DE10355785B3

DE10355785B3 - Solarabsorber mit selektiver Oberfläche

Info

Publication number: DE10355785B3
Application number: DE10355785A
Authority: DE
Inventors: Birger Dzur; Rainer Feldmann
Original assignee: SESOL GES fur SOLARE SYSTEME; Sesol Gesellschaft fur Solare Systeme Mbh
Current assignee: SUN TIME SOLAR GMBH, 98646 HILDBURGHAUSEN, DE
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solarabsorber für Solarkollektoren, mit denen solare Strahlungsenergie nutzbar gemacht wird. Um den Wirkungsgrad von derartigen Solarkollektoren zu erhöhen, ist es neben dem Einsatz von gut wärmeleitenden Absorbermaterialien üblich, die Absorber mit sogenannten selektiven Oberflächen zu versehen. Der erfindungsgemäße Solarabsorber weist auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite eine durch Plasmadiffusion stofflich umgewandtelte Randzone auf, welche über selektive Eigenschaften verfügt und in der als Lichtfalle wirkende Mikrostrukturen ausgebildet sind. Durch die in der Randzone ausgebildeten Nitride und Karbide ist die Absorberoberfläche sehr verschleißfest. Mit der Erfindung sind insbesondere für hohe Drücke und hohe Temperaturen ausgelegte Solarabsorber auf der Grundlage von Eisenwerkstoffen realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarabsorber für Solarkollektoren, mit denen solare Strahlungsenergie nutzbargemacht wird. Dabei wird die solare Strahlungsenergie von der Oberfläche eines üblicherweise in einem Kollektorgehäuses angeordneten Solarabsorbers in Wärme transformiert, die an einen strömenden Wärmeträger, zum Beispiel Wasser, abgegeben wird.

Um den Wirkungsgrad von derartigen Solarkollektoren zu erhöhen, ist es neben dem Einsatz von gut wärmeleitenden Absorbermaterialien üblich, die Absorber mit sogenannten selektiven Oberflächen zu versehen. Das sind Oberflächen, die eine Strahlung im terrestrischen Solarspektrum gut absorbieren, im Wärmestrahlungsbereich, also im Infrarotbereich, jedoch wenig emittieren. Das heißt ein Körper mit einer derartigen selektiven Oberfläche strahlt die von ihm aufgenommene Wärme nur wenig ab.

Zur Herstellung von Solarabsorbern werden vorzugsweise Kupfer oder Aluminium verwendet. Aber auch Eisenwerkstoffe werden auf Grund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften eingesetzt. Alle geeigneten Werkstoffe verfügen jedoch nicht über die genannten vorteilhaften selektiven Oberflächeneigenschaften, diese müssen daher erst durch spezielle technische Maßnahmen erzeugt werden.

Dazu ist es üblich, auf den Oberflächen der Absorberkörper nachträglich selektiv wirkende Beschichtungen aufzubringen. Neben dem Aufbringen von nur gering selektiv wirkenden Lacken oder ähnlichen Schichten sind weitere modernere Technologien bekannt.

Dies sind unter anderem das Ausbilden von Interferenzfiltern durch Erzeugen von galvanischen Schichten, wie zum Beispiel Schwarzchrom, Sputtern, Oxidationsverfahren oder Anodisieren von Aluminium. Bei diesen Schichten erfolgt die Absorption des solaren Lichts durch Interferenz und Mehrfachreflexion in einer Mehrschichtstruktur. Dabei wird jeder Schicht ein bestimmter Spektralbereich zugeordnet. Eine Emission der langwelligen Wärmestrahlung wird durch die hochreflektierende metallische Oberfläche des Absorbers weitgehend verhindert. Die selektiven Beschichtungen dieser Gattung weisen eine sehr gute Selektivität auf, jedoch sind sie auf Grund der Tatsache, dass die sehr dünnen Schichten bei Erwärmung leicht diffundieren nur gering temperaturbeständig. Außerdem ist die Herstellung solcher Beschichtungen relativ aufwendig, da eine exakte Schichtdickenkontrolle erforderlich ist.

