DE2700916C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Absorber eines Solarkollektors
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Bei einem derartigen, aus der US 33 79 394 bekannten Absorber
sind die Fasern zu einer Vielzahl von Bündeln zusammengefaßt
und in ein wärmeenergieabsorbierendes Material implantiert.
Da die Fasern innerhalb eines Bündels so eng zueinander
angeordnet sind, daß sie sich berühren, sind Konvektionsverluste
nicht vermeidbar. Weitere Verluste treten
bei diesem bekannten Absorber in Form von Strahlung auf, die
über die Faseroberflächen emittiert wird.
Bei dem aus der US 29 98 006 bekannten Absorber eines
Sonnenkollektors ist die Absorberoberfläche mit Fasermatten
belegt, deren Fasern weder gleichmäßig voneinander beabstandet
noch parallel untereinander ausgerichtet sind und nicht
über die profilierte Absorberoberfläche hinausragen. Auch
bei diesem bekannten Absorber treten starke Verluste durch
Konvektion und Wärmestrahlung auf.
Aus der DE-AS 25 45 224 ist es bekannt, Wandmaterial für
Zellstrukturen zur Unterdrückung der frontseitigen Wärmeverluste
bei Solarkollektoren aus dünnen, aneinanderliegenden
Fasern aufzubauen, die transparent für Sonnenstrahlung und
für langwellige Infrarotstrahlung stark absorbierend sind,
wobei die Achsen der Fasern senkrecht auf der Schnittlinie
zwischen Faserwandebene und Absorbtionsebene stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten
Absorber für einen Solarkollektor mit hohem Absorbtionsvermögen
zu schaffen, bei dem die Verluste auf der Einstrahlungsseite
durch Strahlung sowie Wärmeleitung und Konvektion
auf ein ganz geringes Maß beschränkt sind, so daß
auf wirtschaftliche Weise Lichtenergie mit erhöhtem Gewinn
in thermische Energie umgewandelt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach besteht die Erfindung darin, daß Energie zur absorbierenden
Absorberoberfläche einerseits durch Leitung im Faserinnern
und andererseits durch starke Reflexion auf der
Faseroberfläche befördert wird. Durch die erfindungsgemäß
gewählte Faserart, Faserlänge und Faseranordnung werden Verluste
durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion weitgehend
vermieden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert werden; in dieser zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Absorbers eines
Sonnenkollektors;
Fig. 2a eine Teilansicht der Fig. 1 von oben in vergrößertem
Maßstab, die den Weg eines quer durch die Vorderseite
des Absorbers einfallenden Lichtstrahls veranschaulicht;
Fig. 2b eine schematische, teilweise Längsschnittansicht der
Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, die ebenfalls den Weg
des einfallenden Lichtstrahls veranschaulicht;
Fig. 2c eine Schnittansicht entsprechend der der Fig. 2b, jedoch
in weiter vergrößertem Maßstab, die den Weg der thermischen
Infrarot-Strahlung veranschaulicht, die gegen die
Vorderseite des Absorbers zurückgestrahlt wird;
Fig. 3a eine teilweise Längsschnittansicht einer ersten Abwandlung
des erfindungsgemäßen Absorbers, die in einen
flachen Solarkollektor eingebaut ist;
Fig. 3b eine eine Einzelheit der Fig. 3a veranschaulichende
Ansicht in vergrößertem Maßstab;
Fig. 3c ein Diagramm bezüglich der Energieumwandlungsleistung
des Solarkollektors der Fig. 3a und 3b;
Fig. 4 einen Längsschnitt einer zweiten Abwandlung des erfindungsgemäßen
Absorbers, eingebaut in ein System mit
Doppelbelichtung;
Fig. 5 einen Längsschnitt einer dritten Abwandlung des erfindungsgemäßen
Absorbers, eingebaut in eine Vorrichtung
zum Erhitzen einer Ladung;
Fig. 6a eine Teildraufsicht entsprechend der der Fig. 2, die
eine vierte Abwandlung veranschaulicht;
Fig. 6b eine Ansicht entsprechend der der Fig. 6a, die eine fünfte
Abwandlung veranschaulicht;
Fig. 6c einen Längsschnitt entsprechend dem der Fig. 2b, die
eine sechste Abwandlung veranschaulicht;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Durchführung
eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Absorbers;
Fig. 8a eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit einer zweiten
Ausführungsform;
Fig. 8b einen Längsschnitt einer Phase des Herstellungsverfahrens
zur Realisierung dieser Ausführungsform;
Fig. 9a eine Ansicht einer ersten Abwandlung entsprechend der
der Fig. 8a;
Fig. 9b eine Ansicht entsprechend der der Fig. 8b, aber bezogen
auf diese Abwandlung;
Fig. 10a einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab entlang der
Achse Xa-Xa der Fig. 9b;
Fig. 10b einen Querschnitt in ebenfalls vergrößertem Maßstab entlang
der Achse Xb-Xb der Fig. 9b;
Fig. 11 einen Längsschnitt einer zweiten Abwandlung;
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform;
Fig. 13 einen Längsschnitt eines konventionellen Solarkollektors,
in den die Ausführungsform des Kollektors von Fig. 12 eingebaut ist; und
Fig. 14 einen Längsschnitt einer vierten Ausführungsform.
Der in Fig. 1 teilweise dargestellte Absorber weist
eine metallische Grundplatte 1 auf, dessen Oberfläche mit einer Schicht aus einem
mit starker Absorptionskraft für einfallende Lichtstrahlung versehenen
Material bedeckt ist, auf der ein dichtes Fasernetz 3 befestigt
ist, das sich im wesentlichen über die gesamte Oberfläche
der Grundplatte 1 erstreckt. Dieses Fasernetz 3 besteht aus einer Vielzahl
von durchsichtigen Fasern 4 mit im wesentlichen gleicher Länge
und mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, die einzeln mit
einem ihrer Enden in der Schicht auf der Oberfläche 2 befestigt und sämtlich
senkrecht zur Grundplatte 1 ausgerichtet sind, wobei sie im wesentlichen
im gleichen Abstand zueinander stehen.
Das Fasernetz 3 soll verschiedenartige, im folgenden beschriebene
Funktionen erfüllen. Um diese Funktionen erfüllen zu können, muß
dieses Fasernetz 3 zwei ganz genau bestimmten Gruppen von Eigenschaften
genügen, von denen sich die eine auf das Material bezieht, aus
dem die Fasern bestehen, und die andere auf die geometrischen Abmessungen
des Fasernetzes.
So muß jede der Fasern 4 aus einem Material bestehen, das gleichzeitig
durchscheinend (d. h. nicht-absorbierend) und im Hinblick auf
einfallende Strahlung nicht streuend ist, sowie lichtundurchlässig
(d. h. stark absorbierend und in alle Richtungen abstrahlend) gegenüber
der thermischen Infrarotstrahlung (wobei das Absorptionsvermögen
und damit die Strahlkraft für mittlere Wellenlängen entsprechend
der Betriebstemperatur des Absorbers eingestellt werden
kann).
Ein solches Material muß in vorteilhafter Weise auch eine schwache
thermische Leitfähigkeit besitzen und chemisch und strukturell stabil
bei der Betriebstemperatur des Absorbers sein und sogar auch,
wenn möglich, bis zur "Temperatur mit Fluß Null" des Absorbers.
Dieses Material muß schließlich mechanische Eigenschaften haben,
derart daß die Fasern eine ausreichende Starrheit besitzen, damit
sie nicht unter ihrem eigenen Gewicht zusammenfallen.
Als Material zur Bildung dieser Fasern kann man in besonders vorteilhafter
Weise anorganische Materialien wie Glas, Silizium und
eventuell Gips oder organische Materialien wie z. B.
Polyesterfasern verwenden.
Ebenso müssen die geometrischen Abmessungen des Fasernetzes 3, damit
dieses Fasernetz 3 die oben erwähnten Funktionen ausüben kann, innerhalb
des folgenden Bereiches liegen: Jede der konstitutiven Fasern 4 des
Netzes muß eine verbleibende Länge aufweisen, die zwischen 1 und
10 cm liegt, und einen Durchmesser zwischen 25 und 500 µm, wobei
das Fasernetz 3 zwischen den Fasern 4 einen Abstand von zwischen 100 und
5000 µm und eine Faserdichte (Anzahl der Fasern pro Oberflächeneinheit
der Grundplatte) zwischen 4 und 10 000 Fasern pro cm²
aufweisen muß. Es ist besonders vorteilhaft, ein Fasernetz 3 zu verwenden,
das aus Fasern 4 besteht, die eine Länge in der Größenordnung von
5 cm haben und einen Durchmesser in der Größenordnung von 70 µm,
die in einer solchen Weise voneinander entfernt angebracht sind,
daß sie eine Dichte in der Größenordnung von 500 Fasern 4 pro cm² und
eine Volumendichte oder einen Füllungsprozentsatz (proportional zum
Quotienten der Summe der Faserschnitte pro Gesamtoberfläche der
Grundplatte) haben, der unter 2% liegt.
Der beschriebene Absorber arbeitet, wenn er der
einfallenden Lichtstrahlung ausgesetzt wird, in folgender Weise: die Lichtstrahlung,
die auf die absorbierende Schicht der Absorberoberfläche 2 auftrifft, nachdem sie das
durchscheinende Fasernetz 3 durchquert hat, wird in kontinuierlicher
Weise durch diese Schicht absorbiert, derart daß die Grundplatte
1 sich unter Einwirkung dieser Absorption progressiv erwärmt, bis
sie ihre Betriebstemperatur erreicht, die aufgrund der
geringen thermischen Masse der Fasern 4 schnell erreicht wird.
