Selektivität
Solarspektrum:
Die Sonne liefert uns ihre Energie in Form eines Gemisches elektromagnetischer Wellen. Die meiste Energie wird von Wellen mittlerer Länge transportiert, die für das menschliche Auge sichtbar sind. Ein geringerer Anteil der Energie wird durch unsichtbare kurzwellige (Ultraviolett) bzw. langwellige Strahlung (Infrarot- bzw. Wärmestrahlung ) transportiert.
Das ""Solarspektrum"" (siehe Grafik) veranschaulicht den Anteil der Energie, der durch die verschieden langen Wellen transportiert wird. Die gesamte Fläche unter der Kurve ergibt die Summe der Strahlungsleistung, die auf der Erdoberfläche ankommt: ~1000W/m²
Selektiver Absorber:
Die Aufgabe eines Solarbarsorbers ist die maximale Aufnahme (Absorption) der Solarstrahlung. Besonders geeignet sind hierfür schwarze Flächen. Sie sind in der Lage fast die gesamte Solarstrahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln.
Der Nachteil: Die heiß werdende Absorberfläche fängt ihrerseits an Energie als Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) abzustrahlen. Etwa 50% der absorbierten Energie gehen so wieder verloren!
Um den Verlust durch Wärmestrahlung zu reduzieren, nutzt man den Umstand aus, dass 99% der Solarstrahlungsenergie in einem Wellenlängenbereich unterhalb von 2,5µm liegt, während 99% der Wärmestrahlung einer 100°C warmen Fläche (maximale Arbeitstemperatur eines Warmwasser Kollektors) oberhalb dieser charakteristischen Wellenlänge ( l cut off = 2,5µm) abgestrahlt wird.
Der Schichtaufbau "selektiver"-Absorber nutzt diesen Umstand mit dem Ergebnis vielfach reduzierter Strahlungsverluste, verglichen mit einer schwarzen Fläche.
Idealer selektiver Absorber:
Der ideale Solarabsorber muss folgende Bedingungen erfüllen:
Größtmögliche Absorption der Solarstrahlung im Bereich unterhalb von 2,5µm.
Minimale Abstrahlung (Emission) von Wärmestrahlung oberhalb von 2,5µm.
Nach einem physikalischen Gesetz (Kirchhoffsches Gesetz) ist die Emission einer Fläche bei einer bestimmten Wellenlänge hoch, wenn die Fläche auch ein guter Absorber für diese Wellelänge ist. Umgekehrt ist die Emission bei einer bestimmten Wellenlänge klein, wenn die Fläche diese Wellenlänge gut reflektiert, d. h. wenn die Fläche ein Spiegel ist.
Somit sollte der Ideale Absorber im Bereich unterhalb von 2,5µm keine Strahlung reflektieren (d. h. sämtliche Strahlung absorbieren) und im Bereich oberhalb von 2,5µm 100% der Strahlung reflektieren: Er muss zwischen den Wellenlängen ober- und unterhalb von l cut off "selektieren". In der Zeichnung gibt die grüne Kurve das Reflexionsspektrum eines solchen idealen Absorbers wieder.
Der hochselektive TiNOX Absorber:
Als hochselektiv wird ein Solarabsorber bezeichnet, der ein Reflexionsspektrum besitzt, das dem Verlauf des idealen Absorbers sehr nah kommt. In der Zeichnung ist das Reflexionsspektrum des TiNOX-Absorbers eingezeichnet. Man erkennt, dass es fast dem Spektrum des idealen Absorbers entspricht.
Solarer Absorptionsgrad:
Als solarer Absorptionsgrad (a sol) wird der Anteil der Solarstrahlung bezeichnet, die von einer Absorberfläche aufgenommen wird. In der Zeichnung ist die vom TiNOX-Absorber aufgenommene Solarstrahlung (lila Fläche) eingezeichnet. Dies entspricht 95% der von der Sonne eingestrahlten Leistung (Fläche unter dem Solarspektrum (rote Kurve)).
Emmisionsgrad:
Die von der TiNOX-Oberfläche bei einer Absorbertemperatur von 100°C abgestrahlte Wärmestrahlung erhält man, wenn man die Emission einer bestimmten Wellenlänge (1-Reflexion) mit der Wärmestrahlung einer ideal schwarzen Fläche multipliziert. Das Flächenverhältnis unter den beiden Kurven gibt den Emissionsgrad bei 100°C an.
Für TiNOX erhält man den extrem niedrigen Wert von e < 5%.
TiNOX Leistungsvorteil:
Die hohe Selektivität der TiNOX Schicht wird durch den Vergleich mit der Strahlungsbilanz einer schwarzen Fläche deutlich:
Die absorbierte Solarstrahlungsenergie ist vergleichbar mit der von einer schwarzen Fläche absorbierten Strahlung.
Im Vergleich zu einer schwarzen Fläche sind die Strahlungsverluste durch Wärmestrahlung signifikant geringer.
TiNOX ist eine Energiefalle:
95% der eingestrahlten Solarstrahlung werden von der TiNOX Beschichtung absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie kann den TiNOX Absorber aber nur als Wärmestrahlung verlassen, was durch die extrem niedrige Emission von kleiner 5% im Infraroten verhindert. Einmal in Wärme umgewandelt, bleibt die Energie im TiNOX-Absorber gefangen.
Wichtig für eine hohe Leistung einer Absorberschicht ist daher ein möglichst großer Absorptionsgrad im Bereich der Solarstrahlung und ein möglichst geringer Emissionsgrad im Bereich der Wärmestrahlung.
α = 95%
ε < 5%
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