Prozesstechnik, Qualitätssicherung und Systemlösungen für thermochrome Absorber in solarthermischen Kollektoren

Infrarot-Fotografie eines Demonstrationskollektors mit zweigeteiltem Absorberblech: Thermochrome Beschichtung auf der oberen und hochselektive Standard-Beschichtung auf der unteren Hälfte. Bei Fluid-Temperaturen unterhalb der Schalttemperatur sind beide Emissionsgrade vergleichbar niedrig (links). Bei deutlich höheren Temperaturen steigt der Emissionsgrad der thermochromen Beschichtung signifikant an (rechts).

Reversible Änderung des Emissionsgrades der thermochromen Beschichtung als Funktion der Absorbertemperatur für den Aufheiz- und Abkühlvorgang.

Mit Hilfe einer PECVD-Beschichtungsanlage (engl: Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) können homogene dielektrische Schichten (z.B. SiO2) auf einer Fläche mit einem Durchmesser von ca. 180 mm abgeschieden werden. Diese von der Firma DREEBIT entwickelte Anlage wird mit einer Plasmaquelle (Copra 401) unter der Verwendung der Gase O2, Ar oder H2 betrieben. Als Precursor-Gas kann HMDSO (Hexamethyldisiloxan), C2H4 oder CH4 eingesetzt werden. Die maximale Substrattemperatur liegt bei 400 °C.

Für das Projekt ProTASK wird eine von der Firma DREEBIT entwickelte Co-Sputter-Anlage genutzt. Mit Hilfe dieser Anlage können bis zu drei Materialien gleichzeitig auf einer Fläche mit einem Durchmesser von ca. 150 mm (180 mm) ±2,5% (±5%) homogen abgeschieden werden. Die maximale Substrattemperatur kann auf 300 °C eingestellt werden. Die Anlage besitzt jeweils zwei DC- und RF-Magnetrons. Jede der vier Sputterquellen kann über ein eigenes PEM-System (Plasma Emission Monitoring System) mit den Prozessgasen O2, N2, CH4 oder C2H4 für reaktive Prozesse versorgt werden. Mit Hilfe eines spektralen In-Situ-Ellipsometers können die optischen Eigenschaften der Schicht während der Beschichtung von 240 nm bis 3000 nm gemessen werden.

Die heutigen marktüblichen Absorber-Beschichtungen für solarthermische Flachkollektoren weisen hohe solare Absorptionsgrade von bis zu 95 % und geringe Emissionsgrade von rund 5 % auf. Dadurch wird eine hohe Kollektorleistungsfähigkeit bei gleichzeitig geringer Wärmeabstrahlung erreicht. Insbesondere im Sommer, wenn die erzeugte Wärme nicht abgenommen werden kann, überhitzt der Kollektor jedoch stark (Stagnation). Dies führt zu hohen thermisch-mechanischen Belastungen im gesamten Solarkreislauf und zu einer beschleunigten Degradation des Wärmeträgers. Die Auswahl temperaturstabiler Materialien, sowie der Einbau zusätzlicher Kühl- und Schutzvorrichtungen führen zu erhöhten Investitions- und Wartungskosten.

Mit der Entwicklung und dem Einsatz thermochromer Absorber sollen die thermischen Belastungen im Stagnationsbetrieb bei gleichzeitiger Erhaltung der Kollektor-Leistungsfähigkeit im Normalbetrieb reduziert werden.

Überhitzungsschutz mit thermochromer Absorber-Beschichtung

Thermochrome Absorber-Beschichtungen ermöglichen im normalen Betrieb einen hohen Kollektor-Wirkungsgrad, reduzieren jedoch beim Überschreiten einer Temperaturgrenze diesen Wirkungsgrad so, dass der Kollektor nicht überhitzt. Dies geschieht durch eine veränderliche Materialeigenschaft der Beschichtung: Bei niedriger Temperatur verhält sich diese wie ein handelsüblicher, selektiver Absorber: Hohe Absorption der Solarstrahlung bei gleichzeitig geringer Wärme-Rückstrahlung. Beim Überschreiten der Temperaturgrenze gibt der Absorber überschüssige Energie durch erhöhte Wärme-Strahlung ab und schützt den Kollektor effektiv vor Überhitzung, indem ein Phasenwechsel des Materials oder ein spezieller Schichtaufbau zu einem erhöhten thermischen Emissionsgrad führt.