Die derart erhaltene Wärme kann dann auf eine bestimmte Ladung oder
einen bestimmten Wärmeträger entsprechend den verschiedenen
Anwendungen übertragen werden.
Aufgabe des Fasernetzes 3 ist es, die thermischen Verluste gegen
die Vorderseite des Absorbers, die unausweichliche Folge der Erwärmung
der absorbierenden Platte sind, maximal zu verringern,
wobei die bestmögliche Durchdringung der einfallenden Lichtstrahlung
bis zu dieser absorbierenden Platte durch Verkleinerung der optischen
Verluste bei der Durchdringung, ermöglicht wird. Diese verschiedenen
Ergebnisse werden dank der verschiedenen, durch das Fasernetz
3 erfüllten Funktionen erreicht, das gleichzeitig als
Lichtführung für die einfallende Strahlung wirkt, als thermische
Schranke für die zurückgestrahlte thermische Infrarot-Strahlung und
als Sperre für die Bewegungen konvektiver Gase.
Im folgenden werden diese verschiedenen Funktionen
sowie die Art und Weise mehr im einzelnen untersucht, in der sie auf die verschiedenen
optischen und thermischen Verluste übertragen werden.
Die Durchdringung der einfallenden Lichtstrahlung bis auf die absorbierende
Grundplatte 1 kann sich in zwei optischen Verlustarten äußern:
Verluste, die auf dem Vorhandensein des Fasernetzes 3 (Möglichkeit
von Rückstreuung eines Teils der die Fasern durchquerenden Strahlung
nach außen) beruhen und Verluste, die auf der unvollständigen
Absorption der absorbierenden Grundplatte 1 beruhen.
Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen den Weg eines einfallenden
Strahlenbündels "a" quer durch das Fasernetz 3 aus durchscheinenden Fasern
4. Diese Figuren zeigen, daß das einfallende
Strahlenbündel "a" beim Auftreffen auf die Fasern 4 an einer bestimmten
Anzahl von Punkten "b" eine Vielzahl von Reflexionen und Brechungen
erfährt, so daß es in einer Vielzahl von Sekundär-Bündeln "c" reflektiert
wird, die sämtlich die absorbierende Oberfläche 2 der Grundplatte
1 des Absorbers erreichen. Alle diese abgelenkten Sekundär-
Bündel "c" sind tatsächlich notwendigerweise auf Kegeln lokalisiert,
deren Symmetrieachse aus den Fasern 4 besteht, wobei die Kegel alle
die absorbierende Schicht der Absorberoberfläche 2 durchschneiden. Der Teil der einfallenden
Strahlung, der im Inneren der einzelnen Fasern 4
durch Totalreflexion gefangen wird, erreicht ebenfalls zwangsläufig den Boden dieser
Fasern. Die einzelnen Fasern 4 sowie die zwischen diesen
vorhandenen kleinen Zwischenräume wirken daher als Lichtführung
für die einfallende Strahlung, wie auch immer die Richtung dieser
letzteren in bezug auf die Platte 1 verlaufen mag, wobei fast
die gesamte Strahlung zusammengezogen wird, die auf die absorbierende
Oberfläche 2 der Grundplatte 1 des Absorbers aufgetroffen ist.
Die einzigen wahrnehmbaren optischen Verluste, die sich bei der
Durchquerung des Fasernetzes 3 bemerkbar machen können, sind Verluste,
die Folge von Absorptions- oder Diffusionsvorgängen durch die Fasern
4 sein können (Absorption, wenn die Fasern nicht völlig durchscheinend
sind). Dabei handelt es sich um eine Diffusion, wenn die Fasern eine vom optischen
Gesichtspunkt aus nicht völlig glatte Oberfläche bilden oder wenn
sie Diffusionszentren im Inneren ihres Volumens bilden. Es ist
außerdem festzustellen, daß nur maximal die Hälfte der derart absorbierten
oder zerstreuten Strahlung wirksam nach außen austritt
und sich so durch einen wirklichen optischen
Verlust durch Rückstreuung nach außen äußert, wobei zumindest die
andere Hälfte dieser Strahlung tatsächlich bis zu der absorbierenden
Grundplatte 1 gelangt. Im übrigen stellt man fest, daß diese optischen
Verluste durch Rückstreuung mit dem Einfallswinkel der einfallenden
Lichtstrahlung ansteigen, also mit dem Strahlungswinkel in bezug auf die Normale
auf der absorbierenden Platte, aber daß sie immer klein bleiben,
ganz gleich, wie der Einfallswinkel beschaffen sein mag. Beispielsweise
hat man festgestellt, daß man bei einem Fasernetz 3
aus Glasfasern von 5 cm Höhe, mit
60 µm Durchmesser und mit 5 Fasern pro mm², erhalten durch Ziehen von "Glas E", einen
Übertragungsfaktor der einfallenden Lichtstrahlung durch dieses Fasernetz
3 erhielt, der etwa 99% bei einem Einfallswinkel Null,
ungefähr 97% bei einem Einfallswinkel von 45° und ungefähr 95%
bei einem Einfallswinkel von 60° betrug.
Zu diesen optischen Verlusten bei der Durchquerung des Fasernetzes
3 kommen die optischen Verluste aufgrund einer unvollkommenen
Absorption der absorbierenden Grundplatte 1. Diese optischen Verluste
hängen, wie bekannt, im wesentlichen von der Art des strukturellen
Materials der Schicht und von dem Zustand der Oberfläche
dieser Schicht (rauh oder ganz glatt) ab. Beispielsweise hat man
auf diese Art feststellen können, daß man einen Absorptionsfaktor
in der Größenordnung von 95% bei einer absorbierenden Schicht aus
einer aus Kleber Scotch No 582 und Rußschwarz zusammengesetzten
Mischung erhielt. Unter Berücksichtigung der weiter oben genannten
optischen Verluste kann man auf diese Weise eine optische Gesamt-
Absorptionsleistung, also das Produkt des Übertragungsfaktors durch das
Fasernetz 3 zum Absorptionsfaktor der absorbierenden Grundplatte 1 in der
Größenordnung von 94% erhalten. Diese optische Umwandlungsleistung
ist unabhängig von der von dem Absorber erreichbaren Temperatur.
Die Erwärmung der absorbierenden Grundplatte 1 des Absorbers äußert sich
in bezug auf diesen auf nur zwei thermische Verlustarten zum Vorderteil
des Umwandlers hin: Verluste durch thermische Infrarotstrahlung
zur Vorderseite und Verluste durch thermische Leitung gleichzeitig
entlang den Fasern 4 und in der zwischen den Fasern 4 stehenden
unbeweglichen Luft. Eine der wesentlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Absorbers beruht auf der Tatsache, daß das Vorhandensein
des Fasernetzes 3 jegliche Bildung von konvektiver Luftbewegung
zwischen den Fasern 4 verhindert und so ermöglicht, die Verluste aufgrund
von Konvektion völlig auszuschließen.
Die völlige Vermeidung von Verlusten durch Konvektion dank des Vorhandenseins
des Fasernetzes 3 konnte experimentell aufgezeigt werden,
indem man Vergleichsmessungen von Verlusten unter Vakuum und vergleichsweise
an der Luft bei atmosphärischem Druck durchführte,
nämlich unter Verwendung von Temperaturen, die die normale Betriebstemperatur
des Absorbers, d. h. Temperaturen in der Größenordnung
von 80° bis 300°C, nicht überschritten. Der erhaltene Unterschied
zwischen den beiden Fällen entspricht tatsächlich im wesentlichen
den Verlusten durch thermische Leitung in der Luft. Dabei handelt es sich um Verluste,
deren Werte bekannt sind und häufig in der Literatur erwähnt sind,
was klar aufzeigt, daß die Verluste durch Konvektion gleich Null
sind.
Diese Vermeidung von Verlusten durch Konvektion erklärt sich durch
die Geometrie und die Ausmaße des Fasernetzes 3, die sich durch eine
erhöhte Grenzfläche äußern, die zu erheblichen Kapillarreibungs-
Koeffizienten führen, die praktisch jede Bewegung konvektiver Luft
bei normalen Temperaturbedingungen verbieten. Es soll versucht
werden, nachstehend eine vereinfachte Theorie aufzuzeigen, um diese
Vermeidung von Konvektion als Funktion der Geometrie des Fasernetzes 3
und der verwendeten Temperaturen zu erklären.
In dem einfachen Fall von zwei voneinander in Abstand stehenden
Platten, die einem Temperaturgradienten Δ T unterworfen und
in Luft bei atmosphärischem Druck angeordnet sind,
besteht eine ganz bekannte Theorie, die es erlaubt, den Temperaturgradienten
( Δ T) s zu berechnen, aus dem die Konvektion zwischen den
Platten als Funktion des Zwischenraums δ zwischen diesen Platten
entstehen kann. Dieser Temperaturgradient ( Δ T) s drückt sich entsprechend
dieser Theorie durch folgende Gleichung aus:
( Δ T) s = 48,2×δ -3,
worin δ in cm ausgedrückt ist und 48,2 eine Konstante darstellt.
