DE60027359T2

DE60027359T2 - Absorber-Reflektor für Solarheizung

Info

Publication number: DE60027359T2
Application number: DE60027359T
Authority: DE
Inventors: Dina Katsir; Zvi Finkelstein; Israel Tartakovsky; Irina Tartakovsky
Original assignee: Acktar Ltd
Current assignee: Acktar Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: EP1065450A2; EP1065450B1; DE60027359D1; US6234166B1; ATE323874T1; IL136915A; EP1065450A3; IL136915A0

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Sonnenenergie und insbesondere auf einen Solar-Absorber-Reflektor zum abwechselnden Aussenden und Reflektieren von Solarwärme, die von einfallender Sonnenstrahlung stammt.
Es existieren bereits Solar-Absorber-Reflektoren, wie die in dem US-Patent Nr. 4,002,159 geoffenbarten Jalousien. Diese, üblicherweise an Fenstern von Räumen installierten Schirme, besitzen Leisten, die um 180° verdrehbar sind, wobei eine Seite eine Schicht aus einem Material trägt, das eine übliche schwarze nicht selektiv lichtabsorbierende Oberfläche besitzt, wogegen die andere Seite eine lichtreflektierende Oberfläche ist.
Um einen Raum bei kaltem Wetter zu heizen, werden die Jalousieblätter so orientiert, dass ihre lichtreflektierenden Oberflächen dem Rauminneren zugewendet sind und ihre lichtabsorbierenden Oberflächen nach außen gerichtet sind. Dies ist ein Solarheizungsmodus, bei welchem die lichtabsorbierende Oberfläche Sonnenstrahlung absorbiert, die in Wärme konvertiert und in das Rauminnere transferiert wird. Bei warmem Wetter werden die Jalousieleisten um 180° verdreht. Dies ist ein lichtreflektierender Modus, bei welchem die Sonnenstrahlung reflektiert und das Rauminnere vor einer Überhitzung geschützt wird.
Der thermische Wirkungsgrad solcher Jalousien ist allerdings eher gering. In erster Linie führt die hohe thermische Emittanz der nicht selektiv lichtabsorbierenden Oberfläche zu einem Verlust eines nennenswerten Teils der in dem Solarheizmodus absorbierten Wärme aufgrund der Rückemission von der lichtabsorbierenden Oberfläche (es sei denn, die Jalousie ist durch eine Fensterscheibe abgedeckt und die erwärmte Luft zirkuliert in das Innere des Raums). Weiters tritt beim Betrieb in dem lichtreflektierenden Modus eine gewisse Erwärmung der lichtreflektierenden Oberfläche, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, auf, was zu einem unerwünschten Wärmetransfer in das Rauminnere führt.
Der thermische Wirkungsgrad von Einrichtungen ähnlich den oben beschriebenen Jalousien kann bis zu einem gewissen Grad dadurch erhöhnt werden, dass man die nicht selektiv lichtabsorbierenden Oberflächen durch selektiv Sonnenstrahlung absorbierende Oberflächen ersetzt. Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberflächen sind Oberflächen mit einem verringerten Anteil von Rückemissionsverlusten der absorbierten Sonnenstrahlung und somit einem erhöhten Wirkungsgrad der Solarheizung. Dies wird durch eine geringe thermische Emittanz in Verbindung mit einem hohen Absorptionsgrad der Sonnenstrahlung erreicht. Materialien die zur Herstellung selektiv Sonnenstrahlung absorbierender Oberflächen verwendet werden können, gibt es in vielen Variationen. (Weitere Details sind in der Publikation "Coating for enhanced photothermal energy collection" von C. M. Lampert, "Solar Energy Material", 1, 319–341, 1979 zu finden.)
Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagige Solar-Absorber-Reflektors geht aus dem US Patent Nr. 4,320,155 hervor. Ein transparentes Substrat, wie ein Natron-Kalk-Silikat-Glas wird im Vakuum mit einer ersten Schicht eines reflektierenden Metalls, wie Aluminium, beschichtet, sodann mit einer zweiten Schicht eines lichtabsorbierenden halbleitenden Materials, wie Germanium oder Silizium, und einer dritten Schicht eines antireflektiven Materials, wie Siliziumoxid, um die Absorption der lichtabsorbierenden Schicht zu verstärken.
Der thermische Wirkungsgrad von Solar-Absorber-Reflektoren bleibt jedoch immer noch relativ gering, auch bei Verwendung selektiv Sonnenstrahlung absorbierender Oberflächen. In dem Solarheizungsmodus wird ein intensiver Wärmeübergang von der Materialschicht mit der selektiv Sonnenstrahlung absorbierenden Oberfläche in das Rauminnere aufgrund der schlechten thermischen Emittanz der lichtreflektierenden Oberfläche verhindert. Dies führt zu einer Überhitzung der Schicht aus dem Material mit der selektiv Sonnenstrahlung absorbierenden Oberfläche und daher in einer Erhöhung der Wärmeverluste sowohl durch Konvektionswärmeübergang als auch durch Rückemission zusätzlicher Wärme durch diese Oberfläche. Weiters zeigen Solar-Absorber-Reflektoren mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche im Betrieb in dem Lichtreflexionsmodus immer noch eine bestimmte Erwärmung der lichtreflektierenden Oberfläche, wenn sie der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, was zu einem unerwünschten Wärmeübergang in das Rauminnere bei den oben beschriebenen Jalousien führt.