Eine weitere Methode zum Erzeugen von selektiven Beschichtungen ist das Ausbilden von sogenannten optischen Oberflächenstrukturfiltern oder Lichtfallen. Dabei werden auf den metallischen Absorberoberflächen Strukturen in der Dimension der Wellenlänge des terrestrischen Spektrums erzeugt. In diesen Strukturen kann eine Absorption des solaren Lichtes mit einem Absorptionsgrad, je nach Lichteinfallwinkel, von bis zu 0,98 erreicht werden. Für die langwellige Wärmestrahlung wirkt die metallische Oberfläche wieder glatt und damit reflektierend. Mit bekannten derartigen Strukturen wird jedoch ohne aufwendige Nachführsysteme im Mittel nur eine unbefriedigende Selektivität erreicht. Auch diese Gattung von selektiven Schichten ist nur gering temperaturbeständig und außerdem mechanisch sehr empfindlich, was insbesondere bei der Herstellung und der Montage der Absorber sowie für die konstruktive Anordnung nachteilig ist. Auch ist die Technologie für die Herstellung der geometrisch weitgehend determiniert ausgebildeten Strukturen durch lithografische Verfahren oder Ätzverfahren sehr aufwendig.

Aus der Appl. Phys. Letters 26 (1975) 557 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch Gasphasenabscheidung von Wolframdendriten gute selektive Eigenschaften erzielt werden. Auch hier ist neben der geringen mechanischen Stabilität das sehr aufwendige Verfahren sowie zusätzlich seine Umweltschädlichkeit von Nachteil.

Gegenstand der DE 26 16 662 B1 ist eine auf den Werkstoff Aluminium beschränkte Oberflächenstrukturierung durch Anodisieren.

Aus der DE 27 05 337 A1 ist das Erzeugen von strukturierten Oberflächen durch galvanische Abscheidung unterschiedlicher Metalle bekannt, wobei ebenfalls geringe mechanische Beständigkeit, Haftungsprobleme sowie Umweltaspekte nachteilig wirken.

In der EP 0 044 273 A1 wird eine aus gekörnten Teilchen und einem Bindemittel gebildete Absorberschicht beschrieben, wobei die Teilchen aus gebrochenem Siliziumcarbid bestehen können.

Eine weitere allgemein bekannte und inzwischen relativ kostengünstige Methode ist das Erzeugen von Halbleiterfiltern. Dabei werden durch Anstriche oder chemische Abscheidungen Halbleitermaterialien auf die Absorberoberfläche aufgebracht, wobei die Halbleiter im Bereich der Solarstrahlung durchlässig sind und im Bereich der langwelligen Strahlung sperren. Auch mit diesen Verfahren sind nur selektive Oberflächen mit einer geringen Temperaturbeständigkeit herstellbar. Hinzu kommt der Nachteil einer sehr geringen Korrosionsbeständigkeit.