(Diese Beziehung zeigt, daß die Konvektion für einen Temperaturgradienten
zu entstehen beginnt, der gleich 0,4°C für einen
Zwischenraum δ von 5 cm, 6°C für einen Zwischenraum von 2 cm,
48°C für einen Zwischenraum von 1 cm, 386°C für einen Zwischenraum
von 0,5 cm und ungefähr 3000°C für einen Zwischenraum von
0,25 cm beträgt). Man kann aufzeigen, daß diese Theorie auch im
Fall der vorliegenden Erfindung unter der Voraussetzung gültig
bleibt, daß in der oben genannten Gleichung der reelle Zwischenraum
δ durch ein "Äquivalenz-Intervall δ eq " ersetzt ist, wie
z. B.
worin d f , h f und n f jeweils den Durchmesser, die Höhe und die
Dichte der Fasern 4 bezeichnen, d. h. die Faseranzahl pro Oberflächeneinheit
der Grundplatte 1. Die dieses Äquivalenz-Intervall δ eq bestimmende
Beziehung kann sich durch Errichtung einer Äquivalenz zwischen
dem Begriff der "für die freie Zirkulation der Luft vorhandenen
Höhe" in dem einfachen Fall zweier in Abstand angebrachter
Platten berechnen (in diesem Fall gleich der Hälfte des
Zwischenraums w ) und dem erfindungsgemäßen Fall, wobei von der
Hypothese ausgegangen wird, daß im erfindungsgemäßen Fall dieser
Wert durch die Höhe definiert wird, auf der die in den Fasern
zirkulierende Luft eine Reibung "erkennen" würde, die derjenigen
ähnlich wäre, die von der in der Nähe der in der Mitte liegenden,
unbeweglichen Schicht in dem einfachen Fall mit zwei Platten zirkulierenden
Luft erkannt wird. Die nachstehende Tabelle gibt die
Werte w eq , die für verschiedene Abmessungen des Fasernetzes erhalten
werden, sowie die Werte, die genommen werden können als
Funktion der gleichen Abmessungen durch den Übertragungsfaktor
e f des Fasernetzes, der wie folgt bestimmt wird:
Diese Tabelle zeigt deutlich, daß der Wert des Äquivalenz-Zwischenraums
δ eq für Fasern 4 mit einem Durchmesser unter 500 µm
und einer Dichte über 4 Fasern/cm², d. h. einem Fasernetz 3, das den weiter
oben geforderten Abmessungen entspricht, weit unter dem Wert
des Auftretens der Konvektion bleibt, und zwar bei Temperaturgradienten,
die im wesentlichen mit denen identisch sind, die bei einem bei
normaler Temperatur arbeitenden Absorber auftreten würden. Die
gleiche Tabelle zeigt auch auf, daß es überhaupt nicht zutrifft
auf "zylindrische Elemente", die im Gegensatz dazu einen über
500 µm liegenden Durchmesser haben und eine Dichte unter 4
Fasern/cm², also für Elemente mit Abmessungen, die über den oben
geforderten Abmessungen liegen und die nicht mehr mit dem Ausdruck
"Faser" bezeichnet werden können. Der Äquivalenz-Zwischenraum
δ eq wird tatsächlich für diese Elemente weitaus höher sein
als der Wert des Auftretens der Konvektion, so daß solche Elemente
völlig unwirksam dafür werden, die Konvektion zu unterdrücken.
Da die Verluste durch Konvektion auf diese Weise im erfindungsgemäßen
Absorber völlig unterdrückt werden, reduzieren sich die
thermischen Verluste zur Vorderseite des Absorbers einfach auf die
Verluste durch thermische Infrarot-Strahlung und auf die Verluste
durch Leitung entlang den Fasern 4 und in der zwischen den Fasern 4
stehenden unbeweglichen Luft.
Das Fasernetz 3 wirkt gegenüber der thermischen Infrarot-Strahlung,
die von der Grundplatte 1 zurückgestrahlt werden kann, wie ein mikroporöser
thermischer Isolator entsprechend einem Mechanismus, der
dem von Glaswolle gleicht. Die zurückgestrahlte Infrarot-Strahlung
kann im wesentlichen die Außenseite des Fasernetzes 3 nur durch
ein Verfahren radiativer Streuung erreichen. Fig. 2c zeigt ein solches
Diffusionsverfahren, wobei zur Vereinfachung in der Zeichnung
nur zwei Fasern dargestellt sind und nur einige thermische Strahlenbündel,
die von diesen beiden Fasern abgestrahlt oder absorbiert werden.
Die Gesamtzahl aller seitlichen Oberflächen der Fasern 4, entsprechend
dem Zwischenraum Fasern/Gas, ist um viele Male größer
als die entsprechende Oberfläche der Grundplatte 1, wobei nur ein
relativ kleiner Teil "e" der thermischen Infrarotstrahlung "d",
die von der absorbierenden Oberfläche 2 abgestrahlt wird, d. h.
der Teil, der im wesentlichen parallel zu den Fasern 4 abgestrahlt
wird, in der Lage ist, unmittelbar aus dem Fasernetz 3 zu entweichen.
Die quer abgestrahlte thermische Infrarotstrahlung wird
dagegen von den Fasern 4 absorbiert; daraus ergibt sich eine indirekte
Rückstrahlung, die von seiten der entsprechenden Faserabschnitte
schwächer ist. Ein Teil dieser Rückstrahlung läuft zum
oberen Teil des Fasernetzes 3, nämlich dem in der Zeichnung mit "f" bezeichneten
Teil, ein Teil nach unten und ein Teil quer durch das Netz. Unter
der Wirkung dieses Mechanismus erreichen die Fasern 4 ein thermisches
Gleichgewicht, wobei ihre Temperatur sowie die von ihnen
ausgestrahlte thermische Strahlung sich von ihrem Boden bis zu ihrer
Spitze verringern. Auf statistischer Basis handelt es sich bei
diesem Prozeß von thermischer Infrarotstrahlung-Absorption-Rückstrahlung
um einen Streuungsprozeß. Ein solcher Prozeß, der zwischen
einen thermischen Gradienten aufweisenden Fasern auftritt, hat den
Vorteil, weniger radiative Energie zur Außenseite des Absorbers
abzustrahlen als ein nicht diffuser, unmittelbarer radiativer Austausch
von der absorbierenden Oberfläche aus.
Die Funktion als thermische Schranke, die auf diese Weise vom
Fasernetz 3 gegenüber der von der Grundplatte 1 zurückgestrahlten
thermischen Infrarot-Strahlung ausgeübt wird, konnte experimentell
bestimmt werden durch vergleichende Verlustmessungen auf einer mit
einem Fasernetz 3 versehenen Grundplatte 1 bzw. einer kein solches
Netz aufweisenden Platte. Auf diese Weise konnte festgestellt werden,
daß die Verringerung der Verluste durch Strahlung in der gleichen
Größenordnung lag wie die, die man mit den Strukturen "in
Bienenwabenform" erhielt, die vom Stand der Technik her bekannt
sind. Das Fasernetz 3 hat jedoch gegenüber den Strukturen "in Bienenwabenform"
den außerordentlichen Vorteil, daß es bei gleicher Verringerung
der Verluste durch Strahlung eine beträchtlich geringere,
ungefähr um eine Größenordnung geringere Menge an Material, wie Glas oder Kunststoff,
benötigt, was sich nicht nur durch ein viel geringeres Gewicht
und wesentlich geringere Kosten äußert, sondern auch durch
eine wesentlich verringerte thermische Trägheit. Nachfolgend soll
versucht werden, eine andere vereinfachte Theorie darzulegen, die
es erlaubt, diese Verringerung der Verluste durch Strahlung als
Funktion der Geometrie des Fasernetzes 3 und der angelegten Temperaturen
zu erklären.
Für den einfachen Fall zweier voneinander in Abstand angebrachter
und zwei genauen Temperaturen T₀ und T ausgesetzter Platten gibt
es eine weitere, sehr bekannte Theorie, durch die der Austausch
unmittelbarer Strahlungswärme δ zwischen den beiden Platten als
Funktion der Temperaturen T₀ und T berechnet werden kann. Dieser
unmittelbare Strahlungswärmeaustausch S wird entsprechend dieser
Theorie durch die folgende Beziehung gegeben:
S = ε e σ (T⁴ - T₀⁴),
worin ε e die Ausstrahlung der warmen Platte mit der
Temperatur T, wobei die Ausstrahlung der kalten Platte im übrigen
als gleich der Einheit angenommen wird, und σ die Universalkonstante
von Boltzmann ist.
Wenn man zwischen die Platten eine antiradiative Struktur irgendeiner
Art einsetzt (wie die Struktur in Bienenwabenform entsprechend
dem Stand der Technik oder das Fasernetz 3 entsprechend der Erfindung),
dann findet kein unmittelbarer Strahlungsaustausch mehr zwischen
den Platten statt, sondern nur ein indirekter Strahlungsaustausch
mit Hilfe der seitlichen Oberfläche dieser Struktur. Man kann beweisen,
daß die genannte Theorie unter der Bedingung gültig bleibt,
daß der obigen Beziehung ein Koeffizient ε f zugefügt wird, der den
Faktor der thermischen Infrarot-Übertragung quer durch die Struktur
hindurch bezeichnet. Man kann beweisen, daß dieser Übertragungsfaktor
ε f proportional dem Quotienten aus der Oberfläche der
Platten zur seitlichen Oberfläche der Struktur oder auch proportional
einem Aufrichtfaktor h r ist, der für eine bestimmte Struktur
charakteristisch ist. Es kann so bewiesen werden, daß bei einer
Struktur in Bienenwabenform der Übertragungsfaktor ε f durch die
Beziehung ε f = 0,68×e/h gegeben wird, wobei e den Durchmesser der
Zellen und h ihre Höhe angibt. Ebenso kann man beweisen, daß bei
einem Fasernetz der Übertragungsfaktor ε f durch die Beziehung
berechnet werden kann, worin d f , h f und n f jeweils den Durchmesser,
die Höhe und die Dichte (Anzahl pro Oberflächeneinheit) der Fasern 4
darstellen.
Die weiter oben erwähnte Tabelle gibt ebenfalls die Werte des
Übertragungskoeffizienten ε f für verschiedene Abmessungen des Fasernetzes
3. Diese Tabelle zeigt deutlich, daß der Transmissionsfaktor
ε f für Fasern 4 mit einem Durchmesser unter 500 µm und einer Dichte
über 4 Fasern/cm², d. h. bei einem Fasernetz, das den weiter oben
geforderten Abmessungen entspricht, schwach bleibt, aber Bedeutung
gewinnt für Fasern oder auch "zylindrische Elemente", die jenseits
dieser Abmessungen liegen, so daß das Fasernetz 3 aufhört, als
thermische Schranke zu wirken, wenn es sich von den geforderten
Abmessungen entfernt.