Es gibt eine bestimmte Art von Absorbern für Sonnenstrahlung mit einem thermischen Wirkungsgrad, der merklich höher ist, als jener der oben beschriebenen Solar-Absorber-Reflektoren, wenn sie in dem Solarheizungsmodus betrieben werden. Derartige Absorber für Sonnenenergie enthalten außer der Materialschicht mit einer Solarstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche eine zusätzliche Materialschicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, die in die entgegengesetzte Richtung zu der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche zeigt.
Die oben erwähnte Überhitzung der Materialschicht mit der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche tritt nicht bei Absorbern für Sonnenstrahlen mit einer wärmeemittierenden Oberfläche auf, und zwar wegen des intensiven Wärmeübergangs von der Materialschicht mit der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche in das Rauminnere durch die wärmeemittierende Oberfläche, wodurch der thermische Wirkungsgrad solcher Absorber für Sonnenstrahlung erhöht wird. Solar-Absorber-Reflektoren, welche eine Sonnenenergie selektiv absorbierende Oberfläche in Verbindung mit einer wärmeemittierenden Oberfläche für den Solarheizungsmodus sowie eine lichtreflektierende Oberfläche für den Lichtreflexionsmodus verwenden wurden jedoch noch nicht gebaut. Um eine vom technologischen Gesichtspunkt aus möglichst einfache Oberfläche zu erhalten, welche gleichzeitig die Eigenschaften der Lichtreflexion und der Wärmeemittanz besitzt, können Spezialfarben verwendet werden. (Weitere Details kann man in der Publikation "Estimation of the end-of-life optical properties of Z-93 thermal control coating fort he space station Freedom", von M. M. Hasegava and H. W. Babel, AIAA Papers, AIAA-92-2168-CP, 1992, Seite 88 finden). Diese Farben sind allerdings sehr teuer und benötigen eine sorgfältige und komplizierte Vorbereitung der Oberfläche vor dem Streichen. Somit sind Solar-Absorber-Reflektoren, welche diese Farben verwenden, nicht erwähnenswert ökonomisch. Überdies zeigen sogar solche Solar-Absorber-Reflektoren während des Betriebes in dem lichtreflektierenden Modus noch immer eine bestimmte Erwärmung der lichtreflektierenden Oberfläche unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung, was, ebenso wie bei der zuvor erwähnten Sonnenabsorber-Reflektoren, zu einem unerwünschten Wärmeübergang in das Rauminnere führt.
Eine Anzahl älterer Patente bezieht sich auf mehrlagige Beschichtungen, die zur Verwendung für Glasfenster vorgesehen sind. So beschreibt das US-Patent Nr. 4,320,155 eine Beschichtung, dank welcher eine Fenstereinheit als Sonnenenergiekollektor im Winter und als Wärmeschild im Sommer funktionieren kann. Das US-Patent Nr. 4,180,954 bezieht sich auf ein transparentes Glassubstrat zur Verwendung in Vorfenstern, bei welchen eine Oberfläche mit einem strahlungsabsorbierenden Film beschichtet ist, der mit einem strahlungsreflektierenden Film überzogen ist. Das europäische Patent 0 371 949 beschreibt eine laminierte Glasfensterkonstruktion mit einem Solarsteuerungsfilm, der von einem flexiblen Kunststoffsubstrat gebildet ist, das an einer Oberfläche eine mehrlagige Solarbeschichtung besitzt, welche zumindest eine dünne Lage aus Metall und zumindest eine benachbarte daran klebende Schicht aus einem dielektrischen Material, sowie einen energieabsorbierenden Sicherheitsfilm besitzt.
Das US-Patent Nr. 4,098,956 bezieht sich auf eine mehrlagige Beschichtung auf einem Substrat, wie Glas oder Stahl, zum Absorbieren von Sonnenstrahlung bei Unterdrückung thermischer Strahlung. Die Beschichtung besteht aus einem Absorptionsfilm aus Ti, Zr oder Hf-suboxid, -carbid oder -nitrid, angeordnet über einem reflektierenden Film aus Silber, Aluminium oder Kupfer und wird durch Sputtern erzeugt.
