EP1776550A1 - Solarabsorber - Google Patents

Solarabsorber

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Publication number
EP1776550A1
EP1776550A1 EP05779044A EP05779044A EP1776550A1 EP 1776550 A1 EP1776550 A1 EP 1776550A1 EP 05779044 A EP05779044 A EP 05779044A EP 05779044 A EP05779044 A EP 05779044A EP 1776550 A1 EP1776550 A1 EP 1776550A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
absorber
concentrator
solar
tube
solar absorber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05779044A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus-Jürgen RIFFELMANN
Thomas Kuckelkorn
Christina Hildebrandt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP1776550A1 publication Critical patent/EP1776550A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
    • F24S70/225—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F24S80/52—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings characterised by the material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S126/00—Stoves and furnaces
    • Y10S126/907—Absorber coating

Definitions

  • the invention relates to a solar absorber with an absorber body, which has a side facing a concentrator and a side facing away from the concentrator and which is provided with a selective absorption layer which absorbs the spectrum of solar radiation below a cut-off wavelength and suppressed the emission of the absorber body above the cut-off wavelength.
  • the invention also relates to solar absorbers according to the preambles of claims 13, 17 and 22.
  • the solar absorber is the part of a solar collector, where the solar radiation is converted into heat. At the absorber occur in addition to optical and thermal losses, since it assumes a higher temperature than the environment by converting the solar radiation into heat.
  • the absorbers In concentrating collectors, such as parabolic trough collectors, Fresnel collectors, and solar towers, the absorbers are typically heated to a few hundred C ° C.
  • the radiation losses which according to Planck's radiation formula are proportional to the fourth power of the temperature, dominate the convective losses in the case of vacuum-isolated absorbers.
  • the technical problem lies in the contradictory desire that the absorber on the one hand to absorb the solar radiation well, on the other hand, but the emission of bad radiation.
  • the spectral absorption and emissivity of a body are equal.
  • This problem can be solved by an optical selective coating having a cut-off wavelength below which the absorptivity is large and above which the emitted natural radiation is low.
  • Such an absorption layer makes use of the fact that the wavelength range for the radiation to be absorbed and the emitted emitted radiation of the absorber to be suppressed are different.
  • absorber body which have an optically selective coating. These coatings are characterized by the fact that on the one hand they absorb the short-wave radiation emitted by the sun (maximum at 0.5 ⁇ m) well, but on the other hand the long-wave radiation emitted by the absorber (maximum at 3.5 to 5 ⁇ m) to the environment is poor emit.
  • the selective absorption layers have a low spectral reflectance and a high absorptivity in the short-wave solar spectral range, while in the long-wave spectral range the spectral reflectivity is as high as possible, which means low emissivity.
  • the ideal cut-off wavelength at which the transition from low to high reflectivity occurs is primarily dependent on the operating temperature of the absorption layer. Therefore, various selective layers are being developed for flat plate collectors, evacuated tube collectors and parabolic trough collectors.
  • the cut-off wavelength of the ideal optically selective absorption layer When designing the optimum cut-off wavelength of the ideal optically selective absorption layer, only the temperature of the absorber has hitherto been considered. Depending on the temperature, the cut-off wavelength is adapted to a standard solar spectrum. The ideal cutoff wavelength is also dependent on the concentration of solar radiation. For concentrating solar collectors, the concentration factor is often not homogeneously distributed over the absorber surface. So is only about half of a parabolic trough collector of the absorber tube hit by concentrating solar radiation, while the other half is illuminated by non-concentrated solar radiation. On the side facing the concentrator, the radiation is typically concentrated by factors of 10 to 100 times. In the case of a selective absorption layer which is homogeneous over the circumference of the absorber body, the thermal losses due to radiation are therefore not minimized.
  • the object of the invention is to minimize the radiation losses altogether in the case of a concentrating solar absorber, namely both on the side facing the concentrator and on the side facing away from the concentrator in order to increase the gain of trapped heat.
  • the solutions provide an absorption layer on the absorber body, a coating on the cladding tube and at least one element between absorber tube and cladding tube, which will be described in detail below. It is also possible to combine the solutions together, as is the subject of claim 22.
  • the absorption layer of the absorber body on the side facing the concentrator has a cutoff wavelength which is greater than the cutoff wavelength on the side facing away from the concentrator.
  • the invention is based on the recognition that the two opposite sides of the absorber body are exposed to different radiation densities and thus have different absorption behavior and emission behavior.
  • the cut-off wavelength On the side facing the concentrator, the cut-off wavelength z. B. 2.350 nm. Due to the different cut-off wavelengths on both sides, it is achieved that the cut-off wavelength is tuned to the respective spectral density, so that the gain of the incident radiation is optimized as a function of the spectral density. Thus, a very high yield (gain) of radiation can be achieved.
  • a concentrator is to be understood as any concentrating optic.
  • Fresnel lenses, mirrors, lens systems or collection optics are concentrators.
  • the coating is divided into two areas with different absorption layers.
  • the subdivision can be refined by providing more than two regions of stepwise varying cut-off wavelength.
  • Each of the areas is adapted to the local radiation intensity.
  • the invention is particularly applicable to parabolic trough collectors having an elongate absorber tube which is supported by a heat transfer medium, e.g. As oil is flowed through, with an elongated parabolic mirror concentrates the solar radiation on the absorber tube. Also in other types of solar absorbers receiving concentrated solar radiation, the invention is applicable. It is suitable for all cases in which the radiation intensity at different surface areas of the absorber body is different.
  • the absorber body is preferably a tube, in particular a steel tube or a porous ceramic body.
  • the thickness of the absorption layer is preferably less than 10 ⁇ m, in particular less than 200 nm.
  • the absorber layer is preferably subdivided into two regions with different cut-off wavelengths. Here, the one area extends over the entire side facing away from the concentrator and the second area extends over the entire side of the absorber body facing the concentrator.
  • a region is understood to mean a surface that extends on the one hand over the pipe length and on the other hand over a circular arc. Several areas are adjacent to each other in the circumferential direction of the tube.
  • the absorber layer may be subdivided into regions of continuously varying cut-off wavelength.
  • the transition from one area to an adjacent area can be configured continuously. Even within the ranges, the cut-off wavelength can change continuously.
  • the setting of different cut-off wavelengths in the individual regions can be achieved by a different thickness of the absorber layer or of individual partial layers of the overall layer system.
