bis 10 Mikrometer erreichbare
Solarselektivität verursacht wird durch die mäßig hohe Absorption für sichtbares Licht durch die Zwischenteilchenräume
gekoppelt mit einem hohen Reflexionsvermögen für die nahezu infrarote Strahlung (somit geringes thermisches Emissionsvermögen). Es wird angenommen, daß die Anordnung der Kohlenstoffteilchen
als ein Reflektor für Infrarot im thermischen Bereich oberhalb ungefähr 2 Mikrometer Wellenlänge arbeitet.
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Dicht gepackte Teilchen wesentlich unterhalb 0,2 Mikrometer im Durchmesser besitzen Zwischenteilchenräume, die für eine
hohe Absorption sichtbaren Lichts zu klein sind, und Teilchen, die viel größer sind als 10 Mikrometer sind schlechte Infrarot-Reflektoren,
besitzen somit ein hohes Infrarot-Emissionsvermögen, wodurch die Solar-Selektivität der Anordnung aus
Teilchen substantiell verringert wird.
Die in der solar-selektiven Anordnung der Erfindung verwendeten Kohlenstoffteilchen sind ohne weiteres unterscheidbar gegenüber
Kohlenstoff und Lampenrußteilchen, verwendet für die Erzeugung von Pigmenten, wie beispielsweise den Kanalverfahren-und
Ofenverfahren- Kohlenstoff-Schwarzstoffen, wie sie in Tinten und flachen schwarzen Farben verwendet werden. Derartige,
eine hohe Farbgebung aufweisende Kohlenstoff-Schwarzteilchen besitzen Teilchendurchmesser im Bereich von 0,02 bis 0,04
Mikron, wobei die eine geringe Farbgebung aufweisenden Kohlenstoff-Schwarzteilchen
Teilchen von 0,06 Mikron aufweisen. Obwohl Überzüge, wie Flachschwarzfarben zum Überziehen von
Solarplatten gemäß dem Stand der Technik verwendet wurden, so sind doch diese überzüge nicht solar-selektiv, die Teilchen
sind zu klein und zu verteilt, um als ein Infrarot-Reflektor zu wirken. Das Gesamtabsorptionsvermögen derartiger
verdünnter Dispersionen von Teilchen ist hoch, ebenso wie ihr thermisches Emissionsvermögen, und sie arbeiten somit
im wesentlichen wie ein theoretischer echwarzer Körper mit hohem Absorptionsvermögen und hohem Emissionsvermögen für
sämtliche Wellenlängen.
Die 0,2 bis 10-Mikrometer-Teilchen, die gemäß der Erfindung
verwendet werden, werden gelegentlich in Graphitfarben festgestellt. Sie besitzen eine graue Farbe und werden
typischerweise wegen ihres Korrosionswiderstands oder ihrer günstigen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verwendet,
und nicht wegen ihrer Pigmenteigenschaften oder Absorptionsfähigkeit. Die zur Erzeugung der erfindungsgemäßen solar-selektiven
Überzüge geeigneten Teilchen umfassen niedrig- und mittel-
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thermische thermatomische Kohlenstoffe und auch Teilchen mit
unterschiedlichen Graden der Graphitisierung, einschließlich eine rauhe Oberfläche aufweisender Kohlenstoff- und Graphit-Mikrokügelchen
mit Durchmessern von ungefähr 10 bis 50 Mikrometer. Obwohl die Durchmesser derartiger Mikrokligelchen im
allgemeinen außerhalb des 0,2 bis 10-Mikrometer-Bereichs liegen, so zeigen die Mikrokligelchen Solar-Selektivität infolge
ihrer Oberflächenporengrößen innerhalb des 0,2 bis 2 Mikrometer-Bereichs
.