Es liegt somit ein weithin anerkannter Bedarf für einen mehrschichtigen Solar-Absorber-Reflektor vor, der einfach in der Herstellung, in der Installation und im Betrieb ist, und welcher Sonnenenergie zur Raumheizung in wirkungsvoller Weise auf einer attraktiven ökonomischen Basis verwendet, sodass es höchst vorteilhaft wäre, einen solchen zu schaffen. Die Eigenschaften, welche ein Solar-Absorber-Reflektor insbesondere aufweisen soll, sind die Möglichkeit eines intensiven Wärmetransfers durch eine lichtabsorbierende Oberfläche in das Rauminnere in dem Solarheizungsmodus zur Wärmespeicherung bei kaltem Wetter und eine Reduzierung der Aufheizung einer lichtreflektierenden Oberfläche unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung in dem lichtreflektierenden Modus, um bei warmen Wetter ein Eindringen der Sonnenwärme in das Rauminnere signifikant zu verhindern. Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren, welche die oben genannten Bedürfnisse erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen flexiblen Solar-Absorber-Reflektor für die abwechselnde Übertragung von Wärme in einen die Wärme absorbierenden Raum und die Rückstrahlung von Solarwärme, die aus der einfallenden Sonnenstrahlung stammt mit: (a) einem ersten Satz von Schichten, der folgendes umfasst: (i) eine Schicht mit einer die Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus, in welchem die Solarstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; (ii) eine Schicht mit einer das Licht reflektierenden Oberfläche, die in eine Richtung zeigt, die derjenigen, der die Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche entgegengesetzt ist, zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem das Licht reflektierenden Modus, in dem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist und (iii) eine Schicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, die in die gleiche Richtung, wie die das Licht reflektierende Oberfläche weist, zum Rückstrahlen der Solarwärme in den Wärme absorbierenden Raum im Solarheizungsmodus und zum Reflektieren der Solarwärme, um in dem das Licht reflektierenden Modus deren Eindringen in den wärmeabsorbierenden Raum zu verhindern; wobei die das Licht reflektierende Oberfläche eine das Licht reflektierende Metalloberfläche ist, die Aluminium aufweist und die als Substrat für die Schicht mit der die Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche dient, dadurch gekennzeichnet, das letztere eine Schwarzaluminiumoberfläche ist. Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Solarheizung eines Raums, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines Solar-Absorber-Reflektors gemäß Anspruch 1 zum abwechselnden Übertragen von Solarwärme, die von der einfallenden Sonnenstrahlung stammt, in den Raum und zum Zurückstrahlen, beinhaltend: (i) einen ersten Satz von Schichten, der aufweist: (A) eine Schicht mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus, in welchem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, (B) eine Schicht mit einer lichtreflektierenden Oberfläche, die in eine Richtung entgegensetzt zur der Sonnenstrahlung selektiv absorbieren Oberfläche zeigt, zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem lichtreflektierenden Modus, in welchem die lichtreflektierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; und (C) eine Schicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, welche in die gleiche Richtung wie die lichtreflektierende Oberfläche zeigt, zum Rückstrahlen der Solarwärme in den Raum in dem Solarheizungsmodus und um zu verhindern, dass die Solarwärme in dem lichtreflektierenden Modus in den Raum dringt; und (b) Positionieren des Solar-Absorber-Reflektors in einer Orientierung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche besteht aus: (i) dem Solarheizungsmodus, bei welchem die lichtreflektierenden und wärmeemittierenden Oberflächen zu dem Raum gerichtet sind und die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche nach außen zeigt und der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; und (ii) dem Lichtreflexionsmodus, bei welchem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche zu dem Raum und die lichtreflektierende und wärmeemittierende Oberfläche nach außen zeigt und der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Solarheizung eines Raums geschaffen, welches die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Bereitstellen eines Sonnen-Absorber-Reflektors gemäß Anspruch 11 zum abwechselndem Überfragen von Sonnenwärme, die aus der einfallenden Sonnenstrahlung stammt bzw. zum Rückstrahlen in einen Raum und welches aufweist: (i) einen ersten Satz von Schichten, beinhaltend (A) eine Schicht mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus, in welchem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, (B) eine Schicht mit einer lichtreflektierenden Oberfläche, die in eine Richtung entgegensetzt zur der Sonnenstrahlung selektiv absorbieren Oberfläche zeigt, zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem lichtreflektierenden Modus, in welchem die lichtreflektierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; und (C) eine Schicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, welche in die gleiche Richtung wie die lichtreflektierende Oberfläche zeigt, zum Rückstrahlen der Solarwärme in den Raum in dem Solarheizungsmodus und um zu verhindern, dass die Solarwärme in dem lichtreflektierenden Modus in den Raum dringt; und (ii) einen zweiten Satz von Schichten, beinhaltend: (A) eine Schicht mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus, bei welchem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; (B) eine Schicht mit einer lichtreflektierenden Oberfläche, welche in eine Richtung, entgegengesetzt zu jener der selektiv Sonnenstrahlung absorbierenden Oberfläche zeigt, zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem lichtreflektierendem Modus, in welchem die die lichtreflektierende Oberfläche der einfallenden Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist; und (C) eine Schicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, welche in die gleiche Richtung zeigt, wie die lichtreflektierende Oberfläche, zum Zurückstrahlen der Solarwärme im Solarheizungsmodus in den Raum und um zu vermeiden, dass die Solarwärme im Lichtreflexionsmodus in den Raum eindringt, wobei die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche des zweiten Satzes von Schichten in eine entgegensetzte Richtung wie die selektiv Sonnenstrahlung absorbierende Oberfläche des ersten Satzes von Schichten zeigt; und (b) Anordnen des Solar-Absorber-Reflektors in einem gemischten Modus, in welchem der erste Satz von Schichten im Solarheizungsmodus positioniert ist und der zweite Satz von Schichten gleichzeitig in dem Lichtreflexionsmodus positioniert ist.
