DE2711807C2

DE2711807C2 - Spektralselektive Kunststoffolie für die Solartechnik

Info

Publication number: DE2711807C2
Application number: DE2711807A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 7777 Salem Scherber
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE2711807A1

Description

Die Erfindung betrifft die Beschichtung von solartransmittierenden Polyesterfolien zur Erzielung der UV-Beständigkeit.

Der Sonnenenergie als umweltfreundliche und regenerative Energiequelle kommt eine wachsende Bedeutung zu. Die breite Einführung der Solartechnik wird jedoch trotz ihrer unbestrittenen Vorteile nur dann möglich sein, wenn sie auch wirtschaftlich genug ist, um mit den fossilen und neklearen Energiequellen konkurrieren zu können. Derzeit liegen selbst die einfachsten Solarsysteme, wie z. B. Flachkollektoren für Wohnraumheizung, noch am Rande der Rentabilität.

Einige wichtige Voraussetzungen für die wirtschaftliche Herstellung und Verwendung von Flachkollektoren sind bereits technisch realisiert, nämlich

— die Anwendung von Aluminium-Platinen, die als kostengünstige Absorber-Wärmetauschereinheit Verwendung finden,

— die Entwicklung hochwertiger und kostengünstiger selektiver Beschichtungen für Absorber-Platine, wie sie beispielsweise in der älteren DE-AS 26 16 662 beschrieben sind.

Eine weitere, verbesserungsbedürftige Komponente von Flachkollektoren ist das Abdecksystem.

Flachkollektoren werde." bislang mit ein oder zwei normalen Glasscheiben abgedeckt, welche vor allem zwei Aufgaben erfüllen:

— Transmission der Sonnenstrahlung, aber Unterdrückung der Wärmeabstrahlung des Kollektors (Treibhauseffekt).

— Reduzierung der Konvektions- und Wärmeleitungsverluste nach oben.

Obwohl Glas- und Kunststoffscheiben, wie sie beispielsweise aus US-PS 35 31 313 und der DE-Zeitschrift »öl- und Gasfeuerung« 11/1976. Seiten 624 bis 628, bekannt sind, diese Aufgaben gut erfüllen, zeigen sich bei näherer Betrachtung erhebliche Nachteile. Glas reduziert die Abstrahlung hauptsächlich durch Absorption. Wesentlich effektiver könnte dies durch ein hohps Infrarot-Reflexionsvermögen geschehen. Es wurden zahlreiche Versuche durchgeführt. Glas diese Eigenschaft durch eine Beschichtung zu vermitteln. Diese Ergebnisse sind bisher nicht praktisch verwertbar, da die Schichten entweder zu teuer sind oder aber die gute Transmission des Glases erheblich verschlechtert wird.

Glasscheiben haben ein hohes Gewicht, weshalb bei Solarkollektoren aufwendige Rahmenkonstruktionen und Kollektoraufhängungen notwendig sind. Nachteilig ist weiter, daß Glas zerbrechlich ist Steinschlag, Hagelschlag, hohe Schneelasten und starke Temperaturschwankungen kör.nen zum Bruch des Glases führen. Der weitaus wichtigste Gesichtspunkt ist jedoch, daß Kollektoren mit Glasabdeckung sehr teuer sind. Zu dem hohen Betrag für großflächige Glasscheiben verursacht die Halterung und Montage der Glasscheibe erhebliche Kosten.

Der Einsatz von Kunststoffscheiben ist ebenfalls problematisch. Es besteht zwar nicht die akute Bruchgefahr, dafür sind die Nachteile im Hinblick auf Kosten, Gewicht und Abstrahlungsverluste noch gravierender als boi Glas.

Aus der DE-OS 25 23 089 ist es bekannt, zur Abdeckung von Solarkollektoren Fluorkunststoffolien zu verwenden. Dadurch werden zwar die oben aufgelisteten Nachteile zum Teil vermieden, jedoch sind solche Spezialfolien mit besonderer chemischer Zusammensetzung ebenfalls teuer in der Herstellung. Die mechanische Festigkeit solcher Folien ist gering; sie dehnen sich bei Wärme aus, können am Kollektor haften bleiben und werden dadurch unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, handelsübliche Kunststoffolien, z. B. Polyesterfolien, durch Beschichtung UV-beständig zu machen und die solare Transmission zu erhalten oder zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgen.äß dadurch gelöst, daß eine transparente halbleitenae Substanz einer anorganischen Verbindung, wie Metalloxid, Metallnitrid, Metallsulfid, Metallhalogenid auf die Folienoberseite aufgebracht wird, deren optische Absorptionskante zwischen 300 und 400 nm liegt und die Schicht aufgrund ihrer Dicke solartransmittierend ist

Dabei bietet die Beschichtung Schutz vor UV-Strahlung und gute Transmission für Sonnenlicht während die übrigen Eigenschaften, wie mechanische thermische und chemische Stabilität der Kunststoffolie erhalten bleiben.

