DE2734032A1 - SOLAR HEAT COLLECTOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
SOLAR HEAT COLLECTOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAMEInfo
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Description
Sonnenwärme-Kollektor und Verfahren zu seiner HerstellungSolar heat collector and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft einen Sonnenwärme-Kollektor mit einem aus Aluminium hergestellten Wärme-Kollektorelement, welches wenigstens auf seiner der Sonne auszusetzenden Oberfläche mit einem solare Wärmeenergie selektiv absorbierenden Überzug versehen ist. Derartige Wärmekollektoren werden in Systemen zur Erhitzung von Wasser durch Sonnenenergie benutzt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Überzuges für selektive Absorption von solarer Wärmeenergie durch ein Wärme-Kollektorelement aus Aluminium auf wenigstens der Oberfläche des Elementes, die der Sonne ausgesetzt werden soll, zwecks Verwendung eines derartigen Kollektorelementes in einem Sonnenwärme-Kollektor.The invention relates to a solar heat collector with a heat collector element made of aluminum, which at least on its surface to be exposed to the sun with a solar thermal energy selectively absorbing coating is provided. Such heat collectors are used in systems used to heat water using solar energy. The invention also relates to a method of manufacture a coating for selective absorption of solar thermal energy by a heat collector element made of aluminum at least the surface of the element which is to be exposed to the sun in order to use such Collector element in a solar heat collector.
Der hier und im folgenden benutzte Ausdruck "Aluminium" soll reines Aluminium, technisches Aluminium mit kleinen Anteilen an Verunreinigungen und Aluminiumlegierungen einschließen.The term "aluminum" used here and in the following is intended to be pure aluminum, technical aluminum with small proportions of impurities and aluminum alloys.
In neuerer Zeit wird vorhergesagt, daß die Energiequellen der Welt, besonders fossile Brennstoffe in naher Zukunft erschöpft sein werden. Es wird deshalb viel Aufmerksamkeit auf die Entwicklung neuer Energiequellen als Ersatz für die bisherigen verwandt, insbesondere solche, die die Umwelt nicht belasten. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Sonnenwärmeenergie, dieMore recently, it is predicted that the world's energy sources, particularly fossil fuels, will be depleted in the near future will be. There is therefore much attention paid to the development of new energy sources to replace the previous ones related, especially those that do not pollute the environment. A typical example of this is solar thermal energy, which
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sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, einschließlich Wasserheizungssystemen, Klimaanlagen, Kraftgeneratoren etc. Diese Anwendungen erfordern den Einsatz von Wärmekollektoren zur Absorption von Sonnenstrahlung. Im Idealfall ist es anzustreben, daß die Oberfläche des Wärme-KolLektorelementes die solare Wärmeenergie selektiv absorbiert, d.h., daß ihr Absorptionsvermögen (χ für Sonnenstrahlen in Wellenlängen bis zu etwa 2yCim möglichst nahe bei 1 liegt und das ihr Emmisionsvermögen t für Strahlung von infraroten Wellenlängen über 2/*m möglichst dicht bei Null liegt.is suitable for a wide variety of applications including water heating systems, air conditioning systems, power generators, etc. These applications require the use of heat collectors to absorb solar radiation. In the ideal case, the aim should be that the surface of the heat collector element selectively absorbs the solar thermal energy, i.e. that its absorption capacity (χ for solar rays in wavelengths of up to about 2yCim is as close as possible to 1 and that its emissivity t for radiation of infrared wavelengths above 2 / * m is as close as possible to zero.
Ein solcher Wärmekollektor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv absorbierende Überzug erhalten wurde, indem in an sich bekannter Weise auf dem Wärme-Kollektorelement eine Oxidschicht erzeugt und das so beschichtete Element in einer metallsalzhaltigen Lösung bis zur Abscheidung des Metalls auf bzw. in der Oxidschicht behandelt wurde.According to the invention, such a heat collector is characterized in that the selectively absorbing coating is obtained was by creating an oxide layer on the heat collector element in a manner known per se and that way coated element in a solution containing metal salts until the metal is deposited on or in the oxide layer was treated.
Der erfindungsgemäße Wärmekollektor hat eine hohe selektive Absorption für solare Engergie und zeichnet sich darüberhinaus durch große Korrosionsbeständigkeit aus.The heat collector according to the invention has a high selective absorption for solar energy and is also characterized by high corrosion resistance.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.Further advantages and features of the invention emerge from the following description and the subclaims.
Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines Wärmekollektors nach der Erfindung,Fig. 1 is a front view of a heat collector according to the invention,
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht längs Linie II-II von Fig. I1 undFig. 2 is an enlarged sectional view taken along line II-II of Fig. 1 and I
Fig, 3 zeigt in einem Schnitt ähnlich Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform eine Wärme-Kollektorelementes.FIG. 3 shows, in a section similar to FIG. 2, a modified embodiment of a heat collector element.
Zunächst seien die Fig. 1 und 2 betrachtet· Der dort dargestellte Sonnenwärtnekollektor 1st zur Verwendung In Systemen für die Erwärmung von Wasser bestimmt und weist ein Wärme-Kollektorelement 2 aus Aluminium auf« Es hat die For« einer Tafel mit einer Mehrzahl von parallelen» rohrförmigen Bereichen 1, die die Verrohrung fixieren« Letztere besteht aus Kupferleitungen 3, die In die Bereiche 1 eingesetzt bzw· Integral mit diesen verbunden sind, wobei ihre gegenüberliegenden Enden aus dem Bereich 1 herausragen. Ein rohrförmiger Verteilerkopf 4 ist mit den unteren (Einlaß-) Enden der Leitungen 2 verbunden. An einer Seite des Wärme-Sammelelementes 2 ist das Hauptrohr des Verteilerkopfes 4 abgeschlossen. Die oberen (Auslaß-) Enden der Leitungen 3 sind mit einem rohrförmigen Sammlerkopf 5 verbunden; das Hauptrohr dieses Sammlerkopfes 5 ist auf der anderen Seite des Kollektorelementes 2 verschlossen. Die in die Bereiche 1 eingesetzten und damit verbundenen Kupferleitungen 3 dienen dazu, eine Korrosion des Aluminiumelementes 2 durch das hindurchfließende Wasser zu verhindern. Die Leitungen 3 können statt aus Kupfer auch aus nicht-rostendem Stahl hergestellt sein.1 and 2 are considered first. The solar collector shown there is intended for use in systems for heating water and has a heat collector element 2 made of aluminum. It has the shape of a panel with a plurality of parallel tubulars Areas 1 that fix the piping. The latter consists of copper lines 3 which are inserted into areas 1 or are integrally connected to them, with their opposite ends protruding from area 1. A tubular distributor head 4 is connected to the lower (inlet) ends of the lines 2. The main pipe of the distributor head 4 is closed on one side of the heat collecting element 2. The upper (outlet) ends of the lines 3 are connected to a tubular header 5; the main pipe of this collector head 5 is closed on the other side of the collector element 2. The copper lines 3 inserted into the areas 1 and connected therewith serve to prevent corrosion of the aluminum element 2 by the water flowing through it. The lines 3 can also be made of stainless steel instead of copper.
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Das Wärme-Kollektorelement 2 weist Aluminiumsegmente 6 auf, die durch Strangpressen gebildet worden sind, Seite an Seite liegen und miteinander verbunden sind. Das extrudierte Segment 6 hat einen geradejdurchlaufenden rohrförmigen Bereich 1 zur Aufnahme der Leitung 3 und einen plattenförmigen Bereich 7, der mit dem rohrförmigen Bereich 1 aus einem Stück besteht· Der eine Rand 7a des plattenförmigen Bereiches 7 erstreckt sich seitlich in gerader Richtung, während der andere Rand 7b eine Kante mit U-förmigem Querschnitt aufweist, welche auf den geraden Rand 7a des nichtfolgenden Segmentes 6 passt. Der plattenförmige Teil 7 wird durch den Bereich 1 geteilt. Die Segmente 6 sind Seite an Seite normal zur Längsrichtung der Bereiche 1 angeordnet. Das Wärme-Kollektorelement 2 ist mit einem Überzug 8 versehen,'welcher solare Wärmeenergie auf seiner der Sonne ausgesetzten Oberfläche selektiv absorbiert. Der selektiv absorbierende Überzug 8 ist erhalten worden, indem die Frontseite des Wärme-Kollektorelementes 2 durch anodische Oxidation mit einer porösen Oxidschicht versehen und das so beschichtete Element 2 in einem metallsalzhaltigen Elektrolyten behandelt wurde, so daß das Metall in den Poren der Oxidschicht zur Abscheidung gebracht wurde. Das Metall kann gegebenenfalls auch in Form von oxidiertem Metall abgeschieden werden. Der hier und in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck "Metall" soll also auch oxidiertes Metall einschließen. Um die anodische Oxidation bequemer durchführen zu können, kann man den selektiv absorbierenden Überzug auf den gesamten Oberflächen des Wärme-Kollektorelementes ausbilden. Als geeignete Metalle seien Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und Zinn genannt.The heat collector element 2 comprises aluminum segments 6 which have been formed by extrusion, side by side lie and are connected to each other. The extruded segment 6 has a straight tubular portion 1 to accommodate the line 3 and a plate-shaped area 7, which is made of one piece with the tubular area 1 One edge 7a of the plate-shaped area 7 extends laterally in a straight direction, while the other edge 7b is a Has edge with a U-shaped cross-section, which fits on the straight edge 7a of the non-following segment 6. Of the plate-shaped part 7 is divided by area 1. The segments 6 are side by side normal to the longitudinal direction of the Areas 1 arranged. The heat collector element 2 is provided with a coating 8, 'which solar thermal energy on his selectively absorbed by the surface exposed to the sun. The selectively absorbent cover 8 has been obtained by the front side of the heat collector element 2 is provided with a porous oxide layer by anodic oxidation, and so coated element 2 was treated in an electrolyte containing metal salts, so that the metal in the pores of the Oxide layer was brought to the deposition. The metal can optionally also be deposited in the form of oxidized metal will. The term "metal" used here and in the claims is therefore also intended to include oxidized metal. In order to be able to carry out the anodic oxidation more conveniently, the selectively absorbent coating can be applied to the entire Form surfaces of the heat collector element. Suitable metals are copper, iron, cobalt, nickel and tin called.
