Projekt 21786/01

Entwicklung einer Normaldruck-Beschichtungstechnologie zur Erzeugung hinreichend dicker anorganischer Schutzschichten auf Aluminium-CPC-Spiegeln für Sonnenkollektoren

Projektträger

Ritter Solar GmbH & Co. KG
Kuchenäcker 1
72135 Dettenhausen
Telefon: 07157-5359-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um die Verbreitung von Vakuumröhren-Sonnenkollektoren zu fördern, müssen deren Herstellkosten bei gleichbleibender oder verbesserter Qualität reduziert werden. Die für die Kollektoren erforderlichen Aluminiumspiegel, die der Witterung ausgesetzt sind, bieten bei Einsatz einer preisgünstigeren Korrosionsschutzbeschichtung Einsparungspotenzial. Mit dem vorliegenden Projekt sollen die technologischen Voraussetzungen für eine alternative Schutzbeschichtung auf Basis eines sehr kostengünstigen, bei Atmosphärendruck arbeitenden CCVD-Verfahrens zur Erzeugung von anorganischen SiOx-Schichten erarbeitet werden. Aus der nach Verfahrenseinführung zu erwartenden verstärkten Nutzung von Kollektoren mit Aluminiumspiegeln, vor allem für ökologische Heizsysteme, berechnet sich in den ersten 5 Jahren eine Verminderung des CO2-Ausstoßes um ca. 110.000 to.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung der Beschichtungstechnologie soll in mehreren aufeinanderfolgenden Teilschritten statt-finden.
- Entwicklung der SiOx-CCVD-Beschichtung mit spezifischen Eigenschaften (Korrossionsbeständigkeit und Reflexionsvermögen) und des Herstellungsverfahrens;
- Entwicklung einer geometrieangepassten CCVD-Beschichtungshardware für das Aluminium-Profilspiegelblech (Beschichtung von nicht ebenen Oberflächen);
- Bau einer Pilotanlage für die Herstellung der CCVD-Beschichtung von Aluminium-Profilspiegelblech unter industrienahen Produktionsbedingungen;
- Optimierung der Spiegelreflexion durch Interferenzeffekte.
Begleitet wird die Entwicklung von Materialprüfungen wie Outdoor-, Klimakammer- und Salzsprühtests, Reflexionsmessungen, Untersuchung von Betauungs- und Verschmutzungsverhalten etc.
Beteiligte Firmen / Institute und deren Aufgaben: Ritter Solar (Anlagenentwicklung), Paradigma (Projektkoordination), Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme (optische Messungen, Prüfungen), INNOVENT (CCVD-Verfahrensentwicklung) und SURA Instruments (CCVD-Equipment).


Ergebnisse und Diskussion

Es wurde eine Pilotanlage aufgebaut und mit Hilfe der gewonnen Erfahrung so modifiziert, dass eine Pilotfertigung von 120 CPC-Spiegelblechen erfolgen konnte. In der mit einem Vorwärmbrenner, drei 3-fach-Brennern und einer In-line Qualitätskontrolle ausgestatteten Anlage ist es möglich, CPC-Spiegelbleche durch Anwendung eines Atmosphärendruckverfahrens mit einer SiOx-basierten Korrosionsschutzschicht zu versehen. Dabei sind drei Anlagendurchläufe, also 9 Brennerdurchläufe, erforderlich, um eine Schicht abzuscheiden, die im spezifizierten Salzwasserkochtest einen ausreichenden Schutz bietet.
Wesentliche Einstellparameter sind die Brennerleistung, gesteuert über das zugeführte Brenngas-/Luftverhältnis, die Blechtemperatur und die Silandosierung. Insbesondere die Temperatur desAluminiumbleches spielt eine entscheidende Rolle in dem Beschichtungsprozess. Optimale Ergebnisse hinsichtlich Beständigkeit in den Kochtests, bei der Reflexion und im visuellen Eindruck (Färbung, Homogenität) werden nur in einem relativ schmalen Temperaturfenster von etwa 110°C bis 130°C, maximal bis 150°C, erzielt. Zu niedrige Temperaturen führen zu teils trüben Schichten, die auf jeden Fall keinen ausreichenden Schutz bieten, zu hohe Temperaturen führen zur Verformung der Bleche.
Die Untersuchung an verschiedenen Spiegelsubstraten für die Beschichtung ergab eindeutige Vorteile für eine Blechsorte mit dünner Eloxalschicht. Durch die konstruktive Interferenz der Aluminiumoxidschicht und der pyrolitisch aufgebrachten Siliziumoxidschicht wurde eine Erhöhung der solaren hemisphärischen Reflexionswerte erzielt. Außerdem zeigten diese Bleche eindeutig bessere Beschichtungseigenschaften hinsichtlich der Homogenität und visuellen Farbwirkung sowie in den Belastungstests.
Die nachfolgend aufgelisteten Ziele an die beschichteten Spiegel wurden erreicht:
· Zielschichtdicke für ausreichenden Korrosionsschutz 100 - 200 nm
· solare hemisphärische Reflexion des beschichteten Blechs > 85%
· solare diffuse Reflexion des beschichteten Blechs < 5%
· hydrophile Oberfläche
· geringe Betauung/Bereifung durch minimale Wärmeemission
· Beständigkeit NaCl-Kochtest: 72 h (10%ige NaCl-Lösung in ention. Wasser bei 96°C, relative Ver-minderung der sol. hem. Reflexion < 5 %)
· Beständigkeit Salzsprühtest nach DIN50021: 500 h (relative Verminderung der sol. hem. Reflexion < 5 %)
Die Verifizierung der Beständigkeit der Spiegel unter realen Einsatzbedingungen steht noch aus. Durch Feldtestanlagen an diversen Standorten auch mit Extremklima soll dieser Nachweis erbracht werden. Aussagekräftige Ergebnisse sind aber frühestens nach 1 bis 2 Jahren zu erwarten. Das Produktionsverfahren selbst erfüllt die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das entwickelte Verfahren steht in der engeren Wahl für eine industrielle Spiegelbeschichtungsanlage. Nach Fertigstellung einer möglichen Produktionsanlage würde die Technologie in die Serienfertigung einfließen und als Produkt auf dem freien Markt erhältlich sein. In diesem Zusammenhang sind dann auch Veröffentlichungen in den einschlägigen Fachzeitschriften sowie die Präsentation auf Messen und Symposien zu erwarten.


Fazit

Die Beschichtung erfüllt die optischen Anforderungen und die Korrosionsbeständigkeit gemäß den festgelegten Kriterien des Schnelltests. Erste Ergebnisse aus outdoor-Tests zeigen aber, dass die Schicht gegen alkalische Angriffe noch nicht genügend stabil ist. Eine zusätzliche Schicht aus TiO2, die ebenfalls in einem atmosphärischen Verfahren aufgebracht werden kann, könnte dieses Problem lösen. Hierzu sind weitere Entwicklungsarbeiten und Erfahrungen mit exponierten Spiegeln notwendig.