Messverfahren zur optischen Charakterisierung von

Messverfahren zur optischen Charakterisierung
von Spiegelmaterialien für CSP
Stephanie Meyen*, Eckhard Lüpfert, Johannes Pernpeintner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V.,
Institut für Technische Thermodynamik, Solarforschung,
Linder Höhe, 51147 Köln
Zusammenfassung
Um in Zukunft den Kraftwerksbauern und Anbietern von Reflektormaterial für die konzentrierende Solartechnik
unabhängige, standardisierte Prüfverfahren zur Bewertung der Materialqualität zur Verfügung zu stellen, wurde
ein Verfahren entwickelt, um die optischen Eigenschaften dieser Materialien zuverlässig zu messen. Dabei wurden aussagekräftige Kennzahlen und die nötigen Messmethoden für deren Bestimmung festgelegt. Die Ergebnisse der Messung verschiedener Spiegelproben ermöglichen eine Unterscheidung der Charakteristika.
1 Einführung und Ziele
Mit der Markteinführung der konzentrierenden Solartechnologie (CSP) wächst die Zahl der Industrieunternehmen, die einzelne Solarkraftwerkskomponenten bereitstellen und dabei auch neue Herstellungsverfahren und
Materialien einführen. Eine der Schlüsselkomponenten stellt der Kollektorspiegel dar, an den hohe Ansprüche in
Bezug auf seine Reflexionseigenschaften gestellt werden, um eine maximale Ausnutzung der Solareinstrahlung
auch nach jahrelanger Einwirkung von Umwelteinflüssen zu erreichen. Um vergleichende Aussagen über Qualität
und Leistungspotenzial der Materialien machen zu können, werden unabhängige, standardisierte Prüfverfahren
und Kennzahlen benötigt, die sowohl Anbietern als auch Käufern zuverlässige Daten liefern. Mit diesem Ziel
wurde ein Messverfahren ausgearbeitet, das durch die Kombination von verschiedenen Instrumenten aussagekräftige und reproduzierbare Werte der für die konzentrierende Solartechnologie relevanten optischen Eigenschaften von Spiegelmaterialien liefert. Außerdem wurde eine Methode getestet, um die Stabilität der Oberflächen gegen mechanische Belastung zu prüfen und damit die Beständigkeit der gemessenen optischen Parameter
abzuschätzen. Verschiedene Reflektorproben (Glasspiegel, Aluminiumband, Polymerfolie) wurden in einen Vergleich einbezogen.
2 Definition der Kennzahlen
1,0
0,01
0,9
0,009
0,8
0,008
0,7
0,007
0,6
0,006
0,5
0,005
Glas-Spiegel ρSWH=0.94
Polymerfolie ρSWH=0.92
Aluminiumband ρSWH=0.87
Solar Norm G173
0,4
0,3
0,004
0,003
0,2
0,002
0,1
0,001
0,0
250
500
750
1000
1250
1500
Wellenlänge [nm]
1750
2000
2250
Relative Intensität Solareinstrahlung
Rhem,λ
Zunächst liefert die hemisphärische Reflexion spektrale Informationen über das Spiegelmaterial. Da es für die
Qualität eines Kollektorspiegels außerdem auf den Anteil der Solareinstrahlung ankommt, der auf den Receiver
konzentriert wird, beziehen sich wichtige Kenngrößen auf die gerichteten Reflexionseigenschaften der Probenoberfläche.
0
2500
Bild 1: Hemisphärische Reflexionsspektren verschiedener Materialien.
* Korrespondenzautor: Tel.: +49 2203 601 3214; Fax: +49 2203 601 4141; e-mail: [email protected]
Solar gewichteter, hemisphärischer Reflexionsgrad ρSWH: Der spektral aufgelöste, hemisphärische Reflexionsgrad ρhem,λ der Spiegelprobe wird, im solartechnisch relevanten Spektralbereich von 250–2500 nm, mit einem
Spektrometer mit Integrationskugel bestimmt (Bild 1). Als erste Kennzahl gilt der solar gewichtete, hemisphärische Reflexionsgrad ρSWH, welcher sich aus der Faltung des gemessenen Reflexionsspektrums mit dem Spektrum
der solaren Direkteinstrahlung für air mass AM 1.5 (in Europa und Nordamerika) nach der aktuellen Norm ASTM
G173-03 [1] ergibt. Verbreitet ist auch die Anwendung des globalen Spektrums nach ISO 9050, das wegen des
höheren Anteils im Blau und UV je nach Material zu Unterschieden im Zahlenwert führt.