Fig. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Wärme-Kollektorelementes. Dieses modifizierte Element trägt das Bezugszeichen 11 und hat die gleiche Struktur wie das Wärme-Kollektorelement 2 mit der Ausnahme, daß der Bereich 12 für die Aufnahme der Leitungen hier die Form einer geradem/erlaufenden Rille mit kreisbogenförmigem Querschnitt hat und daß esFig. 3 shows a modified embodiment of the heat collector element. This modified element bears the reference numeral 11 and has the same structure as the heat collector element 2 with the exception that the area 12 for receiving the lines here has the shape of a straight / running one Has a groove with a circular arc cross-section and that it
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aus stranggepressten Segmenten 13 zusammengesetzt ist, welche dementsprechend einen anderen Querschnitt haben als die Segmente 6. Im übrigen sind in den Fig. 2 und 3 gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Vor dem Einfügen in das Wärme-Kollektorelement 11 wird die Leitung 3 nach diesem Ausführungsbeispiel mit einem hauptsächlich aus Zink bestehenden Lötmittel überzogen. Die Leitungen 3 werden in die Bereiche 12 von deren offenen Seiten her eingedrückt, und das Ganze wird anschließend erhitzt, wodurch die Leitungen 3 eine Lötverbindung mit den Innenflächen der Bereiche 12 eingehen.is composed of extruded segments 13, which accordingly have a different cross-section than that Segments 6. Otherwise, identical parts are provided with the same reference numerals in FIGS. 2 and 3. Before inserting into the Heat collector element 11 is the line 3 according to this embodiment with a consisting mainly of zinc Solder coated. The lines 3 are pressed into the areas 12 from their open sides, and the whole is then heated, as a result of which the lines 3 enter into a soldered connection with the inner surfaces of the regions 12.
Anstatt die oberen und unteren Enden der Leitungen 3 durch die Köpfe 4 und 5 zu verbinden., kann man auch auch jeweils zwei benachbarte Leitungen 3 über einen U-förmigen Krümmer aneinanderschließen, so daß ein Zick-Zack-Kanal für das Wasser entsteht. Wenn die Bereiche zur Aufnahme der Leitungen die Form einer Rille habeny wie in Fig. 3 gezeigt, läßt sich das Wärme-Kollektorelement aus einer einzigen Aluminiumfcafel herstellen. Ferner kann man - wenn die Bereiche zur Aufnahme der Leitungen rillenförmig sind - anstelle einer Mehrzahl von getrennten Rohren ein einziges zick-zack-förmig verlaufendes Rohr vorsehen, dessen gerade verlaufende Abschnitte parallel im selben Abstand liegen wie die besagten Bereiche 12. Das tafelförmige Wärme-Kollektorelement läßt sich nach der in der US-PS 2 690 002 beschriebenen Technik herstellen.Instead of connecting the upper and lower ends of the lines 3 by the heads 4 and 5, you can also connect two adjacent lines 3 to one another via a U-shaped bend, so that a zigzag channel for the water is created. If the areas for receiving the lines are in the form of a groove y as shown in FIG. 3, the heat collector element can be produced from a single aluminum sheet. 12. The tabular instead of a plurality of separate tubes, a single zig-zag shape extending tube provide the straight sections are parallel at the same distance w i e the said regions - In addition, one can - if the areas for receiving the leads are groove-shaped The heat collector element can be fabricated using the technique described in US Pat. No. 2,690,002.
