DE3130130A1

DE3130130A1 - Solarenergiekollektor mit einem absorberelement aus einer beschichteten folie

Info

Publication number: DE3130130A1
Application number: DE19813130130
Authority: DE
Inventors: Louis Toledo Ohio Spanoudis
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1980-08-19
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1982-03-18
Also published as: JPS5755363A; GB2082316A; FR2488982A1; JPS5844299B2; AU7343281A; IT1142861B; IL63565A0; US4356815A; IT8149062A0

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarenergiekollektor mit einer verbesserten Absorptionsschient aus einer beschichteten Folie, die in der lage ist, die Herstellungskosten des Kollektors herabzusetzen, und mit der weitere Verbesserungen erreichbar sind.

Die Erkenntnis, daß die fossilen Brennstoffvorräte der Welt begrenzt sind und bei dem gegenwärtigen Energieverbrauch der einzelnen Staaten rasch verbraucht werden können, hat zur Suche nach Alternativenergiequellen geführt. Die Ausnutzung der Sonnenstrahlung stellt eine Möglichkeit dar, um auf sauberem und zuverlässigen Wege Energie zu gewinnen. .

Solarenergie stellt eine umfassende und konstante Energiequelle dar, deren ökonomische Nutzbarkeit von einer wirksamen Sammlung, dem Zurückbehalten und der Verwendung der Energie abhängt. Der Wirkungsgrad von einigen Solarkollektorsystemen ist aufgrund von übermäßigen Wärmeverlusten niedrig. Ein Gebiet,auf dem man versucht hat, Verbesserungen zu erzielen, ist das-/ der Solarenergie-Selektivabsorberbeschichtungen, d.h. .Beschichtungen, die im Solarspektrum Energie besonders gut absorbieren und WärmeVerluste durch Strahlung auf einem Minimum halten. Beispielsweise dienen derartige Beschichtungen dazu,

thermische Energie zu sammeln, indem sie der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden, und danach die gesammelte Energie über andere Medien weiterzuleiten und dadurch Gebäude über Wärmetauscher entweder zu erhitzen oder zu kühlen.

Wenn Strahlungsenergie der Sonne auf einen kühleren Gegenstand auftrifft, wird normalerweise ein Teil der Energie reflektiert und ist verloren, während der Rest entweder absorbiert oder abgeleitet wird. Die absorbierte Energie kann mit einer längeren Wellenlänge wieder abgestrahlt werden. Daher wird eine Beschichtung, die im Spektralbereich der Sonnenstrahlung absorbiert, erhitzt, wenn die Oberfläche nicht den größten Teil oder die gesamte gesammelte Energie wieder abstrahlt.

die
Die Oberfläche der Erde erreichende Sonnenstrahlung ist nahez vollständig auf Wellenlängen im Bereich von 0,3 bis 2,5 #m begrenzt. Es wird angenommen, daß etwa 90 fo der Sonnenstrahlung Wellenlängen von etwa OA/um bis etwa 1_?5/um

besitzt. Der Anteil der Strahlung über 2,5 um ist vernachlässigbar gering. Solarenergieselektivbeschichtungen sind daher dazu bestimmt, in ihrem Absorptions-, Reflektions- oder Übertragungsvermögen zwischen Wellenlängen über etwa 2,5JiJn und Wellenlängen unter etwa 2,5/um zu differenzieren. Somit kann Solarenegie mit Wellenlängen unter etwa 2,5 jum gesammelt werden, und die gesammelte Energie

kann danach für eine nut ζ volle Anwendung bei Wellenlängen über etwa 2,5yum übertragen werden.

Das bedeutet auch, daß zur Durchführung einer wirksamen Sammlung und Speicherung ein Solarkollektor bei Wellenlängen unterhalb etwa 2,5 ;um in starkem Maße absorbieren sollte. Eine Beschichtung, die ein hohes Absorptionsvermögen, normalerweise als eibezeichnet, im Solarspektrum besitzt, jedoch ein geringes Emissionsvermögen, normalerweise als y bezeichnet, bei der Temperatur, bei der der Kollektor arbeitet, kann als Solarenergieselektivbeschichtung bezeichnet werden. Obwohl ein liohes Verhältnis Of/jf wünschenswert ist, ist es von wesentlicher Bedeutung, daß der X-Wert nahe bei 1 liegt, damit so viel wie möglich von der zur Verfügung stehenden Energie gesammelt wird.