Obwohl wirkungsvolle solar-selektive Überzüge aus im wesentlichem amorphem thermatomischem Kohlenstoff hergestellt werden
können, der eine Temperatur von nicht mehr als den 100 0G
eines normalen Herstellungsverfahrens erfährt, so wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß eine signifikante Verbesserung
des Wirkungsgrades dann erreicht wird, wenn die Teilchen auf oberhalb ungefähr 1900 0C erhitzt wurden.
Oberhalb dieser Temperatur erfolgt bei den Kohlenstoffteilchen
eine Ordnung dritten Grades (Graphitisierung). Es wird angenommen, daß die Wärmebehandlung der Kohlenstoffteilchen
oberhalb 1900 0C deren Solarwirkungsgrad durch Erhöhung des
Grades der Kristallbildung der Teilchen erhöht. Der erhöhte Wirkungsgrad ist wahrscheinlich durch die kristallineren
Teilchen erklärbar, die eine rauhe Oberfläche bilden, welche die einfallende Solarstrahlung innerhalb der Teilchenanordnung
bricht und rtickreflektiert, um deren Energie in wirkungsvollerer Weise zu absorbieren. Die erhöhte Ordnung erhöht ebenfalls
die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten.
Es scheint, daß jeder Grad der Ordnung der dritten Dimension oder Graphitisierung den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen
Kohlenstoffteilchen für die selektive Absorption der Solarstrahlung erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann irgendeine
Form von Kohlenstoff- oder Graphitteilchen innerhalb des richtigen Teilchengrößenbereichs verwenden und die Erfindung
ist nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt, sondern bezieht sich vielmehr auf alles, was in den Ansprüchen
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erwähnt ist. Basierend auf der vorliegenden Beschreibung kann der Fachmann auf dem Gebiet der Graphit- und Kohienstoff-Technik
die verschiedensten solar-selektiven Pulver aus Kohlenstoff und Graphit mit unterschiedlichen Graden der Graphitisierung
herstellen, die einen hohen Wirkungsgrad zur Sammlung von Solarenergie besitzen.
Alles was notwendig ist, um eine selektive Solarenergie absorbierende
Oberfläche auf einem thermisch leitenden Substrat, wie beispielsweise der Kollektoroberfläche eines Solarkollektors»
vorzusehen, besteht darin, die Kohlenstoffteilchen geeigneter
Größe in einem geeigneten Bindemittel zu dispergieren und an der Oberfläche zum Anhaften zu bringen, und zwar durch
Pinseln, Sprühen oder irgendwelche anderen geeigneten Mittel, und zwar im wesentlichen wie dies beim Aufbringen üblicher
Farbe der Fall ist. Das Substrat braucht nur hinreichend sauber und trocken zu sein, um eine zufriedenstellende Anhaftung zu
liefern. Ein wirkungsvoller Solarkollektor wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß man eine Anordnung aus Kohlenstoffteilchen
von geeigneter Größe in einem geeigneten Bindemittel in thermischer Verbindung mit Mitteln zur Leitung absorbierter
Energie als Wärme zu einem Wärmeübertragungsmedium vorsieht.
Das erfindungsgemäße Überzugssystem besitzt mehrere signifikante Vorteile. Die Hochtemperaturbeständigkeit eines Kohlenstoffoder
Graphit-Überzugs mit einem Hochtemperaturbindemittel, wie beispielsweise Siliciumdioxid, macht das erfindungsgemäße
Verfahren zweckmäßig für das Überziehen eines zentralen Solarenergieempfängers, wie es beispielsweise für diejenigen
Solarenergiesysteme vorgeschlagen ist, welche eine Vielzahl von drehbaren Spiegeln aufweisen, die eine Fokussierung auf
einen zentralen Empfängerturm vorsehen. Ferner macht das erfindungsgemäße Überziehverfahren praktisch keine Vor-Oberflächenbehandlung
erforderlich. Die Dicke der Kohlenstoffteilchenanordnung ist nicht kritisch. Der Kohlenstoffteilchenüberzug
kann ohne weiteres in irgendeiner üblichen Weise, wie Farbe, durch nicht ausgebildetes Personal aufgebracht werden.
