Solare Absorberschichten für Kollektoren auf dem Prüfstand

Die Testverfahren wurden in einem von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) geförderten Projekt eingesetzt, in dem die Fraunhofer Institute FEP und IST sowie die BlueTec GmbH und Co KG Korrosionsschutzschichten für blaue Absorber entwickelt haben. Umfangreiche Tests belegen, dass diese Schutzschichten die Korrosionsbeständigkeit blauer Absorberschichten auch unter extrem harten Anforderungen deutlich verbessern (Abb. 52 und Abb. 53). Der klassische Task-10-Test dagegen wird auch ohne Schutzschicht bestanden und kann diesen Qualitätsunterschied im Gegensatz zu unserem Korrosionstest nicht verdeutlichen.

Die Durchführbarkeit der SO₂- und NO_x-Belastungstests in feuchter Atmosphäre mittels einer Sprühnebelkammer beruht auf der Tatsache, dass sich diese Gase sehr schnell in Wasser als schwefelige bzw. salpetrige Säure lösen und mit dem Sauerstoff der Umgebung zu Schwefel- bzw. Salpetersäure oxidiert werden. Anstatt Klimageräte mit aufwendiger Gasdosierung und -sicherheitstechnik einzusetzen, versprühen wir die Säuren in einer Konzentration, die den Mengen der Gase einer Norm entsprechen.

Um Entwicklern selektiver Beschichtungen und neuer Kollektorkonzepte angepasste Prüfungen anbieten zu können, wurden über den in der Branche üblichen Temperatur- und Kondenswasser-Belastungstest (Task 10) hinausgehend chemische Belastungstests am ISFH eingeführt. Uns lag daran, sowohl chemische Belastungen unterschiedlicher Art in Testverfahren abbilden zu können, als auch dem berechtigtem Anspruch der Industrie nach einem kostengünstigen, in eine Norm überführbaren Prüfverfahren gerecht werden zu können. Wir haben uns daher an normativen Testverfahren für den Korrosionsschutz und Prüfungen für beschichtete Gläser im Bauwesen orientiert, und diese so modifiziert, dass der Salzsprühnebeltest nach DIN 50021, der Säuresprühnebeltest nach DIN 50021SS, sowie SO₂- und NO_x-Belastungstests bei kondensierender Feuchte – in einer der EN 1096-2 äquivalenten Form – kostengünstig in einem Gerät durchgeführt werden können (Abb. 50 und Abb. 51).

Mit der Arbeitsgruppe Thermische Materialien verfügt das ISFH neben seiner von der DIN CERTCO GmbH zertifizierten Kollektorprüfstelle seit Anfang 2008 über die Möglichkeit, die Qualität selektiver Absorberschichten hinsichtlich ihrer Alterungsbeständigkeit zu prüfen.

Selektive Schichten absorbieren im Spektralbereich der Sonne bis 2500 nm etwa 95% der Energie. Dagegen reflektieren sie die Strahlung weitgehend (Abb. 49) im Wellenlängenbereich über 2500 nm. Diese Eigenschaft führt dazu, dass der Absorber bei Erwärmung nur geringe Verluste durch Wärmestrahlung erfährt. Die solare Absorption soll möglichst hoch, die thermische Emission möglichst niedrig sein, und sie soll für die Lebensdauer des Kollektors von 25 Jahren am besten unverändert bleiben. Optische Parameter, die sich aus dem Reflexionsspektrum berechnen, bilden somit die Bewertungskriterien für alle Beständigkeitstests solarer Absorber. Hinzu kommen noch Prüfungen der Haftfestigkeit dieser Schichten.1994 entwickelten drei europäische Forschungseinrichtungen im Programm Task 10, Solar Heating and Cooling der Internationalen Energie-Agentur (IEA) beschleunigte Alterungstests für einfach verglaste Flach-Kollektoren. 2004 modifizierten sie am Task-10-Verfahren den Temperatur-Belastungstest, weil mit dem Aufkommen hochwertiger, mittels PE-CVD- und PVD-Techniken hergestellter Absorberschichten, sowie dem Einsatz von Anti-Reflexbeschichtungen für die Kollektorglasabdeckung höhere Temperaturen und damit größere Materialbelastungen auftraten. Das ISFH bietet nicht nur diesen "Task-10-Test" in seiner aktuellen Version an, sondern bringt für neue Entwicklungen chemische Beständigkeitstests zum Einsatz, um die Eignung für besondere Umweltbedingungen zu prüfen.

Neben dieser Minimal-Anforderung an einen praxistauglichen Absorber für Flach-Kollektoren stellt sich die Frage nach der Alterungsbeständigkeit der Beschichtung für neue Kollektor-Entwicklungen oder – im Zeitalter globaler Vermarktung – für Einsatzgebiete mit besonderer Klima- und Umweltbelastung wieder neu. Für Kollektoren an küstennahen Standorten ist mit erhöhter Belastung durch Salze, nahe den Ballungsräumen mit erhöhter Belastung durch Stickoxide und Schwefeloxide zu rechnen. Für unverglaste Fassaden-Kollektoren können diese Materialanforderungen wegen des ungehinderten Feuchte- und Spritzwasser-Zutritts besonders hoch sein. Mit der Entwicklung von Kollektoren mit Doppelverglasung sowie dem Trend zur Heizung unterstützenden, und damit größer dimensionierten Solar-Anlage werden die Materialanforderungen erneut steigen, insbesondere weil der so genannte Stagnationsfall häufiger und heftiger auftritt, als es im aktuellen Task-10-Test berücksichtigt werden konnte. Mit Stagnation wird der häufig im Sommer auftretende Fall bezeichnet, wenn die durch intensive Einstrahlung erzeugte Solarenergie nicht genutzt wird und dadurch die Absorberfläche nach Verdampfen des Kühlmediums Temperaturen von bis zu 230°C ausgesetzt ist.