DE102004038233A1

DE102004038233A1 - Solarabsorber

Info

Publication number: DE102004038233A1
Application number: DE102004038233A
Authority: DE
Inventors: Klaus Jürgen Dr.-Ing. Riffelmann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2006-03-16
Also published as: IL181111A; EP1776550A1; MX2007001448A; CN101023305A; WO2006015815A1; IL181111A0; US20070209658A1; US7607428B2; CN101023305B

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 Absorptionsschicht (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 höchstmöglichen Strahlungsgewinn betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarabsorber mit einem Absorberkörper, der eine einem Konzentrator zugewandte Seite und eine dem Konzentrator abgewandte Seite aufweist und mit einer selektiven Absorptionsschicht versehen ist, die unterhalb einer Grenzwellenlänge das Spektrum der Solarstrahlung absorbiert und oberhalb der Grenzwellenlänge das Abstrahlvermögen des Absorberkörper unterdrückt.
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-Kollektouren und Solartürmen werden die Absorber typischerweise auf einige 100 °C erhitzt. Die Abstrahlungsverluste, die nach der Planck'schen Strahlungsformal proportional zur vierten Potenz der Temperatur sind, dominieren 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'schen Gesetz sind das spektrale Absorptions- und Emissionsvermögen eines Körpers gleich. Dieses Problem kann durch eine optisch 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 der der Übergang von niedriger zu hoher Reflektivität geschieht, ist primär abhängig von der Temperatur der Absorptionsschicht. Daher wurden verschiedene selektive Schichten für Flachplattenkollektoren, Vakuumröhrchennkollektoren 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 an gepasst. 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 konzentrierter 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.

Der erfindungsgemäße Solarabsorber ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Bei ihm hat die Absorptionsschicht des Absorberkörpers auf der dem Konzentrator zugewandten Seite eine Grenzwellenlänge, 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 mn. 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.

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 langgestrecktes Absorberrohr aufweisen, das von einem Wärmeübertragungsmedium, z. B. Öl, durchströmt ist, wobei ein langgestreckter 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.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dieses ist als bevorzugtes Ausführungsbeispiel zu verstehen. Durch die Beschreibung der Einzelheiten wird der Gegenstand der Erfindung nicht eingeschränkt. Dieser wird durch die Patentansprüche bestimmt.

Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Solarabsorbers mit Absorberkörper und Konzentrator,
2 ein Kreisdiagramm der auf den Absorberkörper auftreffenden Strahlungsdichte,
3 ein Diagramm der spektralen Strahlungsdichte und des Absorptionsgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei nicht-konzentrierter einfallender Strahlung,
4 ein Diagramm der spektralen Strahlungsdichte und des Absorptionsgrades bei konzentrierter einfallender Strahlung, und
5 eine schematische Darstellung durch das Absorberrohr.
1 zeigt den Absorberkörper 10, bei dem es sich hier um ein langgestrecktes Absorberrohr 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 absorbiert die Solarstrahlung und setzt diese in Wärme um, die auf das Wärmeübertragungsmedium übertragen wird. Das Wärmeübertragungsmedium wird dadurch aufgeheizt.
2 zeigt die Verteilung der Strahlungsdichte 14 über den Umfang des Absorberkörpers in Polarkoordinaten. Auf der dem Konzentrator 13 zugewandten Seite ist die Strahlungsdichte hoch. Auf der dem Konzentrator abgewandten Seite ist die Strahlungsdichte gleich der Strahlungsdichte der einfallenden Solarstrahlung, die mit dem Wert „1" bezeichnet werden könnte.
In 3 ist die Spektralverteilung der Strahlungsdichte der einfallenden Solarstrahlung durch die mit 20 bezeichnete Kurve angegeben. Mit 21 ist eine Kurve bezeichnet, die die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 500° C 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 auch der Emissionsgrad – gleich Null. Was bedeutet, dass der Absorptionskörper 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.
4 zeigt das um den Faktor 50 konzentrierte solare Spektrum 20a sowie die Kurve 21a eines 500° C heißen schwarzen Körpers. Der Maßstab der Kurve von 4 wurde in Bezug auf 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 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 gemäß 5 unterschiedliche Absorberschichten 17, 18 hat. Die Absorberschicht 17 befindet sich auf der dem Konzentrator 13 zugewandten Seite und die Absorberschicht 18 auf der dem Konzentrator abgewandten Seite.
Die Schichten 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 her vorrufen. Die Absorptionsschichten können grundsätzlich aus demselben Grundmaterial bestehen, wobei sich die einzelnen Bereiche durch unterschiedliche Schichtdicken unterscheiden. Durch Interferenzwirkung ergeben sich für die Bereiche unterschiedliche Grenzwellenlängen. 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 ε 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.

Claims

Solarabsorber mit einem Absorberkörper (10), der eine einem Konzentrator (13) zugewandte Seite aufweist und mit einer selektiven Absorptionsschicht versehen ist, die unterhalb einer Grenzwellenlänge das Spektrum der Solarstrahlung absorbiert und oberhalb der Grenzwellenlänge das Abstrahlvermögen des Absorberkörpers unterdrückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (17) auf der dem Konzentrator (13) zugewandten Seite eine Grenzwellenlänge hat, die größer ist als die Grenzwellenlänge auf der dem Konzentrator abgewandten Seite.
Solarabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht in mehr als zwei Bereiche mit stufenweise variierender Grenzwellenlänge unterteilt ist.
Solarabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (10) ein Strahlrohr ist.
Solarabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper ein poröser Keramikkörper ist.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Absorptionsschicht (17, 18) kleiner ist als 10 μm und insbesondere kleiner als 100 nm.