Solarenergieselektivbeschichtungen stellen einen wichtigen Faktor zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarenergiekollektoren dar, in erster Linie durch Maximierung des Absorptionsvermögens der Solarenergie und durch Minimierung der durch Strahlung verlorengehenden Energie. Derartige SolarenergieselektivbeSchichtungen weisen jedoch noch eine Reihe von Nachteile auf. Beispielsweise macht die Herstellung von derartigen Beschichtungen Vakuumbedampfungstechniken erforderlich, die relativ teuer sind. Normalerweise wird die Vakuumbedampfung unmittelbar auf Teile des Solarenergiekollektors durchgeführt. Dies macht eine gründliche Reinigung

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der Teile erforderlich, um eine zuverlässig anhaftende Beschichtung zu erreichen. Darüber hinaus wird durch die Tatsache, daß Icein wärmeabsorbierendes Medium durch den Kollektor umgewälzt wird, die Beständigkeit von bekannten Solarenergieabsorptionsbeschichtungen über eine bestimmte Zeitdauer herabgesetzt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Solarenergiekollektor zu schaffen. Ein anderes Ziel besteht darin, ein Absorberelement für einen Kollektor vorzusehen, das eine beschichtete Folie umfaßt. Ein anderes Ziel besteht darin, ein öolarenergieabsorbierendes Element zur Verfügung zu stellen, das eine beschichtete Folie umfaßt? welche gegenüber dem Vorhandensein von Oberflächenverschmutzungen auf anderen Teilen des Kollektors nicht empfindlich ist. Ein weiteres Ziel besteht darin, @in solarenergisabsorbierendes Element mit einer verbesserten langzeitbeständigkeit zn schaffen.

Diese 'und andere Ziels werden durch einen Solarenergiekollektor erreicht, der bei einer Ausftihrungsform voneinander beabstandete Wandelemente umfaßt, von denen eines Solarstrahlung auffangen kann und das andere im Abstand von dem ersten Wandelement, auf der entfernt gelegenen Seite desselben angeordnet ist und mit einem wärmeabsorbierenden Medium in Kontakt treten kann. Die Wandelemente sind vorzugsweise aus Glas gefertigt.

Eine beschichtete Folie, wie beispielsweise eine vorbeschichtete Metallfolie, ist zwischen den Wandelementen angeordnet und weist auf ihren gegenüberliegenden Seiten Überzüge auf. Diejenige Seite der Folie, die dem der Solarstrahlung ausgesetzten Wandelement gegenüberliegt, ist mit einer Solarenergie-Se1ektivbeschichtung versehen, die ein Halbleitermaterial umfaßt, während diejenige Seite der beschichteten Folie, die dem anderen Wandelement gegenüberliegt, mit einer strahlungsfähigen Beschichtung versehen ist, die ein relativ hohes Emissionsvermögen im Infrarotspektrum besitzt.

Bei dem Solarenergiekollektor kann es sich entweder um einen flachen plattenförmigen Typ oder einen rohrförmigen Typ handeln,und der zwischen den Wandelementen befindliche Baum wird vorzugsweise auf subatmosphärischem Druck gehalten. Die beschichtete Folie wirkt als phtothermischer Energiewandler und kann rasch und einfach in Position gebracht werden, ohne daß hierzu dem Vorhandensein von Verschmutzungen an den Wandelementen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muß.

Bei der Herstellung des Solarenergiekollektors kann die Folie auf beiden Seiten vorbeschichtet und danach zwischen den Wandelementen montiert werden. Ea kann jedoch auch nur die emissionsfähige Beschichtung vorher aufgebracht werden, während die Solarenergie-selektive Beschichtung

auf der Folie aufgebracht werden kann, nachdem diese in Position gebracht worden ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbei

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spiel in Verbindung mi

beschrieben. Es zeigen:

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spiel in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen

Figur 1 einen stark vergrößerten Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Solarenergiekollektοr;

Figur 2 einen noch weiter vergrößerten Teilquerschnitt durch den in Figur 1 dargestellten Kollektor entlang der Linie 2-2;

Figur 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt^

eines rohrförmigen Solarenergiekollektors, der mit einer bsschichteten Folie versehen istj

Figur 4 einen vergrößerten Querschnitt gemäß Linie 4-4 in Figur 3; und

Figur 5 ein Diagramm, in dem die verbesserte Beständigkeit eines rohrförmigen Solarkollektors mit einem beschichteten Folienabsorber iia Vergleich zu einem rohrförmigen Kollektor des Standes der Technik dargestellt ist.

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Im folgenden werden die Folie und die auf ihren gegenüberliegenden Seiten vorgesehenen Beschichtungen, die in erster linie das in Rede stehende Absorberelement bilden, im Detail beschrieben, wonach eine Beschreibung der Montage der Folie mit anderen Teilen eines Solarenergiekollektors und der Wirkungsweise des Kollektors, wenn dieser Solarstrahlung ausgesetzt ist, folgt. Beispiele von Solarkollektoren, bei denen die erfindungsgemäße Folie Verwendung findet, werden ebenfalls beschrieben sowie der durch die Folie im Vergleich zu in herkömmlicher Weise aufgebrachten Solarenergie-selektiven Beschichtungen erreichte Bestän&igkeitsanstieg.

