DE3620604C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsabsorption eines insbesondere mit Solarstrahlung bestrahlten Absorberkörpers.

Für Anwendungen insbesondere im Bereich der Solarenergienutzung ist die Messung der Strahlungsabsorption von Oberflächen wichtig. Dabei stellen Oberflächen zum einen bei hohen Temperaturen, die in zunehmendem Maße benötigt werden, besondere Anforderungen an die Meßtechnik. Dies liegt einmal daran, daß die Strahlungsabsorption häufig temperaturabhängig ist und somit üblicherweise bei niedrigen Temperaturen ermittelte Werte für den hohen Einsatztemperaturbereich nur eingeschränkt verwendbar sind. Es ist daher notwendig, die Strahlungsabsorption im gesamten in Frage kommenden Temperaturbereich zu ermitteln. Zum anderen kann es bei der Absorption hochkonzentrierter Strahlung aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit der Absorptionsschichten in der sehr dünnen Absorptionsschicht bereits zu erheblichen Temperaturabfällen kommen. Daher sollte auch die Messung der Solarstrahlungsabsorption bei sehr hohen Bestrahlungsstärken möglich sein, um dabei den Einfluß der Oberflächenstruktur, der dortigen Wärmeleitfähigkeit etc. erfassen zu können, damit man auf diesem Wege Hilfestellungen für die verbesserte Auslegung von technischen Solarstrahlungsabsorbern erhält.

Bisher wird der Absorptionsgrad von Oberflächen meist über die Messung des Reflexionsgrades ermittelt. Diese Messungen erfolgen in der Regel bei Raumtemperatur.

Es ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem der spektrale, halbräumliche Reflexionsgrad einer Probe in einem Wellenlängenbereich von 0,3 bis 2,5 µm gemessen wird, woraus dann der solare Absorptionsgrad anhand des bekannten Verlaufs des Solarspektrums bestimmt werden kann (American Society for Testing and Materials; 1985 Annual Book of ASTM Standards, Band 12.02. Designation E903-82, Seiten 727 bis 737, Philadelphia/USA.; Gindele, K. et al: Meßtechnische Charakterisierung und Optimierung von selektiven Solarabsorberschichten, Metalloberfläche 34 ((1980)), Seite 517). Bei all diesen Verfahren wird eine integrierte Kugel (Ulbricht-Kugel) verwendet, die innen hochreflektierend beschichtet ist und eine gleichmäßige Verteilung des Strahlungsflusses über die gesamte Oberfläche bewirkt, welche dann mittels eines Detektors (zum Beispiel Fotozelle) gemessen wird. Leitet man das einfallende Licht durch einen Monochromator, kann der spektrale halbräumliche Reflexionsgrad der Probe über den gesamten Spektralbereich gemessen werden. Durch Vergleiche mit Referenzproben bekannter Reflexionen kann ein solches Meßgerät kalibriert werden.

Weiterhin ist eine Meßanordnung bekannt, mit der die Reflexion des Solarspektrums gemessen werden kann, wenn ein Filter so gewählt wird, daß eine dem Solarspektrum entsprechende Zusammensetzung des eingestrahlten Lichtes erreicht wird. Auch dabei kann der solare Absorptionsgrad aus dem Reflexionsgrad berechnet werden (American Society for Testing and Materials: 1985 Annual Book of ASTM Standards, Band 14.02, Designation E429-78, Seiten 388 bis 392).

Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß die Probentemperatur nicht über 150°C erhöht werden kann, da bei höheren Temperaturen die Eigenemission der Probe im langwelligen Bereich des Solarspektrums einen mit der Probentemperatur stark ansteigenden Fehler verursacht. Außerdem sind keine hohen Bestrahlungsstärken möglich, so daß der Einfluß von Temperaturgradienten in der Absorptionsschicht nicht ermittelt werden kann.

