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Die Erfindung betrifft eine Absorbereinheit für einen Kollektor zur solarthermischen Erwärmung eines insbesondere gasförmigen Fluids, wobei die Absorbereinheit an einer Seite einen Einlassbereich für das Fluid und an einer strömungsabwärts liegenden Seite einen Auslassbereich für das Fluid umfasst, wobei die Absorbereinheit durch zwei zueinander parallele Platten gebildet ist, von denen eine obere Platte solarstrahlungsdurchlässig und eine untere Platte solarstrahlungsabsorbierend gestaltet sind und die zwischen sich einen Strömungsraum bilden, wobei wenigstens eine der beiden Platten im Strömungsraum eine Vielzahl von über die Plattenflächen gleichmäßig verteilt angeordneten Domen umfasst, die zu der anderen Platte hin abragen und deren Höhe geringer ist als ein Abstand zwischen den beiden Platten, sowie einen Kollektor zur solarthermischen Erwärmung eines gasförmigen Fluids mit einem Kollektorgehäuse, in dem eine Isolierung sowie eine Absorbereinheit integriert sind, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Absorbereinheit. Ein derartiger Kollektor und eine derartige Absorbereinheit sind aus der
FR 2389078 A1 bekannt. Der bekannte Kollektor dient zur solarthermischen Erwärmung eines Fluids und weist eine Absorbereinheit auf, die zwei zueinander parallele Platten umfasst, von denen eine solarstrahlungsdurchlässig und eine andere solarstrahlungsabsorbierend gestaltet sind. Die Platten bilden zwischen sich einen Strömungsraum. In den Strömungsraum hinein ragen über eine Plattenfläche gleichmäßig verteilt angeordnete Dome, deren Höhe wesentlich geringer als eine Höhe des Strömungsraumes.
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Ein weiterer Absorber für einen Solarluftkollektor ist aus der
DE 102 32 387 A1 bekannt. Der bekannte Solarluftkollektor umfasst eine Absorberplatte, an der wärmeleitfähige Wandungen parallel zueinander ausgerichtet sind, die Strömungskanäle für die zu erwärmende Luft bilden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Absorbereinheit, einen Kollektor und ein Verfahren zur Herstellung einer Absorbereinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung auf ein insbesondere gasförmiges Fluid ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für die Absorbereinheit dadurch gelöst, dass die Dome in Anordnung und dreidimensionaler Gestalt derart ausgeführt sind, dass sich über die gesamte wirksame Fläche und Höhe des Strömungsraumes der Absorbereinheit gleichmäßige Strömungsabrissfunktionen ergeben, und dass die Dome in Strömungsrichtung tropfenartig erweitert sind. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zwischen den beiden Platten ein über seine Länge und Breite durchgängiger Strömungsraum für das Fluid geschaffen, in dem die gleichmäßig verteilt angeordneten Dome nach Art von noppenförmigen Profilierungen vorgesehen sind. Die Dome ragen frei nach oben ab, ohne die gegenüberliegende Platte der Absorbereinheit zu berühren. Dadurch ergeben sich sowohl über die Höhe des Strömungsraumes als auch über seine gesamte Breite und Länge besonders gute Strömungsabrisse und Strömungsverwirbelungen, die eine besonders gute Wärmeaufnahme des hindurchströmenden Fluids ermöglichen. Erfindungsgemäß ist die obere Platte aufgrund ihrer Solarstrahlungsdurchlässigkeit zumindest weitgehend transparent ausgeführt, während die untere Platte solarstrahlungsabsorbierend und damit insbesondere schwarz eingefärbt ausgeführt ist. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für gasförmige Fluide, ganz bevorzugt für Luft. Ein mit einer erfindungsgemäßen Absorbereinheit versehener Solarluftkollektor dient zur Heizung, Lüftung oder Trocknung von Gebäuderäumen, insbesondere von Wohnräumen, Industriehallen, landwirtschaftlichen Hallen und Räumen und ähnlichem. Ein entsprechender Solarluftkollektor erwärmt Frischluft, die direkt in die entsprechend zu heizenden Räume geleitet werden kann.