Für die Erzeugung der UV-Schutzschicht auf der Folienoberseite sind vor allem transparente Metalloxide, wie SnO₂, CeO₂, TiO₂, ZrO₂, SiO, Sb₂O₃, PbO, geeignet, es können jedoch prinzipiell auch Sulfide, Halogenide und Nitride verwendet werden. Wichtig dabei ist, daß die optische Absorptionskante der Schichten bei 300 bis 400 nm liegt. Unter Absorptionskante ist die Grenzfrequenz der optischen Absorption zu verstehen. Definition z. B. bei Gerthsen, Kneser, Vogel: Lehrbuch der Physik, Springer Verlag 1977, Seite 613. Der Effekt ist bei Halbleitern und Isolatoren zu beobachten und entsteht dadurch, daß im Elektronenenergieschema (Bändermodell) dieser Stoffe ' eine sogenannte verbotene Zone auftritt. Hat das einfallende

licht eine größere Frequenz als die Grenzfrequenz, dann reicht die Lichtenergie (Quantenenergie) aus, um Elektronen über die verbotene Zone anzuheben, d. h. das Licht wird absorbiert. Unterhalb der Grenzfrequenz, also im längerwelligen Spektralbereich, findet keine Absorption durch elektronische Anregung statt, die Schicht ist farblos-durchsichtig.

Zur Abscheidung der Schichten eigenen sich besonders die Aufdampf- und die Sputtertechnik, weil sie hinsichtlich Dicke und Qualität reproduzierbare Füme ermöglichen und vor allem für die Folien-Bandbeschichtung geeignet sind. Aus Kcsiengründen sind hohe Bandgeschwindigkeiten und damit auch hohe Aufwachsraten erforderlich, was erfindungsgemäß durch ein Zweistufenverfahren erreicht wird. Die vorgeschlagenen Schichten bestehen weitgehend aus Oxiden und anderen Verbindungen mit sehr hohem Schmelzpunkt. Teilweise neigen sie dazu, bei der Vakuumbeschichtung sich in ihren Eigenschaften zu verändern. Es ist deshalb vorteilhaft, vom Metall auszugehen, was wesentlich leichter und kontinuierlicher aufzudampft.i oder aufzusputtern ist und diesen Metallfilm in einer zweiten Stufe zur gewünschten Schicht aufzuoxidieren. Die Oxidationsmethode richtet sich nach dem jeweiligen Metall. Bei dünnen Cerfilmen z. B. reicht die Oxidation an Luft aus, bei anderen Metallen muß bei erhöhten Temperaturen in reinem Sauerstoff oder in einem Sauerstoffplasma gearbeitet werden. Im Bedarfsfall kann es auch vorteilhaft sein, die Oxidation während der Metallbeschichtung durchzuführen, indem in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einem Sauerstoifplasma aufgedampft (reaktives Bedampfen, Ionenbedampfen) oder gesputtert wird (reaktives Sputtern).

Die Beschichtung von Glas mit transparenten Materialien ist an sich nicht neu und wird bei der Vergütung von optischen Geräten, Antireflexschichten auf Brillengläsern und speziellen Fenstern verwendet. Das Erfindungswesentliche besteht darin daß es bisher nicht erkannt wurde, daß an sich bekann ^rechniken in Verbindung mit neuartigen Substanzen, en Schichtkombinationen und besonderen Absehe; sverfahren

verwendet werden können, um Kunststoffolien zu veredeln, also UV-fest zu machen und mit besonderen optischen Eigenschaften zu versehen und daß daraus für die Solartechnik besondere ökonomische und technische Vorteile erwachsen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind zum Gegenstand von Unteransprüchen gemacht worden.

Eine Gegenüberstellung der Merkmale einer beschichteten Polyesterfolie und einer beschichteten Glasscheibe ist in der beiliegenden Tabelle wiedergegeben.

Die erfindungsgemäß beschichteten, UV-stabilisierten Folien eignen sich vor allem für die Abdeckung von »Einscheibenkollektoren« mit selektivem Absorber. Die Folie ersetzt dabei die einfache Glasscheibe. Vorteilhaft ist die entscheidende Gewichtseinsparung, die einfachere Kollektorkonstruktion und die Wirkungsgraderhöhung durch höhere Transmission.

