Entwicklung thermochromer Absorberbeschichtungen und -konzepte für den Einsatz in Solarkollektoren

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Überhitzungsschutzes für Solarkollektoren auf der Basis thermochromer Absorberbeschichtungen. Neben der Suche nach geeigneten thermochromen Materialien werden zwei verschiedene thermochrome Absorberkonzepte vorgestellt und deren Potential für die Anwendung als Überhitzungsschutz umfassend untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das sogenannte „Lambda/4-Konzept“ vorgestellt und die Funktionsweise anhand einer dünnen optisch schaltenden VOx-Schicht gezeigt, die sich auf einer infrarot-transparenten Zwischenschicht aus Si bzw. Ge befindet. Mit diesem Konzept wird anhand von temperaturabhängigen Reflexionsmessungen im Spektralbereich zwischen 2500 nm und 17000 nm insgesamt eine Erhöhung der Emissivität von ε(25 °C) = 10.2% auf ε(150 °C) = 54.1% gemessen, sodass eine Änderung von Δε = 43.9% erreicht wird. Bei der Suche nach neuen geeigneten thermochromen Materialien werden die Halbleiter FeSix und FeSx untersucht. Hierbei wird eine umfassende Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Materialien durchgeführt, um eine potentielle Eignung als neue thermochrome Absorberschicht festzustellen. Zur Untersuchung der Schichtmorphologie werden Messungen mit dem Röntgendiffraktometer und Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Zur Bestimmung der optischen Eigenschaften werden Reflexions- und Transmissionsmessungen und zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften werden Leitfähigkeitsmessungen im Temperaturbereich zwischen 80 K und 500 K durchgeführt. Hierbei erweisen sich dieamorphen FeSx-Halbleiterschichten als am besten geeignet. In einem nächsten Schritt wird mit Hilfe einer optischen Reflexionssimulation ein Mehrschichtsystem auf einem Al-Substrat simuliert, welches aus einer amorphen FeSx-Absorberschicht und drei verschiedenen Antireflexbeschichtungen besteht. Die optische Charakterisierung der hergestellten FeSx-Absorber erfolgt mit Hilfe von Reflexionsmessungen im Temperaturbereich zwischen 25 °C und 200 °C in einemSpektralbereich von 250 nm - 17000 nm. Es können überdurchschnittlich hohe solare Absorptionsgrade von bis zu α(25 °C) = 97.7% gemessen und gleichzeitig eine reversible Änderung der Emissivität im thermischen Infrarotbereich von ε(25 °C) = 33.1% auf ε(200 °C) = 55.7% erreicht werden. Die Wirkung des Überhitzungsschutzes kann durch eine vergleichende Simulationsstudie mit am Markt verfügbaren Standard bzw. thermochromen Kollektoren in Gestalt von Kollektormodellierungen und Systemsimulationen gezeigt werden. Hierbei kann ohne wesentliche Verluste im Wirkungsgrad eine Reduktion der Stagnationstemperatur um 32.8 °C gegenüber einem Standardabsorber mit TStag = 190 °C ermittelt werden. Durch Systemsimulationen eines Einfamilienhauses mit solarer Raumheizungsunterstützung und Trinkwarmwasserbereitung kann beim FeSx-Absorber bzw. bei einem industriell hergestellten Absorber auf VOx-Basis eine Reduktion der jährlichen Stagnationshäufigkeit gegenüber einem Standardabsorber um 68% bzw. um 76% festgestellt werden.