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Darüber hinaus ist der Überzug auch leicht zu reparieren, und zwar einfach durch Aufpinseln oder Aufsprühen von Kohlenstoffteilchen
in einem geeigneten Bindemittel über die beschädigten Zonen. Da die Überzugsdicke nicht mehr von kritischer
Bedeutung ist, braucht der Solarkollektor nicht zerlegt werden, um Reparaturen am Überzug vorzunehmen.
Die beim erfindungsgemäßen Überzugsverfahren verwendete Bindemittelmenge
sollte auf dem Minimum gehalten werden, welches für eine zufriedenstellende Anhaftung notwendig ist, damit
die Kohlenstoffteilchen maximale Teilchen-zu-Teilchen-Berührung
für maximale elektrische und thermische Zwischenteilchen-Leitfähigkeiten besitzen,und um die richtigen Zwischenteilchenräume
vorzusehen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Anhaften der Kohlenstoffteilchen-Anordnung an der Oberfläche besteht darin,
eine Mischung aus Kohlenetoffteilchen von ungefähr 70 bis 80 Gew.-^ in einem geeigneten flüchtigen Träger, wie beispielsweise
Methylchlorid, welches ein Acrylharzbindemittel von ungefähr 2 bis 5 Gew.-^ enthält, aufzupinseln oder aufzusprühen.
Nachdem der Träger verdampft ist, bleiben die Kohlenstoffteilchen fest an die Oberfläche gebunden zurück und bilden
eine solar-selektive Anordnung mit nur einer kleinen Bindemittelmenge. Diese minimale Bindemittelmenge ändert sich mit
unterschiedlichen Materialien und kann routinemäßig für jede Kombination bestimmt werden. Die relative Solar-Selektivität
von zwei überzügen kann durch ihre Fähigkeit zur Erhöhung der Temperatur der entsprechenden Substrate dann bestimmt
werden, wenn diese einem gleichen Fluß an Solarstrahlung
ausgesetzt sind. Zur Demonstration des Wirkungsgrades der solar-selektiven Oberflächen gemäß der Erfindung wurde ein
experimenteller Vergleich zwischen KohlenstoffUberzügen
gemäß der Erfindung und verschiedenen bekannten Nicht-Kohlenstoff-ÜberzUgen
durchgeführt.
Eine Anzahl von Kupfertestplatten von 4" χ 4 " x 1/6 " (" = Zoll)
Dicke wurde mit verschiedenen OberflächenUberzUgen versehen
und in einer Schaumplastik-Testplatte angeordnet, wobei die
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Platte dem Sonnenlicht dadurch ausgesetzt wurde, daß man sie unter einem konstanten Neigungswinkel hielt, und zwar
nach Süden weisend derart, daß jede Platte eine gleiche Solarflußdichte empfing, wenn die Sonne von Ost nach West
lief. Die Kupferplatten wurden mit Methylenchlorid und von einer Oxidschicht durch Abreiben mit Siliciumcarbidpapier
und Spülen mit entionisiertem Wasser befreit.Nach dem Aufbringen des auszuwertenden Versuchsliberzugs wurden die
Platten auf einem Schaumplatten-Testständer angeordnet, wobei ein Thermistor an der Rückseite durch Klebeband befestigt
wurde, und ferner wurden die freiliegenden Kanten an der Oberfläche mit Klebebändern festgeklebt, um Wärmeverluste
durch äußere Luftbewegung zu eliminieren. Die Thermistoren wurden mit einer elektronischen Datenaufzeichnung
verbunden, welche die Temperatur der Platten innerhalb von 0,01 0F mißt. Vor den Überzugsauswertungen wurden die
Thermistoren geeicht, und zwar dadurch, daß man sie gemeinsam in einem einzigen Schwarzkörper-Lufthohlraum anordnete und
die Temperatur über 8 h Dauer hinweg aufzeichnete. Die Temperaturänderungen zwischen den Thermistoren waren
i 0,2 0F.