Es folgen einige Beispiele, wie auf üblichen Aluminiumtafeln erfindungsgemäße Überzüge zur selektiven Absorption von Sonnenwärmeenergie gebildet und auf ihre Selektivität untersucht wurden.Some examples follow, such as coatings according to the invention for the selective absorption of solar thermal energy on conventional aluminum panels were formed and examined for their selectivity.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 20 %igen wässrigen Lösung von Orthophosphorsäure 20 Minuten der anodischen OxidationAn aluminum panel was in a 20% aqueous solution of orthophosphoric acid 20 minutes of anodic oxidation
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2 mit Gleichstrom einer Stromdichte von 1,0 A/dm unterworfen, so daß auf der Tafel eine poröse Oxidschicht gebildet wurde. Die Aluminiumtafel wurde dann 15 Minuten in einer wässrigen Lösung von 30 g/l H3BO3 und 30 g/l NiSO4 · 7H2O bei einer Badtemperatur von 30° C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei wurde Nickel in den Poren des Oxidüberzuges abgeschieden und auf der Oberfläche der Aluminiumtafel eine schwarze Schicht gebildet, die sich zur selektiven Absorption von Sonnenwärmeenergie eignete. Die Untersuchung ergab, daß der Überzug bei 100° C für Sonnenstrahlen ein Absorptionsvermögen« von 0,92 und ein Emmisionsvermögen ζ von 0,10 hatte, was dem Verhältnis <*/6 = 9,2 entspricht. Dieser Wert zeigt an, daß der Überzug eine hohe selektive Absorption für Sonnenwärmeenergie besitzt.2 was subjected to a current density of 1.0 A / dm with direct current so that a porous oxide layer was formed on the board. The aluminum panel was then subjected to AC electrolysis in an aqueous solution of 30 g / l H 3 BO 3 and 30 g / l NiSO 4 · 7H 2 O at a bath temperature of 30 ° C. for 15 minutes. Nickel was deposited in the pores of the oxide coating and a black layer was formed on the surface of the aluminum panel, which was suitable for the selective absorption of solar thermal energy. The investigation showed that the coating had an absorption capacity of 0.92 and an emissivity ζ of 0.10 for solar rays at 100 ° C., which corresponds to the ratio <* / 6 = 9.2. This value indicates that the coating has a high selective absorption for solar thermal energy.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 15 %igen wässrigen Lösung von Orthophosphorsäure 15 Minuten mit einem Gleichstrom einer Stromdichte von 1,5 A/dm anodisch oxidiert, so daß auf der Tafel eine poröse Oxidschicht entstand. Die Aluminiumtafel wurde dann 20 Minuten in einer wässrigen Lösung, die 50 g/l CoSO4 · 7H2O und 25 g/l H3BO3 enthielt, bei einer Badtemperatur von 25° C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei schied sich Cobalt in den Poren der Oxidschicht ab, und es entstand ein schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierte. Der Überzug wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Dabei ergab sich, daß er ein Absorptionsvermögen A von 0,94 und ein Emmisionsvermögen 6 von 0,13 hatte, entsprechend einem Verhältnis o</£ von 7,2. Dieser Wert zeigt an, daß der Überzug eine hohe selektive Absorption für Sonnenwärmeenergie besitzt.An aluminum board was anodized in a 15% aqueous solution of orthophosphoric acid for 15 minutes with a direct current having a current density of 1.5 A / dm, so that a porous oxide layer was formed on the board. The aluminum panel was then subjected to AC electrolysis in an aqueous solution containing 50 g / l CoSO 4 · 7H 2 O and 25 g / l H 3 BO 3 at a bath temperature of 25 ° C. for 20 minutes. Cobalt was deposited in the pores of the oxide layer and a black coating was formed on the surface of the aluminum panel, which selectively absorbed solar heat energy. The coating was tested in the same manner as in Example 1. It was found that it had an absorption capacity A of 0.94 and an emissivity 6 of 0.13, corresponding to a ratio o </ £ of 7.2. This value indicates that the coating has a high selective absorption for solar thermal energy.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 15 %igen wässrigen LösungAn aluminum panel was in a 15% aqueous solution
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von Schwefelsäure 30 Minuten mit Gleichstrom einer Stromdichte von 1,5 A/dm anodisch oxidiert, wobei sich ein etwa 15 ^*- dicker poröser Oxidüberzug auf der Tafel bildete. Die Aluminiumtafel wurde anschließend 10 Minuten in einer wässrigen Lösung mit 30 g/l CuSO4 · 5H3O und 10 g/l H3SO4 bei einer Badtemperaturanodically oxidized by sulfuric acid for 30 minutes with direct current with a current density of 1.5 A / dm, with a porous oxide coating about 15 ^ * - thick forming on the panel. The aluminum panel was then placed in an aqueous solution containing 30 g / l CuSO 4 · 5H 3 O and 10 g / l H 3 SO 4 at a bath temperature for 10 minutes