Der Solar-Absorber-Reflektor gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Absorption einfallender Sonnenstrahlung und die Abstrahlung der resultierenden Wärme in eine wärmeabsorbierende Kammer, wie in das Innere eines Raums, und/oder das Reflektieren der einfallenden Sonnenstrahlung, wobei die resultierende Wärme an einem Eindringen in die wärmeabsorbierende Kammer gehindert wird, je nach der Position des Solar-Absorbers bezüglich der einfallenden Sonnenstrahlung. Der Solar-Absorber-Reflektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch als passive thermische Steuerungseinrichtung für Raumfahrtanwendungen geeignet.
Der Sonnen-Absorber-Reflektor gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus mehreren Schichten, wobei die Minimalkonfiguration drei Basisschichten aufweist. Die erste Basisschicht ist ein Polymerfilm, der für sichtbares Licht transparent ist und eine hohe thermische Emittanz besitzt. Die äußere Oberfläche der Polymerschicht ist die wärmeemittierende Oberfläche des Solar-Absorber-Reflektors. Die Polymerschicht dient als Substrat für die zweite Basisschicht, welche benachbart zu der Polymerschicht eine lichtreflektierende Oberfläche hat. Die zweite Basisschicht dient als Substrat für die dritte Basisschicht, welche einen hohen Absorptionsgrad für Sonnenstrahlung und eine geringe thermische Emittanz besitzt. Die äußere Oberfläche der dritten Basisschicht ist die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche des Solar-Absorber-Reflektors. Die zweite und die dritte Schicht sind vorzugsweise aus Aluminium bzw. Schwarzaluminium hergestellt. Diese Schichten werden bevorzugt unter Verwendung eines üblichen Vakuumdepositionsverfahrens hergestellt. (Eine kurze Übersicht über Vakuumabscheidungsverfahren kann man in der Publikation "Cathodic arc deposition of solar thermal selective surfaces", von Y. Yin et al., "Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, Vol. 44, Seiten 69–78 finden.)
Die grundlegende Ausführung eines Solar-Absorber-Reflektors gemäß der vorliegenden Erfindung sowie andere unten beschriebene Ausführungen, welche einige dazwischen liegende Materialschichten und Substrate mehr aufweisen, besitzen einige hervorragende Vorteile verglichen mit dem Stand der Technik. Ähnlich wie beim Stand der Technik gewährleistet die wärmeemittierende Oberfläche beim Betrieb in dem Solarheizungsmodus einen intensiven Wärmetransfer von der Materialschicht mit selektiv Sonne absorbierender Oberfläche zu dem wärmeabsorbierenden Raum, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Solar-Absorber-Reflektors signifikant erhöht wird. Eine physische Trennung zwischen den lichtreflektierenden und wärmeemittierenden Oberflächen in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung macht es jedoch möglich, auf kostspielige Materialien und Verfahren zu verzichten, wie auf das Aufbringen von Spezialfarben, die bisher zur Schaffung von Oberflächen benötigt wurden, welche gleichzeitig lichtreflektierende und wärmeemittierende Eigenschaften besitzen.
Des weiteren reduziert die Anordnung einer lichttransparenten Materialschicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vor einer lichtreflektierenden Oberfläche längs des Solar-Absorber-Reflektors, welcher der einfallenden Sonnenstrahlung im lichtreflektierenden Modus ausgesetzt ist, die Erwärmung der lichtreflektierenden Oberfläche und strahlt die Solarwärme zurück, wodurch verhindert wird, dass die Wärme in den wärmeabsorbierenden Raum eindringt. Dieses Entfernen der Sonnenwärme wird aufgrund der Tatsache erreicht, dass, obwohl die einfallende Sonnenstrahlung, welche durch die Materialschicht mit der wärmeemittierenden Oberfläche gelangt und durch die lichtreflektierende Oberfläche zurückreflektiert wird, den Solar-Absorber-Reflektor erwärmt, diese Wärme durch die Wärmeemission der wärmeemittierenden Oberfläche entfernt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Solar-Absorber-Reflektor die gleichen drei Basismaterialschichten, jedoch ist das Substrat für die dritte Basismaterialschicht mit der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche nicht die zweite Basismaterialschicht mit der lichtreflektierenden Oberfläche, sondern eine Metallsubstratschicht, welche mit der zweiten Basismaterialschicht durch eine Klebeschicht verbunden ist. Die Metallsubstratschicht ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, da Aluminium einer der besten Lichtreflektoren ist und es gibt gut bekannte Verfahren zum Aufbringen von Schichten mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche, wie Schwarzaluminium auf Aluminium.