In der DE 25 51 832 C2 wird eine auch auf Eisenwerkstoffen ausbildbare selektive Schicht beschrieben, bei welcher in der Oberfläche des Absorbers durch Glimmentladung bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C schwarze, halbleitende Verbindungen wie Oxide, Nitride, Karbide oder Boride erzeugt werden. Mit dieser Lösung werden jedoch nur Schichtdicken von < 1 μm erzeugt, welche dadurch bedingt nur eine geringe Verschleißbeständigkeit aufweisen können. Auch ist bei diesen geringen Schichtdicken eine Strukturierung der Absorberoberfläche nicht möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstig herstellbaren, vorzugsweise aus Eisenwerkstoffen bestehenden und damit hoch druckbeständigen und für hohe Betriebstemperaturen geeigneten Solarabsorber mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen, dessen Oberfläche eine sehr hohe Selektivität aufweist, sehr korrosionsbeständig und mechanisch sowie thermisch hochbelastbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Solarabsorber mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in den nachgewiesenen guten solarselektiven Eigenschaften der durch Randschichtumwandlung ausgebildeten und damit nicht ablösbaren Absorberoberfläche. Durch die entstandenen Nitride und Karbide sind die ausgebildeten und als Lichtfalle wirkenden Strukturen zusätzlich mechanisch äußerst beständig. Bei hochlegierten Stählen tritt keine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit ein, während bei niedriglegierten Stählen eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erreicht wird. Die solarselektive Absorberoberfläche weist eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf, da eine merkliche Abdiffusion des Stickstoffs aus den Nitriden erst bei Temperaturen > 500°C einsetzt. Da für die Herstellung der erfindungsgemäßen Solarabsorber Stahl in den unterschiedlichsten Geometrien verwendbar ist, können mit den erfindungsgemäßen Solarabsorbern, auf Grund ihrer Druck- und Temperaturbeständigkeit, insbesondere Solarkollektoren für der den Hochtemperatureinsatz in Prozesswärmeerzeugungsanlagen realisiert werden. Die Solarabsorber sind technologisch einfach, kostengünstig und umweltfreundlich herstellbar. Durch Sputtern kön nen zusätzlich bekannte hochselektiv wirkende Schichten auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 den prinzipiellen geometrischen Aufbau eines Solarabsorbers
2 einen vergrößerten Querschnitt im Bereich der Randzone
3 und 4 stark vergrößerte Einzelheiten im Bereich der Randzone
Um schon durch seine geometrische Gestaltung einen sehr hohen Wirkungsgrad zu erzielen, weist der erfindungsgemäße Solarabsorber 1 die in 1 dargestellte Geometrie auf. Oberteil 2 und Unterteil 3 bestehen vorzugsweise aus geometrisch identisch geformtem Stahlblech, wobei die gebildeten Durchflusskanäle 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Zwischen den Durchflusskanälen 5 sind Stege 4 zum Verschweißen der Teile 2 und 3 ausgebildet. Diese konstruktive Gestaltung ermöglicht ein verzugfreies Verschweißen von Oberteil 2 und Unterteil 3. Die gewählte Ausbildung der Durchflusskanäle 5 mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Sechsecks bewirkt, dass auf dem Oberteil 2 jeweils über drei relativ gleichmäßig lange Zeiträume vorteilhaft ein senkrechter Lichteinfall möglich ist.
Die gesamte Oberfläche des Oberteils 2 weist eine durch Plasmadiffundieren stofflich umgewandelte Randzone 6 auf. Das bedeutet, auf der eigentlichen Oberfläche des Solarabsorbers 1 befindet sich in diesem Zustand keine nachträglich aufgebrachte Beschichtung. Durch die Randzonenumwandlung mittels Plasmadiffusion enthält diese Randzone 6 extrem harte und damit verschleißfeste Nitride und Karbide. Weiterhin haben sich in der Randzone 6 unregelmäßige Mikrostrukturen 7 ausgebildet (2).
In 3 ist die Wirkung dieser unregelmäßigen Mikrostrukturen 7 als sogenannte Lichtfalle vereinfacht dargestellt. Die erzeugten Mehrfachreflexionen der einfallenden Solarstrahlung 8 führen zu einer sehr hohen Absorption der solaren Strahlungsenergie. Gleichzeitig kommt es durch die besonderen stofflichen Eigenschaften der Diffusionsschicht in der Randzone 6 zu sehr geringen Emissionen im nahen Infrarotbereich.
Um die Selektivität der Absorberoberfläche weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die ausgebildete mikrostrukturierte Oberfläche 7 in bekannter Weise zusätzlich mit einer hochselektiven Beschichtung 9 zu versehen. Dies kann durch physikalische oder chemische Vakuumabscheidung erfolgen (4.) Da diese Beschichtung 9 dabei flächenmäßig betrachtet hauptsächlich in den Vertiefungen 10 der extrem verschleißfesten strukturierten Oberfläche 7 erfolgt, sind die an sich unbefriedigenden Haftungs- und Festigkeitseigenschaften derartiger bekannter Beschichtungen nicht von Bedeutung.

1: Solarabsorber
2: Oberteil
3: Unterteil
4: Stege
5: Durchflusskanäle
6: Randzone
7: Mikrostrukturen
8: Solarstrahlung
9: hochselektive Beschichtung
10: Vertiefungen

Claims

Solarabsorber mit selektiver Oberfläche und Strukturfiltereigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die dem Lichteinfall zugewandte Seite eine durch Plasmadiffusion stofflich umgewandelte, Nitride und Karbide enthaltende Randzone aufweist, in welcher als Lichtfalle wirkende Mikrostrukturen ausgebildet sind.
Solarabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mikrostrukturierten Oberfläche zusätzlich eine hochselektive Beschichtung aufgebracht ist.