Schließlich werden die Verluste durch Leitung entlang den Fasern
oder in der stehenden Luft verringert. Die Verluste durch Leitung
in stehender Luft (die häufig als thermischer Isolator verwendet
wird) sind bekanntlich sehr gering.
Was die Verluste durch Leitung entlang den Fasern 4 betrifft, so
können diese verringert werden, indem man bei einem bestimmten
Abstand zwischen den Fasern 4 und einem bestimmten Zwischenraum
zwischen Fasern 4 und Luft ausreichend lange und dünne Fasern 4 verwendet.
In vorteilhafter Weise wählt man daher für die Fasern 4 ein
Material mit einer ausreichend schwachen thermischen Leitfähigkeit,
einem Vorteil von Glas gegenüber kristallinischen Materialien.
Wenn er der Solarstrahlung ausgesetzt ist, entwickelt der erfindungsgemäße
Absorber zwischen den unteren und den oberen
Enden seiner Fasern 4, sowohl was die Fasern selbst betrifft als
auch die zwischen den Fasern und der zwischen ihnen ausgestrahlten
thermischen Strahlung liegende Luft, einen inneren, homogenen
Temperaturgradienten, der annähernd linear dem Wert Δ T ist, der
eine thermische Leitung bestimmt, die offensichtlich der der
üblichen mikroporösen, thermischen Isolatoren, wie Glaswolle,
Kork usw. vergleichbar ist.
Diese offensichtliche thermische Leitfähigkeit stellt die Summe
der thermischen Verlustprozesse durch Strahlung, durch Leitung im
Gas und durch Leitung in den Fasern 4 dar. Die thermische Isolierung
ist daher umso besser, je länger die Fasern sind.
Da die thermischen Gesamtverluste gering sind, kann der erfindungsgemäße
Absorber vorteilhaft in einem konventionellen, flachen
Solarkollektor verwendet werden, der mit einem einzigen Deckelglas
versehen und einfach mit Luft gefüllt ist, wobei das Deckelglas
gleichzeitig als Schutz gegen Staub, Bruch der Fasern usw. dient. Um
die Verluste durch thermische Leitung in dem Gas noch weiter zu
verringern, kann man auch in diesem flachen Kollektor die Luft durch
ein anderes Gas wie CO₂ oder Freon ersetzen. Der erfindungsgemäße
Absorber kann ebenso in nicht flache Kollektoren eingebaut werden,
beispielsweise in röhrenförmige, die mit Solarkonzentratoren
verwendet werden, wie etwa Spiegeln, Fresnel-Linsen. Der erfindungsgemäße
Absorber kann auch in den Boden und/oder die Seitenwände eines
dichten Behälters eingebaut werden, der beispielsweise als chemischer
Reaktor, als thermostatischer Behälter oder auch als Behälter, beispielsweise
einem Tiegel für zu wärmende Nahrungsmittel dienen soll, wobei die
Vorderseite dieses dichten Behälters außerdem aus einer durchsichtigen
Platte besteht.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen einige der vorerwähnten Anwendungsarten.
So zeigen die Fig. 3a und 3b den erfindungsgemäßen Absorber eingebaut
in einen konvektionellen Solarkollektor flacher Bauart. Der
in diesen Figuren dargestellte Kollektor umfaßt eine metallische
Grundplatte 1 im Inneren eines Behälters, dessen Vorderseite aus
einer durchscheinenden Glaswand 6 besteht.
Auf der Hinterseite der Grundplatte 1 ist eine Vielzahl von Wärmeaustauschleitungen
7 aufgeschweißt, die ein Wärmeträger 8
wie Wasser, Öl oder Gas durchströmt. Die Grundplatte 1 ist von
der hinteren Platte 9 des Kollektors in bekannter Weise durch ein
Isoliermaterial 10 wie Glaswolle oder Glasstein thermisch isoliert,
in das parallel zur Grundplatte 1 Metallfolien 11 eingefügt sein können,
die die Rolle eines Schirms gegen die zur Hinterseite des Kollektors
rückgestrahlte thermische Strahlung spielen. Die vordere Seite der
Grundplatte 1 ist von einer absorbierenden Schicht auf der Oberfläche 2 bedeckt, die
ihrerseits mit einer Haftschicht 12 bedeckt ist, in die ein Fasernetz
14 eingesetzt worden ist (Fig. 3b zeigt im einzelnen, wie
die einzelnen Fasern 14 in der Schicht 12 haften). Die Haftschicht
12 kann beispielsweise aus einem natürlichen Klebematerial oder
einem thermoadhäsiven Material bestehen. In vorteilhafter Weise
kann man vorsehen, Glasfasern zu verwenden, die in eine dünne
Glasverbundschicht eingelassen sind (Glaslot). Eine solche
Struktur hat den Vorteil, ihre thermische Stabilität bis zu
Temperaturen in der Größenordnung von 300°C beizubehalten; im
übrigen haben die Glasfasern nicht nur eine sehr geringe thermische
Leitfähigkeit, sondern besitzen auch in hohem Maße alle
erforderlichen optischen Eigenschaften.
Der Raum 15 zwischen dem Fasernetz 14 und der vorderen Glaswand
6 ist in vorteilhafter Weise mit einem Gas wie Luft, CO₂ oder
Freon angefüllt. Dieser Raum 15 aus Gas dient zur weiteren Verringerung
der thermischen Verluste des Sammlers. Es ist im übrigen
wichtig, daß das Fasernetz 14 völlig trocken bleibt, da ein Auftreten
eines Verdampfungs-Kondensations-Kreislaufs im Inneren dieses
Fasernetzes die Gefahr mit sich brächte, als thermischer Kurzschluß
zu wirken. In dem Fall eines in Berührung mit der Atmosphäre
stehenden, nicht dichten Sammlers, der in schräger oder vertikaler
Lage verwendet wird, könnte man einen inneren Sammel- und Drainagekanal
für Wassertropfen einrichten, die sich auf dem inneren
kältesten Teil des Sammlers, d. h. der Glaswand 6 niederschlagen könnten.
Man würde auf diese Weise vermeiden, daß das Fasernetz 14 feucht wird.
Um die Strahlungsverluste so weit wie möglich zu verringern, kann
man auch in bekannter Weise die Innenseite der durchscheinenden
Glaswand 6 mit einer durchscheinenden Schicht 16 aus einem
Material wie Indiumoxid In₂O₃ beschichten, das mit Zinnoxid SnO₂
gedopt ist, was die Wirkung hat, die restliche thermische Infrarotstrahlung
zur reflektieren, die an der Spitze der Fasern 14 austritt.
Die Hinzufügung dieser zusätzlichen Schicht 16 hat jedoch
den Nachteil, daß sich die Verluste durch Reflexion der einfallenden
Strahlung erhöhen. Es ist daher in bestimmten Fällen vorteilhaft,
die durchscheinende Glaswand 6 mit anti-reflektierenden Schichten
zu bedecken.
Um deutlich zu zeigen, daß der erfindungsgemäße Absorber es
ermöglicht, die Gesamtheit der optischen und thermischen Verluste
zu verringern, wird nachstehend versucht, die Gesamt-Konversionsleistung
Γ des flachen Kollektors entsprechend den Fig. 3a und
3b als Funktion des Quotienten aus der Erhöhung der Temperatur Δ T
der Grundplatte zur Intensität der Solarstrahlung H h zu bewerten,
und dann die derart erhaltene Leistung mit denen zu vergleichen,
die in entsprechenden nach dem Stand der Technik bekannten Kollektoren
erhalten werden können.
Diese Gesamt-Konversionsleistung Γ läßt sich als Funktion der
einfallenden Solar-Intensität H h und der verschiedenen Verluste
durch die folgende Beziehung darstellen:
Γ = cos Φ Γ c Γ f Γ e - (S b + S f )/H h ,
worin Γ die Gesamt-Konversionsleistung bezeichnet, bestimmt als
der Quotient der thermischen Kraft, die pro Oberflächeneinheit in
bezug auf die solare Belichtung H h dimensionslos erforderlich ist:
Dabei bezeichnet
H h
die Solar-Belichtung (Wm-2),
Φ
den Einfallswinkel der Solarstrahlung in bezug auf
die Normale auf der Grundplatte,
Γ
c
den Transmissionsfaktor der Solarstrahlung durch
das Deckglas (dimensionslos),
Γ
f
den Transmissionsfaktor der Solarstrahlung durch
das Fasernetz (dimensionslos),
Γ
e
den Absorptionsfaktor der Solarstrahlung im Inneren
der absorbierenden Platte (dimensionslos),
S
b
die thermischen Verluste zur Rückseite des Absorbers
(Wm-2) und
S
f
die thermischen Verluste zur Vorderseite des Absorbers
(Wm-2).
Die thermischen Verluste S b und S f können als Funktion von Δ T
(wobei Δ T den Temperaturunterschied zwischen der Grundplatte des
Absorbers und der Umgebung bezeichnet) durch die folgenden
Beziehungen ausgedrückt werden:
worin λ b die Leitfähigkeit des Isoliermaterials, das die Rückseite
des Absorbers bedeckt (Wm-1 (°K)-1) bezeichnet und h b die Dicke
dieses Isoliermaterials (m) bezeichnet, sowie
worin
λ air die Leitfähigkeit der Luft bezeichnet,λ f die thermische Leitfähigkeit der Fasern,h f die Länge der Fasern (m),dden Durchmesser der Fasern (m),eden Raum zwischen den Fasern (m),e e die Infrarotausstrahlung der absorbierenden Platte
dimensionslos,ε f den Infrarot-Transmissionsfaktor durch das Fasernetz
dimensionslos,σdie Boltzmann-Konstante = 5.67.10-8Wm-2(°K)-4,Tdie Temperatur der absorbierenden Platte (°K) undT₀die Umgebungstemperatur (°K).