Bei einer Variante der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Metallsubstratschicht dient eine Oberfläche der Metallsubstratschicht als lichtreflektierende Oberfläche des Solar-Absorber-Reflektors. In diesem Fall ist die Metallsubstratschicht mit dem Polymerfilm durch eine für sichtbares Licht transparente Klebeschicht verbunden.
Gemäß eines weiteren Merkmals in den bevorzugten Ausführungsformen, die weiter unten beschrieben sind, sind die verschiedenen Materialschichten und -substrate des Solar-Absorber-Reflektors aus flexiblen Materialien hergestellt, welche ein Aufrollen des Solar-Absorber-Reflektors ermöglichen und dadurch den Transport, die Lagerung und die Verwendung des Solar-Absorber-Reflektors vereinfachen.
Gemäß noch eines weiteren Merkmals in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist der Solar-Absorber-Reflektors so konstruiert, dass ein Teil des Solar-Absorber-Reflektors in einem Solarheizungsmodus arbeitet und dabei die einfallende Sonnenstrahlung absorbiert und die resultierende Wärme in den wärmeabsorbierenden Raum überträgt, und ein Teil des Solar-Absorber-Reflektors in einem Lichtreflexionsmodus arbeitet, wobei er die einfallende Solarstrahlung reflektiert und die resultierende Wärme gleichzeitig zurück reflektiert. In einem solchen gemischten Betrieb gleichzeitiger Wärmeabsorption und Lichtreflexion kann das Verhältnis zwischen der Wärmeübertragung und der Wärmereflexion entsprechend der Position des Solar-Absorber-Reflektors bezüglich der einfallenden Sonnenstrahlung eingestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wendet sich erfolgreich den Nachteilen der bisher bekannten Ausführungen zu, in dem sie einen Solar-Absorber-Reflektor mit mehreren Schichten schafft, der einfach in der Herstellung, der Aufstellung und im Betrieb ist und eine gesteuerte Solarwärmeübertragung in wärmeabsorbierende Räume und/oder ein Zurückstrahlen der Solarwärme auf einer wirksamen und kosteneffektiven Basis ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist nun mit Hilfe lediglich von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Sonnen-Absorber-Reflektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 einen schematischen Querschnitt durch einen Sonnen-Absorber-Reflektor gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Solar-Absorber-Reflektor gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
4a bis c schematische perspektivische Ansichten von Solar-Absorber-Reflektoren gemäß der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Positionen bezüglich der einfallenden Sonnenstrahlung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist ein Solar-Absorber-Reflektor, der zur Nutzung von Solarenergie für die Raumheizung verwendet werden kann. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung für die wirkungsvolle Absorption in eine wärmeabsorbierende Kammer, wie das Innere eines Raums, im Kaltwetter(Solarheizungs)-Betrieb verwendet werden, sowie zum Reflektieren von Sonnenstrahlung und um zu vermeiden, dass Sonnenwärme nennenswert in die wärmeabsorbierende Kammer, wie das Innere eines Raums, bei warmen Wetter (Lichtreflexionsmodus) eindringt.
Die Prinzipien und der Betrieb eines Solar-Absorber-Reflektors gemäß der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung besser verstanden werden.
Bevor die vorliegende Erfindung im Detail erläutert wird, soll darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung bei ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der Komponenten, wie in der folgenden Beschreibung festgelegt oder in den Zeichnungen illustriert, beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann andere Ausführungsformen zeigen, oder auf andere Weise praktiziert oder ausgeführt werden. Auch soll es klar sein, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie für die Zwecke der Beschreibung dient und nicht als einschränkend angesehen werden sollte.
Nun wird auf die 1 bis 3 der Zeichnung, Bezug genommen, welche Querschnittsansichten eines Solar-Absorber-Reflektors gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 1 gezeigt, besitzt ein Solar-Absorber-Reflektor 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verschiedene Schichten. Ein Polymerfilm 2 ist für sichtbares Licht transparent und besitzt eine hohe thermische Emittanz, die mit der Dicke des Films steigt. Das Material des Polymerfilms 2 ist vorzugsweise, darauf jedoch nicht beschränkt, Polyethylenterephtalat, Polycarbonat oder irgendein anderes Material, das von einem Fachmann auf Basis des gut bekannten Technologiewissen leicht ausgewählt werden kann.
Es wird weiters auf 1 Bezug genommen. Der Polymerfilm 2 besitzt eine äußere Oberfläche 3, die eine wärmeemittierende Oberfläche ist. Der Polymerfilm 2 dient als Substrat für eine Schicht 1 mit einer lichtreflektierenden Oberfläche 4, benachbart zu dem Polymerfilm 2. Andererseits dient die Schicht 1 als Substrat für eine Schicht 5 mit einer äußeren Oberfläche 6, welche eine Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche ist, mit einem hohen Absorptionsgrad für Sonnenstrahlung und einer geringen thermischen Emittanz.