Solar gewichteter, direkter Reflexionsgrad ρSWD: Der direkte
Reflexionsgrad ρdirect wird mit einem Reflektometer bei einer Wellenlänge
von 660 nm, innerhalb eines Akzeptanzwinkels von 25 mrad um die
perfekt gerichtete Reflexion gemessen. In Verbindung mit ρSWH wird
daraus der zweite und wichtigste Parameter, der solar gewichtete, direkte
Reflexionsgrad ρSWD berechnet. Es handelt sich um die sinnvolle Wahl einer
zur Verfügung stehenden und relativ verbreiteten Messmethode. Andere
standardisierte Methoden haben sich bisher nicht bewährt.
Winkel der Strahlaufweitung α: In einem neuen Kamera-Messsystem
wird die Strahlaufweitung der gerichteten Reflexion an nicht ideal
glänzenden Oberflächen (z.B. Aluminiumband) abgebildet und daraus die
Standardabweichung des Aufweitungswinkels α (Einheit mrad) zur
Bild 2: Strahlaufweitung bei
Flächennormalen ermittelt (Bild 2). Für glänzende Glasspiegel ist die
Aluminiumband.
Auflösung der minimalen Aufweitung des Strahls nicht messbar.
Reduzierter Reflexionsgrad ρhem,r & ρdirect,r: Um mechanische Alterungsmechanismen durch Abrieb und Kratzen, wie z.B. Reinigungsarbeiten und Sandstürme, zu simulieren, wird mit einem Abrasionsgerät die Spiegeloberfläche kontrolliert degradiert (angelehnt an DIN ISO 9211-4 [2] ). Der reduzierte, hemisphärische Reflexionsgrad
ρhem,r und der reduzierte, direkte Reflexionsgrad ρdirect,r werden aus dem Verhältnis der entsprechenden Messwerte an den durch das Reiben beschädigten Stellen und an unbeschädigten Referenzstellen der Probe bestimmt
(Bild 3).
Aluminiumband
100
Reduzierte Reflektivität in %
Reduzierte Reflektivität in %
Glas Spiegel
80
60
40
20
ρdirect,r
100
80
60
40
ρdirect,r
ρhem,r
20
0
0
1
10
100
1000
10000
100000
Zyklen
1
10
100
1000
Zyklen
10000
100000
Bild 3: Reduzierte Reflektivität im Vergleich für Glas und Aluminiumband.
3 Diskussion
Die Ergebnisse von Messungen an verschiedenen Reflektorproben bestätigen die Überlegenheit von GlasSilberspiegeln in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften. Sie erreichen wegen des hohen solar gewichteten Reflexionsgrades des Silbers und der hervorragenden Qualität der gerichteten Reflexion mit kaum messbarer Streuung oder Strahlaufweitung den größtmöglichen Anteil an konzentrierbarem Sonnenlicht. Außerdem bestätigte
der Abrasionstest die gute mechanische Widerstandsfähigkeit der Glasfläche, so dass sowohl ρSWH als auch ρSWD
kaum beeinträchtigt werden. Bei Aluminiumband und auch Polymeren dagegen führen Reflexionsverluste aufgrund von Streuung an Mikrostrukturen, zu um bis zu 7 Prozentpunkte geringeren direkten Reflexionswerten im
Vergleich zu hemisphärischen Werten. Dadurch wird auch das gerichtet reflektierte Licht um 1-3 mrad (Winkel
zur Flächennormalen) aufgeweitet. Im Abrasionstest verschlechtert sich die gerichtete Reflektivität ρSWD von Aluminium- und Polymermaterialien deutlich (Bild 3).
4 Zusammenfassung und Ausblick
Verschiedene optische Messinstrumente und –methoden wurden zu einem für Reflektormaterial der konzentrierenden Solartechnik ausgelegten Messverfahren kombiniert. Für die quantitative Beurteilung von Spiegeln hat
sich der solar gewichtete, direkte Reflexionsgrad ρSWD bei 25 mrad Akzeptanzwinkel bewährt. Die entwickelte
Methode für die mechanische Beständigkeit von Spiegeloberflächen lässt sich noch nicht direkt auf reale Um-
welteinflüsse übertragen, sondern ermöglicht bisher den relativen Vergleich von Materialien. Das Messverfahren
wird soweit festgelegt, dass es auch in anderen Labors durchführbar ist und somit zukünftig die Vergleichbarkeit
von Ergebnissen erleichtert.
Die Entwicklungen wurden vom Bundesumweltministerium im Rahmen des Projektes QUARZ-CSP (FKz
03UM0095) finanziell gefördert.
Literatur
[1]
ASTM G173-03, Terrestrial Reference Spectra for Photovoltaic Performance Evaluation, American Socienty for
Testing and Materials (2003).
[2]
DIN ISO 9211-4, Optics and Optical Instruments – Optical Coatings - Part 4: Specific test methods, Beuth Verlag GmbH, Berlin (2006).