Bei dem in Rede stehenden Solarkollektor wird anstelle der Beschichtung eines Elementes des Kollektors mit einem Solarenergie-selektiven Material oder einem emissionsfähigen Material durch relativ teure und lästige Verfahrensschritte, wie beispielsweise Vakuumbeschichtung auf einem einstückigen Teil des Kollektors selbst, ein flächiges Element, wie beispielsweise eine Folie, mit einem Solarenergie-selektiven Material und wahlweise mit einem emissionsfähigen Material beschichtet, um ein Absorberelement vor der Montage mit anderen Teilen des Kollektors herzustellen.

Bas flächige Element kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt werden, das gegossen, kalandert oder in anderer Weise in eine flächige Form gebracht

werden kann, wie beispielsweise die bekannten Duroplaste und Thermoplaste. Bei dem flächigen Element handelt es sich jedoch vorzugsweise um eine Metallfolie. Dabei können zur Herstellung der Folie beliebige Metalle Verwendung finden, wenn sie nur eine ausreichende Duktilität aufweisen, um in diese Form gebracht zu werden. Beispielsweise können Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän^ rostfreier Stahl und deren Legierungen Verwendung finden» Gold und Silber und deren Legierungen sind ebenfalls für diesen Zweck einsetzbar; aufgrund ihrer hohen Kosten sind diese Metalle jedoch weniger geeignet. Aluminium-, Kupfer- und Nickelumhüllungen werden bevorzugt. Die Dicke der Folie oder eines anderen flächigen Elementes ist nicht kritisch. Die Folie sollte vorzugsweise eine ausreichende Dicke besitzen, und zwar derart, daß sie relativ steif ist bis hinauf zu selbsttragenden Eigenschaften, jedoch immer noch eine ausreichende Flexibilität aufweist, so daß sie in der gewünschten Weise geformt und in einem Solarenergiekollektor angeordnet warden kann. Normalerweise kann die Folie eine Dick© von etwa 0,5 bis 15 mil aufweisen.

Die Folie ist auf beiden Seiten beschichtet. Auf derjenigen Seite_p die der Solarstrahlung ausgesetzt ist, ist die Folie mit einer Solarenergie-selektiven Beschichtung v@rs@laeno Auf der anderen Seite, die in der Praxis einem wärm®absorbierenden Medium ausgesetzt istj, weist die Folie eine emissionsfähige Beschichtung auf. Es ist weitaus leichter

und einfacher, die Folie als solche, d.h. nicht durch das Vorhandensein von anderen Teilen eines Solarenergiekollektors behindert, vorzubeschichten und diese danach mit derartigen anderen Teilen zu montieren als ein Absorberelement insitu innerhalb eines Kollektors direkt zu formen oder herzustellen. Beschichtungsverfahren von Folien sind bekannt und stellen keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar. Folien können beispielsweise durch Galvanisieren, Bedampfen oder Vakuumabscheidung, Plattieren, Tauchüberziehen u.ä, beschichtet werden. Diese Verfahren sind weder kosten- noch arbeitsintensiv. Desweiteren werden diese Arbeitsvorgänge unmittelbar an der Folie selbst vorgenommen. Im Gegensatz dazu erfordern Beschichtungen, die durch Vakuumtechniken unmittelbar auf die Oberflächen eines Solarkollektors aufgebracht werden, daß diese Oberflächen vor der Aufbringung der Beschichtungen sorgfältig gereinigt werden. Demgegenüber sind Solarenergie-Absorberrohre, die mit der hier in Rede stehenden Folie umhüllt sind, gegenüber Oberflächenverschmutzungen unempfindlich.

Bei der Solarenergie-selektiven Beschichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Halbleitermaterial, das im Solarspektrum stark absorbiert und das im Infrarotspektrum im wesentlichen durchlässig ist. Der in dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendete Begriff "Halbleiter" soll ein Material bezeichnen, wie es in dem Lehrbuch "American Institute of Physics Handbook",

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2. Ausgabe, 1963» Seiten 9-31 beschrieben ist, nämlich ein Material, bei dem das höchste besetzte Energieband (Valenzband) auf absolut Null vollständig aufgefüllt ist, und bei dem die Energielücke zwischen dem Valenzband und dem nächsten höheren Band (Leitungsband) im Bereich von 0,4 bis 5 Elektronenvolt liegt.