Um den Gradienten der zusätzlichen Temperatur zwischen dem Fasernetz
und dem Deckglas zu berücksichtigen, ist Δ T durch Δ T/1,2 im
ersten Ausdruck von S f ersetzt worden.
Angenommen, die Solarstrahlung fällt unter normalem Einfallswinkel
ein (cos Φ = 1) und der flache Kollektor hat die folgenden Ausmaße
(Glasfasernetz):
h b = 8×10-2 mh f = variabler Parameterd= 0,6×10-4 me= 0,4×10-3 mT₀= 273°K
und unter Zugrundelegung der folgenden Werte für die anderen
Koeffizienten:
Γ c
= 0,92 (durch die Literatur gegebener Wert)
Γ
f
= 0,99 (weiter oben bestimmter Wert)
Γ
e
= 0,95 (weiter oben bestimmter Wert)
λ
b
= 4×10-2 (durch die Literatur bestimmter Wert)
λ
air
= 3×10-2 (durch die Literatur gegebener Wert)
λ
f
= 1 (in der Literatur für Glas genannter Wert)
ε
e
= 0,90 (experimentell gefundener Wert)
H
h
= 950 Wm-2 (Literatur)
σ
= 5,6×10-8
ε
f
= 1,8 e²/(h/d) (weiter oben bestimmter Wert)
erhält man schließlich den folgenden Ausdruck für den Faktor der
Gesamt-Konversion Γ:
Auf dem Diagramm der Fig. 3c sind verschiedene Kurven (A bis D)
dargestellt, die für die Veränderung des Koeffizienten Γ als
Funktion des Verhältnisses ( Δ T/H h ) für Kollektor verschiedener
Typen repräsentativ sind. Die Kurven A und B beziehen sich auf
den Solarsammler der Fig. 3a und 3b, der mit dem erfindungsgemäßen,
mit Glasfasern versehenen Absorber ausgestattet ist, die
eine Höhe von 3 cm (Kurve A) bzw. eine Höhe von 5 cm (Kurve B)
haben. Man kann auf diese Weise feststellen, daß ein solcher Kollektor
eine Betriebstemperatur von 100 bis 200°C erreichen kann
(die Temperatur kann bis auf 300°C ansteigen (auf "Fluß Null").
Die Kurven C und D ihrerseits beziehen sich auf einen konventionellen
Kollektor vom flachen Typ, der mit einer einzigen Glasdecke
(Kurve C) bzw. mit zwei Glasdecken (Kurve D) ausgestattet ist.
Man kann auf diesem Diagramm deutlich feststellen, daß der mit
dem Absorber entsprechend der Erfindung versehene Kollektor
eine Gesamt-Konversionsleistung Γ aufweist, die wesentlich höher als
die konventioneller Kollektoren ist.
Fig. 4 veranschaulicht eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Absorbers,
bei dem gleichzeitig die Vorderseite und die Hinterseite
als absorbierende Flächen verwendet werden, wobei der Absorber
in ein System mit Doppelbelichtung eingesetzt ist. Der in dieser
Fig. 4 dargestellte Absorber 80 hat eine auf ihren beiden Seiten
mit einer absorbierenden Schicht 82 versehene Grundplatte 81, wobei
in jede dieser Seiten ein den früher beschriebenen entsprechendes
Fasernetz 83 eingesetzt ist. In der Grundplatte 81 ist eine
Vielzahl von Leitungen 84 angebracht, die einen Wärmeträger
befördern sollen. Der beschriebene Absorber 80 ist im Inneren
eines Reflektorsystems 85 angebracht, das im wesentlichen aus einem
sphärischen, durch einen planen Reflektor 87 verlängerten Reflektor
86 besteht. Das Reflektorsystem 85 ist zur Vorderseite hin durch
ein durchscheinendes Deckelglas 88 geschlossen, das die einfallende
Solarstrahlung a durchlassen soll. Das Reflektorsystem
85 hat die Funktion, die unmittelbare oder diffuse Solarstrahlung
gegen die Hinterseite des Absorbers zu leiten, dessen Vorderseite
ebenfalls dieser Strahlung ausgesetzt ist. Die Bahn der Strahlen ist in
der Zeichnung schematisiert. Die derart realisierte Doppelbelichtung
hat den Vorteil, die Gesamtleistung des Systems zu steigern,
wobei sogar ermöglicht wird, die gewöhnlich für die Rückseite
erforderliche Isolierung wegzulassen.
Fig. 5 veranschaulicht eine andere Abwandlung des erfindungsgemäßen
Absorbers, der in einen doppelwandigen Behälter 100 mit Luft
eingefügt ist und die Erwärmung einer Ladung gewährleisten soll.
Der in dieser Figur dargestellte doppelwandige Behälter 100 besteht
aus einer metallischen Innenwand 91, deren Außenseite mit einer
absorbierenden Schicht 92 bedeckt ist, in die ein Fasernetz 93
eingelassen ist, und aus einer durchscheinenden Außenwand 94. Nahe
dem Behälter 100 ist ein Reflektorsystem 95 angebracht, das beispielsweise
einfach aus zwei ebenen, in geeigneter Weise ausgerichteten
Spiegeln 96 bestehen kann, das dazu bestimmt ist, die einfallende
Solarstrahlung a auf die Wände des eine Ladung 98 enthaltenden
Behälters 100 zu leiten. Diese Ladung 98 erwärmt sich
nach und nach unter Einwirkung der unmittelbaren und der reflektierenden
Solarstrahlung bis auf die gewünschte Temperatur, beispielsweise
in der Größenordnung von 300°C. Die derart erreichte
Temperatur kann während eines relativ langen Zeitraums nach Anhalten
der einfallenden Strahlung aufgrund der guten thermischen
Isolierung des Behälters 100 aufrechterhalten werden, so daß ein
solcher Behälter auch in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden
kann, eine zeitweilige Speicherung der Wärme vor der nachfolgenden
Verwendung zu gewährleisten.
In den verschiedenen Abwandlungen des bisher beschriebenen Absorbers
ist festgestellt worden, daß die das Netz begründenden
Fasern einen im wesentlichen runden Querschnitt haben. Eine
solche Anordnung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und
der Querschnitt der Fasern kann auch eine andere Gestalt haben,
beispielsweise elliptisch oder abgeplattet sein, ohne daß das
derart erhaltene Fasernetz seine antiradiativen und antikonvektiven
Eigenschaften verliert.
In Fig. 6a ist ein solches Netz in Ansicht von oben dargestellt,
das aus Fasern 89 mit abgeplattetem Querschnitt besteht, die in
im wesentlichen gleichmäßigem Abstand voneinander und in im wesentlichen
zufälliger Weise verteilt angeordnet sind. Ein solches Netz
muß, um seine antiradiativen und antikonvektiven Funktionen zu erfüllen,
Ausmaße haben, die in den folgenden Bereichen liegen:
Faserhöhe zwischen 1 und 10 cm; Querschnitt, dessen größtes Ausmaß
zwischen 25 µm und 5 mm und dessen kleinstes Ausmaß zwischen
15 µm und 500 µm liegt; und schließlich Zwischenraum zwischen
den Fasern zwischen 100 µm und 5000 µm. Die Verwendung der
genannten abgeplatteten Form hat den Hauptvorteil, daß diese den
Fasern eine bessere Steifigkeit verleiht.
Die das Netz bildenden Fasern können auch hohl statt voll sein.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 6b in Ansicht von oben dargestellt,
wo man ein Netz aus hohlen Fasern 90 sehen kann, die in
im wesentlichen zufälliger Weise und in gleichem Abstand voneinander
verteilt sind. Ein solches Netz muß, um seine antiradiativen
und antikonvektiven Funktionen zu erfüllen, Ausmaße haben, die in
den folgenden Bereichen liegen: Faserhöhe zwischen 1 und 10 cm;
Außendurchmesser zwischen 25 µm und 5 mm mit einer Wanddicke
zwischen 10 µm und 500 µm; und Zwischenraum zwischen den Fasern 90
zwischen 100 µm und 10 mm. Eine solche Anordnung hat den beträchtlichen
Vorteil, daß Fasern mit einem relativ großen Querschnitt
verwendet werden können, was sich auch durch eine bessere Steifigkeit
der Fasern ausdrückt. Diese ist besonders wichtig, wenn man
Fasern aus einem Kunststoffmaterial verwendet wie aus Polycarbonat,
Epoxy, Methyl-Polymethacrylat, Polyester, Polyimid, Methylpenten,
Polymer, Polyamid-Imid, PTE, FEP, Vinyl-Polyfluorur, ETFE, E-CTFE,
Phenol-Formol-Dehyd, Polysulfon, Silikon, Polystyrol-Äthylen-
Butylen usw.
Entsprechend den obigen Ausführungen waren die Fasern stets senkrecht
in die Grundplatte 1 eingesetzt. Eine solche Anordnung ist jedoch
nicht zwingend; und für bestimmte Verwendungsformen, insbesondere
für Solarsammler, die auf Oberflächen von vertikalen, aber auch
horizontalen Bauwerken verwendet werden sollen, ist es oft vorteilhaft,
ein in bezug auf die Normale auf der Grundplatte schräges
Fasernetz zu verwenden, so daß dieses Fasernetz sich annähernd in
der solaren Einfallsebene (Fig. 6c) befindet. Wesentlich ist dabei
in dem erfindungsgemäßen Absorber, daß die Fasern untereinander
im wesentlichen parallel bleiben, ob sie nun senkrecht oder schräg
auf der Grundplatte 1 angebracht sind, wobei die Abweichung in bezug
auf die mittlere Faserrichtung in vorteilhafter Weise unter 5°,
vorzugsweise unter 2°, bleiben soll.