Es sind weiterhin kalorische Meßverfahren bekannt, mit denen der solare Absorptionsgrad ermittelt werden kann (Gindele, K. - a.a.O.; American Society for Testing and Materials: 1985 Annual Book of ASTM Standards, Band 15.03, Designation E434 -71, Seiten 391 bis 397). Bei diesem Verfahren befindet sich die Probe in einer Vakuumkammer, deren Wände gekühlt werden. Die Probe wird mit Solarstrahlung hoher Intensität beaufschlagt, die von einer Xe-Bogenlampe mittels geeigneter Filter erzeugt wird. Durch eine schnell schließende Blende kann die Probe wechselweise bestrahlt bzw. abgedunkelt werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der Probentemperatur, die mit einem Thermoelement gemessen wird, können der solare Absorptionsgrad und der halbräumliche Emissionsgrad errechnet werden. Um diese Messung durchführen zu können, muß die Wärmekapazität des Probensubstrates in Abhängigkeit von der Temperatur sehr genau bekannt sein. Die Berechnung muß außerdem stets über ein gewisses Temperaturintervall erfolgen. Dies führt bei temperaturabhängigen Werten des solaren Absorptionsgrades und des halbräumlichen Emissionsgrades zu Fehlern. Die Temperaturspanne kann nicht beliebig verringert werden, da sonst Meßfehler auf die Berechnung des solaren Absorptionsgrades und des halbräumlichen Emissionsgrades zunehmend Einfluß gewinnen.

Zur Strahlungsmessung sind weiterhin verschiedene Anordnungen bekannt, beispielsweise ein Bolometer, bei dem die einfallende Strahlung in einem Bolometerstreifen absorbiert und die dabei auftretende Erwärmung über eine Widerstandsmessung erfaßt wird (DE-OS 29 20 901) oder ein pneumatischer Strahlungsdetektor, bei dem eine mit Gas gefüllte Absorptionskammer intermittierend mit Strahlung beaufschlagt und die impulsförmigen Ausdehnungen des Gases erfaßt werden (DE-OS 27 20 636). Diese Vorrichtungen dienen ausschließlich der Bestimmung der einfallenden Strahlung, nicht dagegen der Bestimmung des Absorptionsvermögens eines Absorberkörpers. Außerdem ergeben sich Probleme bei der Strahlungsbestimmung bei hohem Strahlungseinfall und bei hohen Temperaturen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Strahlungsabsorption eines insbesondere mit Solarstrahlung bestrahlten Absorberkörpers über einen großen Temperaturbereich und auch bei intensiver Bestrahlung zuverlässig gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Vorrichtung wird die Wärmeleitung eines mit dem Absorberkörper in Verbindung stehenden Gases ausgenutzt. Normalerweise ist die Wärmeleitfähigkeit eines Gases bei normalen Drücken druckunabhängig, senkt man jedoch den Druck des Gases so weit ab, daß die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen in der Größenordnung der Spaltbreite zwischen Absorberkörper und Wärmeleistungs-Meßeinrichtung oder darüber liegt, wird die Wärmeleitfähigkeit des Gases druckabhängig, so daß man dann eine Möglichkeit hat, durch Variation des Druckes die Menge der pro Zeiteinheit von dem Absorber abgeleiteten Wärme zu variieren. Es wird dadurch beispielsweise möglich, daß man durch Durchführung der Messung bei verschiedenen Drücken des Gases im Spalt den effektiven Absorptionsgrad des Absorberkörpers bei gleicher Einstrahlung und bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Es ist dadurch möglich, die Abhängigkeit des effektiven Absorptionsgrades von der Absorbertemperatur festzustellen und dabei eine optimale Temperatur zu bestimmen, bei der der effektive Absorptionsgrad des Absorbers eine gewünschte Größe hat.

Es ist weiterhin möglich, daß man bei einem Absorber, dessen effektiver Absorptionsgrad zumindest bei einer Temperatur bekannt ist, zur Messung der Bestrahlungsstärke des Absorbers den Druck des Gases im Spalt so variiert, daß der Absorber die Temperatur einnimmt, bei der der Absorptionsgrad des Absorbers bekannt ist. Es ist dann möglich, auch unterschiedliche Bestrahlungsstärken immer bei der bestimmten Absorbertemperatur zu messen.

Die Vorrichtung verwendet das Prinzip der Wärmeleitung durch Gase, um die dem Absorberkörper durch Strahlung zugeführte Wärme als Nutzwärme der Wärmeleistungs-Meßeinrichtung zuzuführen, so daß auf diesem Wege der effektive Absorptionsgrad bestimmt werden kann, also der Quotient aus der pro Zeiteinheit abführbaren Nutzwärme und der pro Zeiteinheit eingestrahlten Energie.

Vorzugsweise beträgt die Spaltbreite zwischen 0,2 und 2 mm, während der Druck des Gases zwischen 10^-2 und 200 mbar liegt.

Als Gas kann man vorzugsweise Helium oder Wasserstoff verwenden.