Normalerweise führen unvollständig oxydierte Oxide der Übergangsmetallelemente zu den besten Ergebnissen, so daß diese Materialien daher als Halbleitermaterialien, bevorzugt werden. Besonders nützliche Halbleitermaterialien für die zweite Beschichtung sind Schwarzchrom, Schwarzniekel, Schwarzplatin, Schwarzmolybdän, Schwarzkupfer, Schwarzeisen, Schwarzkobalt, Schwarmangan sowie deren verträgliche Legierungen. Bei Schwarzchrom handelt es sich um ein Gemisch der Oxide von Chrom, das als CrOx bezeichnet wird. In ähnlicher Weise handelt es sich bei Schwarznickel aa ein Gemisch aus den Oxiden von Nickel. Schwarzplatin, Schwarzmolybdän, Schwarzkupfer, Schwarzeisen, Schwarzkobalt und Schwarzmangan sind Oxide dieser Metalle.

Es können jedoch auch andere Halbleitermaterialien als Metalloxide Verwendung finden= Beispielsweise können Carbide der vorstehend erwähnten Metalle und von anderen Metallen, die Halbleiter-Eigenschaften aufweisen^ Verwendung finden, wie Kupferearbid, Hafniumcarbid, Niekelcarbid u.a. Auch Sulfide der gleichen Metalle oder von

anderen Metallen, die Halbleiter-Eigenschaften aufweisen, können ."verwendet werden, wie beispielsweise Silbersulfid, Eisensulfid, Mangansulfid u.a. Schließlich können elementare Metalle, wie Silizium und Germanium, als Halbleitermaterial Verwendung finden.

Andere Solarenergie-selektive Beschichtungen, die eingesetzt werden können, sind in dem Lehrbuch "Physics of Thin Films", von Hass und Thun, Band 2, Academic Press, 1964 auf den Seiten 353 "bis 357 beschrieben.

Die strahlende Beschichtung kann irgendein Material umfassen, das ein relativ hohes Emissionsvermögen im Infrarotspektrum besitzt. Hierfür sind beispielsweise Glas, Ruß, Graphit, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Kaliumsilikat, Natriumsilikat, Magnesiumoxid und Ealziumoxid geeignet. Die Dicken der Solarenergieselektiven und strahlenden Beschichtung sind nicht kritisch. Als Regel kann die Dicke einer Jeden Beschichtung von etwa 0,03 bis etwa 5 mil reichen.

Das vorstehend beschriebene flächige Element oder die Folie, das bzw. die als Absorberelement wirkt, kann in einem beliebigen Typ eines Solarkollektorsystems Verwendung finden, bei dem die Solarenergie-selektive Beschichtung Solarstrahlung ausgesetzt ist und die emissionsfähige Beschichtung einem wärmeabsorbierenden Medium zugewendet ist, das als

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Transportmittel für die gesammelte Solarenergie wirkt. Das Absorberelement kann somit sowohl bei einem flachen plattenförmigen Kollektor, wie beispielsweise einer flachen Verbundplatte, als auch bei einem rohrförmigen Glaskollektor u.ä, Verwendung finden.

In den Figuren 1 bis 3 sind zwei Kollektorsysteme dargestellt, die die erfindungsgemäß ausgebildete Folie o.a. enthalten. Figur 1 zeigt in halbschematischer Weise ein Paneel,das Teil einer flachen Platte ist. Zwei voneinander beabstandete, transparente Wandelemente 10 und 11 sind beispielsweise entlang ihrer ümfangsränder so gelagert, daß ein offener Zwischenraum 12 verbleibt, in dem eine Aluminiumfolie 13 angeordnet ist. Die Folie kann in einfacher Weise in dem Raum 12 so angeordnet sein, daß sie aufgrund der Schwerkraft am Wandelement 11 gehalten wird. Falls dies gewünscht wird, kann die Folie jedoch auch an Ort und Stelle verankert werden, wie beispielsweise durch Verbindungsglieder, Bänder, Schraubenfedern o.a. Die Verwendung von Klebstoffen zur Befestigung der Folie 13 an dem einen oder anderen Element ist nicht erforderlich und wird auch nicht empfohlen. In der Tat kann ein enges Anhaften der Folie 13 an einem Wandelement aufgrund der Unterschiede in der thermischen Expansion zwischen der Folie und dem Wandelement nachteilig sein.

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Die Aluminiumfolie 13 ist entlang ihrer Oberseite (in den Figuren 1 und 2), die der Solarstrahlung ausgesetzt ist, mit einer Solarenergie-selektiven Beschichtung 14 und entlang ihrer Unterseite, die einem wärmeabsörbierenden-Medium 16 ausgesetzt ist, das an dem Wandelement 11 vorbeiströmt und die absorbierte und danach von der Folie 13 und ihren Beschichtungen abgestrahlte Wärmeenergie sammelt, mit einer emiesionsfähigen Beschichtung 15 aus Ruß versehen. Das Medium 16 fördert die Wärmeenergie, wie durch die Pfeile 17 angedeutet, zu einer geeigneten Stelle, wie beispielsweise einem Wärmeaustauscher, wie dies bekannt ist. Bei dem Medium 16 kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln.