Das Vorhaben ProTASK baut auf den Ergebnissen des vorangegangenen Projekts TASK auf, in dem eine neue thermochrome Absorber-Beschichtung entwickelt wurde. Im Folgeprojekt ProTASK wurde das Schichtsystem weiter optimiert, neue optische Konzepte des Schichtaufbaus erprobt und die Verfahrenssicherheit verbessert. Parallel dazu stand auch die Erforschung weiterer, Vanadium-freier Beschichtungsmaterialien mit „schaltenden“ spektralen Eigenschaften im Fokus des Projekts. Zur Verhinderung von Korrosion wurden Schutzschichten entwickelt und beschleunigte Alterungstests durchgeführt. Weitere Aspekte des Projekts beschäftigen sich mit dem Solarkollektor-System, das mit der neuen Beschichtung ausgerüstet ist: Mit dem selteneren Auftreten der Stagnation und der geringeren Reichweite des siedenden Wärmeüberträgers und mit der damit verbundenen möglichen Kostenersparnis.

Für die Erreichung der Projektziele wird eine effektive Messtechnik eingesetzt. Es beginnt mit der in-situ Spektral-Ellipsometrie während des Beschichtungsprozesses in einer Sputter-Anlage von DREEBIT, in der mit zwei bis drei, simultan betriebenen Quellen variable Schichtsysteme hergestellt werden. Hierdurch können die optischen Konstanten und die Schichtdicken zu jedem Zeitpunkt des Prozesses genau kontrolliert werden. Für die schnelle Beurteilung des temperaturabhängigen Emissionsgrades wurde ein ε(T)-Messstand aufgebaut, der den Emissionsgrad des erwärmten Absorbers mit Hilfe eines Pyrometers bestimmt. Ebenso wichtig ist eine präzise, auf von Meterologischen Nationalinstitutionen zertifizierten Standards rückführbare optische Messtechnik, die die Bestimmung des direkt-hemisphärischen Reflexionsgrades von 250 nm bis 50 µm erlaubt. Die spektrale Ellipsometrie von 240 nm bis ca. 33000 nm erlaubt die Bestimmung des spektralen Brechungsindex und des Extinktionskoeffizienten.

Die Bewertung thermochromer Flach-Kollektoren erfolgt anhand von Leistungsmessungen auf einem Indoor-Sonnensimulator-Prüfstand. Die Leistungsfähigkeit thermochromer Kollektoren wird im direkten Vergleich mit Standardkollektoren mit jeweils zwei bis vier Kollektoren in einer typischen Solaranlage zur Trinkwarmwassererwärmung experimentell untersucht.

Die Gebrauchstauglichkeit thermochromer Kollektoren wird im Rahmen geeigneter Feldtests in mehreren größeren Solaranlagen untersucht. Bei den Systemuntersuchungen bestand das Ziel, neue Parameter für die Auslegung des Solarkreises zu ermitteln, um durch die geringere Temperaturbelastung preiswertere Materialien einzusetzen. Weiterhin werden neue Auslegungsregeln zu Dimensionierung der Anlagen ermittelt, die zur Vereinfachung der Anlage und einer Reduzierung der spezifischen Systemkosten führen.


Industriepartner:

Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Viessmannstraße 1, 35108 Allendorf (Eder)


Laufzeit: 01.02.2016 – 30.06.2019


Förderung:

Das Projekt „Prozesstechnik, Qualitätssicherung und Systemlösungen für thermochrome Absorber in solarthermischen Kollektoren (ProTASK)“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter den Förderkennzeichen 0325858 A und 0325858 B aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert. Die Arbeiten erfolgen in Kooperation mit Viessmann Werke GmbH & Co. KG. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.


Veröffentlichungen:

C. Xu, F. Heinemeyer, A. Dittrich, C. Bäumer, R. Reineke-Koch: In-situ spectroscopic ellipsometry as a pathway towards achieving VO2 stoichiometry for amorphous vanadium oxide with magnetron sputtering, AIP Advances 11, 035126 (2021), https://doi.org/10.1063/5.0041116

A. Dittrich, F. Heinemeyer, S. Müller, Ch. Xu, R. Reineke-Koch, A. Didelot, N. Portha, C. Leonhardt, B. Hafner: Prozesstechnik, Qualitätssicherung und Systemlösungen für thermochrome Absorber für Solarkollektoren (ProTASK) : Abschlussbericht zum Vorhaben : Kurzbezeichnung: „ProTASK“ : Laufzeit: 01.02.2016-30.06.2019, https://doi.org/10.2314/KXP:1729153925