Das Fasernetz kann auf der Grundplatte in zufälliger Weise, wie
in den Fig. 6a und 6b, oder auch in gleichmäßiger Weise, wie in
Fig. 1 verteilt sein. Dieser letztere Fall kann für einen Solar-
Kollektor vorteilhaft sein. Man richtet die Reihen der Fasern so aus,
daß die direkte Solarstrahlung im Durchschnitt der verschiedenen
Sonnenstellungen während des Verwendungszeitraumes nur ein Minimum
an Reflexionen erleidet. Dies erlaubt, Fasern zu verwenden, deren
optische Eigenschaften keineswegs optimal sind.
Statt daß die Grundplatte 1 aus Metall, beispielsweise aus Eisen,
Aluminium oder Kupfer besteht, kann sie auch aus einem anderen
Material wie beispielsweise Glas, keramischem Material oder auch
aus Kunststoff sein.
Die Befestigung des Fasernetzes auf der mit ihrer absorbierenden
Schicht bedeckten Grundplatte kann auf verschiedene Arten realisiert
werden: Durch Einsetzung auf mechanischem Wege oder durch
elektrostatische Beflockung; durch Ziehverfahren verschiedenartiger
Fasern unmittelbar aus einer geeigneten Absorberplatte heraus;
durch Web-, Strick- oder Tufting-Techniken, d. h. Einsetzen zusätzlicher
Fasern in ein Gewebe, die denen entsprechen, die für die
Herstellung von Velours oder Teppichen verwendet werden; durch
Befestigung entsprechend der Art, die für bestimmte Bürsten verwendet
wird; durch Wachstum feiner Kristalle in Form langer Nadeln,
beispielsweise Gips; durch Extrudieren von Fasern durch in die
gleiche Oberfläche des Sammlers eingelassene Löcher usw.
Die Fig. 7 bis 14 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Absorbers, in Einzeldarstellung oder in
einen Solarkollektor eingebaut usw., die entsprechend irgendwelchen
der oben beschriebenen Techniken hergestellt wurden.
Die Techniken der Einsetzung, Implantation, auf mechanischem oder
elektrostatischem Wege erfordern das Vorhandensein einer Haftschicht
auf der absorbierenden Platte, die dazu bestimmt ist, die
Fasern festzuhalten. Hierfür kann man vorsehen, auf der Grundplatte
eine Doppelbeschichtung (Fig. 3a und 3b) mit einer ersten absorbierenden
Schicht vorzunehmen, auf die eine zweite haftende Schicht
folgt, oder umgekehrt; oder man kann eine einzige Beschichtung
mit den kombinierten Absorptions- und Hafteigenschaften vornehmen.
Zu diesem Zweck kann man beispielsweise vorsehen, natürliche absorbierende
Kleber wie Schwarzkleber oder schwarzes Glaslot oder
auch Kleber zu verwenden, die durch Einbringung von Elementen wie
Schwarzkohle, Übergangsmetalle, Selen usw. absorbierend gemacht
werden.
Als mögliche Haftmaterialien kann man solche Materialien verwenden,
die von Natur aus haftend sind, Materialien, die mit Hilfe
der Wirkung eines Katalysators oder durch Hinzufügen einer zweiten
Komponente an der Luft polymerisieren, oder auch Epoxyharze und
insbesondere ein Bindematerial, das im Handel unter der Bezeichnung
Scotch 582 bekannt ist. Um Fasern aus Glas zu befestigen, verwendet
man vorzugsweise als Haftmittel ein Glaslot oder ein Emaille mit
einer geeigneten Schmelztemperatur.
Die Implantationstechnik auf mechanischem Wege besteht im wesentlichen
darin, die Fasern mit irgendeinem geeigneten mechanischen
Mittel in eine Haftschicht hineinzustecken, wobei man im Bedarfsfall
ein Gitter mit feinen Maschen oder irgendeine Trennvorrichtung
verwendet, die den gewünschten Abstand zwischen den Fasern während
ihres Einsetzens aufrechterhalten soll.
Die Implantationstechnik durch elektrostatische Beflockung stellt
ein sehr bekanntes industrielles Verfahren dar, das gekennzeichnet
ist durch das gerichtete Spritzen von Fasern in Richtung auf
eine Aufprallplatte, auf der sie sich implantieren sollen. Die
Ausrichtung der Fasern wird durch die elektrostatischen Kräfte
hervorgerufen, die sich aus dem Aufbau eines kontinuierlichen erhöhten
elektrischen Kraftfeldes ergeben. Da die einzelnen Fasern
sich während ihres Durchlaufes bis zur Aufprallplatte parallel in
Feldlinien ausrichten, ist es auf diese Weise möglich, ihre Winkelstellung
bei ihrem Auftreffen auf diese Platte zu steuern, indem
man beispielsweise die Geschwindigkeit des Vorbeilaufs der Platte
vor dem Strom der beflockten Fasern anpaßt.
Fig. 7 veranschaulicht schematisch eine Einrichtung zur Herstellung
von erfindungsgemäßen Strukturen durch elektrostatische Beflockung
mit einer erhöhten Herstellungsgeschwindigkeit (mehrere m/min). Die
in dieser Figur gezeigte Einrichtung umfaßt eine Mitnahmevorrichtung,
die aus einer Vielzahl von seitlichen Trägerrollen 18 besteht, die
so angebracht sind, daß sie eine mit einer geschwärzten Schicht 20
versehene Metallfolie 19, oder ein Band, an folgenden Elementen
vorbeilaufen lassen: Die Folie 19 läuft nach rechts an einer Pulverisiervorrichtung
21 vorbei, die aus einem mit einer wäßrigen,
selbstklebenden Pulverlösung aus Glaslot gefüllten Behälter 22
besteht, der mit pneumatischen oder elektrostatischen Pulverisiermitteln
23 versehen ist. Die Funktion dieser Pulverisiervorrichtung
besteht darin, auf der geschwärzten Seite der Folie 19 einen aus
der Lösung bestehenden Überzug 24 aufzubringen. In einer Abwandlung
kann das Glaslot selbst geschwärzt werden. Die auf diese Weise
überzogene Folie 19 läuft dann durch einen ersten Ofen 25, der so
angeordnet ist, daß er nacheinander trocknet, erhitzt und dann das
Einbrennen des Glaspulvers auf der Folie 19 hervorruft, bevor es
senkrecht zu einer elektrostatischen, im Inneren eines zweiten
Ofens 27 angeordneten Beflockungsvorrichtung 26 ankommt.
Diese Beflockungsvorrichtung 26 umfaßt ein Metallgitter 28, auf
dessen oberstem Rand ein Ausgabeorgan 31 für Glasfasern mündet.
Die Speisung dieses Organs mit Fasern, die pneumatisch geschehen
kann, ist in der Zeichnung schematisch durch den Pfeil 31 a dargestellt.
Unterhalb des Gitters 28 ist ein mit komprimierter Luft
gespeister Trichter 32 angeordnet. Die Speisung ist in der Zeichnung
schematisch durch den Pfeil 32 a angedeutet. Aufgabe dieser
Zufuhr von komprimierter Luft ist es, über dem Gitter ein Fluidbett
aus Fasern zu erzeugen. An das Gitter 28 ist im übrigen eine
Metallplatte 29 angesetzt, die sich im wesentlichen über die
gesamte Länge des Ofens 27 erstreckt, parallel zu der geschwärzten
Folie 19. Die Platte 29 und das Gitter 28 sind elektrisch mit
einer Hochspannungsquelle 30 verbunden, während die geschwärzte
Folie 19 mit Hilfe der Rollen 18 geerdet ist, so daß zwischen der
Gesamtheit Gitter 28/Platte 29 und der Folie 19 ein im wesentlichen
senkrecht zur Folie 19 verlaufendes starkes elektrostatisches
Feld gebildet wird.
Unter Einwirkung des elektrostatischen Feldes und bei geringer
Vorlaufgeschwindigkeit der Folie 19 beginnen sich einzelne Fasern
in den in formbarem Zustand gehaltenen Überzug 24 einzupflanzen,
und zwar senkrecht zu diesem. Der zweite Ofen 27 wird so betrieben,
daß er einerseits in seinem ersten, neben der Beflockungsvorrichtung
26 liegenden Teil eine Temperatur aufweist, die ausreicht, um
den Überzug 24 aus Glaslot während des Beflockungsvorganges in
formbarem Zustand zu halten, andererseits in seinem zweiten, neben
dem Ausgang liegenden Teil eine stufenweise abnehmende Temperatur
aufweist, was die Erstarrung des mit Fasern versehenen Glaslotes
nach sich zieht. Die derart mit einem dichten Netz von Fasern überzogene
Folie 19 schiebt sich dann in dem Ofen 27 bis zu dessen
Ausgang vor, während der Überzug 24 erstarrt, indem er langsam
erkaltet.
Die Fig. 8 bis 11 veranschaulichen die Schaffung eines Netzes von
auf einer Grundplatte durch ein Ziehverfahren implantierten Fasern,
das unmittelbar von dieser Grundplatte aus aufgebracht wird. Dieses
Ziehverfahren besteht darin, gleichzeitig eine große Anzahl von
Fasern aus einer Schicht eines thermoplastischen oder chemisch
aufweichbaren Materials, wie Weichglas, organisches Material usw.,
zu ziehen, das die Grundplatte bedeckt. Ein solches Verfahren hat
den Vorteil, genau parallele Fasern zu ergeben, selbst wenn diese
lang sind und dicht aneinandergerückt sind.
