Selektiv absorbierende Beschichtung für Solarkollektoren
26.09.2008 von michey
Selektiv beschichtete Absorber haben eine entscheidende Bedeutung für das Erreichen hoher Temperaturen im Solarkollektor. Ohne seine selektive Beschichtung würde ein Absorber einen erheblichen Teil der erzeugten Wärmeenergie in Form von Wärmestrahlung an seine Umgebung abstrahlen. Aus diesem Grund benötigt man einen Absorber, der das sichtbare Licht der Sonne möglichst gut absorbiert und in Wärme umwandelt, aber auch bei hohen Temperaturen möglichst wenig Wärmestrahlung aussendet. Schichten aus Schwarzchrom oder Titan-Nitrid-Oxid erfüllen solche Eigenschaften sehr gut. Normalerweise werden diese selektiven Schichten mit dem PVD Verfahren oder galvanischen Verfahren auf die zu beschichtenden Absorber aufgebracht. Die Investitionskosten für solche Beschichtungsanlagen sind aber relaitv hoch und lohnen sich nur bei großen Stückzahlen. Sollen selektiv beschichtete Absorber in regionalen Wirtschaftskreisläufen durch Kleinstunternehmen hergestellt werden, sind Verfahren notwendig, bei denen die Investitionskosten wesentlich niedriger sind.
In der Literatur findet man bei Blanke [9]; Seite 327 Stoffwerte für den Stahl 1.4301 bezüglich der Absorption und Emission von Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung. Daraus ergibt sich, dass die oxidierter Oberfläche von Stahl die Eigenschaften einer selektiv absorbierenden Schicht hat. Viele Stähle sind zu günstigen Preisen zu kaufen. Die Erzeugung einer dunklen Oxidschicht auf einer Stahloberfläche ist jedem Handwerker, der mit Stahl arbeitet unter dem Begriff „Anlassfarben“ bekannt. Die Herstellung einer Oxidschicht mit möglichst dunkelblauer Farbe ist relativ einfach – ein sehr gutes Beispiel für eine mittlere Technologie.
Um auf einem Stahlblech eine dunkelblaue Oxidschicht zu erzeugen, wird dieses erst gereinigt und dann möglichst gleichmäßig bei Anwesenheit von Luft auf eine Temperatur von 295 °C erwärmt. Danach ist die selektive Beschichtung fertig. Eine eigene Temperaturmessung des heißen Stahlblechs sofort nach dem Anlassvorgang mit einem Infrarot-Thermometer ergab laut Infrarot-Thermometer eine Temperatur von lediglich 73 °C. Mit der Hand war auch kaum Wärmestrahlung zu spüren. Beim Abkühlen unter fließendem Wasser war das laute Zischen des verdampfenden Wassers zu hören. Die Wassertropfen perlten, auf einem Dampffilm schwebend von der Metalloberfläche ab. Dass ist ein Zeichen dafür, dass die Temperatur des Stahlbleches weit über hundert 100 °C gelegen haben muss. Anhand dieser Beobachtung und der Messung mit dem Infrarot-Thermometer wird der selektive Charakter der Oxidschicht der dunkelblauen Stahloberfläche deutlich.
Bezüglich der Langzeitstabilität und dem Umgang mit dieser Beschichtung müssen noch Erfahrungswerte gewonnen werden. Auch die genauen Eigenschaften der erzeugten Oxidschicht müssen noch untersucht und recherchiert werden. Es gilt dabei zu beachten, dass die Oxidschicht vor Feuchtigkeit geschützt werden muss, was bei der Konstruktion des dazugehörigen Solar- Luftkollektors zu berücksichtigen ist.
Hallo,
funktioniert das das auch noch, wenn über die Oxidschicht Lack aufgebracht ist?
MfG
Peter Kienlein
Hallo Peter,
wenn sich z.B. eine Kunststoff-Lackschicht auf der Oxidschicht befindet, funktioniert die Bildung einer selektiv absorbierenden Schicht nicht mehr, da der Lack selbst zum Infrarotstrahler werden würde. Dieser Sachverhalt wird durch das „Stefan-Boltzmann-Gesetz“ für nicht Schwarze Strahler beschrieben.
Interessant wäre es meiner Ansicht nach, möglichst stabile Oxidschichten auf der Metalloberfläche zu erzeugen. Oxidschichten sind wiederum sehr stark von der Legierung des Metalls abhängig, sowie auch von den Bedingungen, unter denen sie entstehen.
Viele Grüße,
Michael
Das iost also unabhängig von derf Farbe, es liegt ausschließlich am Material.
In den Tabellen über Emissionskoeffizienten, die ich gefunden habe, steht für oxidierten Stahl immer eine höhere Zahl, als für blank polierten. Das passt aber nicht zu dem Effkt mit der „Anlaßoxidation“, oder? Oder ist in den Tabellen mit „oxidiert“ gleichzusetzen mit „verrostet“?
Stabile Oxidschichten entstehen doch auf Edelstahl?
Ich muß wohl noch weitersuchen….
Gruß
Peter
Der Emmisionsfaktor ist abhängig von der Frequenz des Lichtes, aber auch von der Art der Oxidationsschicht. Die Anlauffarbe des Stahls z.B. hat im sichtbaren Licht einen großen Emissionsfaktor, ich habe 0,8 gemessen. Im Infraroten Spektrum hat die Anlauffarbe dagegen einen kleinen Emissionsfaktor, bzw. sie wirkt wie ein Siegel. Ich konnte mit meinem Infrarot-Thermometer immer eine Art Mischtemperatur zwischen Oxidierter Stahlplatte und der Zimmerdecke messen, wobei die Temperatur der Zimmerdecke dominant war.
Viele Grüße,
Michael
Ich werd jetzt mal konkret:
Wenn ich nen ausgemusterten Flachheizkörper nehm, hab ich die Möglichkeit, den zulackieren, oder auch, ihn entlacken und anlassen.
Durch eine schwarze Lackierung kann ich wesentlich mehr Wärme aufnehmen, als durch den blanken Stahl. Andererseits hab ich durch den Lack einen höheren Strahlungsverlust.
Welche Variante wird den insgesamt höheren Wirkungsgrad haben?
Gruß,
Peter