In Figur 3 ist ein doppelwand!ger rohrförmiger Kollektor aus Glas eines Typs dargestellt, wie er in der US-PS 4 033 327 beschrieben ist. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Kollektor 20 konzentrische, transparente Glasrohre.Ein äußeres oder Hüllrohr 21 ist in Umfangsrichtung transparent, am rechten Ende der Figur 3 offen und am gegenüberliegenden Ende geschlossen und spitz zulaufend wie bei 22 gezeigt. Das offene Ende des Hüllrohres 21 ist durch eine hermetische GIas/Glas-Dichtung bei 24 gegenüber einem inneren Glasabsorberrohr 23 abgedichtet. Der abgedichtete Raum zwischen den Rohren 21 und 23 ist evakuiert, so daß ein relativ hoher Unterdruck entsteht (beispielsweise 10 bis
in bekannter Weise abgedichtet.

steht (beispielsweise 10 bis10 ), und das Rohr 17 ist

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Das Absorberrohr 23 besteht vorzugsweise aus Glas besitzt einen geringeren Außendurchmesser und ©ine etwas größere Länge als der Innendurchmesser und die IMng® des Hüllrohres 21. Das Rohr 23 ist am Ende 25 geschlossen und am gegenüberliegenden Ende 26 offen»

Eine metallische Folie 13a» die der bei der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 ähnlich ist, liegt zwischen d©n Rohren 21 und 23 und ist auf seiner Außenfläche mit einer Solarenergie-selektiven Beschichtung 14a und auf seiner Innenfläche mit einer e'missionsfähigen Beschichtung 15a versehen. Die Folie 13a kann in irgendeiner Weise zwischen den Rohren 21 und 23 angeordnet werden. Beispielsweise kann die Folie in Rohr- bzw. Manschettenform gebracht und dann zwischen die Rohre eingesetzt werden? so daß sie das Absorberrohr 23 teleskopartig umgibt. Eine derartige Hülle kann beispielsweise aus einer Foli© -hergestellt werden, die ein© Sroit© von etwa 5 bis 1o Zoll besitzt, Je nach d©r Länge d©r Rohr© 21 und 23«

Hiarbsi ist %u wisiorholsng AaB die Foli® 13© nicht an jedem Rohrj, wie beispielsweise dsm Rohr 23» sag anliegen sollte;, um einer Relativbewegung zwischen der Foli© dsm Rohr bsi einer durch Wärme -Ferarsacfetan ÄTäsö und nachfolgendem Kontrakt!on- uielsrsttoiE leisten au können. Di© Folie ist vorzugsweise ausreichest diek oflar steifρ um ihr© Form beianbehält©aο ObvroM. fii©s nicht wesentlich istj, wirö ©ine los® B©festigwag dar Folie 13a

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an einem Rohr bevorzugt. Dies kann durch. Verbindungsglieder beliebiger Art geschehen, beispielsweise durch einen Draht (nicht gezeigt), der spiralförmig um die Folie 13a und das Rohr 23 herumgewunden ist, durch elastische Bänder u.a.

Zur Vervollständigung des Solarenergiekollektors der Figur 3 kann ein mittleres Speiserohr 27 mit kleinerem Durchmesser als das Rohr 23 in das offene Ende 26 des Absorberrohrs eingesetzt werden, so daß sich dieses in Längsrichtung der konzentrischen Rohre 21 und 23 "bis zu einem Punkt in der Nähe des geschlossenen Endes 25 des Absorberrohres 23 erstreckt. Das Ende 25 ruht in einer Schraubenfeder 28, die in elastischer Weise dieses Ende des Rohres 23 lagegenau fixiert. Das offene Ende 26 des Absorberrohres sitzt zusammen mit dem offenen Ende des Spieserohres 27 in abgedichtetem Zustand in einem Sammler (nicht gezeigt), der eine Reihe von Kollektoren trägt, wie sie in Figur 3 dargestellt sind. Im Betrieb zirkuliert ein Strömungsmittel aus dem Sammler durch das Rohr 27, den

Ringraum zwischen dem Rohr 27 und dem Rohr 23 und danach zum Sammler zurück, um auf diese Weise im Kollektor 20 gesammelte Wärmeenergie zu entfernen. Ein anderes Beispiel eines Strömungsmittelkreises in einem rohrförmigen Kollektor dieses Typs ist in der US-PS 4 120 285 beschrieben.