Um ein Netz von Grundpunkten zu schaffen, die das Anbringen der
zu ziehenden Fasern ermöglichen, verwendet man eine mit einem
geeigneten Netz feiner Ausstülpungen, beispielsweise in Pyramiden-
oder Prismenform versehene Grundplatte. Eine solche Grundplatte
kann entsprechend bekannten Verfahren einfach hergestellt werden,
beispielsweise durch ein Prägeverfahren. Diese Grundplatte wird
dann mit einer dünnen Schwarzschicht versehen, d. h. einer etwa durch elektrochemische Schwärzung Strahlung absorbierende Schicht, die durch
die weiteren Herstellungsphasen unverändert bleibt. Dann bringt
man auf die derart geschwärzte Grundplatte eine zweite, dickere
Schicht eines durchscheinenden Materials auf, das in bezug auf die
einfallende Strahlung nicht diffundiert, das thermisch oder chemisch
aufweichbar ist, wie etwa Glaslot, Haft- oder thermoplastische Substanz.
Diese Ablagerung wird so vorgenommen, daß die aufweichbare
Schicht sich mit dem Relief der Grundplatte vereinigt, so daß eine
Vielzahl von vorstehenden Punkten entsteht, die als Markierung
für die Bildung der Fasern dienen. Eine Hilfsplatte, oder ein
Zylinder, mit geeigneten Abmessungen gegebenenfalls erhitzt, wird
dann gegen die derart überzogene Grundplatte gepreßt oder gerollt,
so daß jeder der vorspringenden Punkte der aufweichbaren Schicht
an der Hilfsplatte haften bleibt.
Durch Abheben oder Drehen dieser Hilfsplatte
von der Grundplatte mit einer geeigneten Geschwindigkeit erhält
man ein Netz feiner Fasern, das dann von der Hilfsplatte getrennt
werden kann, indem man die Oberfläche dieser letzteren von der
Grundplatte trennt.
Die Fig. 8a und 8b zeigen eine Ausführungsform dieses Verfahrens,
bei der man eine Grundplatte 35 verwendet, die mit einem Netz von
pyramidenförmigen Ausstülpungen 36 versehen ist (perspektivisch
dargestellt in Fig. 8a).
Die Fig. 8b zeigt das Ziehverfahren
der Fasern zu Beginn der Abhebbewegung (schematisch dargestellt
durch den Pfeil 40) der Hilfsplatte 39, die vorher auf die Grundplatte
35 aufgedrückt worden war, die nacheinander mit einer
ersten dünnen absorbierenden Schicht 37 und dann mit einer zweiten
dicken Schicht eines durchscheinenden und aufweichbaren Materials
38 bedeckt ist. Man unterscheidet in dieser Fig. 8b die Fasern 41
während ihres Entstehens senkrecht zu den pyramidenförmigen Ausstülpungen
36. Das Bezugszeichen 42 bezeichnet den Abzugspunkt
dieser Fasern am Ende des Streckziehens. Durch geeignete Wahl der
Temperaturen der Grundplatte und der Hilfsplatte ist es möglich,
Fasern zu erhalten, die ein nahezu kontrolliertes Dickenprofil
haben. Beispielsweise kann die Grundplatte 35 eine Kupferplatte
sein, die absorbierende Schicht 37 eine Schicht aus Kupferoxid, die
aufweichbare Schicht 38 eine Schicht aus Glaslot und die Hilfsschicht
eine Glasplatte.
Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen eine erste Abwandlung dieses
Ziehverfahrens, bei dem man eine mit einem Netz von Ausstülpungen 46
in prismatischer Form versehene Grundplatte 45 verwendet (perspektivisch
veranschaulicht in Fig. 9a). Fig. 9b zeigt das Ziehverfahren
zu Beginn der Abhebbewegung der Hilfsplatte 39 (Fig. 9b
stellt einen Schnitt entlang der Achse der oberen Haltepunkte der
prismatischen Ausstülpungen dar). Was die Form der Ausstülpungen
46 angeht, so haben die gezogenen Teile die Form dünner Lamellen 47,
deren oberes Ende nach der Trennung der beiden Platten einen
Schnitt aufweisen kann, der dem einer gewöhnlichen Faser nahekommt.
Die Längsschnitte der Fig. 10a und 10b zeigen Querschnitte dieser
Lamellen 47 in zwei verschiedenen Ebenen.
Für die Verwendung in einem flachen Solarkollektor wird der auf
diese Weise mit Lamellen versehene Absorber vorteilhafterweise
derart angeordnet, daß die Lamellen nahezu auf den Südpunkt des
Himmelsäquators zeigen, wobei die "Schnitt"-Seiten dieser Lamellen
im wesentlichen in Ost-West-Richtung angeordnet sind. Eine solche
Anordnung erlaubt es, aufs beste die Führung der einfallenden Solarstrahlung
bis zu der absorbierenden Schicht zu gewährleisten.
Fig. 11 veranschaulicht eine zweite Abwandlung, in der man eine
durchscheinende Hilfsplatte 49 verwendet, die an den Enden der
Fasern 50 nach Ausziehen dieser letzteren von einer Grundplatte 51
aus, auf deren Hinterseite beispielsweise durch Schweißung Wärmeaustauschrohre
52 befestigt sind, verbunden bleibt. Wie man in
dieser Figur feststellen kann, stellt die entstehende "Sandwich"-
Formierung nach thermischer Isolation 53 der Rückwände
und der Seitenwände 54 bereits einen flachen Solarsammler dar, der voll
arbeitsfähig ist. Der ursprüngliche Vorteil einer solchen Abwandlung
beruht auf ihrer großen Widerstandskraft gegen mechanische
Stöße, etwa Zerstörungswut, Hagel usw.. Da die Hilfsplatte 49 tatsächlich
von den Fasern 50 in quasi optimaler Weise getragen wird, ist
sie wirksam gegen jeden Bruch geschützt; dieses Ergebnis ist vor
allem in dem Fall interessant, wo diese Platte 49 aus Glas besteht.
In einer Abwandlung können die Platten 49 und 51 ebenso wie die
Rohre 52 aus einem biegsamen Kunststoff bestehen. In einem solchen
Fall ist es möglich, einen biegsamen Solarkollektor zu realisieren,
insbesondere in Querrichtung zu den Rohren 52. Man kann auf diese
Weise Bänder von Solarkollektoren verwirklichen, die in Form von
Rollen hergestellt und transportiert werden können. Diese Abwandlung
erlaubt vor allem einen schnellen Aufbau großer Solarkollektor-
Oberflächen. Eine solche Abwandlung des Absorbers ist auch gut
geeignet für die Anwendung nicht-solarer Strahlungsheizung. Die
Grundplatte 51, die Fasern 50 und die durchscheinende Platte 49
bilden die Wand, oder den Boden eines chemischen Reaktors, eines
thermostatischen Behälters oder einer Kasserolle. Die Ladung wird
durch thermische Leitung quer durch die Platte 51 hindurch erwärmt.
Die Fig. 12 und 13 zeigen einen erfindungsgemäßen Absorber, der
durch Web- oder Tufting-Verfahren erhalten wird. Es ist bekannt,
daß diejenigen Webverfahren, wie sie für die Herstellung von Velours
verwendet werden, den systematischen Schnitt eines Teiles des
Schußfadens oder auch des Kettfadens ermöglichen. Bei der Mehrzahl
der Fäden krümmen sich die abgeschnittenen Teile nach oben, so
daß es auf diese Weise möglich ist, eine gewebte Struktur zu
erhalten, die den Erfordernissen eines erfindungsgemäßen Absorbers
entspricht. Durch das ebenfalls gut bekannte Tufting-Verfahren kann
man Netze aus Fäden erhalten, die länger sind als die, die man
durch das Weben erhalten kann.
Im Idealfall soll eine Textilstruktur, die als Absorber dienen
kann, aus schwarzen Kettfäden, d. h. solchen, die die einfallende
Strahlung absorbieren und die widerstandsfähig gegen Hitze sind,
und durchscheinenden Schußfäden oder Fäden, die durch Tufting
eingeführt werden, bestehen, die nicht diffundieren und ebenfalls
hitzebeständig sind. Da die entstehenden Textilstrukturen im allgemeinen
nicht fluiddicht sind, sind sie besonders gut geeignet
zum Einsetzen in Solarkollektoren, die ein Gas als Wärmeaustauschmedium
enthalten.
Fig. 12 zeigt eine solche Textilstruktur, die aus einer schwarzen
Kette 57, aus nicht geschnittenen, vorzugsweise ebenfalls schwarzen
Schußfäden 58 und aus geschnittenen Schußfäden 59 besteht, die
durchscheinend und nach oben abgebogen sind. Die Bezugszeichen 60
bzw. 61 zeigen jeweils die Richtung der einfallenden Strahlung und
die Richtung des Gasstroms in bezug auf diese Struktur an.
Die Fig. 13 zeigt einen Solarkollektor, der beispielsweise mit zwei
Textilstrukturen 63 und 64 versehen ist, die als Luft-Wärmeaustauscher
arbeiten. Dieser Solarkollektor umfaßt einen, etwa nach Süden
geneigten Behälter 65, dessen Vorderseite aus einer durchscheinenden
Deckplatte 66 besteht und dessen hintere und seitliche Innenwände
in üblicher Weise mit einem porösen, thermischen Isolierer 67 aus
Glas- oder Kieselwolle, Wolle aus einer organischen
Faser, Kork usw. versehen sind. Diese thermische Isolier-Ausstattung 67 ist
vorteilhaft innen mit einer Metallfolie 68 mit geringer Strahlungskraft,
beispielsweise Nickel, Aluminium usw. versehen. Die beiden
textilen Strukturen 63 und 64 sind untereinander im Inneren des
Behälters 65 zwischen der durchscheinenden Deckplatte 66 und der
Metallfolie 68 angeordnet, um quasi die gesamte einfallende Strahlung
zu absorbieren. Der Behälter 65 ist schließlich mit einer
Eingangsöffnung 69 für Kaltluft versehen, die in der unteren Seitenwand
nahe der Deckplatte 66 angeordnet ist, und einer Ausgangsöffnung
70 für Warmluft, die in der oberen Seitenwand hinter den
beiden Textilstrukturen 63 und 64 angeordnet ist.