Verschiedene Kohlenstoff- und Nichtkohlenstoff-Überzüge
wurden aufgebracht. Die Überzüge und das Aufbringverfahren sind unten beschrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben.
1) Hawshaw Standard Chromschwarz (Howshaw Standard Black Chrome)
Dieser Überzug wurde dadurch hergestellt, daß man zuerst
eine Plattierung mit annähernd 0,005 Zoll stumpfem Nickel bei 40 Amp/Fuß 15 min lang vornahm, und dai
dann mit dhromschwarz Uberplattierte, welches von
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Hawsbaw Chemical Company als CHHOMONYX in den U.S.A. erhältlich ist, mit 24 Volt und 200 Amp/Fuß2 iiberplattierte. (vgl.: HASA TM-X-71731, Mai, 1975).
2) fclektroabgeschiedenes Chrom
Dieser schwarze Oberzug wurde elektro-chemisch bei einer
Temperatur von 90 - 115 °F und einer Stromdichte von
40 bis 90 Amp/Fuß aus einer Lösung der folgenden Zusammensetzung abgeschieden: 33 bis 40 Unzen/Gallone Chromsäure; 28,2 Unzen/Gallone Essigsäure und 1 Unze/Gallone
Bariumacetat.
3) Im Handel verfügbare Samtschwarzfarbe (Black Velvet Paint)
Dieser Überzug wurde von der "Decorative Products Division" der 3M Company in St. Paul, Minnesota, U.S.A., erhalten.
Diese Farbe gehört zur "Hextel" Brand Velvet Coating Serie
101.
4) Kohlenstoff-Mikrokügelchen
Dieser Oberzug bestand aus Kohlenstoff-Mikrosphäroiden (Mikrokügelchen) von annähernd - 50 Maschen-Teilchendurchmesser (Masche/2,45 cm) gemischt mit Acrylharz in
einem 95,5 Gew.-)£ Mikrosphären-zu-Harz-Verhältnis. Der
Oberzug wurde mit einem Träger aus gemischten Lösungsmitteln (Methylenchlorid, Methylethylketon, Xylol und
Methylisobutylketon) aufgebracht.
5) Härmebehandeltes Thermax-Pulver (gebrannt auf 2850 0C
in inerter Atmosphäre für 30 min Dauer)
Dieser Überzug wurde aufgebracht als 18,7 Gew.-^ wärmebehandeltes Thermax (mittlerer thermatonischer Kohlenstoff
709837/08A2
-W-
At
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,47 Mikrometer), 0,3 Gew.-# Acrylharz und 81 Gew.-^ eines gemischten Lösungsmittels, welches gleiche Mengen an Methylethylketon, Methylenchlorid, Methylisobutylketon und Xylol
enthält. Der Überzug wurde durch Drucksprühen aufgebracht und war annähernd 1/3000 Zoll dick (0,008 mm).
6) Dylon-Graphitpaste
Dieser Überzug ist eine fein verteilte Graphitsuspension
verwendet als ein kommerzieller Hochtemperatur-Ofenüberzug.
7) fficht-wärmebehandeltes Thermax-Pulver
Dieser Überzug wurde aufgebracht als 18,7 Gew.-# nicht-gebranntes Thermax (mittlerer thermatomischer Kohlenstoff
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,47 Mikrometer), 0,3 Gew.-?6 Acrylharz und 81 Gew.-# eines gemischten Lösungsmittels, welches gleiche Mengen an Methylethylketon, Methylenchlorid, Methylisobutylketon und Xylol enthält. Der Überzug wurde durch DrucksprUhen aufgebracht
und war annäherend 1/3000 Zoll (0,008 mm) dick.
