TY - THES

T1 - Optische und mechanische Charakterisierung des Alterungsverhaltens von Materialien für die Anwendung in konzentrierenden Solarkollektoren

AU - Ottersböck, Bettina

N1 - gesperrt bis 01-03-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Die wachsende Nachfrage an Energie und die Emission von Schadstoffen in unserer Atmosphäre sind Gründe, weshalb regenerative Energiequellen in der heutigen Zeit immer bedeutsamer werden. Als eine dieser Energiequellen bietet die Sonne ein enormes Potential. Um diese Energieform relativ kostengünstig und groß-skaliert nutzbar zu machen, werden solarthermische Kraftwerke verwendet. Dabei stellen pneumatisch vorgespannte Konzentratoren eine ressourcensparende Alternative zu den konventionell verfügbaren Solarkollektoren dar, sogenannte HELIOtubes der Firma Heliovis (Wr. Neudorf, A). Diese noch in der Entwicklungsphase stehenden Solarkollektoren bestehen vollständig aus Polymerfolien. Ziel dieser Arbeit war es geeignete Materialien für die Anwendung in HELIOtubes auszuwählen. Dabei sollte zwischen drei verschiedenen Folien unterschieden werden - einer oberen transparenten, einer mittleren reflektierenden und einer unteren robusten Folie. Für die transparente Schicht wurden Fluorpolymere ausgewählt. Um den optischen wie auch den mechanischen Kriterien zu genügen, wurden als Spiegelfolie Mehrschichtfolien mit metallischer Reflektionsschicht gewählt. An die robuste Folie wurden nur mechanische Anforderungen gestellt. Deswegen waren Gewebe-Matrix-Materialien die Vorauswahl. Im Zuge der Charakterisierung hinsichtlich optischer und mechanischer Anforderungen wurden insgesamt elf Werkstoffe untersucht, wobei sechs davon transparente, zwei reflektierende und drei robuste Folien waren. Zu den Untersuchungsmethoden zählten Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR)-, Ultraviolett/Sichtbares Licht/Nah-Infrarot (UV/Vis/NIR)-Spektroskopie und Zugprüfung von gekerbten und ungekerbten Proben bei anwendungsrelevanten Temperaturen. Im Anschluss wurde die UV-Stabilität ausgewählter Proben untersucht. Verwendet wurde ein Fluoreszenzgerät in welchem die Folien bis zu 1440 Stunden künstlich bewittert wurden. Alle transparenten Folien erfüllten die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich der Optik. Die mechanische Charakterisierung mittels Zugprüfung ergab, dass die Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymere (THV) aufgrund der sehr geringen Streckspannung ab Raumtemperatur den gestellten Anforderungen nicht genügten. Diese wurden daher aus weiteren Untersuchungen ausgeschlossen. Die verbliebenden Materialien zeigten nach der anschließenden UV-Bewitterung keine eindeutigen Veränderungen. Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) erfüllte die Ansprüche an die transparente obere Schicht, am besten geeignet ist jedoch eines der Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE). Die untersuchten Spiegelfolien zeigten im Vergleich zueinander konträres Verhalten. Die Folie des Herstellers 1 wies ausgezeichnete Reflexionseigenschaften auf und versagte bei der Zugprüfung sehr spröde ohne eindeutig erkennbarer Temperaturabhängigkeit. Das Material des Herstellers 2 wies hingegen geringere Reflexionsgrade auf. Die Trägerfolie mit der metallischen Spiegelschicht versagte zuerst spröde, während die TPU-Rückseite zähes Verhalten aufwies. Nach der anschließenden Bewitterung zeigten beide Folien eindeutig verschlechterte optische und mechanische Eigenschaften. Aufgrund des äußerst spröden Versagens des Materials des Herstellers 1 ist jenes des Herstellers 2 trotz der schlechteren Reflexionseigenschaften vorzuziehen. Die robusten Folien zeigten im Rahmen der Zugversuche alle sprödes Materialverhalten. Aufgrund starker Delaminationen zwischen Gewebe- und Matrixschicht wurde das TPU 1 Material aus der folgenden Bewitterung und den Charakterisierungen ausgeschlossen. Nach der Auslagerung zeigte das PE-Gewebe kaum Veränderungen. Beim Werkstoff TPU 2 konnten signifikante Auswirkungen der Bewitterung festgestellt werden. Dies äußerte sich in einer starken Vergilbung und in einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Als untere robuste Folie ist daher das PE-Ge