Die erfindungsgemäß beschichtete Folie kann zusätzlich auf der Unterseite mit den bekannten Wärmereflexionsschichten versehen werden, wie sie auch bei Glasscheiben eingesetzt werden. Eine derartige UV-stabilisierte, selektive Folie könnte bevorzugt eingesetzt werden für Kellektoren mit normal schwarzem (nicht-selektiven) Absorber und für Einfachkollektoren.

Die Anwendung der Folie auf Solarkollektoren ist jedoch nur ein Beispiel, das zur besseren Verständlichkeit der Erfindung gewählt wurde. Für spektralselektive Kunststoffolien mit den oben beschriebenen Eigenschaften ergeben sich auch andere Einsatzmöglichkeiten in der Solartechnik, in der Wärmetechnik und in der Klimatechnik, z. B.: Schwimmbadbeheizung, Gewächshausbau, Abdeckung von Speicherbecken, Verkleidung von Fenstern in Wohnhäusern, Jalousien, Vorhänge, Solardächer, Solarwände, solararchitektonische Bauelemente, solare Trocknung, Sonnenreflektoren, Sonnenkonzentratoren.

Die einzige Figur zeigt eine Kunststoffolie, z. B. Polyesterfolie 1, die auf der Oberseite mit einer UV-Schutzschicht 2 bedeckt ist.

Tabelle

	Beschichtete Polyesterfolie (K)Oi)	Glasscheibe (3 mm)
Gewicht	150 g/m²	8 kg/m^:
Mechanische Festigkeit	Hervorragend. E-modul beträgt	zerbrechlich
	ein Drittel des Wertes von Stahl
	blech gleicher Dicke
	flexibel	spröde
Transport	unproblematisch	unhandlich, hoher
		Verpackungsaufwand
Thermische Eigenschaften	Beständig im Dauereinsatz von	Temperaturbeständig,
	- 200⁰C bis + 150 C; temperatur-	aber Bruchgefahr bei
	schockbeständig	örtlichen oder zeit
		lichen Temperatur
		schwankungen
	Schrumpfungseffekt bei Erwär
	mung, d. h. Ausbeulung ist
	ausgeschlossen
Chemische Beständigkeit	Folie und Beschichtung beständig	Beständig gegen alle
	gegen alle praktisch vorkommen	Substanzen außer
	den Substanzen (Gase, Lösungs	Flußsäuren
	mittel, verdünnte Säuren usw.)

Fortsetzung

Beschichtete Polveslerl'olie (HIOi I Glasscheibe (3 mnil

Brechungsindex 1,6 (unbeschichtet) 1,45-1,6

Transmission bei 550 nm ca. 90% (unbeschichtet) 92%

>90% (mit Antireflexschicht) *)

IR-Reflexion ca. 80% ca. 10%*)

Kosten DM 1,00/qm (unbeschichtet) DM 10,00 bis 20,00/qm

*)Glas kann natürlich prinzipiell auch durch Spezialbeschichlung mit diesen Eigenschaften ausgerüstet werden, wird dann aber zu teuer für solartechnische Anwendungen.

Hierzu 1 Blait Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beschichtung von solartransmittierenden Polyesterfolien zur Erzielung der UV-Beständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine transparente halbleitende Substanz einer anorganischen Verbindung, wie Metalloxid, Metallnitrid, Metallsulfid, Metallhalogenid auf die Folienoberseite aufgebracht wird, deren optische Absorptionskante zwischen 300 und 400 nm liegt und die Schicht aufgrund ihrer Dicke solartransmittierend ist

2. Beschichtete Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schichtmaterial TiO₂, ZrO₂, SiO, Sb₂O₃. CeO₂, CeF₂, ZnO, ZnS, SnO₂, PbO, In₂O₃, CdO, CdS verwendet werden.

3. Beschichtete Kunststoffolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der UV-Schutzschicht so eingestellt wird, daß sich im Maximum des Sonnenspektrums bei etwa 550 nm eine maximale Transmission aufgrund eines Interferenzeffekts ergibt, bezogen auf senkrechten oder schrägen Einfallswinkel des Lichts.

4. Beschichtete Kunststoffolie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der UV-Schutzschicht so eingestellt wird, daß sich im Spektralbereich von 300 bis 400 nm eine Verstärkung des reflektierten Strahlungsanteils aufgrund eines Interferenzeffekts ergibt und dadurch die UV-Schutzwirkung bei Schichtmaterialien mit kleinem Absorptionskoeffizienten unterstützt wird.