Die Folien 13 und 13a werden normalerweise mit den beschriebenen Beschichtungen vor dem Zeitpunkt versehen, in dem sie in einem Solarkollektor montiert werden. Dies stellt die bevorzugte Vorgehensweise dar und sichert die Vorteile von einfacheren und weniger teuren FolienbeSchichtungstechniken, wie beispielsweise einer Abscheidung der Beschichtungen im Vakuum. Es ist jedoch ebenfalls möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, eine Beschichtung, wie beispielsweise die emissionsfähige Beschichtung, vorher aufzubringen und die Solarenergie-selektive Beschichtung, beispielsweise durch Vakuumbedampfung, später aufzubringen, wenn sich die Folie bereits im Kollektor befindet. Diese Technik kann insbesondere dann verfolgt werden, wenn die Folie nicht hochgradig reflektierend ist, wie beispielsweise bei Aluminium, Nickel, Kupfer u.a. Hierbei wird ein Reflektionsüberzug eines derartigen Metalles auf die Folie aufgebracht, bevor der Solarenergie-selektive Oberzug darüber aufgebracht wird.

Wenn jedoch dia erfindungsgemäße Solarenergiekollektorfolie oder das entsprechende flächenhafte Element verwendet werden, ist die Betriebsweise zur Nutzbarmachung von Solarenergie die gleiche. Die durch die Pfeile 28 in Figur 1 angedeutete Solarstrahlung dringt durch das Wandelement 10, durch den vorzugsweise evakuierten Zwischenraum 12 und wird von dem Solarenergieselektiven Überzug 14 absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Energie wird durch.die Folie gelei-

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tet, um den emissionsfähigen Überzug 15 zu erhitzen, der wiederum die Wärmeenergie durch jeden beliebigen Raum, der zvd sehen dem Überzug und dem Wandelement 11 existiert, abstrahlt oder die Wärmeenergie unmittelbar durch Kontakt mit dem Wandelement 11 überträgt. Auf diese Weise wirken die Folie 13 und ihre Überzüge als ein photothermischer Energieumwandler. Das Element 11 absorbiert die Strahlung oder die in anderer Weise von der Folie 13 und dem emissionsfähigen Überzug 15 übertragene Wärmeenergie und erhitzt das wärmeabsorbierende Arbeitsströmungsmittel 16 sn seiner Unterseite durch Konduktion und Konvexion. Das Arbeitsströmungsmittel 16 kann in irgendeiner bekannten und gewünschten Weise eingesetzt werden, beispielsweise dadurch, daß man das Strömungsmittel durch Wärmetauscher schickt, um das Innere eines Gebäudes zu erhitzen oder zu kühlen.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung, stellen jedoch keine Einschränkung derselben dar.

Beispiel 1

Dieses Beispiel dient zur Verdeutlichung der Herstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Folie und voa deren Einbau in einen Solarkollektor.

Ein Bogen einer im Handel erhältlichen AluminiumfoIiβ ₉ die unter dem Warenzeichen "Reynolds Wrap" verkauft wird, wurde mit einer ultraflachen schwarzen Emaille sprühbeschichtet, die 50 Gew.-$ Ruß und 50 Gew.-^ AlkaliSilikats als Binder enthielt. Die Folie wurde um ein Absorberrohr eines rohrförmigen Solarkollektors aus Glas des in Figur dargestellten Typs gehüllt, wobei die schwarze emaillierte Oberfläche dem Rohr gegenüberlag. Die Außenfläche dsr Folie wurde dann wahlweise durch Vakuumbedampfung mit Aluminium beschichtet-, um das Reflexionsvermögen der Folie zu erhöhen, und danach durch Reakti-^verdampfung von Chrom mit Schwarzchrom weiter beschichtet« Bei dieser Technik wird reines Chrom verdampft, reagiert jodocfo bei seinem Übergang auf die Folie zur Bildung des Oxides. Das mit der Folienumhüllung versehene Rohr wurde dann in ein Hüllrohr dos rohrförmigen Kollektors dichtend eingesetzt, 16 Stunden lang bei 750 F evakuiert schließlich mit einer Spitze versehen.

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Die Folie besaß eine Dicke von etwa 1,5 mil, und die wahlweise vorgenommene Aluminiumbeschichtung auf der Folie hatte eine Dicke von etwa 800 A. Das aufgedampfte Schwarzchrom besaß eine Dicke von etwa 800 J?. Die emissionsfähige Beschichtung, die den Ruß und den Binder enthielt, wies eine Dicke von 1 bis 2 mil auf. Ein Stagnationstest des rohrförmigen SolarkollektorB in der Sonne bei wolkenfreiem Himmel führte zu einer Temperatur des Absorberelementes von 470⁰F. Als Stagnationstemperatur wird die Gleichgewichtstemperatur bezeichnet, die die Testprobe möglicherweise erreicht, wenn sie den vorstehend beschriebenen Bedingungen ausgesetzt ist.