AB - Die wachsende Nachfrage an Energie und die Emission von Schadstoffen in unserer Atmosphäre sind Gründe, weshalb regenerative Energiequellen in der heutigen Zeit immer bedeutsamer werden. Als eine dieser Energiequellen bietet die Sonne ein enormes Potential. Um diese Energieform relativ kostengünstig und groß-skaliert nutzbar zu machen, werden solarthermische Kraftwerke verwendet. Dabei stellen pneumatisch vorgespannte Konzentratoren eine ressourcensparende Alternative zu den konventionell verfügbaren Solarkollektoren dar, sogenannte HELIOtubes der Firma Heliovis (Wr. Neudorf, A). Diese noch in der Entwicklungsphase stehenden Solarkollektoren bestehen vollständig aus Polymerfolien. Ziel dieser Arbeit war es geeignete Materialien für die Anwendung in HELIOtubes auszuwählen. Dabei sollte zwischen drei verschiedenen Folien unterschieden werden - einer oberen transparenten, einer mittleren reflektierenden und einer unteren robusten Folie. Für die transparente Schicht wurden Fluorpolymere ausgewählt. Um den optischen wie auch den mechanischen Kriterien zu genügen, wurden als Spiegelfolie Mehrschichtfolien mit metallischer Reflektionsschicht gewählt. An die robuste Folie wurden nur mechanische Anforderungen gestellt. Deswegen waren Gewebe-Matrix-Materialien die Vorauswahl. Im Zuge der Charakterisierung hinsichtlich optischer und mechanischer Anforderungen wurden insgesamt elf Werkstoffe untersucht, wobei sechs davon transparente, zwei reflektierende und drei robuste Folien waren. Zu den Untersuchungsmethoden zählten Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR)-, Ultraviolett/Sichtbares Licht/Nah-Infrarot (UV/Vis/NIR)-Spektroskopie und Zugprüfung von gekerbten und ungekerbten Proben bei anwendungsrelevanten Temperaturen. Im Anschluss wurde die UV-Stabilität ausgewählter Proben untersucht. Verwendet wurde ein Fluoreszenzgerät in welchem die Folien bis zu 1440 Stunden künstlich bewittert wurden. Alle transparenten Folien erfüllten die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich der Optik. Die mechanische Charakterisierung mittels Zugprüfung ergab, dass die Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymere (THV) aufgrund der sehr geringen Streckspannung ab Raumtemperatur den gestellten Anforderungen nicht genügten. Diese wurden daher aus weiteren Untersuchungen ausgeschlossen. Die verbliebenden Materialien zeigten nach der anschließenden UV-Bewitterung keine eindeutigen Veränderungen. Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) erfüllte die Ansprüche an die transparente obere Schicht, am besten geeignet ist jedoch eines der Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE). Die untersuchten Spiegelfolien zeigten im Vergleich zueinander konträres Verhalten. Die Folie des Herstellers 1 wies ausgezeichnete Reflexionseigenschaften auf und versagte bei der Zugprüfung sehr spröde ohne eindeutig erkennbarer Temperaturabhängigkeit. Das Material des Herstellers 2 wies hingegen geringere Reflexionsgrade auf. Die Trägerfolie mit der metallischen Spiegelschicht versagte zuerst spröde, während die TPU-Rückseite zähes Verhalten aufwies. Nach der anschließenden Bewitterung zeigten beide Folien eindeutig verschlechterte optische und mechanische Eigenschaften. Aufgrund des äußerst spröden Versagens des Materials des Herstellers 1 ist jenes des Herstellers 2 trotz der schlechteren Reflexionseigenschaften vorzuziehen. Die robusten Folien zeigten im Rahmen der Zugversuche alle sprödes Materialverhalten. Aufgrund starker Delaminationen zwischen Gewebe- und Matrixschicht wurde das TPU 1 Material aus der folgenden Bewitterung und den Charakterisierungen ausgeschlossen. Nach der Auslagerung zeigte das PE-Gewebe kaum Veränderungen. Beim Werkstoff TPU 2 konnten signifikante Auswirkungen der Bewitterung festgestellt werden. Dies äußerte sich in einer starken Vergilbung und in einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Als untere robuste Folie ist daher das PE-Ge

KW - fluoropolymer

KW - mechanical characterisation

KW - optical characterisation

KW - aging

KW - tensile testing

KW - solar thermal power plants

KW - Fluorpolymer

KW - mechanische Charakterisierung

KW - optische Charakterisierung

KW - Alterung

KW - Zugprüfung

KW - Solarthermisches Kraftwerk

M3 - Masterarbeit

ER -