709837/0842
Tabelle I
Vergleichende Auswertung der Überzüge auf Vier-Zoll-Testplatten
I · 9
Überzug Luft-Temp. Schwarzkörper- Proben-Temp. Verhält-
( F) Temperatur (op nie (*)
(V)
Hawshaw Standard Chromschwarz
-* elektroabgeschiedenes
° Chrom
oo im Handel verfügbare
ω Schwarz-Samtfarbe .
■^. Kohlenstoff-Mikro-
o sphäroide
ν wärmebehandeltes
** Thermax-Pulver
Dylon-Graphitpaste
nicht-wärmebehandeltes Thermax
84.8 | 102.4 | 133.4 | 2.5 | ι |
99.5 | 128.5 | 140.0 | 1.4 |
£$
ι |
76.1 | 84.3 | 90.5 | 1.8 | |
76.1 | 84.3 | 94.6 | 2.3 | |
76.1 | 84.3 | 93.3 | 2.1 | |
101.7 | 127.2 | 150.4 | 1.9 | |
101.7 | 127.2 | 143.7 | 1.7 | |
* Probentemperatur - Lufttemperatur
Schwarzkörpertemperatur - Lufttemperatur
O CD OO OO
SLO
Wie sich aus Tabelle I ergibt, sind die auf Kohlenstoff basierenden erfindungsgemäßen Überzüge in ihrem Wlrkungs grad
vergleichbar mit im Handel verfügbaren selektiven Überzügen. Die Verhältnis-Spalte gibt ein Maß an für den Grad
der Leistungsfähigkeit verglichen mit einem theoretischen schwarzen Körper, somit dem Grad der Selektivität der Überzüge,
da die Schwarzkörpertemperatur die Temperatur darstellt, die mit einem nicht-selektiven Überzug von 100 % Absorptionsfähigkeit
erreicht wird.
Das folgende Experiment demonstriert den Wirkungsgrad des nicht-wärmebehandelten Thermax-Pulvers, mittlerer Teilchendurchmesser
0,47 Mikrometer, bezüglich der im Handel verfügbaren, üblichen Schwarz-Samtfarbe.
In einem Experiment wurden zwei Solarplatten der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art mit solar-selektiven Überzügen
versehen, und zwar die eine mit einem Oberflächenüberzug aus Schwarz-Samtfarbe von ungefähr 0,125 mm Dicke und
eine mit einem SprUhüberzug aus einer Strömungsmittelmischung aus 18,7 Gew.-^ mittleren thermischen Kohlenstoffteilchen,
0,47 Mikrometer durchschnittlichem Durchmesser, 0,3 Gew.-#
Acrylharz (Lucite Bead Polymer von E.I. DuPont Nr. 4FNC99)
und 81 Gew.-# gemischten Lösungsmitteln (gleiche Volumina
von Methylenchlorid, Methyläthylketon, Xylol und Methylisobutylketon).
Die Lösungsmittel ließ man von der Kollektaroberfläche verdampfen, was einen Kohlenstoffpulver-Acrylharzfilm
zwischen 0,025 und 0,10 mm Dicke zurückließ.
Jede Platte hatte eine Kollektoroberfläche von 10 Quadratfuß (2 Fuß χ 5 Fuß) und umfaßte eine Stahlplatte mit Stahlrohren,
befestigt durch eine Kupferlötung. Insgesamt wurden 8 Stahlrohre in Längsrichtung an der Platte befestigt. Die freiliegende
Oberfläche (Stahlplatte, Stahlrohr, Kupferlötung) wurde mit einem dünnen Film aus Kupfer überzogen. Jede der
überzogenen Platten war in einem Holzrahmen befestigt und mit zwei 1 mm dicken Vorderseitenfilmen aus Polyvinylfluorid
709837/0842
bedeckt, um die Riickreflexion vom Überzug zu minimieren.
Dieser Film ist nicht notwendig bei der Verwendung mit auf Kohlenstoff basierenden erfindungsgemäßen Überzügen, wurde
aber aus Gründen der Vergleichbarkeit verwendet. Die beiden Pilse, die durch einen Aluminiumrahmen getrennt waren, der
einen 1 Zoll-Luftraum dazwischen ausbildete, wurden durch thermisches Aufschrumpfen zur Fassung gebracht.