  • layer thickness changes by 5% to 20%, preferably by 10% to 20% are preferred.
  • the layer thickness decrease can be carried out running around the entire pipe circumference, which manufacturing technology, for example. can be achieved by varying the rotational speed of the tube during the coating process.
  • the absorber layer is applied on the side facing away from the concentrator by 5 to 20% thinner than on the side facing the concentrator. This shifts the cut-off wavelength, in which the absorber layer of absorption and Reflection passes to shorter wavelengths. The emissivity for high temperatures is thereby reduced. At the same time, the solar absorption decreases as a larger part of the solar spectrum is reflected.
  • the absorber layer may be composed of a three-layer system consisting of a metallic mirror layer, a cermet layer and a dielectric anti-reflection layer.
  • the thickness variation for changing Grenzwellenlä ⁇ ge is preferably carried out in the cermet layer.
  • the absorption coefficient By reducing the cermet layer thickness, the absorption coefficient also decreases in the region of the visible spectrum.
  • By increasing the thickness of the anti-reflection layer this can be partially compensated without affecting the cut-off wavelength. Therefore, it makes sense to increase the thickness of the antireflection coating when reducing the cermet thickness.
  • a variation of the layer thickness can also be carried out by performing a non-uniform rotation of the tube in individual or in all coating processes.
  • the absorber layer may have different compositions in the individual regions.
  • the different composition is preferably achieved by metallic filler that is present in different proportions in the individual areas.
  • This metallic filler may preferably be present in the cermet layer.
  • chromium, aluminum, copper and / or molybdenum are preferred.
  • the proportions of the filling material in the cermet layer are in the individual ranges between 20% and 60%.
  • the concentrator has a high reflection in the entire wavelength range between the visible and the infrared range.
  • the thickness and / or composition of the cermet layer and / or the antireflection coating can influence the proportion of the absorbed radiation in the visible or in the near infrared range.
  • the solar absorber has an absorber tube and a cladding tube which surrounds the absorber tube, wherein in combination with a concentrator the solar absorber has a side facing the concentrator and a side facing away from the concentrator. It is provided according to the invention that at least one region of the cladding tube is provided on the side facing away from the concentrator with a coating reflecting the thermal radiation. This coating can be partially transparent in the wavelength range of solar radiation (low-e coating) or reflective (metallic mirror).
  • This coating can extend over a maximum of half the circumference of the cladding tube.
  • the coating is preferably mounted on the inside of the cladding tube.
  • the coating is provided in two lateral edge regions, between which no coating is arranged.
  • This makes it possible to use the proportion of direct solar radiation incident in the section between the edge regions.
  • the proportion that comes directly from the sun and the absorber directly, that means without deflection by the concentrator, makes in conventional parabolic trough collectors about 1% of the total detectable radiation.
  • the lateral edge areas are those areas in which neither direct radiation from the sun nor reflected radiation from the concentrator impinges. It therefore makes sense to provide a corresponding coating in these edge regions in order to reduce heat losses in this region.
  • a complete coverage by means of a transparent or metallic coating of the entire region of the cladding tube, which faces away from the concentrator, may be useful if the operating temperature of the solar absorber is high. At lower operating temperatures, the coating in the peripheral areas is preferred.
  • Partial transparency is understood as meaning a transmission of preferably 30% to 70%, the transmission relating to the wavelength range of the solar radiation in the range from 300 nm to 2500 nm.
  • the preferably metallic coating is highly reflective, which is understood to mean a reflectance of> 70%.
  • the coating is preferably made of a high reflectance material.
  • the material used for this coating is preferably aluminum or silver.
  • the invention is between the cladding tube and the absorber tube on the side facing away from the concentrator arranged at least one element of a material reflecting in the IR region.
  • This element may be a metallic foil, a fabric or a sheet.
  • the arrangement of one or more such elements can be selected according to the coating of the cladding tube.
  • Absorber tube extend. But it can also be provided two elements which are arranged in lateral edge regions, according to the configuration of the coating of the cladding tube in the edge regions.
  • the element or elements may have raised edges, thereby providing an additional concentration effect.
  • the erected edges preferably have an angle ⁇ 45 ° with respect to the axis of the concentrator.
  • the element or elements are preferably made of aluminum or stainless steel. To increase the reflection in the infrared wavelength range, the element may additionally be coated with silver.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a solar absorber
  • Fig. 3 is a diagram of the spectral radiance
  • Fig. 6 is a partial cross-section through that shown in Fig. 5
  • FIGS. 7-11 Solar absorber with absorber tube and cladding in section according to various embodiments.
  • Fig. 1 shows the absorber body 10, which is an elongated absorber tube 30, the interior 11 is flowed through by a heat transfer medium.
  • the incident solar radiation 12 is concentrated or focused by a concentrator 13 in the form of a parabolic mirror on the absorber body 10.
  • the absorber body 10 absorbs the solar radiation and converts these into heat, which is transferred to the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is thereby heated.
  • Fig. 2 shows the distribution of the radiation density 14 over the circumference of the absorber body in polar coordinates.
  • the radiation density On the concentrator 13 facing side 36, the radiation density is high.
  • the radiation density On the side facing away from the concentrator 38, the radiation density is equal to the radiation density of the incident solar radiation, which could be denoted by the value "1".
  • Fig. 3 the spectral distribution of the radiation density of the incident solar radiation is indicated by the curve denoted by 20.
  • 21 is a curve indicating the spectral radiance of a black body at a temperature of 500 0 C.
  • the two curves 20 and 21 each have a maximum and fall from there to both sides. Both curves are separated, but overlap in one foot area.
  • Denoted at 22 is the ideal cut-off wavelength that passes through the intersection of the solar spectrum 20 and the blackbody spectrum 21. Below this wavelength, the ideal optically selective absorber completely absorbs the solar radiation while emitting only minor radiation losses. These radiation losses consist of the area which is below the cut-off wavelength of 1350 nm below the curve 21. Above the cut-off wavelength 22, the degree of absorption - and thus the emissivity search - equal to zero. This means that the absorption body 10 does not radiate heat, while it loses only slightly solar irradiation by reflection. This radiation loss is proportional to the area under the curve 20 for wavelengths ⁇ > greater than 1350 nm. FIG.
  • FIG. 4 shows the solar spectrum 20a concentrated by the factor 50 and the curve 21a the spectrum of a black body at 500 ° C.