Beispiel 2

Dieses Beispiel verdeutlicht die erhöhte Langzeitbeständigkeit einer Folie der vorliegenden Erfindung. ,.

Zu bestimmten Zeiten können Solarenergiekollektoren aus einer Vielzahl von Gründen nicht in Betrieb sein. Während dieser Perioden ist es üblich, den Durchfluß eines wärmeabsorbierenden Mediums durch den Kollektor, wie bespielsweise des in Figur 1 dargestellten wärmeabsorbierenden Wassers 16, abzustellen. Man hat festgestellt., daß unter derartigen Bedingungen, bei denen kein Medium umgewälzt wird, die Beständigkeit der

Beschichtungen auf einem Absorberelement leidet. Insbesondere wird die Dauer der gewünschten Beständigkeit verkürzt.

Eine Folie der vorliegenden Erfindung besitzt diese Beständigkeit über eine relativ lange Zeitdauer. Sie ist gegenüber Beständigkeitsverlusten bei Bedingungen, bei denen kein Medium umgewälzt wird, weitaus nicht so empfänglich wie andere Absorberelemente. Dies wird durch den nachfolgenden Vergleichstest verdeutlicht.

Zwei rohrförmige Solarkollektoren des in Figur 3 dargestellten Typs wurden verwendet, wobei das Absorberrohr des einen Kollektors eine Kupferfolie aufwies, die mit einer Solarenergie-selektiven Beschichtung aus Schwarzchrom versehen war, die galvanisch auf eine Seite aufgebracht war,und mit einer emissionsfähigen Beschichtung aus Ruß auf der anderen Seite. Die Folie besaß überall eine Dicke von 2,8 mil und war um das Rohr herum gewickelt. Der andere Kollektor war mit Beschichtungen aus Aluminium und Schwarzchrom versehen, die nacheinander durch Vakuumbedampfen auf das Absorberrohr aufgebracht worden waren. Jedes Rohr wurde im Test im Inneren mit einem Calrod-Heizelement bis auf eine Testtemperatur von 70O⁰F erhitzt.

Während die Kollektorrohre unter der Einwirkung des Calrod-Heizelementes standen, wurden sie periodisch einem Solareimulator ausgesetzt, und die Stagnations- oder Gleichgewichtstemperatür des Absorberelementes wurde bestimmt. Bei dem Solarsimulator handelte es sich um eine Vorrichtung, die eine sonnenähnliche Wirkung entfaltete und eine Reihe von Lampen umfaßte, die zusammen mit Projektoren eingesetzt wurden. Die Wärmeabgabe dieser Vorrichtung betrug etwa ein Viertel der Wärmeabgabe der Sonne an einem klaren Tag. Eine fallende Stagnations-oder Gleichgewichtstemperatur zeigte an, daß das Absorberelement infolge d©s Ablaufes des Calrod-Heiztestes einen Qualitätsverlust erfuhr.

In Figur 5 sind die erhaltenen Ergebnisse und die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Folie graphisch dargestellt. In dem Diagramm werden die für Jedes Rohr nach bestimmten Zeiträumen, über die sie dem Calrod-Heizelement ausgesetzt waren, erhaltenen Stagnationstemperaturen verglichen. Linie 30 gibt die Ergebnisse für den Standardkollektor wieder. Er versagte nach etwa 500 Stunden. Eine Solarsimulatortemperatur von unter etwa 200⁰F wird als Versagen angesehen. Linie 31 gibt das Ergebnis für denjenigen Kollektor wieder, der mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Folie ausgestattet war. Dieser Kollektor wies offensichtlich eine Beständigkeit von nahezu 3000 Stunden auf.

Claims

Patentansprüche

η/ Solarenergiekollektor mit einem Abschnitt, der Solarstrahlung ausgesetzt ist, einem anderen Abschnitt, der im Abstand von dem einen Abschnitt und von der Solarstrahlung entfernt angeordnet und einem wärmeabsorbierenden Medium ausgesetzt ist und einem Absorberelement, das zwischen den beiden Abschnitten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberelement ein beschichtetes flächenförmiges Element (13» 13a) umfaßt, das auf einer Seite, die dem der Solarstrahlung ausgesetzten Abschnitt zugewendet ist, eine Solarenergie-selektive Beschichtung (14, 14a) und auf der anderen Seite, die dem dem wärmeabsorbierenden Medium ausgesetzten Abschnitt zugewendet ist, eine strahlungsfähige Beschichtung (15, 15a) aufweist.
2. Kollektor nach Anspruch 1 _s dadurch gekennzeichnet;, daß das vorbesehichtete flächige Element (13, 1-3a) ein© Metallfolie ist.
3. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarenergie-selektive Beschichtung (14, 14a) aus einem Halbleitermaterial besteht.
4. Solarenergiekollektor mit voneinander beanstandeten elementen, von denen eines Solarstrahlung auffangen kann und das andere Wandelement auf der entfernten Seite des