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Damit sind die Dome strömungsaufwärts schmaler ausgeführt und erweitern sich strömungsabwärts. In vorteilhafter Weise weisen die Dome abgerundete Konturen auf. Die Dome mit ihrer Tropfenform besitzen demzufolge weder an den Seiten noch im Bereich ihrer Oberseite Kanten, sondern sind vielmehr allseitig abgerundet. Vorzugsweise verjüngen sich die Dome auch in Hochrichtung des Strömungsraumes, d. h. zur entsprechend gegenüberliegenden Platte hin.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind beide Platten mit zur anderen Platte hin abragenden Domen versehen, wobei die Dome der gegenüberliegenden Platten sowohl längs der Strömungsrichtung als auch quer zur Strömungsrichtung des Fluids alternierend versetzt zueinander angeordnet sind. Damit ragen die Dome sowohl in Strömungsrichtung gesehen als auch quer zur Strömungsrichtung abwechselnd entweder von der einen oder von der anderen Platte aus ab. Dadurch wird besonders zuverlässig verhindert, dass das Fluid eine thermisch isolierende Grenzschicht bei der Durchströmung des Strömungsraumes aufbaut. Die zu beiden Platten hin abragenden Dome ermöglichen über den gesamten Strömungsraum verteilte, zuverlässige Strömungsabrissfunktionen, die eine besonders gute Wärmeaufnahme durch die Fluidströmung und demzufolge einen besonders guten Wirkungsgrad der Absorbereinheit bewirken.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Dome an ihrer Oberfläche gerundete Konturen auf. Die Gestaltung der Konturen ist dennoch so ausgeführt, dass sich definierte Strömungsabrisse ergeben. Die Berechnung entsprechender Radien und Dimensionierungen der Konturen erfolgt über Computersimulation.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Platten der Absorbereinheit aus einem tiefziehfähigen Kunststoff hergestellt und in einem Twin-Sheet-Verfahren unter Ausformung der Dome und der Quersteganordnung sowie der Ein- und Auslassbereiche dicht miteinander verbunden. Durch die Integration der Dome, der Quersteganordnung und der Ein- und Auslassbereiche in das entsprechend gebildete Twin-Sheet-Bauteil kann die Absorbereinheit kostengünstig und einfach hergestellt werden. Dadurch, dass die Absorbereinheit aus Kunststoff hergestellt ist, weist sie ein geringes Gewicht auf. Auch die Bauhöhe der Absorbereinheit kann hierdurch gering gehalten werden. Besonders vorteilhaft wird die Absorbereinheit aus Polycarbonat-Platten hergestellt.
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Für den Kollektor der eingangs genannten Art mit einem Kollektorgehäuse, in dem eine Isolierung sowie eine Absorbereinheit integriert sind, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Absorbereinheit wie zuvor beschrieben ausgeführt ist. Der solarthermische Kollektor weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Besonders vorteilhaft ist er als Solarluftkollektor ausgebildet, bei dem Frischluft angesaugt und zur Erwärmung durch den Strömungsraum der Absorbereinheit geführt wird. Der Kollektor ist kostengünstig herstellbar und weist ein geringes Gewicht auf. Zudem kann der Kollektor aufgrund der geringen Bauhöhe des Absorbers selbst ebenfalls eine relativ geringe Höhe aufweisen. Der solarthermische Kollektor kann im Bereich seiner Oberfläche mit einer Solarzellenanordnung versehen sein, die einen Teil der Oberfläche des Kollektorgehäuses überdeckt. Die Solarzellen können den Strom für einen elektrischen Ventilator erzeugen, der im Bereich des Einlasses der Absorbereinheit angeordnet ist.
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In Ausgestaltung des Kollektors ist zwischen einer transparenten Wandung des Kollektorgehäuses und der Absorbereinheit ein Luftspalt vorhanden, der insbesondere eine Höhe aus dem Bereich zwischen 15 mm und 20 mm aufweist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Absorbereinheit eine Höhe zwischen 8 mm und 14 mm auf. Die Gesamthöhe des Kollektorgehäuses des Kollektors beträgt dann zwischen 80 mm und 90 mm. Die Isolierung ist unterhalb der Absorbereinheit auf der der Sonnenstrahlung abgewandten Seite vorgesehen. Der Luftspalt dient zur Reduzierung der Konvektion und gewährleistet, dass allenfalls geringe Wärmeverluste entstehen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl der Einlass- als auch der Auslassbereich jeweils in einer zentralen Zone jeweils eines Endbereiches des Strömungsraumes der Absorbereinheit vorgesehen. Im Betrieb des Solarluftkollektors kann die Temperaturdifferenz zwischen der Frischluft an der Eintrittsseite und der in dem Kollektor aufgewärmten Luft im Bereich der Austrittsseite 60° bis 70° betragen. Als geeignetes Kunststoffmaterial zur Herstellung der Absorbereinheit im Tiefziehverfahren sind vorzugsweise Polycarbonatplatten oder andere tiefziehfähige Kunststoffe vorgesehen, die einen Schmelzpunkt von wenigstens 150°C aufweisen.