Die Schicht 1 mit der lichtreflektierenden Oberfläche 4, sowie die Schicht 5 mit der Sonnenstrahlen selektiv absorbierenden Oberfläche sind vorzugsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, im Vakuum abgeschiedenes Aluminium bzw. Schwarzaluminium. Die Verwendung von Aluminium hat zwei große Vorteile. Erstens ist Aluminium einer der besten Lichtreflektoren und zweitens gibt es gut bekannte Verfahren zum Aufbringen von Schichten mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche, wie von Schwarzaluminium auf Aluminium.
Ein Solar-Absorber-Reflektor 20 nach 1 ist, abgesehen davon, dass er eine minimale Anzahl von Schichten hat, wobei jeder Schicht eine definierte Funktion zukommt und auch als Substrat für die nächste Schicht dient, auch einfach in der Herstellung. Ein solcher Solar-Absorber-Reflektor kann mit Hilfe einer Vakuum-Abscheidung von Aluminium auf Polymerfilm unter Verwendung eines Bahn-(Rollen-)Beschichters und mit weiterer Vakuum-Abscheidung von Schwarzaluminium auf der gebildeten Aluminiumablagerung hergestellt werden. Dies ist eine einfache und ganz normale Technologie, denn sie erlaubt die Verwendung ein – und desselben Basismaterials (Aluminium) mit ein und derselben Ausrüstung zur Herstellung des Solar-Absorber-Reflektors. (Schwarzaluminium- Abscheidung ist das Ergebnis der so genannten reaktiven Abscheidung, basierend auf der Verdampfung von Aluminium in einer oxidierenden Umgebung.) Hingegen sind die Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung eines mehrschichtigen Solar-Absorber-Reflektors, wie in dem US Patent 4,320,155 gelehrt, verwickelter, da verschiedene Materialien für die lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Schichten (wie Aluminium bzw. Germanium) verwendet werden.
Die Verwendung desselben Basismaterials (Aluminium) bei einem Solar-Absorber-Reflektor 20 für sowohl die Schicht 1 mit der lichtreflektierenden Oberfläche 4 als auch für die Schicht 5 mit der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche 6 erhöht auch die Adhäsionskraft und den Widerstand gegen Korrosion der verwendeten Schichten.
Solar-Absorber-Reflektoren, wie der in 1 abgebildete, arbeiten wie folgt. Im Solarheizungsmodus, z. B. während kalten Wetters, ist der Solar-Absorber-Reflektor 20 so orientiert, dass einfallende Sonnenstrahlung auf die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche auffällt. Die wärmeemittierende Oberfläche 3 zeigt zu der wärmeabsorbierenden Kammer. Die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche 6 wird durch die einfallende Sonnenstrahlung erwärmt. Die Wärme wird durch die wärmeemittierende Oberfläche 3 weiter in die wärmeabsorbierende Kammer übertragen. Die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche 6 mit einem hohen Absorptionsgrad für Sonnenstrahlung und niedriger thermischer Emittanz stellt einen wirksamen Übergang von Sonnenwärme in die wärmeabsorbierende Kammer sicher, wobei Wärmeverluste aus der Kammer verhindert werden.
Im lichtreflektierenden Modus, wie bei heißem Wetter, ist der Solar-Absorber-Reflektor 20 so orientiert, dass die einfallende Sonnenstrahlung auf die wärmeemittierende Oberfläche 3 des Polymerfilms 2 auftrifft. Die auffallenden Sonnenstrahlen erreichen dann die lichtreflektierende Oberfläche 4 und werden nach außen reflektiert. Der Solar-Absorber-Reflektor 20 erwärmt sich bis zu einem gewissen Ausmaß, wenn er Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Wegen der hohen thermischen Emittanz der wärmeemittierenden Oberfläche 3 wird jedoch ein merklicher Betrag der absorbierten Solarwärme wieder nach außen zurück emittiert. Die selektiv Sonnenstrahlen absorbierende Oberfläche 6 mit niedriger thermischer Emittanz, die nun nach innen in die wärmeabsorbierende Kammer orientiert ist, verringert den Übergang von Solarwärme in die wärmeabsorbierende Kammer merklich.
Wie in 2 gezeigt ist, besitzt ein Solar-Absorber-Reflektor 20' gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gleichen Basisschichten wie der Solar-Absorber-Reflektor 20: einen Polymerfilm 2 mit einer wärmeemittierenden Oberfläche 3, eine Schicht 1 mit einer lichtreflektierenden Oberfläche 4' und eine Schicht 5 mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche 6. Jedoch ist das Substrat für die Schicht 5 des Solar-Absorber- Reflektors 20' nicht die Schicht 1, sondern eine Metallsubstratschicht 7, die vorzugsweise aus Aluminium hergestellt ist und mit Hilfe einer Klebeschicht 8 mit der Schicht 1 verbunden ist.