  • the scale of the graph of FIG. 4 has been changed with respect to FIG.
  • the invention takes advantage of this fact by the absorber body 10, which is designed as an absorber tube 30, according to FIG. 5 different absorber layers 17, 18 has.
  • the absorber layer 17 in the region 40 is located on the side facing the concentrator 13 and the absorber layer 18 in the region 45 on the side 38 facing away from the concentrator.
  • the absorber layers 17 and 18 are thin layers in the nanometer range. They consist of materials as described, for example, in WO 97/26488. In particular, they are Ti-NO-based interference absorber layers which cause different color effects as a function of the layer thickness.
  • the absorption layers 17, 18 can basically consist of the same base material, the individual regions differing by different layer thicknesses. By interference effect for the areas different cut-off wavelengths 22.
  • the thickness of the absorption layer should be smaller than 10 microns and in particular smaller than 1000 nm, most preferably smaller than 100 nm.
  • the absorber layer is homogeneous applied.
  • the solar absorber as a whole has a high absorption capacity over all ranges of different radiation density and provides a high gain of incident radiation.
  • the absorber layers 17 and 18 in FIG. 5 can also both have the same layer structure.
  • the layers are preferably produced by a thin-film technique in which several layers are applied successively to a substrate.
  • a mirror layer 25 a cermet layer 26 and a dielectric antireflection coating 27 can be deposited on a steel tube 31 (see Fig. 6).
  • the mirror layer 25 reflects electromagnetic radiation in the infrared and visible wavelength range.
  • the thickness and / or composition of Cermet and anti-reflection layer 26, 27 influences the proportion of absorbed radiation.
  • a filler is contained, which usually constitutes 20% to 60% of the cermet layer 26.
  • filler in particular chromium, aluminum, copper or molybdenum in question.
  • the optical properties of the absorber layer are varied by varying the layer thickness and / or composition in regions 17 and 18.
  • the absorber layer 18 is made thinner by 5 to 20% than on the absorber layer 17 facing the concentrator.
  • the thickness is preferably not changed.
  • the change of the absorber layer is achieved solely by varying the cermet and anti-reflection coatings.
  • the absorber layer 18 facing away from the concentrator 13 comprises at most half the pipe circumference.
  • the decrease in the layer thickness can be achieved, for example, by varying the rotational speed of the tube during the coating process.
  • a further embodiment which has an absorber tube 30 and a cladding tube 32, wherein on the inside of the cladding tube 32, a coating 60 is applied.
  • the preferably metallic coating 60 is located in the region 55 of the cladding tube, which faces away from the concentrator, not shown. In the region 50 of the cladding tube 32, which faces the concentrator, no coating is provided on the cladding tube 32.
  • Fig. 8 a modified embodiment is shown, which differs from the embodiment shown in Fig. 7 in that the coating 60 is applied only in an edge region 56, 57, on which neither the direct sunlight, by the Arrows is marked, still hits the reflected radiation from the concentrator.
  • an opaque or partially transparent coating is provided, so that in this region 58 the solar radiation is transmitted and can impinge on the absorber tube 30.
  • the partial transparency of the metallic coating in the region 58 is present in the wavelength range of solar radiation 3000 nm to 2500 nm.
  • the proportion of the transmitted radiation of the total incident radiation is in the spectrum of sunlight preferably about 30% to 70%.
  • the coating is highly reflective, i. the percentage of reflected radiation is more than 70%.
  • an area of the cladding tube 20 can be made uncoated.
  • the uncoated area forms as it were a window for the incident on the opposite side 38 of the cladding tube 32 solar radiation. This ensures that this solar radiation can be used to generate heat.
  • an element 70 is arranged, which consists of a reflecting material in the infrared region.
  • This element 70 extends over half of the circumference and is located in the region which faces away from the concentrator.
  • the element 70 consists of a metallic foil, which is preferably made of aluminum or stainless steel. To increase the reflectivity in the IR wavelength range can also be used as a film coated with silver materials.
  • the metallic foil is thermally coupled to the absorber tube or to the cladding tube. This prevents the metallic foil from heating up locally and consequently changing its shape or position in the annular gap as a result of thermal expansion. In operation, the absorber tube 30 is heated so that it expands.
  • the metal foil itself is expansible and movable, so that differences in length between the absorber tube 30 and the metal foil are compensated.
  • FIG. 11 shows a further embodiment which, in the space between the absorber tube 30 and the cladding tube 32, has two elements 71, 72 which are arranged in the edge regions 76 and 77, which are not affected by the radiation reflected by the concentrator direct solar radiation are taken.
  • edges 78 are provided at the edges, which form an angle of 45 ° with the concentrator axis (not shown).
  • Cladding tube the concentrator facing side facing away from the concentrator side

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Abstract

Ein Solarabsorber weist einen Absorberkörper (10) auf, der auf derjenigen Seite, von der die von einem Konzentrator konzentrierte Strahlung einfällt, eine Absorptionsschicht (17) und auf der gegenüberliegenden Seite eine Absorptions- schicht (18) aufweist. Die Absorptionsschicht auf der dem Konzentrator zugewandten Seite hat eine größere Grenzwellenlänge als die gegenüberliegende Absorptionsschicht. Auf diese Weise wird in dem Bereich hoher Strahlungsdichte die Grenze der Strahlungsemission des Absorberkörpers zu größeren Wellenlängen hin verschoben, so dass beide Seiten des Absorberkörpers mit dem jeweils höchst möglichen Strahlungsgewinn betrieben werden.

Description

Solarabsorber
Die Erfindung betrifft einen Solarabsorber mit einem Absorberkörper, der eine einem Konzentrator zugewandte Seite und eine dem Konzentrator abgewandte Seite aufweist und der mit einer selektiven Absorptionsschicht versehen ist, die unterhalb einer Grenzwellenlänge das Spektrum der Solarstrahlung absorbiert und oberhalb der Grenzwellenlänge das Abstrahlvermögen des Absorberkörpers unterdrückt. Die Erfindung betrifft auch Solarabsorber gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 13, 17 und 22.
