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Sputteranlage im ISFH: Die Beschichtung der Glassubstrate mit Low-e Schichten im Labormaßstab unterscheidet sich nicht grundsätzlich von den Verfahren der Glasindustrie.
© ISFH
Experten-Interview
02.07.2010

Fensteröffner für effizientere Flachkollektoren

Mit niedrig emittierenden Schichten verbesserten die Fensterhersteller in den letzten Jahren die Wärmedämmung ihrer Verglasungen. Im Gegensatz dazu optimieren bei Solargläsern spezielle Glassorten und reflexionsmindernde Schichten die Lichtdurchlässigkeit. Wissenschaftler am Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) führen diese beiden Prinzipien nun zusammen. Nicole Ehrmann und Sebastian Föste untersuchen wie Flachkollektoren zur solaren Wärmegewinnung von einer Low-e Schicht profitieren können.

Frau Ehrmann, Low-e Schichten sind im Fensterbereich bereits seit 15 Jahren Standard. Warum hat die Solarthermieforschung das Thema erst jetzt für sich entdeckt?

Ehrmann: Während es beim Fenster im Wesentlichen auf eine Minimierung der Wärmeverluste bei ausreichender Lichttransmission ankommt, ist im Sonnenkollektor eine sehr hohe Transmission der gesamten Sonnenstrahlung erforderlich. Wenn man eine heute übliche 2- Scheiben- Architekturverglasung in einen Sonnenkollektor einsetzte, würde sich ein optischer Wirkungsgrad von etwa 50% ergeben, während bei Standard-Flachkollektoren etwa 85% erreicht werden. Die solare Strahlungstransmission insbesondere der Low-e-Schicht reicht also nicht aus, hier müssen spezielle Schichten entwickelt werden.

Isolierverglasungen im Kollektor werden deutlich höher belastet als solche in Fenstern. Wesentlich ist dabei die erhöhte Temperatur im Betrieb und in Stagnationsphasen. Beim Kollektor werden immerhin Maximaltemperaturen auf der unteren Low-e beschichteten Scheibe von 150°C erreicht. Das führt dazu, dass man die Alterungseffekte und die thermomechanischen Belastungen, die sich infolge eines Druckanstieges im Glaszwischenraum einstellen in der Konstruktion und durch geeignete Materialwahl berücksichtigen muss. Daher liegt ein Schwerpunkt unserer Arbeiten auf der Untersuchung der Langzeit-Gebrauchstauglichkeit.

Was unterscheidet niedrig emittierende Beschichtungen für Kollektorverglasungen von denen für Fensterverglasungen?

Ehrmann: Bei Low-e Schichten für Fensterverglasungen ist der wichtigste Aspekt ein möglichst geringer Emissionsgrad, damit der Transport von Wärmestrahlung im Scheibenzwischenraum weitestgehend unterdrückt wird. Eine hohe Durchlässigkeit für auftreffende Sonnenstrahlung strebt man in der Regel nur für den sichtbaren Wellenlängenbereich an.

Für den Einsatz von Low-e Schichten in Kollektorverglasungen ist es hingegen von höchster Bedeutung, einen hohen Energieeintrag in den Kollektor zu erhalten. Die Anforderungen an einen niedrigen Emissionsgrad sind im Vergleich zur Fensterverglasung geringer, da die Wärmeverlustpfade bei Kollektoren komplexer sind. Hier ist ein Wert für die Emissivität von 25% durchaus akzeptabel, während bei Fenstern etwa 5% üblich sind.

Unverzichtbar ist die Temperaturstabilität, wünschenswert ist zudem eine Beständigkeit gegen Feuchtebelastung. Um all diese Anforderungen zu erfüllen, entwickeln wir ein Mehrschichtsystem, dessen Low-e Schicht auf einem sogenannten TCO-Material ( transparent leitfähiges Oxid; BINE-Redaktion) basiert. Nach dem derzeitigen Entwicklungsstand erreichen wir einen solaren Transmissionsgrad von 85% bei einem Emissionsgrad von 30%.

Herr Föste, erzählen Sie doch mal aus Ihrem Forschungsalltag: An welchem Problem arbeiten Sie aktuell?

Föste: Da die Gebrauchstauglichkeit der Verglasungen die Voraussetzung für eine Anwendung im Kollektor ist, liegt hier ein Schwerpunkt meiner Arbeit. So betreiben wir verschiedene Teststände im Labor und Outdoor, um Temperatur, UV- und Feuchtebelastungen wie auch thermomechanische Beanspruchungen aufzubringen und deren Auswirkungen in weiteren Analyseversuchen zu messen.

Für die Konstruktion ist zudem der Wärmetransport im Kollektor von Bedeutung. Hierzu gehen wir Fragen nach dem Füllgas, den optimalen Abständen und der Wirkung von Wärmebrücken mit Hilfe von Messungen und Simulationen nach.

Gibt es bereits marktfähige Beschichtungsanlagen, um die von Ihnen eingesetzten transparent leitfähigen Oxide aufzutragen?

Föste: Die von uns entwickelten Low-e Schichten produzieren wir derzeit nur im Labormaßstab, das heißt auf einem Glassubstrat von 10 cm mal 10 cm. Die Beschichtung erfolgt mittels reaktivem und nicht reaktivem Sputtern. Diese Verfahren werden in der Glasindustrie großtechnisch eingesetzt. Ein Transfer unserer Schicht vom Labor in den Industriemaßstab ist daher möglich, ohne dass völlig neue Anlagentypen entwickelt werden müssen.

Doppelverglaste Flachkollektoren mit Edelgasfüllung und Vierfach-Antireflexbeschichtung kann man bereits kaufen. Diese sind hocheffizient – aber auch teuer. Wie schätzen Sie die Wirtschaftlichkeit der von Ihnen entwickelten Prototypen ein?

Föste: Wir werden höhere Kosten im Vergleich zum einfachverglasten Flachkollektor insbesondere durch die zweite Glasscheibe, die Beschichtung und den Randverbund bekommen. Allerdings erwarten wir, unterhalb der Kosten für Vakuumröhrenkollektoren zu landen. Auf der Ertragsseite sehen wir uns ebenfalls zwischen Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor, wenn man den angestrebten Temperaturbereich von über 80°C betrachtet.

Tatsächlich zu erwartende Kosten können natürlich nur in Verbindung mit existierenden Fertigungsanlagen ermittelt werden. Diese Zahlen liegen noch nicht vor.

Industrieunternehmer oder Häuslebauer: Für wen ist ein Flachkollektor mit selektiv beschichteter Hochleistungsverglasung gedacht?

Föste: Grundsätzlich für beide. Ein großes Potential sehen wir in Anwendungen im Prozesswärmebereich bis etwa 120°C und für die solare Klimatisierung. Bei der solaren Heizungsunterstützung mit hohem solaren Deckungsanteil spielt nicht die hohe Betriebstemperatur, sondern der erwartete Ertragsvorteil im Winter die wesentliche Rolle.

Weitere Informationen

Das Bundesumweltministerium fördert das Projekt „Grundlagen für selektiv beschichtete Hochleistungsverglasungen für Flachkollektoren“ im Rahmen des Programms Solarthermie2000plus. Beim ISFH erhalten Interessenten weitere Informationen.

Kontakt

ISFH - Institut für Solarenergieforschung Hameln
Dipl.-Ing. Sebastian Föste
Am Ohrberg 1
31860 Emmerthal
Tel. 05151-999-506
eMail: foeste(at)isfh.de

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