Die Polymerschicht 2 des Solar-Absorber-Reflektors 20' ist weiters nicht einer Erwärmung während des Herstellungsverfahrens des Solar-Absorber-Reflektors ausgesetzt, wie bei dem Solar-Absorber-Reflektor 20, da die Polymerschicht 2 des Solar-Absorber-Reflektors 20' nicht in das Verfahren des Aufbringens der Schicht 5 aus Schwarzaluminium auf die Metallsubstratschicht 7 involviert ist. Dies führt zu verminderten Anforderungen an die thermische Stabilität der Polymerschicht 2, wodurch die Anzahl verwendbarer Polymere steigt.
Noch eine andere bevorzugte Ausführungsform 20' des Solar-Absorber-Reflektors gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Die Metallsubstratschicht 7 in 3, die vorzugsweise aus Aluminium hergestellt ist, dient ebenso wie die Metallsubstratschicht 7 in 2 als Substrat für die Schicht 5, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Oberfläche 4a der Metallsubstratschicht 7 in 3 als lichtreflektierende Oberfläche dient, so dass die Metallsubstratschicht 7 in 3 mit dem Polymerfilm 2 mit Hilfe einer für Licht transparenten Klebeschicht 10 verbunden ist.
Bei einem weiteren Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Licht-transparente Klebeschicht 10 nicht trocknend ausgebildet sein. Die Verwendung eines nicht trocknenden Klebemittels erlaubt es dem Benutzer den Polymerfilm 2 zu entfernen und den verbleibenden Teil des Solar-Absorber-Reflektors 20'' mit dem darauf aufgebrachten Klebstoff in Vorrichtungen zu verwenden, die selektiv Sonnenstrahlung absorbierende Oberflächen benötigen, beispielsweise in Solar-, Wasser- und Lufterwärmern.
Bei einer nützlichen Variante der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Elemente des Solar-Absorber-Reflektors aus flexiblem Material hergestellt, wodurch der Solar-Absorber-Reflektor aufgerollt werden kann, was den Transport, die Lagerung und die Verwendung des Solar-Absorber-Reflektors vereinfacht.
Eine weitere brauchbare Variante der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist noch in 4c gezeigt. Während 4a eine schematische perspektivische Ansicht eines Solar-Absorber-Reflektors 20a in einem Solarheizungsmodus zeigt, bei welchem die einfallende Sonnenstrahlung auf eine aktive Fläche 30a, die mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist, auf einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche 6a auftrifft, und eine wärmeemittierende Oberfläche 3a von der einfallenden Sonnenstrahlung wegzeigt, und während 4b eine schematische perspektivische Ansicht eines Solar-Absorber-Reflektors 20b in lichtreflektierendem Modus zeigt, in welchem einfallende Sonnenstrahlung auf einer aktiven Oberfläche 30b auftrifft, die mit einer strichpunktierten Linie auf einer wärmeemittierenden Oberfläche 3b markiert ist, und eine Sonnen strahlung selektiv absorbierende Oberfläche 6b von der einfallenden Sonnenstrahlung wegzeigt, ist in 4c eine schematische perspektivische Ansicht eines Solar-Absorber-Reflektors 20c in einem gemischten Solarheizungs- und lichtreflektierenden Modus gezeigt. Ein Solar-Absorber-Reflektor 20c besitzt zwei Sätze von Schichten, nämlich in solcher Weise, dass eine wärmeemittierende Oberfläche 3b eines zweiten Satzes von Schichten in die gleiche Richtung zeigt, wie die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche 6a eines ersten Satzes von Schichten, und eine Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche 6b des zweiten Satzes von Schichten in die gleiche Richtung zeigt, wie die wärmeemittierende Oberfläche 3a des ersten Satzes von Schichten. In einem gemischten Solarheizungs- und Lichtreflektierungsmodus, wie in 4c gezeigt, trifft ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auf eine aktive Fläche 30a auf der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche 6a auf und gleichzeitig ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auf einer aktiven Fläche 30b auf der wärmeemittierenden Oberfläche 3b. In einem solchen gemischten Betrieb kann das Verhältnis zwischen Wärmeübertragung und Wärmeabweisung entsprechend dem Verhältnis zwischen der Größe der selektiv Sonnenstrahlung absorbierenden Oberfläche 6 und der Größe der Sonnenstrahlung ausgesetzten, wärmeemittierenden Oberfläche 3b eingestellt werden.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beschränkte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es klar, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen für die Fachwelt einleuchtend sind. Dementsprechend soll die Erfindung alle solche Alternativen Modifikationen und Variationen, welche in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, umfassen.