Die zwei gerahmten Platten wurden Seite an Seite in einer
Horizontalatellung auf Holzträgern angeordnet, wobei jeder
der Überzüge zur Sonne gerichtet war. Die Rohre der Platten wurden alt einer gemeinaamen WassereinlaBsammelleitung, ausgerüstet mit einem Thermometer, verbunden. Zwei Thermistoren
wurden an jedem Auslaß von den Platten installiert, um gesonderte und statistisch signifikante Temperaturmessungen durchzuführen. Die Thermistoren wurden mit einer elektronischen
Datenaufzeichnungsvorrichtung verbunden. Die Wasserströmungsgeschwindigkeit durch jede der Kollektorplatten wurde durch
Ventile und Drehwassermesser gesteuert, die periodisch geeicht wurden, um im wesentlichen identische Strömungsgeschwindigkeit
für jede Platte sicherzustellen. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in den Tabellen II und III zusammengefaßt.
709837/0842
überzogene Platten
fr
- 21 -
Zeit
Umgeb.
Temp
Einlaßwassert.
sonlensxörr-
teilchen
ochwarz-Samt· farbe *
wasserstromungsgeschw.
(Sallone/h)i schwarz-
es. warme
onTenst,-teilchen
5chwara-
Samtf.
10:20 | 61.8 | |
10:40 | 63.0 | |
10:50 | 64.3 | |
11:00 | 64.0 | |
11:20 | 68.3 | |
709837/084 |
12:20
12:40 13:00 13:20 |
76.2
77.1 79.4 81.3 |
co | 13:30 | 83.8 |
14:20
14:25<2> |
90.2
89.5 |
|
14:50(2) |
89.6
85.3 |
|
15:20 | 95.4 | |
15:50 | 93.4 |
79.2 | 82.0 |
79.2 | 91.0 |
77.5 | 90.0 |
77.7 | 90.0 |
85.7 | no.o |
92.6 | 143.7 |
93.4 | 146.0 |
94.0 | 148.1 |
93.6 | 150.5 |
93.8 | 151.0 |
95.9 | 153.T |
96.2 | 153.2 |
95.1 | 144.9 |
95.3 | 145.9 |
95.5 | 140.7 |
94.2 | 134.3 |
82.0 91.0 90.0 90.0 109.0 143.0 146.0 148.0 150.2
150.2 151.0 150.8 142.5 143.Ό
139.2 133.3
2.35
2.16 2.35
2.28
2.30 2.35
2.25
5.5
48.2
100.1
109.6 114.5 112.1
97.5
5.5
42.0 98.8
107.6 108.2 108.0
89.5
O CO OO Ca)
überzogene Platten
Zeit
Umgeb.
Temp.
EinlaS-waaagrt.
Auslaßvaes
Jsonlenaxor
uslaßwassertemp. -
toluene to ίτ-teilchen
ochwarz-Samt·
farbe ♦
waaaerBtrömungageachw.
(Gallone/h)i schwarz-
ea. warme
[BTu/h/r)
ohlenat.-teilchen
ϋ c hwara-Samtf.