ersten Elemente angeordnet ist und mit einem wärmeabsorbierenden Medium in Kontakt treten kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wandelementen (10, 11; 21, 23) eine beschichtete Folie (13, 13a) angeordnet ist, die auf gegenüberliegenden Seiten mit Beschichtungen versehen ist, wobei diejenige Seite der beschichteten Folie (13, 13a), die dem einen Wandelement (10, 21) gegenüberliegt, mit einer Solarenergie-selektiven Beschichtung (14, 14a) versehen ist, die ein Halbleitermaterial umfaßt, während die andere Seite der beschichteten Folie, die dem anderen Wandelement (11, 23) gegenüberliegt, eine strahlungsfähige Beschichtung (15, 15a) aufweist, die ein relativ hohes Strahlungsvermögen im Infrarotspektrum besitzt.
5. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Wandelementen (10, 11) im wesentlichen um flache Platten handelt.
6. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (21, 23) rohrförmig ausgebildet sind und daß die Folie (13a) in dem ringförmigen Bereich zwischen den Wandelementen angeordnet ist»
7. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Metall besteht.

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8. Kollektor nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Folie durch das andere Wandelement (11, 23) gelagert wird.
9. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der Solarenergie-selektiven Beschichtung aus der Gruppe auegewählt ist, die aus Schwarzchrom, Schwar2 nickel, Schwarplatin, Schwarzmoljrbdän, Sehwarzkupfer, Schwarzeisen, Schwarzkobalt, Schwärζmangan, Molybdänkarbid, Kupfersulfid und verträglichen Legierungen dieser Substanzen besteht.
10. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsfähige Beschichtung ein Material umfaßt, das aus der aus Glas, Ruß und Graphit bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
11. Kollektor nach Anspruch 4? dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (10, 11; 21, 23) aus Glas bestehen.
12. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleitermaterial der Solarenergieselektiven Beschichtung um ein unvollständig oxydiertes Oxid eines Üb©rgangsm©tall@s handelt-

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13· Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den voneinander beabstandeten Wandelementen (1O, 11; 21, 23) vorhandene Raum unter subatmosphärischem Druck steht.
14. Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (13, 13a) eine Dicke von etwa 0,5 bis 15 mü besitzt und die Solarenergie-selektive Beschichtung sowie die strahlungsfähige Beschichtung eine Dicke von etwa 0,03 bis etwa 5 mil aufweisen.
15· Photothermischer Energieumwandler, gekennzeichnet durch eine doppelwandige Glaskonstruktion mit einem Zwischenraum zwischen den Wandungen, der evakuiert ist und in im wesentlichen paralleler Lage zu den Wandungen eine metallische Folie (13, 13a) enthält, die auf beiden Seiten vorbeschichtet ist, wobei diejenige Seite der vorbeschichteten Metallfolie (13» 13a), die der äußersten Glaswandung gegenüberliegt, eine Solarenergie-selektive Beschichtung (14) aufweist, die ein Halbleitermaterial umfaßt, während diejenige Seite der Folie, die der anderen Wandung gegenüberliegt, mit einer strahlungsfähigen Beschichtung (15) versehen ist, die ein relativ hohes Emissionsvermögen im InfrarotSpektrum aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Solarenergiekollektors, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: Beschichten von einer Seite einer Folie mit einem Solarenergie-selektiven Überzug, Beschichten der anderen Seite der Folie mit einem etrahlungsfähigen Überzug, der eine relativ hohe Emissionsfähigkeit im Infrarotspektrum aufweist, und Anordnen der Folie zwischen einem transparenten Wandelement, das in der Lage ist, Solarstarhlung aufzufangen, und einem anderen Wandelement, das in der Lage ist, mit einem wärmeabsorbierenden Medium in Kontakt zu treten, wobei diejenige Seite der Folie, die mit dem Solarenergie-selektiven Überzug versehen ist, demjenigen Wandelement zugewendet wird, das die Solarstrahlung auffängt.
17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie zwischen den Wandelementen angeordnet wird, nachdem der strahlungsfänige überzug aufgebracht worden ist, und daß die Folie danach mit dem Solarenergie-selektiven Überzug versehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten der Folie mit dem Solarenergie-selektiven Überzug durch Vakuumbedampfen durchgeführt wird.