Passive Mechanismen in der Solarenergie - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 251

4.6 Selektive Absorber

4.6.1 Anforderungen an einen selektiven Absorber

Im Absorber wird die kurzwellige Solarstrahlung in langwellige Wärmestrahlung umge-
wandelt, deshalb soll das Absorptionsvermögen α möglichst groß sein. Ideal wäre hier ein
schwarzer Körper (α = 1). Stoffe mit einem großen Absorptionsvermögen haben jedoch
wiederum den Nachteil, dass sie auch entsprechend hohe Emissionszahlen ε aufweisen
und daher viel Energie an die Umgebung abstrahlen, das heißt der Absorption (α) folgt
also auch die Emission (ε). Beide Größen Absorption und Emission sind aber stark wellen-
längenabhängig.
Beispielsweise ergeben sich für Fensterglas die in Tab. 4.18 dargestellten Werte der Ab-
sorption ( α ) und Emission (ε) im sichtbaren Bereich (Index „ s “) und im Infrarot-Bereich
(Index „ IR “). Die Transmission der Gläser beträgt im Infrarot nahezu null. Durch gezielte
Beschichtung des Glases mit Indium- oder Zinkoxid lässt sich die Reflexion im Infraroten
nachhaltig erhöhen. Diese Maßnahme stellt eine konstruktive Option zur Reduktion des
Strahlungswärmeverlusts im Verbund Glas und Absorber bei Hochtemperaturanwendun-
gen dar.
In der Realität sind α und ε wellenlängenabhängig. Dies ist jedoch bei den meisten
gängigen Materialien wie zum Beispiel bei schwarz lackiertem Blech oder Fensterglas ver-
nachlässigbar und sie sind somit für einen effizienten Absorber denkbar ungeeignet.
Für einen effizienten Absorber müssen daher selektive Absorberschichten entwickelt
werden, bei denen man sich diese Wellenlängenabhängigkeit zunutze macht. Sie müssen im
sichtbaren Bereich ein hohes Absorptionsvermögen ( α s →1) besitzen im IR-Bereich jedoch
ein geringes Emissionsvermögen ( ε IR →0). Definiert man einen α s /ε IR -Koeffizienten (siehe
auch Gl. 4.167), dann ist dieser Wert für die genannten selektiven Absorber besonders groß;
deshalb werden diese Schichten auch α/ε-Schichten genannt. Es muss nochmals betont wer-
den: Für einen selektiven Absorber gilt das Kirchhoff  sche Gesetz nicht, da dieses α = ε fordert.
Da der zentraler Bestandteil eines jeden Solarkollektors der Empfänger (Receiver) mit
einem Absorberrohr ist, das die Solarstrahlung absorbiert und an das durchströmende
Wärmeträgermedium - Luft, aber meist Wasser oder aber auch Dampf oder Thermoöl
- überträgt, ist hier eine besonders hohe Effizienz erforderlich. Um bei einer möglichst
hohen Absorption der Solarstrahlung die Verluste durch Wärmestrahlung zu minimie-
ren, müssen die Absorberrohre selektiv beschichtet werden, damit ein vernünftiger Ge-
samtwirkungsgrad der solarthermischen Anlage erzielbar ist. Wegen der zunehmenden
Überlappung des solaren Spektrums mit dem der Wärmestrahlungsspektren insbesondere
mit steigender Absorbertemperatur können α und ε nicht mehr unabhängig voneinander
optimiert werden. Bei hohen Konzenrationsverhältnissen ( k ) muss daher zu Gunsten der
Optimierung des Absorptionskoeffizienten α entschieden werden, da sich die Wärmever-
luste wegen der verkleinerten Absorberflächen konstruktiv leichter in den Griff bekom-
men lassen.