Es ist günstig, wenn der Absorberkörper kreisförmig ausgebildet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der plattenförmige Absorber an seinem Umfang mit einer als Halterung dienenden Wellmembran dicht verbunden ist, welche zusammen mit der Wärmeleistungs-Meßeinrichtung eine mit dem Spalt in Verbindung stehenden Gasraum bildet. Die Wellmembran nimmt außerdem Verformungen des Absorbers bei unterschiedlichen Temperaturen auf.

Es ist vorteilhaft, wenn zwischen dem plattenförmigen Absorber und der Wärmeleistungs-Meßeinrichtung Abstandshalter aus schlecht wärmeleitendem Material angeordnet sind, beispielsweise Keramik; auf diese Weise wird die Spaltbreite immer konstant gehalten, ohne daß dadurch eine zusätzliche Wärmebrücke geschaffen wird.

Es kann vorgesehen sein, daß die Wärmeleistungs-Meßeinrichtung einen flüssigkeitsgekühlten Kühlblock umfaßt, der dem plattenförmigen Absorber durch den Spalt getrennt gegenübersteht, und daß dem Kühlblock Meßvorrichtungen zur Bestimmung des Kühlflüssigkeitsdurchflusses und der Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit zugeordnet sind. Dabei wird die Kühlflüssigkeit bei der Zufuhr zum Kühlblock durch geeignete Thermostaten oder Kryostaten auf einer genau vorbestimmten Temperatur gehalten. Diese Vorrichtung gestattet es, in einfacher Weise die durch das Gas vom Absorberkörper auf den Kühlblock übertragene Wärmemenge pro Zeiteinheit festzustellen.

Vorzugsweise umschließt der Kühlblock den Absorberkörper und seine Halterung allseitig und ist nur im Einstrahlungsbereich offen.

Es ist günstig, wenn die dem Kühlblock zugewandte Fläche des Absorberkörpers, die Halterung und die Außenfläche des Kühlblockes mit einer ein hohes Reflexionsvermögen aufweisenden Beschichtung versehen sind, beispielsweise mit einer Goldschicht. Dadurch erfolgt ein möglichst hoher Anteil der Wärmeübertragung zwischen Absorberplatte und Kühlblock durch die gasdruckabhängige Wärmeleitung und nicht durch Wärmestrahlung.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsabsorption eines Absorberkörpers.

Die in der Zeichnung nur sehr schematisch wiedergegebene Vorrichtung umfaßt einen plattenförmigen Absorberkörper 1, der vorzugsweise kreisförmig ausgestaltet ist. Der Absorberkörper kann aus einem metallischen Material bestehen, beispielsweise aus Nickel, Edelstahl, Molybdän oder Tantal, bei höheren Meßtemperaturen können auch keramische Absorberkörper verwendet werden. Längs seines Umfanges ist der Absorberkörper mit einer Wellmembran 2 gasdicht verbunden, beispielsweise durch Schweißung oder Lötung. Diese Wellmembran ist mit ihrem äußeren Rand gasdicht in einen Kühlblock 3 eingespannt und bildet mit diesem Kühlblock zusammen einen abgeschlossenen Gasraum 4, der im wesentlichen aus einem im Bereich der Wellmembran 2 den Absorberkörper 1 umgebenden Ringraum 5 und einem zwischen dem Absorberkörper 1 und dem Kühlblock 3 angeordneten Spalt 6 besteht. Die Breite des Spaltes 6 beträgt zwischen 0,2 und 2 mm und liegt vorzugsweise bei 0,5 mm.

Der Gasraum 4 ist über eine durch den Kühlblock 3 hindurchgeführte Leitung 7 mit einer über ein Regelventil 8 regulierten Gaszufuhrleitung 9 und einer zu einer Vakuumpumpe 10 führenden Vakuumleitung 11 verbunden.

Im Inneren des Kühlblockes 3 verläuft vorzugsweise spiralförmig eine Kühlleitung 12 für eine Kühlflüssigkeit, wobei die Kühlleitung 12 insbesondere in dem unmittelbar dem Absorberkörper 1 gegenüberliegenden Bereich angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, wird von einer Umwälzpumpe 13 in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt, in dem sich ein Wärmetauscher 14 befindet, dieser entzieht der Kühlflüssigkeit nach deren Erwärmung im Kühlblock die dabei aufgenommene Wärme und führt die Kühlflüssigkeit danach mit immer genau derselben Temperatur wieder dem Kühlblock 3 zu. Die pro Zeiteinheit durch die Kühlleitung strömende Kühlflüssigkeit wird gemessen, ebenso deren Temperaturerhöhung nach dem Austritt aus dem Kühlblock 3, so daß diese Einrichtung eine Wärmeleistungs-Meßeinrichtung darstellt, mit der die pro Zeiteinheit vom Kühlblock aufgenommene Wärmemenge genau bestimmt werden kann.