von 20° C der Elektrolyse mit Wechselstrom mit einer Strom-of 20 ° C of electrolysis with alternating current with a current
2
dichte von 0,3 A/dm unterworfen. Dabei wurde Kupfer in den Poren der Oxidschicht abgeschieden. Es entstand ein ziegelroter
bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierte. Damit dieser
Überzug eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit erhielt, wurde die Tafel noch in üblicher Weise behandelt, um die Poren zu
schließen. Die so mit einem selektiv absorbierenden Überzug versehene Aluminiumtafel wurde dann Anfang April der Bestrahlung
mit Sonnenlicht ausgesetzt. Ein zur Temperaturmessung an der Rückseite der Tafel angebrachtes Thermoelement
ergab als höchste Temperatur 107° C.2
subject to density of 0.3 A / dm. Copper was deposited in the pores of the oxide layer. A brick-red to black coating developed on the surface of the aluminum panel, which selectively absorbed solar heat energy. In order for this coating to have increased corrosion resistance, the panel was treated in the usual way in order to close the pores. The aluminum panel thus provided with a selectively absorbing coating was then exposed to the irradiation with sunlight at the beginning of April. A thermocouple attached to the back of the board to measure the temperature showed the highest temperature 107 ° C.
Zum Vergleich wurde eine Aluminiumtafel nur gemäß dem erstenFor comparison, an aluminum panel was made according to the first one
Verfahrensschritt mit einer Oxidschicht versehen, und die soProcess step provided with an oxide layer, and the so
behandelte Tafel wurde in ähnlicher Weise untersucht. Die höchste Temperatur war hier nur 68° C.treated panel was examined in a similar manner. The highest temperature here was only 68 ° C.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 3 wurde auf einer Aluminiumtafel eine poröse Oxidschicht erzeugt. Die Aluminiumtafel wurde dann 10 Minuten in einer wässrigen Lösung mit 20 g/l NiSO4 · 7H2O und 30 g/l H3BO3 bei einer Badtemperatur von 20 C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei wurde Nickel in den Poren der Oxidschicht abgeschieden. Es entstand ein bronzefarbener bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärme selektiv absorbierte. Die Tafel wurde noch einer Behandlung zum Schließen der Poren unterworfen und anschließend in derselben Weise wie in Beispiel 3 geprüft. Die höchste gemessene Temperatur warIn the same manner as in Example 3, a porous oxide film was formed on an aluminum panel. The aluminum panel was then subjected to AC electrolysis in an aqueous solution containing 20 g / l NiSO 4 · 7H 2 O and 30 g / l H 3 BO 3 at a bath temperature of 20 ° C. for 10 minutes. Nickel was deposited in the pores of the oxide layer. A bronze to black coating developed on the surface of the aluminum panel, which selectively absorbed solar heat. The panel was subjected to another pore-closing treatment and then tested in the same manner as in Example 3. The highest temperature measured was
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104° C.104 ° C.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 3 wurde ein poröser Oxidüberzug auf einer Aluminiumtafel gebildet. Die Aluminiumtafel wurde dann 10 Minuten in einer wässrigen Lösung, die 20 g/l (NH4J3SO4, 30 g/l H3BO3, 50 g/l CoSO4 · 7H3O und 25 g/l NiSO4 · 7H2O enthielt, bei einer Badtemperatür von 20° C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei schieden sich Kobalt und Nickel in den Poren der Oxidschicht ab. Es entstand ein dunkelbrauner bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonner\wärme selektiv absorbierte. Die Tafel wurde noch einer Behandlung zum Schließen der Poren unterworfen und in derselben Weise wie in Beispiel 3 getestet. Die höchste Temperatur war 106° C.In the same manner as in Example 3, a porous oxide coating was formed on an aluminum panel. The aluminum panel was then placed in an aqueous solution containing 20 g / l (NH 4 I 3 SO 4 , 30 g / l H 3 BO 3 , 50 g / l CoSO 4 · 7H 3 O and 25 g / l NiSO 4 · 7H 2 O, subjected to alternating current electrolysis at a bath temperature of 20 ° C. Cobalt and nickel were deposited in the pores of the oxide layer The panel was subjected to another pore-closing treatment and tested in the same manner as in Example 3. The highest temperature was 106 ° C.
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