S. Müller, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, O. Kastner, B. Hafner:
Simulationsstudie zur Leistungsfähigkeit hochselektiver und thermochromer Absorberbeschichtungen für solarthermische Kollektoren. Tagungsband 2. Regenerative Energietechnik Konferenz, Hochschule Nordhausen, pp. 5—72. 2019.
(Der Tagungsband ist erhältlich: https://www.hs-nordhausen.de/forschung/inret/ret-con/ )

F. Heinemeyer, A. Dittrich, C. Xu, S. Müller, R. Reineke-Koch:
Doping of VO2 selective coatings for solar thermal collectors. 16th International Conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2018.

C. Xu, A. Dittrich, R. Reineke-Koch:
In-situ spectroscopic ellipsometry applied for thermochromic solar absorber development. European Materials Research Society (EMRS), Warschau, Poland, 2018.

S. Müller, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, B. Hafner:
Experimental investigations on the stagnation behavior of thermochromic flat plate collectors. Proceedings EuroSun 2018, Rapperswil, Switzerland, 2018.

S. Müller, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, B. Hafner:
Experimentelle Untersuchung der Stagnationsbelastungen in einer Trinkwarmwasseranlage mit thermochromen Flachkollektoren. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2018.

A. Pazidis, R. Reineke-Koch:
Magnetron Sputtered TiOx Layers: Structural, Electrical, Optical and Thermochromic Aspects. Thin Solid Films 649, pp. 43 – 50, 2018. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.12.019

S. Müller, A. Dittrich, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, B. Hafner:
Thermochrome Absorberbeschichtungen für solarthermische Kollektoren – Stand der Technik, Schichtentwicklung und Systembewertung. Proceedings 1. Regenerative Energietechnik Konferenz, pp. 15 – 26, Hochschule Nordhausen, Germany, 2018.
(Der Tagungsband ist erhältlich: https://www.hs-nordhausen.de/forschung/inret/ret-con/ )

S. Müller, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, B. Hafner:
Flat plate collectors with thermochromic absorber coating under dynamic system tests. Proceedings ISES Solar World Congress 2017, pp. 2062 – 2070, Abu Dhabi. https://doi.org/10.18086/swc.2017.31.10

S. Müller, R. Reineke-Koch, F. Giovannetti, B. Hafner:
Experimentelle Systembewertung von thermochromen Flachkollektoren zur Begrenzung der Stagnationstemperatur in einer Trinkwarmwasseranlage. 27. OTTI Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2017.

A. Pazidis, S. Föste, R. Reineke-Koch, B. Hafner, D. Merc: Entwicklung eines Absorbers für thermische Solarkollektoren mit Stagnationstemperatur unter 140°C und hoher Effizienz : Arbeitstitel: Thermochrome Absorber für solarthermische Kollektoren : Kurzbezeichnung „TASK“ : Abschlussbericht zum Vorhaben : Laufzeit: 01.06.2012-30.09.2015, https://doi.org/10.2314/GBV:870298623

Downloads:

  • C. Xu, F. Heinemeyer, A. Dittrich, C. Bäumer, R. Reineke-Koch: In-situ spectroscopic ellipsometry as a pathway towards achieving VO2 stoichiometry for amorphous vanadium oxide with magnetron sputtering, AIP Advances 11, 035126 (2021), https://doi.org/10.1063/5.0041116
  • A. Dittrich, F. Heinemeyer, S. Müller, Ch. Xu, R. Reineke-Koch, A. Didelot, N. Portha, C. Leonhardt, B. Hafner: Prozesstechnik, Qualitätssicherung und Systemlösungen für thermochrome Absorber für Solarkollektoren (ProTASK) : Abschlussbericht zum Vorhaben : Kurzbezeichnung: „ProTASK“ : Laufzeit: 01.02.2016-30.06.2019, https://doi.org/10.2314/KXP:1729153925
  • A. Pazidis, S. Föste, R. Reineke-Koch, B. Hafner, D. Merc: Entwicklung eines Absorbers für thermische Solarkollektoren mit Stagnationstemperatur unter 140°C und hoher Effizienz : Arbeitstitel: Thermochrome Absorber für solarthermische Kollektoren : Kurzbezeichnung „TASK“ : Abschlussbericht zum Vorhaben : Laufzeit: 01.06.2012-30.09.2015, https://doi.org/10.2314/GBV:870298623

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