Der Solarabsorber ist derjenige Teil eines Sonnenkollektors, an dem die Solarstrahlung in Wärme umgewandelt wird. Am Absorber treten neben optischen auch thermische Verluste auf, da er durch Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme eine höhere Temperatur als die Umgebung annimmt. In konzentrierenden Kollektoren wie Parabolrinnenkollektoren, Fresnel-Kollektoren und Solartürmen werden die Absorber typischerweise auf einige 100 CC erhitzt. Die Abstrahlungsverluste, die nach der Planck'schen Strahlungsformel proportional zur vierten Potenz der Temperatur sind, dominieren bei vakuumisolierten Absorbern gegenüber den konvektiven Verlusten.
Das technische Problem liegt in dem an sich widersprüchlichen Wunsch, dass der Absorber einerseits die solare Strahlung gut absorbieren, andererseits die Eigenstrahlung aber schlecht emittieren soll. Nach dem Kirchhoff sehen Gesetz sind das spektrale absorptions- und Emissionsvermögen eines Körpers gleich. Dieses Problem kann durch eine optische selektive Beschichtung gelöst werden, die eine Grenzwellenlänge hat, unter der das Absorptionsvermögen groß und über der die emittierte Eigenstrahlung gering ist. Eine solche Absorptionsschicht macht von dem Umstand Gebrauch, dass der Wellenlängenbereich für die zu absorbierende Strahlung und die zu unterdrückende emittierte Eigenstrahlung des Absorbers verschieden sind.
In WO 97/26488 sind Absorberkörper beschrieben, die eine optisch selektive Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie einerseits die von der Sonne ausgestrahlte kurzwellige Strahlung (Maximum bei 0,5 μm) gut absorbieren, andererseits aber die vom Absorber ausgehende langwellige Abstrahlung (Maximum bei 3,5 bis 5 μm) an die Umgebung schlecht emittieren. Die selektiven Absorptionsschichten haben im kurzwelligen solaren Spektralbereich eine niedrige spektrale Reflektivität und eine hohe Absorptivität, im langwelligen Spektralbereich hingegen eine möglichst hohe spektrale Reflektivität, gleichbedeutend mit einer niedrigen Emissivität.
Die ideale Grenzwellenlänge, bei welcher der Übergang von niedriger zu hoher Reflektivität geschieht, ist primär abhängig von der Betriebstemperatur der Absorptionsschicht. Daher werden verschiedene selektive Schichten für Flachplattenkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Parabolrinnenkollektoren entwickelt.
Bei der Auslegung der optimalen Grenzwellenlänge der idealen optisch¬ selektiven Absorptionsschicht wurde bislang nur die Temperatur des Absorbers berücksichtigt. In Abhängigkeit von der Temperatur wird die Grenzwellenlänge einem solaren Standardspektrum angepasst. Die ideale Grenzwellenlänge ist aber auch abhängig von der Konzentration der solaren Strahlung. Bei konzentrierenden Solarkollektoren ist der Konzentrationsfaktor häufig nicht homogen über die Absorberfläche verteilt. So wird bei einem Parabolrinnenkollektor nur etwa die Hälfte des Absorberrohres von konzentrierender Solarstrahlung getroffen, während die andere Hälfte von nicht konzentrierter Solarstrahlung beschienen wird. Auf der dem Konzentrator zugewandten Seite wird die Strahlung typischerweise um Faktoren von 10- bis 100-fach konzentriert. Bei einer über den Umfang des Absorberkörpers homogenen selektiven Absorptionsschicht sind die thermischen Verluste durch Abstrahlung daher nicht minimiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem konzentrierenden Solarabsorber die Abstrahlverluste insgesamt zu minimieren, nämlich sowohl auf der dem Konzentrator zugewandten Seite als auch auf der dem Konzentrator abgewandten Seite, um eine Erhöhung des Gewinns an eingefangener Wärme zu bewirken.
Diese Aufgabe wird mit Solarabsorbern gemäß der Patentansprüche 1 , 13 und 17 gelöst. Die Lösungen sehen eine Absorptionsschicht auf dem Absorberkörper, eine Beschichtung auf dem Hüllrohr sowie mindestens ein Element zwischen Absorberrohr und Hüllrohr vor, was nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird. Es ist auch möglich die Lösungen miteinander zu kombinieren, wie dies Gegenstand des Patentanspruchs 22 ist.
Gemäß der ersten Variante ist vorgesehen, dass die Absorptionsschicht des Absorberkörpers auf der dem Konzentrator zugewandten Seite eine Grenzwellenlänge aufweist, die größer ist als die Grenzwellenlänge auf der dem Konzentrator abgewandten Seite.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die beiden entgegengesetzten Seiten des Absorberkörpers unterschiedlichen Strahlungsdichten ausgesetzt sind und dadurch unterschiedliche Absorptionsverhalten und Emissionsverhalten haben. Auf der dem Konzentrator zugewandten Seite beträgt die Grenzwellenlänge z. B. 2.350 nm. Durch die unterschiedlichen Grenzwellenlängen auf beiden Seiten wird erreicht, dass die Grenzwellenlänge auf die jeweilige Spektraldichte abgestimmt wird, so dass der Gewinn der einfallenden Strahlung in Abhängigkeit von der Spektraldichte optimiert wird. Damit kann eine sehr hohe Ausbeute (Gewinn) an Strahlung erzielt werden.
Unter einem Konzentrator ist jede konzentrierende Optik zu verstehen. Insbesondere Fresnell-Linsen, Spiegel, Linsensysteme oder eine Sammeloptik sind Konzentratoren.
Im einfachsten Fall ist die Beschichtung in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Absorptionsschichten unterteilt. Die Unterteilung kann verfeinert werden, indem mehr als zwei Bereiche mit stufenweise variierender Grenzwellenlänge vorgesehen sind. Dabei ist jeder der Bereiche an die örtliche Strahlungsintensität angepasst.
Die Erfindung ist insbesondere bei Parabolrinnenkollektoren anwendbar, die ein lang gestrecktes Absorberrohr aufweisen, das von einem Wärmeübertragungsmedium, z. B. Öl durchströmt ist, wobei ein lang gestreckter Parabolspiegel die Solarstrahlung auf das Absorberrohr konzentriert. Auch bei anderen Typen von Solarabsorbern, die konzentrierte Solarstrahlung empfangen, ist die Erfindung anwendbar. Sie eignet sich für alle Fälle in denen die Strahlungsintensität an unterschiedlichen Flächenbereichen des Absorberkörpers unterschiedlich ist.
Der Absorberkörper ist vorzugsweise ein Rohr, insbesondere ein Stahlrohr oder ein poröser Keramikkörper.