Der Kühlblock 3 endet auf der Vorderseite des Absorberkörpers 1 in einer Blende 15, die die gesamte Vorderseite der Wellmembran 2 abdeckt und lediglich eine Einlaßöffnung 16 für eine auf den Absorberkörper 1 auftreffende Strahlung freiläßt.

Vor der Blende 15 befindet sich konzentrisch zu dieser angeordnet eine weitere Blende 17, die vorzugsweise wassergekühlt ist. Der Zwischenraum 18 zwischen der Wellmembran 2 und dem Absorberkörper 1 einerseits und der mit dem Kühlblock 3 verbundenen Blende 15 andererseits steht über die Einlaßöffnung 16 mit der Umgebung in Verbindung, in diesem Bereich herrscht also Atmosphärendruck.

Im Betrieb der beschriebenen Vorrichtung fällt durch die Blenden 17 und 15 eine Strahlung, beispielsweise Solarstrahlung, auf den Absorberkörper 1. Um die Emission auf der dem Kühlblock zugewandten Seite und die Verluste durch Abstrahlung der Wellmembran niedrig zu halten, werden die Wellmembran, die dem Kühlblock zugewandte Fläche des Absorberkörpers und die Innenseiten des Kühlblocks und der Blende 15 mit einer Schicht mit hoher Reflexionsfähigkeit versehen, beispielsweise mit einer Goldschicht.

Für die Messung erwünscht ist die Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Spaltes 6. Die dadurch auf den Kühlblock 3 übertragene Wärmemenge wird quantitativ durch die in der Kühlleitung 12 zirkulierende Wärmeflüssigkeit abgeführt, wobei die pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge durch die Wärmeleistungs- Meßeinrichtung bestimmt wird.

Die Wärmeleitungsstrecke im Inneren des Spaltes 6 wirkt als Ventil für den Wärmefluß vom Absorberkörper 1 zum Kühlblock 3, wobei die Stärke des Wärmeflusses durch den Druck des Gases im Spalt 6 variiert werden kann. Dies liegt daran, daß bei Drücken, bei denen die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen in der Größenordnung der Spaltbreite oder darüber liegt, die Wärmeleitfähigkeit druckabhängig wird, während sie bei darüberliegenden Drücken im wesentlichen druckunabhängig ist. Bei Abmessungen in der Größenordnung zwischen 0,2 und 2 mm ist die Wärmeleitfähigkeit im Druckbereich von etwa 10^-2 bis 200 mbar druckabhängig und daher durch die Wahl des Druckes beeinflußbar.

Mit der dargestellten Vorrichtung ist es beispielsweise möglich, den effektiven Absorptionsgrad des Absorberkörpers bei verschiedenen Temperaturen zu bestimmen. Dazu arbeitet man mit einer konstanten Einstrahlung. Durch die Wahl unterschiedlicher Gasdrücke kann die Temperatur des Absorberkörpers bei dieser konstanten Einstrahlung auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, bei geringer Wärmeleitfähigkeit wird die Temperatur des Absorberkörpers entsprechend höher liegen. Es kann dann aus der Einstrahlung und der durch die Wärmeleistungs-Meßeinrichtung bestimmten, pro Zeiteinheit abgegebenen Nutzwärme der effektive Absorptionsgrad bestimmt werden, der sich nach folgender Formel bestimmt:

Darin bedeuten:

α _eff effektiver Absorptionsgrad _ab abgeführte Nutzwärme pro Zeiteinheit _ein eingestrahlte Energiemenge pro Zeiteinheit m Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit pro Zeiteinheit c Wärmekapazität der Kühlflüssigkeit Δ T Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit nach Verlassen des Kühlblocks.

Die Messung kann bei entsprechender Variation des Gasdruckes im Spalt 6 über einen sehr weiten Temperaturbereich erfolgen, beispielsweise über einen Temperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur und 1000 bis 1200°C. Es ist dabei sehr wesentlich, daß die eigentliche Wärmeleistungs-Messung bei Umgebungstemperatur erfolgen kann, also bei Kühlflüssigkeitstemperaturen von beispielsweise 20 bis 30°C. Dadurch entfallen verfälschende Wärmeverluste an die Umgebung weitgehend.