Claims

Flexibler Solar-Absorber-Reflektor (20) für die abwechselnde Übertragung von Wärme in einen wärmeabsorbierenden Raum und die Rückstrahlung von Solarwärme, die von der einfallenden Sonnenstrahlung stammt, mit: (a) einem ersten Satz von Schichten, der umfasst: (i) eine Schicht (5) mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche (6, 6a, 6b) zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus in welchem die selektiv Sonnenstrahlung absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; (ii) eine Schicht (1) mit einer lichtreflektierenden Oberfläche (4), die in eine entgegengesetzte Richtung zeigt, wie die selektiv Sonnenstrahlen absorbierende Oberfläche zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem Lichtreflexions-Modus, in welchem die lichtreflektierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; und (iii) eine Schicht (2) mit einer wärmeemittierenden Oberfläche (3, 3a, 3b) welche in die gleiche Richtung zeigt, wie die lichtreflektierende Oberfläche, zum Rückstrahlen der Solarwärme in den wärmeabsorbierenden Raum in dem Solarheizungsmodus und um das Eindringen von Sonnenwärme in den wärmeabsorbierenden Raum in dem lichtreflektierendem Modus zu verhindern, wobei die lichtreflektierende Oberfläche (4) eine lichtreflektierende Metalloberfläche ist, welche Aluminium enthält und die als Substrat für die Schicht mit der Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche (6, 6a, 6b) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche eine Schwarzaluminiumoberfläche ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, bei welchem die Schicht mit der wärmeemittierenden Oberfläche ein Polymer (2) umfasst.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 2, bei welchem das Polymer für sichtbares Licht transparent ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, bei welchem die metallische Oberfläche durch Vakuumabscheidung abgeschieden ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1 oder 4, bei welchem die Schwarzaluminiumoberfläche mit Hilfe von Vakuumabscheidung abgeschieden ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, bei welchem die Schicht (2) mit der wärmeemittierenden Oberfläche (3, 3a, 3b) als Substrat für die Schicht (1) mit der lichtreflektierenden Oberfläche (4) dient.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, bei welchem zumindest einige der Schichten durch einen Kleber (8) mit einander verbunden sind.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 7, bei welchem der Kleber für sichtbares Licht transparent ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 7, bei welchem der Kleber ein nicht trocknender Kleber ist.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, dessen Flexibilität derart ist, dass er zum Transport oder zur Lagerung aufgerollt werden kann.
Flexibler Solar-Absorber-Reflektor nach Anspruch 1, der weiters umfasst: (b) einen zweiten Satz von Schichten, beinhaltend (i) eine Schicht mit einer Sonnenstrahlung selektiv absorbierenden Oberfläche (6b) zum Absorbieren der Solarwärme in einem Solarheizungsmodus, in dem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; (ii) eine Schicht mit einer lichtreflektierenden Oberfläche, die in die entgegengesetzte Richtung zeigt, wie die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche, zum Reflektieren der Sonnenstrahlung in einem das Licht reflektierenden Modus, in dem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist; und (iii) eine Schicht mit einer wärmeemittierenden Oberfläche, die in die gleiche Richtung wie die das Licht reflektierende Oberfläche weist, zum Rückstrahlen der Solarwärme in den wärmeabsorbierenden Raum im Solarheizungsmodus und zum Reflektieren der Solarwärme, um in dem das Licht reflektierenden Modus deren Eindringen in den wärmeabsorbierenden Raum zu verhindern, wobei die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche (6b) des zweiten Satzes von Schichten in die entgegengesetzte Richtung zeigt, wie die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche (6a) des ersten Satzes von Schichten.
Verfahren für die Solarheizung eines Raums, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines flexiblen Solar-Absorber-Reflektors nach Anspruch 1, um abwechselnd aus einfallender Sonnenstrahlung resultierende Sonnenwärme in den Raum zu übertragen und zurückzustrahlen, mit einem ersten Satz von Schichten; und (b) Positionieren des flexiblen Solar-Absorber-Reflektors in einer Ausrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) dem Solarheizungsmodus, bei welchem die lichtreflektierenden und wärmeemittierenden Oberflächen dem Raum zugewandt sind und die der Sonnenstrahlung ausgesetzte, die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche nach außen weist und (ii) dem lichtreflektierenden Modus, in welchem die Sonnenstrahlung selektiv absorbierende Oberfläche in den Raum zeigt und die lichtreflektierenden und wärmeemittierenden, der Sonnenstrahlung ausgesetzten Oberfläche nach außen zeigen.
Verfahren zur Solarheizung eines Raums, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines flexiblen Solar-Absorber-Reflektors nach Anspruch 11, um abwechselnd von einfallender Sonnenstrahlung stammende Solarwärme in den Raum zu übertragen und rückzustrahlen, mit einem ersten Satz von Schichten und einem zweiten Satz von Schichten; (b) Positionieren des flexiblen Solar-Absorber-Reflektors in einem Mischmodus, bei welchem der erste Satz von Schichten in dem Solarheizungsmodus positioniert ist und gleichzeitig der zweite Satz von Schichten in dem Lichtreflexionsmodus positioniert ist.