Die Dicke der Absorptionsschicht ist vorzugsweise kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 200 nm. Die Absorberschicht ist vorzugsweise in zwei Bereiche mit unterschiedlicher Grenzwellenlänge unterteilt. Hierbei erstreckt sich der eine Bereich über die gesamte dem Konzentrator abgewandte Seite und der zweite Bereich sich über die gesamte dem Konzentrator zugewandte Seite des Absorberkörpers.
Wenn der Absorberkörper im Rohr ist, wird unter einem Bereich eine Fläche verstanden, die sich einerseits über die Rohrlänge und andererseits über einen Kreisbogen erstreckt. Mehrere Bereiche liegen in Umfangsrichtung des Rohrs nebeneinander.
Die Absorberschicht kann in Bereiche mit kontinuierlich variierender Grenzwellenlänge unterteilt sein. Hierbei kann der Übergang von einem Bereich zu einem benachbarten Bereich kontinuierlich ausgestaltet sein. Auch innerhalb der Bereiche kann sich die Grenzwellenlänge kontinuierlich ändern.
Die Einstellung unterschiedlicher Grenzwellenlängen in den einzelnen Bereichen kann durch eine unterschiedliche Dicke der Absorberschicht oder einzelner Teilschichten des Gesamtschichtsystems erreicht werden. Hierbei sind Schichtdickenänderungen um 5% bis 20%, vorzugsweise um 10% bis 20% bevorzugt. Die Schichtdickenabnahme kann um den gesamten Rohrumfang verlaufend ausgeführt werden, was fertigungstechnisch z.B. dadurch erreicht werden kann, dass die Rotationgeschwindigkeit des Rohres während des Beschichtungsprozesses variiert wird.
Vorzugsweise wird die Absorberschicht auf der dem Konzentrator abgewandte Seite um 5 bis 20% dünner aufgebracht als auf der dem Konzentrator zugewandten Seite. Dadurch verschiebt sich die Grenzwellenlänge, in der die Absorberschicht von Absorption und Reflexion übergeht, zu kürzeren Wellenlängen. Der Emissionsgrad für hohe Temperaturen wird dadurch vermindert. Gleichzeitig vermindert sich auch die solare Absorption, da ein größerer Teil des solaren Spektrums reflektiert wird.
Die Absorberschicht kann aus einem Dreischichtsystem, bestehend aus einer metallischen Spiegelschicht, einer Cermetschicht und einer dielektrischen Entspiegelungsschicht aufgebaut sein. Die Dickenvariation zur Veränderung der Grenzwellenläπge wird vorzugsweise bei der Cermetschicht vorgenommen. Durch Verringerung der Cermetschichtdicke wird der Absorptionsgrad auch im Bereich des sichtbaren Spektrums geringer. Durch Erhöhung der Dicke der Entspiegelungsschicht kann dies teilweise ausgeglichen werden, ohne die Grenzwellenlänge zu beeinflussen. Deshalb ist es sinnvoll, bei Verringerung der Cermetdicke die Dicke der Entspiegelungsschicht zu erhöhen.
Um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen, kann auch eine Variation der Schichtdicke durchgeführt werden, indem eine ungleichmäßige Rotation des Rohres in einzelnen oder in allen Beschichtungsprozessen durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zur Einstellung variierender Grenzwellenlängen kann die Absorberschicht in den einzelnen Bereichen unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
Die unterschiedliche Zusammensetzung wird vorzugsweise durch metallisches Füllmaterial erreicht, dass in den einzelnen Bereichen in unterschiedlichen Anteilen vorhanden ist. Dieses metallische Füllmaterial kann vorzugsweise in der Cermetschicht vorhanden sein. Als metallisches Füllmaterial sind Chrom, Aluminium, Kupfer und/oder Molybdän bevorzugt. Die Anteile des Füllmaterials in der Cermetschicht liegen in den einzelnen Bereichen zwischen 20% und 60%.
Der Konzentrator hat eine hohe Reflexion im gesamten Wellenlängenbereich zwischen dem sichtbaren und dem Infrarotbereich. Durch die Dicke und/oder Zusammensetzung der Cermetschicht und/oder der Entspiegelungsschicht kann der Anteil der absorbierten Strahlung im sichtbaren bzw. im nahen Infrarotbereich beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung besitzt der Solarabsorber ein Absorberrohr und ein Hüllrohr, das das Absorberrohr umgibt, wobei in Kombination mit einem Konzentrator der Solarabsorber eine dem Konzentrator zugewandte und eine dem Konzentrator abgewandte Seite aufweist. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Bereich des Hüllrohres auf der dem Konzentrator abgewandten Seite mit einer die Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung kann im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung teiltransparent (low-e Beschichtung) oder reflektierend sein (metallischer Spiegel).
Diese Beschichtung kann sich maximal über die Hälfte des Umfangs des Hüllrohres erstrecken. Hierbei ist die Beschichtung vorzugsweise auf der Innenseite des Hüllrohres angebracht.
Vorzugsweise ist die Beschichtung in zwei seitlichen Randbereichen vorgesehen, zwischen denen keine Beschichtung angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, den Anteil direkter Sonnenstrahlung zu nutzen, der in den Abschnitt zwischen den Randbereichen einfällt. Der Anteil, der unmittelbar von der Sonne kommt und der Absorber unmittelbar, dass heisst ohne Umlenkung durch den Konzentrator trifft, macht bei üblichen Parabolrinnenkollektoren ungefähr 1 % der gesamten erfassbaren Strahlung aus.
Die seitlichen Randbereiche sind diejenigen Bereiche, in denen weder direkte Einstrahlung von der Sonne noch reflektierte Strahlung vom Konzentrator auftrifft. Es bietet sich daher an, in diesen Randbereichen eine entsprechende Beschichtung vorzusehen, um Wärmeverluste in diesem Bereich zu reduzieren.
Eine vollständige Abdeckung mittels einer transparenten oder metallischen Beschichtung des gesamten Bereiches des Hüllrohres, der dem Konzentrator abgewandt ist, kann dann sinnvoll sein, wenn die Betriebstemperatur des Solarabsorbers hoch ist. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen wird die Beschichtung in den Randbereichen bevorzugt.