Ein solcher Solarkollektor arbeitet besonders einfach. Die Kaltluft
dringt durch die Eingangsöffnung 69 in den Kollektor ein, wird durch
die textilen Strukturen 63 und 64 geblasen, in denen sie sich erwärmt,
und verläßt den Kollektor schließlich durch die Ausgangsöffnung
70. Die durch die Luft genommene Bahn ist in der Zeichnung
durch Pfeile 71 schematisch dargestellt.
In einer solchen Vorrichtung ist es nicht unbedingt erforderlich,
daß das Material, aus dem die Textilstrukturen bestehen, eine
erhöhte thermische Ausstrahlungskraft für alle Infrarot-Wellenlängen
hat. Es genügt, daß die vertikalen Fasern, die Schußfäden, und die in
der Ebene der gewebten Strukturen liegenden Fasern, Kette und nicht
geschnittener Schuß, Absorptionsbereiche und spektrale Transmissionsbereiche
haben, die im Inneren des Wellenlängenbereiches
des thermischen Infrarot identisch sind.
Während des Betriebs spielt der Luftraum zwischen der Metallfolie
68 und den Strukturen 63 und 64 nur die Rolle eines Schwarzkörper-
Hohlraums bei der Temperatur des Umwandlers für solche Infrarot-
Wellenlängenbereiche, für die das Textilmaterial, aus dem der Sammler
besteht, absorbierend wirkt. Für alle anderen Bereiche der
thermischen Infrarot-Wellenlängen nähert sich die Strahlungstemperatur
im Inneren des Sammlers der niedrigeren Temperatur der
Deckplatte 66, wenn diese letztere im thermischen Infrarot lichtundurchlässig
ist.
Es ist auch möglich, durch Wirken erhaltene Solarkollektoren zu verwirklichen.
In diesem Fall tränkt man den Boden des Gewebes vor
dem Abschneiden der gewirkten Fäden, die als Fasern dienen sollen,
mit einem Material wie beispielsweise geschwärztem, thermohärtbaren
Harz. Dieses Verfahren erlaubt es, die Struktur der Fasern unmittelbar
auf einer Grundplatte zu befestigen, die Leitungen für
ein Wärmeaustauschfluid aufweist. Das Harz ermöglicht es gleichzeitig
eine bessere Stabilität und Parallelität der Fasern untereinander
zu erhalten. Außerdem dient es als absorbierende Schicht.
Fig. 14 zeigt einen photothermischen erfindungsgemäßen Absorber,
der durch Verfahren erhalten wird, wie sie analog bei der Herstellung
von Bürsten angewandt werden. Die Strukturen der Bürsten
sind gekennzeichnet durch die Befestigung von Faserbündeln auf
einem festen Träger, wobei die Befestigung entweder mechanisch
stattfindet, etwa Einklemmen von Fasern in ein Netz von Löchern und
Schlitzen oder mit Hilfe eines Haftmittels. Die Bürstenstrukturen
haben den Vorteil eines einfachen mechanischen Befestigungsverfahrens,
kombiniert mit einer praktisch unbegrenzten Auswahl in
bezug auf das Material der Fasern sowie ihre Geometrie, im Gegensatz
zu den Web- und Beflockungstechniken. Es wird daher beispielsweise
möglich, längere Fasern zu verwenden als die bei der Beflockung
verwendbaren, woraus sich eine noch verbesserte thermische
Isolation des Sammlers ergibt.
Die Struktur des in Fig. 14 gezeigten Solar-Absorbers hat eine
zylindrische Geometrie entsprechend der, die mit den zylindrisch-
parabolischen Konzentratoren oder mit festen Konzentratoren verwendet
werden, die mit einem beweglichen, zylindrischen Umwandler
ausgestattet sind, der dem Solarherd folgt. Eine Vielzahl von
Faserbündeln 74 wird radial an ihrem unteren Ende zwischen einer
Vielzahl von Unterlegscheiben oder Muttern 75 eingeklemmt, die
immer die eine auf die andere folgend auf einem Wärmeaustauschrohr
76 aufgereiht sind, und die beispielsweise durch eine Kompressionsschraube
77 eine gegen die andere gepreßt gehalten werden. Die
einzelnen Fasern der Bündel 74, die mehrere Zentimeter lang sind,
sind vorzugsweise aus einem feuerfesten Material wie Silizium oder
Glas. Die Oberfläche der vorzugsweise V-förmigen Unterlegscheiben 75
wird in geeigneter Weise, beispielsweise durch Oxidation,
geschwärzt, so daß der größtmögliche Teil der auf den Absorber
gebündelten Solarstrahlung absorbiert werden kann. In dem Rohr 76
zirkuliert ein geeigneter Wärmeträger 78, beispielsweise
Druckwasser, flüssiges Polyphenyl oder ein Gas wie CO₂.
Diese Solarabsorberstruktur kann in vorteilhafter Weise im
Inneren eines koaxialen (nicht in der Zeichnung dargestellten)
Glasrohrs angeordnet sein, das im allgemeinen nicht luftleer
gemacht zu werden braucht.
Der Vorteil eines solchen Absorbers in Bürstenform liegt darin,
daß die Fasern relativ lang sein können und daher sehr wirksam als
thermische Isolierung dienen können. Im übrigen bestehen die
Fasern ebenso wie die absorbierende Oberfläche aus Oxiden, die in
einer Umgebung von Heißluft, daher oxidierend, auf lange Sicht
eine ausgezeichnete Stabilität aufweisen. Ein solcher Absorber
ist auch besonders gut geeignet, Strahlungsintensitäten und infolgedessen
sehr hoch liegende Betriebstemperaturen zu ertragen,
ohne irgendeine Veränderung zu erleiden.
Der photothermische erfindungsgemäße Absorber hat eine gewisse
Anzahl von Vorteilen. Dank der Ausschaltung der Konvektion besitzt
er in erster Linie eine erhöhte Konversionsleistung, insbesondere
für die wesentlichen Temperaturunterschiede zwischen Absorber und
Umgebung. Seine Leistung ist vergleichbar mit der bekannter luftleerer
photothermischer Absorber. Im Vergleich zu den dünnen
Schichten für selektive spektrale Absorption der bekannten photothermischen
Absorber bietet er außerdem ein sehr günstiges Verhältnis
zwischen Leistungen und Kosten, und er kann in großer Serie
billig hergestellt werden. Schließlich hat er einen Absorptionskoeffizienten
für Solarstrahlung, der viel höher liegt als der, der mit
den Schichten für bekannte selektive Spektralabsorption erhalten
werden kann.
Claims (16)
1. Absorber eines Solarkollektors mit einer Oberfläche, von
der mindestens eine der Seiten, die für die Bestrahlung
durch einfallende Lichtstrahlung bestimmt ist, stark absorbierend
in bezug auf derartige Strahlung ist, wobei
eine Vielzahl von vorstehenden Fasern auf dieser Seite
vorgesehen ist, die sich im wesentlichen parallel zueinander
und in gleichmäßigem Abstand voneinander erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser (4, 41, 50, 89, 90)
aus einem Material besteht, das sowohl für die Lichtstrahlung
durchlässig als auch zumindest teilweise für
Infrarot-Wärmestrahlung undurchlässig ist, die von der
Oberfläche (2) des Absorbers zurückgestrahlt werden
kann, und daß die Fasern (4, 41, 50, 89, 90) eine Länge zwischen
1 und 10 cm und einen Durchmesser zwischen 25 und
500 µm aufweisen, wobei der durchschnittliche Abstand
zwischen den Fasern (4, 41, 50, 89, 90) zwischen 100 und
5000 µm liegt.
2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) einen kreisförmigen Querschnitt haben.
3. Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) eine Höhe in der Größenordnung von 5 cm
und einen Durchmesser in der Größenordnung von 70 µm haben,
wobei die Dichte der Fasern (4) auf der Oberfläche
in der Größenordnung von 500 Fasern (4) pro cm² liegt.
4. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) senkrecht zu der Oberfläche (2) angeordnet
sind.
5. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) schräg zu der Oberfläche (2) angeordnet
sind.
6. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (89) einen abgeflachten Querschnitt haben.
7. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (90) hohl sind.
8. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) Glasfasern sind.
9. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) Kunststoff-Fasern sind.
10. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) mechanisch in die Oberfläche (2) implementiert
sind.
11. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (4) elektrostatisch in die Oberfläche (2) implementiert
sind.
12. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (41) durch Ziehen aus einer dicken Schicht
(38) geformt sind.
13. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die absorbierende Oberfläche (2) aus einem gewebten Material
besteht, aus dem eine Vielzahl von Fasern (4)
vorsteht.
14. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er in einen Solarkollektor flachen Typs eingebaut ist.
15. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er in einen Solarkollektor vom Konzentratortyp eingebaut
ist.
16. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er die Innenwand (91) eines Behälters (100) mit Doppelwand
in Kombination mit einer Außenwand (94) bildet, die
aus einem für einfallende Lichtstrahlung durchlässigen
Werkstoff besteht, wobei die Wände einen Behälter bilden,
der eine erwärmbare Ladung (98) aufnimmt, indem der
Behälter (100) der Strahlung ausgesetzt ist.
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