9:40 | 68.8 | |
10:00 · | 73.7 | |
10:20 | 78.3 | |
10:40 | 78.8 | |
10:45 | 80.4 | |
-J
O co |
11:00 | 84.2 |
00 | 11:20 | 83.4 |
-J
O |
11:40 | 86.6 |
00 | 12:00 | 83.8 |
ro | 13:20 | 83.9 |
13:40 | 84.6 | |
14:00 | 87.2 | |
14:20 | 93.3 | |
14:40 | 83.4 | |
15:00 | 87.8 | |
15.30 | 95.5 |
83.3 | 88.3 |
80.7 | 96.0 |
83.1 | 102.5 |
85.5 | 109.9 |
86.4 | 112.6 |
87.4 | 117.0 |
89.6 | 123.7 |
90.9 | 129.1 |
91.8 | 133.4 |
91.7 | 140.0 |
91.6 | 139.2 |
93.4 | 139.6 |
93.2 | 137.4 |
94.4 | 136.7 |
94.7 | 129.5 |
94.8 | 130.7 |
85.4 | 3.2 |
89.0 | ' 3.2 |
97.5 | 3.2 |
105.1 | |
108.4 | |
113.8 | |
120.8 | |
127.0 | |
131.9 | |
140.9 | 3.1 |
138.1 | 3.1 |
136.6 | 3.1 |
136.7 | |
132.6 | |
123.5 | |
128.1 | 3.2 |
3.2
3.2
3.2
2.8
3.1
3.1
13.4 40.8 51.8
124.9 123.1 118.4
5.6 22.2 38.4
to
114.9 120.2 1Π.7
3.0
95.8
83.3
■»J O
CD CX) Ca)
zu Tabelle II und III (*) Durchschnitt von zwei Messungen des Auslaßwassers
(2) Vorbeiziehende Wolke
Wie man aus den obigen Daten erkennt, arbeiteten die erfindungsgemäß
aufgebrachten Kohlenstoffteilchen ständig besser als die im Handel verfügbare Schwarz-Samtfarbe. Wie man
ferner aus Tabelle III ersieht, war der auf Kohlenstoff basierende Überzug beträchtlich wirkungsvoller bei niedrigeren
Temperaturen als die Schwarz-Samtfarbe.
Wie sich aus den Daten in Tabelle I (Proben 5 und 7) ergibt, erhöht die Wärmebehandlung von Kohlenstoffteilchen deren
Wirkungsgrad für die Absorption von Solarstrahlung. Es ist wohlbekannt, daß Kohlenstoffteilchen, unabhängig von ihrer
Herkunft, bei ungefähr 1900 0C anfangen zu graphitisieren
(eine dreidimensionale Anordnung zeigen) und die Graphitisierung fortsetzen, wenn die Temperatur auf über 3000 0C erhöht
wird. Durch Beginnen mit Kohlenstoff-Zersetzungsprodukten verschiedener aromatischer Verbindungen kann eine Vielfalt
von partiell graphitisieren Kohlenstoffen erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird ein deutlich überlegener Wirkungsgrad
erhalten, wenn Kohlenstoffteilchen im 0,2 bis 10 Mikrometer-Durchmesserbereich
oberhalb 1900 0C gebrannt werden.
Fig. 1 ist ein Beispiel eines Solarkollektors in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Überzug. Dieser Solarkollektor
umfaßt Mittel zum Absorbieren von Solarenergie aus einfallender Strahlung, repräsentiert durch den selektiven Überzug
der Erfindung (1) sowie Mittel zur Leitung der Energie zu einem Wärmeiibertragungsmedium, repräsentiert durch die
Plattenoberfläche (2) und die Rohre (3). WärmeUbertragungsströmungsmittel
läuft durch die Rohre (3) und wird durch die absorbierte Solarstrahlung erhitzt und zur Stelle des
schließlichen Energieverbrauchs transportiert. Eine Plastik-
709837/0842
abdeckung (4) zur Verhinderung der Beschädigung und zur Reduzierung der Riickreflexion kann oder kann nicht verwendet
werden. In Fig. 2 ist eine Endansicht eines Kollektorabschnitts dargestellt. Die überzugsdicke ist stark aus Darstellungsgrlinden
vergrößert. Tatsächlich braucht der Kohlenstoffteilcheniiberzug nicht dicker zu sein als es notwendig
iat, um die wärmeleitende Oberfläche vollständig zu bedecken, wie dies durch das unbewehrte Auge festgestellt werden kann.