Die Probentemperatur läßt sich im übrigen durch Thermoelemente an der Probenrückseite oder durch pyrometrische Methoden jederzeit messen.

Es ist nicht nur möglich, bei einem bestimmten Absorberkörper die Abhängigkeit des effektiven Absorptionsgrades von der Absorbertemperatur und damit die Temperatur zu bestimmen, bei denen der effektive Absorptionsgrad optimal wird, sondern man kann auch unterschiedliche Absorberausgestaltungen und -materialien auf ihren effektiven Absorptionsgrad prüfen.

Beispielsweise gelingt es auf diese Weise, verschiedene Beschichtungen des Absorberkörpers zu untersuchen, beispielsweise Absorberkörper, die mittels eines Lackes oberflächenbehandelt, besprüht oder beschichtet sind. Es können die Dicken der für gute Absorptionseigenschaften notwendigen Beschichtungen und gleichzeitig auch die Temperaturgradienten bestimmt werden, die sich aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeit dieser Beschichtungen gegebenenfalls einstellen.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können aber auch Einstrahlungen gemessen werden, wenn der effektive Absorptionsgrad eines bestimmten Absorberkörpers bekannt ist. Es ist dabei günstig, daß durch die Einstellung des Druckes im Gasraum der Absorberkörper immer auf einer bestimmten Temperatur betrieben werden kann, für die der jeweilige Absorptionsgrad bekannt ist. Beispielsweise ist es vorteilhaft, ein solches Gerät im Bereich des maximalen effektiven Absorptionsgrades des Absorberkörpers zu betreiben, da man in diesem Bereich eine maximale Empfindlichkeit des Gerätes erreicht.

Es hat sich herausgestellt, daß nicht nur über einen großen Temperaturbereich Messungen durchgeführt werden können, sondern es ist auch möglich, sehr hohe Bestrahlungsstärken zu messen, beispielsweise Bestrahlungsstärken bis zu mehreren 100, eventuell sogar 1000 Solarkonstanten (eine Solarkonstante = 0,138 W/cm²).

Zur Einstellung des jeweils erwünschten Gasdruckes im Gasraum 4 können das Regelventil 8 und die Vakuumpumpe 10 in an sich bekannter Weise mit einer Regelschaltung und mit Druckmeßgeräten versehen sein; diese Vorrichtungen sind in der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellt, da sie an sich bekannt sind.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsabsorption eines insbesondere mit Solarstrahlung bestrahlten Absorberkörpers, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Wärmeleistungs-Meßeinrichtung (3, 12, 13, 14) vorgesehen ist.
• - daß zwischen dem Absorberkörper (1) und der Wärmeleistungs- Meßeinrichtung (3, 12, 13, 14) ein mit einem wärmeleitenden Gas gefüllter Spalt (6) vorgesehen ist und
• - daß der Druck des Gases so gewählt ist, daß die Wärmeleitfähigkeit des Gases druckabhängig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen 0,2 und 2 mm beträgt und daß der Druck des Gases zwischen 10^-2 und 200 mbar liegt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas He oder H₂ ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkörper (1) platten- und kreisförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkörper (1) an seinem Umfang mit einer als Halterung dienenden Wellmembran (2) dicht verbunden ist, welche zusammen mit der Wärmeleistungs-Meßeinrichtung (3) einen mit dem Spalt (6) in Verbindung stehenden Gasraum (4) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Absorberkörper (1) und der Wärmeleistungs-Meßeinrichtung (3) Abstandshalter aus schlecht wärmeleitendem Material angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleistungs-Meßeinrichtung einen flüssigkeitsgekühlten Kühlblock (3) umfaßt, der dem Absorberkörper (1) durch den Spalt (6) getrennt gegenübersteht, und daß dem Kühlblock (3) Meßeinrichtungen zur Bestimmung des Kühlflüssigkeitsdurchflusses und der Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlblock (3) den Absorberkörper (1) und seine Halterung (2) allseitig umschließt und nur im Einstrahlungsbereich offen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kühlblock (3) zugewandte Fläche des Absorberkörpers (1), die Halterung (2) und die Innenflächen des Kühlblocks (3) mit einer ein hohes Reflexionsvermögen aufweisenden Beschichtung versehen sind.