Unter Teiltransparenz wird eine Transmission von vorzugsweise 30% bis 70% verstanden, wobei sich die Transmission auf den Wellenlängenbereich der Solarstrahlung im Bereich von 300 nm bis 2500 nm bezieht. Im Infrarotbereich (Wellenlängenbereich > 2500 nm) ist die vorzugsweise metallische Beschichtung hoch reflektierend, worunter ein Reflexionsgrad von > 70% verstanden wird.
Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem Reflexionsgrad. Als Material für diese Beschichtung wird vorzugsweise Aluminium oder Silber verwendet.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist zwischen dem Hüllrohr und dem Absorberrohr auf der dem Konzentrator abgewandten Seite mindestens ein Element aus einem im IR-Bereich reflektierenden Material angeordnet.
Dieses Element kann eine metallische Folie, ein Gewebe oder ein Blech sein.
Die Anordnung eines oder mehrerer solcher Elemente kann entsprechend der Beschichtung des Hüllrohres gewählt werden. Insofern kann sich das Element über den halben Rohrumfang des
Absorberrohrs erstrecken. Es können aber auch zwei Elemente vorgesehen sein, die in seitlichen Randbereichen angeordnet sind, entsprechend der Ausgestaltung der Beschichtung des Hüllrohres in den Randbereichen.
Das oder die Elemente können aufgestellte Kanten aufweisen, wodurch eine zusätzliche Konzentrationswirkung erzielt wird. Die aufgestellten Kanten haben vorzugsweise einen Winkel < 45° bezogen auf die Achse des Konzentrators.
Das oder die Elemente bestehen vorzugsweise aus Aluminium oder Edelstahl. Zur Erhöhung der Reflexion im Infrarot-Wellenlängenbereich kann das Element zusätzlich mit Silber beschichtet sein.
Da das Element im Zwischenraum zwischen Absorberrohr und Hüllrohr angeordnet ist, ist zu bedenken, dass die Anbindung an eines der beiden Rohre aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien zu Spannungen führt. Es ist deshalb bevorzugt, ein dehnbares Material zu verwenden oder das oder die Elemente beweglich, insbesondere verschiebbar, anzuordnen. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Solarabsorbers mit
Absorberkörper und Konzentrator,
Fig. 2 ein Kreisdiagramm der auf den Absorberkörper auftreffenden Strahlungsdichte,
Fig. 3 ein Diagramm der spektralen Strahlungsdichte und des
Absorptionsgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei nicht konzentrierter einfallender Strahlung,
Fig. 4 ein Diagramm der spektralen Strahlungsdichte und des
Absorptionsgrades bei konzentrierter einfallender Strahlung,
Fig. 5 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels für den Absorberkörper,
Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch das in Fig. 5 gezeigte
Absorberrohr,
Fign. 7-11 Solarabsorber mit Absorberrohr und Hüllrohr im Schnitt gemäß verschiedener Ausführungsformen.
Fig. 1 zeigt den Absorberköper 10, bei dem es sich hier um ein lang gestrecktes Absorberrohr 30 handelt, dessen Innenraum 11 von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird. Die einfallende Solarstrahlung 12 wird von einem Konzentrator 13 in Form eines Parabolspiegels auf den Absorberkörper 10 konzentriert bzw. fokussiert. Der Absorberkörper 10 absorbiert die Solarstrahlung und setzt diese in Wärme um, die auf das Wärmeübertragungsmedium übertragen wird. Das Wärmeübertragungsmedium wird dadurch aufgeheizt.
Fig. 2 zeigt die Verteilung der Strahlungsdichte 14 über den Umfang des Absorberkörpers in Polarkoordinaten. Auf der dem Konzentrator 13 zugewandten Seite 36 ist die Strahlungsdichte hoch. Auf der dem Konzentrator abgewandten Seite 38 ist die Strahlungsdichte gleich der Strahlungsdichte der einfallenden Solarstrahlung, die mit dem Wert "1" bezeichnet werden könnte.
In Fig. 3 ist die Spektralverteilung der Strahlungsdichte der einfallenden Solarstrahlung durch die mit 20 bezeichnete Kurve angegeben. Mit 21 ist eine Kurve bezeichnet, welche die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 500 0C angibt. Die beiden Kurven 20 und 21 haben jeweils ein Maximum und fallen von dort nach beiden Seiten ab. Beide Kurven sind voneinander getrennt, überschneiden sich jedoch in einem Fußbereich.
Mit 22 ist die ideale Grenzwellenlänge bezeichnet, die durch den Schnittpunkt des solaren Spektrums 20 und des Schwarzkörperspektrums 21 hindurchgeht. Unterhalb dieser Wellenlänge absorbiert der ideale optisch-selektive Absorber die solare Strahlung vollständig, während er nur geringfügige Strahlungsverluste emittiert. Diese Strahlungsverluste bestehen aus der Fläche die unterhalb der Grenzwellenlänge von 1350 nm unter der Kurve 21 liegt. Oberhalb der Grenzwellenlänge 22 ist der Absorptionsgrad - und damit such der Emissionsgrad - gleich Null. Das bedeutet, dass der Absorptionskörper 10 keine Wärme abstrahlt, während er nur geringfügig solare Einstrahlung durch Spiegelung verliert. Dieser Strahlungsverlust ist proportional zu der Fläche unter der Kurve 20 für Wellenlängen λ > größer 1350 nm. Fig. 4 zeigt das um den Faktor 50 konzentrierte solare Spektrum 20a sowie die Kurve 21a das Spektrum eines 500° C heißen schwarzen Körper. Der Maßstab der Kurve von Fig. 4 wurde in Bezug auf Fig. 3 verändert. Die Kurve 22a zeigt den Verlauf des Absorptionsgrades einer idealen optisch-selektiven Beschichtung. Sie verläuft durch den Schnittpunkt der beiden Kurven 20a und 21a, der bei der erhöhten Strahldichte bei einer Wellenlänge λ = 2400 nm liegt.
Somit ergibt sich aus den Figuren 3 und 4, dass sich bei höheren Strahlungsdichten die Kurve 22 zu größeren Wellenlängen hin verschiebt.
Die Erfindung nutzt diesen Umstand aus, indem der Absorberkörper 10, der als Absorberrohr 30 ausgeführt ist, gemäß Fig. 5 unterschiedliche Absorberschichten 17, 18 hat. Die Absorberschicht 17 im Bereich 40 befindet sich auf der dem Konzentrator 13 zugewandten Seite und die Absorberschicht 18 im Bereich 45 auf der dem Konzentrator abgewandten Seite 38.