Die solar-selektive Kohlenstoffteilchenanordnung der Erfindung kann ohne ein Bindemittel und ohne manuelles Aufbringen durch
verschiedene Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht werden,
und durch Behandlung der Oberfläche mit einem organischen Ausgangsmaterial, wie beispielsweise teilweise polymerisiertem
Furfurylalkohol.
Gemäß einem anderen AusfUhrungsbeispiel kann ein wirkungsvoller
Solarkollektor ohne Überzug (1) vorgesehen werden, und zwar durch eine Plattenoberfläche (2) in Verbindung mit Rohr (3).
Oberfläche und Rohre werden aus Kohlenstoff hergestellt, der eine Majorität von externen Poren innerhalb des Bereichs
von 0,2 bis 2 Mikrometer aufweist.
Basierend auf den Lehren dieser Erfindung kann der Fachmann solar-selektive Überzüge und Gegenstände aus Nicht-Kohlenstoffmaterialien
mit hoher Absorptionsfähigkeit und hoher Leitfähigkeit herstellen. Derartige Materialien werden als Äquivalente
zu den Kohlenstoff-Formen betrachtet, die beim erfindungsgemäßen
Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung finden.
Zusammenfassend kann man sagen, daß die Erfindung zur Verwendung bei jeglichem Kollektor für Solarstrahlung geeignet
ist. Kollektoren mit flacher Platte und Zentralkollektoren zur Aufnahme reflektierten Sonnenlichtes kommen in Frage.
Zudem kann der solar-selektive Überzug auf jede beliebige Oberfläche, die Solarstrahlung aufnimmt, aufgebracht werden,
709837/0842
lh
wie beispielsweise auf Wasserrohre, um so den Wirkungsgrad der Oberfläche für die Absorption von Sonnenenergie zu
erhöhen. Die Erfindung eliminiert dabei die Probleme, wie sie beim Elektroplattieren von Schwarzmetall-Überzügen auftreten.
Die Erfindung löst das Problem des niedrigen Absorptionswirkungsgrades von Kohlenstoffüberzügen. Vorteilhaft gegenüber
dem Stand der Technik sind insbesondere die drastisch reduzierten Kosten der Kohlenstoffüberzüge sowie der erfindungsgemäi3en
Oberflächen gegenüber durch Elektroabscheidung hergestellten Metallüberzügen. Der erhöhte Wirkungsgrad gegenüber
bekannten Kohlenstoff-Überzügen wurde dargelegt. Die Leichtigkeit der Aufbringung des Überzugs ist eine große Verbesserung
gegenüber bekannten Verfahren zum Aufbringen von solar-selektiven Überzügen.
- Patentansprüche -
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Claims (6)
- PATENTANSPRÜCHE11.^Solarkollektor in Kombination mit einem Absorber zum Absor- ^'bieren von Solarenergie von einfallender Solarstrahlung und einem Leiter zum Leiten dieser Energie zu einem Wärmeiibertragungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber eine solar-selektive Oberfläche aus Kohlenstoff aufweist, wobei die Oberfläche eine Mehrheit von externen Poren innerhalb des Bereichs von ungefähr ü,2 bis 2 Mikrometer aufweist.
- 2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie solar-selektive Oberfläche eine solar-selektive Anord-, nung von Kohlenstoffteilchen in einem geeigneten Bindemittel aufweist.
- 3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßdie Majorität der Kohlenstoffteilchen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,2 bis 10 Mikrometer aufweist.
- 4. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßdie Kohlenstoffteilchen auf oberhalb 1900 0C gebrannt sind.
- 5. Verfahren zur Erzeugung eines thermisch leitenden Substrats mit einem selektiven Solarenergie-Absorptionsiiberzug, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überzug aus Kohlenstoffteilchen an der Oberfläche zum Anhaften gebracht wird, wobei die Mehrzahl der Kohlenstoffteilchen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 10 Mikrometer aufweist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daßdie Kohlenstoffteilchen auf oberhalb 1900 0C gebrannt sind.ORIGINAL INSPECTED
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