Die Absorberschichten 17 und 18 sind dünne Schichten im Nanometerbereich. Sie bestehen aus Materialien wie sie beispielsweise in WO 97/26488 beschrieben sind. Insbesondere handelt es sich um Interferenzabsorber-Schichten auf Ti-N-O-Basis, die in Abhängigkeit von der Schichtdicke unterschiedliche Farbeffekte hervorrufen. Die Absorptionsschichten 17, 18 können grundsätzlich aus demselben Grundmaterial bestehen, wobei sich die einzelnen Bereiche durch unterschiedliche Schichtdicken unterscheiden. Durch Interferenzwirkung ergeben sich für die Bereiche unterschiedliche Grenzwellenlängen 22. Die Dicke der Absorptionsschicht sollte kleiner sein als 10 μm und insbesondere kleiner als 1000 nm, höchst vorzugsweise kleiner als 100 nm. Die Absorberschicht ist homogen aufgetragen.
In der nachstehenden Tabelle 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Solarabsorbers nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Darin bedeutet λ die Wellenlänge, GWL die Grenzwellenlänge und e die Emissivität der Absorptionsschicht.
Tabelle 1 :
Man erkennt, dass der Solarabsorber insgesamt eine hohe Absorptionsfähigkeit über alle Bereiche unterschiedlicher Strahlungsdichte hat und einen hohen Gewinn an einfallender Strahlung liefert.
Die Absorberschichten 17 und 18 in Fig. 5 können auch beide denselben Schichtaufbau besitzen. Die Schichten werden bevorzugt durch eine Dünnschichttechnik hergestellt, bei der mehrere Schichten nacheinander auf ein Substrat aufgebracht werden. Nacheinander kann insbesondere eine Spiegelschicht 25, eine Cermetschicht 26 und eine dielektrische Entspiegelungsschicht 27 auf einem Stahlrohr 31 abgeschieden werden (s. Fig. 6). Die Spiegelschicht 25 reflektiert elektromagnetische Strahlung im infraroten und sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Dicke und/oder Zusammensetzung der Cermet- und Entspiegelungsschicht 26, 27 beeinflusst den Anteil der absorbierten Strahlung. In der Cermetschicht 26 ist ein Füllmaterial entHalten, das üblicherweise 20% bis 60% der Cermetschicht 26 ausmacht. Als Füllmaterial kommen insbesondere Chrom, Aluminium, Kupfer oder Molybdän in Frage.
Die optischen Eigenschaften der Absorberschicht werden dadurch variiert, dass die Schichtdicke und/oder Zusammensetzung in den Bereichen 17 und 18 variiert wird. In der dem Konzentrator abgewandten Seite wird die Absorberschicht 18 beispielsweise um 5 bis 20% dünner ausgestaltet als auf der dem Konzentrator zugewandten Absorberschicht 17. Die Dicke wird vorzugsweise nicht verändert. Damit wird die Änderung der Absorberschicht allein durch Variation der Cermet- und Entspiegelungsbeschichtungen erzielt. Die dem Konzentrator 13 abgewandte Absorberschicht 18 umfasst maximal den halben Rohrumfang. Die Abnahme der Schichtdicke kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Rohres während des Beschichtungsprozesses variiert wird.
In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die ein Absorberrohr 30 und ein Hüllrohr 32 aufweist, wobei an der Innenseite des Hüllrohres 32 eine Beschichtung 60 aufgebracht ist. Die vorzugsweise metallische Beschichtung 60 befindet sich in dem Bereich 55 des Hüllrohres, der dem nicht dargestellten Konzentrator abgewandt ist. Im Bereich 50 des Hüllrohres 32, der dem Konzentrator zugewandt ist, ist keine Beschichtung auf dem Hüllrohr 32 vorgesehen.
In der Fig. 8 ist eine abgeänderte Ausführungsform dargestellt, die sich von der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Beschichtung 60 nur in einem Randbereich 56, 57 aufgebracht ist, auf denen weder die direkte Sonneneinstrahlung, die durch die Pfeile gekennzeichnet ist, auftrifft noch die vom Konzentrator reflektierte Strahlung.
Im Zwischenbereich 58 ist eine opake oder teiltransparente Beschichtung vorgesehen, so dass in diesem Bereich 58 die solare Einstrahlung durchgelassen wird und auf das Absorberrohr 30 auftreffen kann.
Die Teiltransparenz der metallischen Beschichtung im Bereich 58 liegt im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung 3000 nm bis 2500 nm vor. Der Anteil der transmittierten Strahlung von der gesamten eingefallenen Strahlung liegt im Spektrum des Sonnenlichts vorzugsweise bei ca. 30% bis 70%. Im fernen Infrarotbereich (> 2500 nm) ist die Beschichtung hochreflektierend, d.h. der Prozentanteil der reflektierten Strahlung liegt bei mehr als 70%.
In der Fig. 9 ist in diesem Bereich 58 überhaupt keine Beschichtung vorgesehen.
Ist die reflektorabgewandte Seite 38 opak bzw. undurchsichtig für Sonnenstrahlung, so kann ein Bereich des Hüllrohrs 20 unbeschichtet ausgeführt werden. Der unbeschichtete Bereich bildet gleichsam ein Fenster für die von außen auf die abgewandte Seite 38 des Hüllrohrs 32 einfallende Sonnenstrahlung. Somit wird gewährleistet, dass diese Sonnenstrahlung zur Wärmegewinnung genutzt werden kann.
In der Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der zwischen dem Absorberrohr 30 und dem Hüllrohr 32 ein Element 70 angeordnet ist, dass aus einem im Infrarotbereich reflektierenden Material besteht. Dieses Element 70 erstreckt sich über die Hälfte des Umfangs und befindet sich in dem Bereich, der dem Konzentrator abgewandt ist. Das Element 70 besteht aus einer metallischen Folie, die vorzugsweise aus Aluminium oder Edelstahl hergestellt ist. Zur Erhöhung der Reflektivität im IR-Wellenlängenbereich können als Folie ferner mit Silber beschichtete Materialien verwendet werden. Die metallische Folie ist thermisch an das Absorberrohr oder an das Hüllrohr angekoppelt. Damit wird verhindert, dass sich die metallische Folie lokal aufheizt und folglich ihre Form oder Lage im Ringspalt durch Wärmeausdehnung verändert. Im Betrieb wird das Absorberrohr 30 derart erhitzt, dass es sich ausdehnt. Die Metallfolie ist selbst dehnbar und beweglich, so dass Längenunterschiede zwischen dem Absorberrohr 30 und der Metallfolie ausgeglichen werden.
In der Fig. 11 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die im Zwischenraum zwischen dem Absorberrohr 30 und dem Hüllrohr 32 zwei Elemente 71 , 72 aufweist, die in den Randbereichen 76 und 77 angeordnet sind, die weder von der vom Konzentrator reflektierten Strahlung noch von der direkten solaren Strahlung getroffen werden.
Um die Strahlungsausbeute zu erhöhen, sind an den Rändern aufgestellte Kanten 78 vorgesehen, die mit der Konzentratorachse (nicht dargestellt) einen Winkel von 45° bilden.
Bezugszeichenliste
Aborberkörper
Innenraum
Solarstrahlung
Konzentrator
Strahlungsdichte
Absorberschicht
Absorberschicht
Kurve, solares Spektrum Kurve, Schwarzkörperspektrum a Kurve
Grenzwellenlänge a Kurve
Spiegelschicht
Cermet-Schicht
Entspiegelungsschicht
Absorberrohr
Stahlrohr
Hüllrohr dem Konzentrator zugewandte Seite dem Konzentrator abgewandte Seite
Bereich des Absorberrohrs
Bereich des Absorberrohrs
Bereich des Hüllrohrs
Bereich des Hüllrohrs
Randbereich
Randbereich
Zwischenbereich metallische Beschichtung
Element
Element
Element
Randbereich Randbereich
Kante

Claims

Patentansprüche
1. Solarabsorber mit einem Absorberkörper (10), der eine einem Konzentrator (13) zugewandte Seite (36) und eine dem Konzentrator (13) abgewandte Seite (38) aufweist und der mit einer selektiven Absorptionsschicht versehen ist, die unterhalb einer Grenzwellenlänge (22) das Spektrum der Solarstrahlung absorbiert und oberhalb der Grenzwellenlänge (22) das Abstrahlvermögen des Absorberkörpers (10) unterdrückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (17, 18) auf der dem Konzentrator (13) zugewandten Seite (36) eine Grenzwellenlänge (22) hat, die größer ist als die Grenzwellenlänge (22) auf der dem Konzentrator (13) abgewandten Seite (38).
2. Solarabsorber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (17, 18) in mehr als zwei Bereiche (40, 45) mit stufenweise variierender Grenzwellenlänge (22) unterteilt ist.
3. Solarabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper ( 10) ein Absorberrohr (30), insbesondere ein Stahlrohr (31), ist.
4. Solarabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (10) ein poröser Keramikkörper ist.
5. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Absorptionsschicht (17,18) kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 200 nm ist.
6. Solarabsorber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (17, 18) in zwei Bereiche (40, 45) mit unterschiedlicher Grenzwellenlänge (22) unterteilt ist.
7. Solarabsorber nach Anspruch 1 , 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (17, 18) in Bereiche mit kontinuierlich variierender Grenzwellenlänge (22) unterteilt ist.
8. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (17, 18) in den Bereichen (40, 45) unterschiedliche Dicken aufweisen.
9. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (17, 18) in den Bereichen (40, 45) unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
10. Solarabsorber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (17, 18) mindestens eine Cermetschicht (26) aufweist, die mindestens ein metallisches Füllmaterial aufweist, dessen Anteil in den Bereichen (40, 45) unterschiedlich groß ist.
11. Solarabsorber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Füllmaterial Chrom, Aluminium, Kupfer und/oder Molybdän umfasst.
12. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Füllmaterials in der Cermetschicht (26) in den Bereichen zwischen 20% und 60% beträgt.
13. Solarabsorber mit einem Absorberrohr (30) und mit einem Hüllrohr (32), der eine einem Konzentrator 13 zugewandte Seite (36) und eine dem Konzentrator (13) abgewandte Seite (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich (55) des Hüllrohres (32) auf der dem Konzentrator (13) abgewandten Seite (38) mit einer die Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung (60) versehen ist.
14. Solarabsorber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (60) sich maximal über die Hälfte des Umfangs des Hüllrohres (30) erstreckt.
15. Solarabsorber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (60) in zwei seitlichen Randbereichen (56, 57) vorgesehen ist, zwischen denen keine Beschichtung angeordnet ist.
16. Solarabsorber nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (60) aus einem Material mit hohem Reflexionsgrad im Infrarot-Bereich besteht.
17. Solarabsorber mit einem Absorberohr (30) und mit einem Hüllrohr (32), der eine einem Konzentrator (13) zugewandte Seite (36) und eine dem Konzentrator (13) abgewandte Seite (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorberrohr (30) und dem Hüllrohr (32) auf der dem Konzentrator (13) abgewandten Seite (36) mindestens ein Element (70, 71 , 72) aus einem im Infrarot-Bereich reflektierenden Material angeordnet ist.
18. Solarabsorber nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (70) eine metallische Folie, ein Gewebe oder ein Blech ist.
19. Solarabsorber nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Element (70, 71 , 72) maximal über die Hälfte des Umfangs des Hüllrohres (32) erstreckt.
20. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elemente (71 , 77) in zwei seitlichen Randbereichen (76, 72) vorgesehen sind.
21. Solarabsorber nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elemente (71 , 72) aufgestellte Kanten (78) aufweisen.
22. Solarabsorber mit einem Absorberrohr (30) und mit einem Hüllrohr (32), der eine dem Konzentrator (13) zugewandte Seite (36) und eine dem Konzentrator abgewandte Seite (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (30) eine Absorptionsschicht (17, 18) aufweist, die auf der dem Konzentrator (13) zugewandten Seite (36) eine Grenzwellenlänge (22) hat, die größer ist als die Grenzwellenlänge (22) auf der dem Konzentrator abgewandten Seite (38) und/oder dass mindestens ein Bereich (50, 55) des Hüllrohres (32) auf der dem Konzentrator (13) abgewandten Seite (38) mit einer metallischen Beschichtung (60) versehen ist und/oder dass zwischen dem Absorberrohr (30) und dem Hüllrohr (32) auf der dem Konzentrator (13) abgewandten Seite (36) mindestens ein Element (70, 71 , 72) aus einem im Infrarot- Bereich reflektierenden Material angeordnet ist.
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