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Für das Verfahren zur Herstellung einer Absorbereinheit – wie zuvor beschrieben – wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gestaltung der Ein- und Auslassbereiche, der als Strömungsverteiler dienenden Quersteganordnung sowie der Dome durch Computersimulation im Hinblick auf eine gleichmäßige Strömungsverteilung, eine Minimierung eines Druckverlustes der Fluidströmung und im Hinblick auf ein großflächiges Aufbrechen einer thermisch isolierenden Grenzschicht der Fluidströmung durch Erzielung kontrollierter Strömungsabrisse über eine gesamte Fläche und Höhe des Strömungsraumes berechnet und anschließend in einem Herstellungsprozess umgesetzt wird. Die Computersimulation definiert die Strömungsabrissfunktionen dreidimensional, d. h. sowohl in Längs- und Querrichtung der Strömung als auch über die Höhe des Strömungsraumes und damit über die Höhe der Dome. Vorzugsweise wird die Absorbereinheit durch das Tiefziehen von zwei Kunststoffplatten und das Verschweißen der Kunststoffplatten miteinander unter Bildung eines Strömungsraumes geschaffen, wobei die Ein- und Auslassbereiche, die Quersteganordnung und die Dome einstückig aus den Kunststoffplatten ausgeformt werden. Durch ein Twin-Sheet-Verfahren erfolgt die Herstellung der Absorbereinheit in einem einstufigen Prozess. Die entsprechenden Werkzeugformen für die beiden Platten der Absorbereinheit werden nach den durch die Computersimulation berechneten Maßen und Dimensionierungen erstellt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors,
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2 in ebenfalls perspektivischer Darstellung eine untere Hälfte einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Absorbereinheit,
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3 einen Ausschnitt der unteren Hälfte der Absorbereinheit nach 2,
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4 perspektivisch eine Darstellung einer oberen Platte der Absorbereinheit, die zu der die untere Hälfte bildenden Platte nach 2 gehört,
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5 in vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf einen Teilbereich der oberen Platte nach 4,
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6 schematisch eine Längsschnittdarstellung des solarthermischen Kollektors nach 1,
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7 ebenfalls schematisch eine Querschnittdarstellung des solarthermischen Kollektors nach den 1 und 6,
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8 schematisch einen Querschnitt durch die Absorbereinheit des solarthermischen Kollektors nach den 1, 6 und 7 im Bereich einer zur Verteilung der Fluidströmung dienenden Quersteganordnung und
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9 schematisch eine Draufsicht auf die Quersteganordnung nach 8.
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Ein Solarluftkollektor 1 nach den 1 bis 9 dient zur solarthermischen Erwärmung von Frischluft, die in erwärmtem Zustand in einen Raum innerhalb eines Gebäudes geleitet werden kann, um in dem Raum zur Heizung, zur Trocknung und/oder zur Lüftung des Raumes beizutragen. Der Solarluftkollektor 1 weist ein Kollektorgehäuse 2, eine Absorbereinheit 3 und eine Isolationsschicht 4 auf. Die Absorbereinheit 3 und die Isolationsschicht 4 sind in dem Kollektorgehäuse 2 integriert. Das Kollektorgehäuse 2 ist mit einer transparenten Oberfläche versehen, um einen Durchtritt einer Sonnenstrahlung auf die Absorbereinheit 3 zu ermöglichen. Wie anhand der 1, 6 und 7 erkennbar ist, besteht das Kollektorgehäuse 2 aus einer vorzugsweise aus Polycarbonat bestehenden formstabilen Kunststoffplatte, die an ihren gegenüberliegenden Seiten nach unten umgekantet ist und so auf beiden Seiten jeweils einen L-förmigen Seitenschenkel bildet. Die Kunststoffplatte ist insgesamt transparent ausgeführt und ist mit Querriffelungen versehen, um eine Stabilität der Kunststoffplatte zu erhöhen. Die einstückig angeformten Seitenschenkel erhöhen zum einen die Stabilität der Kunststoffplatte. Zum anderen dienen die gegenüberliegenden Schenkel dazu, die Absorbereinheit 3 und die Isolationsschicht 4 von einer Stirnseite her zwischen die Seitenschenkel der Kunststoffplatte einzuschieben. Die Stirnseiten werden nach dem Befüllen des Kollektorgehäuses 2 durch zwei Abschlussblenden 13 (6) verschlossen. Ein Boden des Kollektorgehäuses 2 wird durch eine zwischen die aufeinander zugewandten Stirnkanten der L-förmigen Seitenschenkel der transparenten Kunststoffplatte eingesetzten Deckel gebildet, der vorzugsweise mit den Seitenschenkeln dicht verschweißt, verklebt oder in anderer Art und Weise luftdicht verbunden ist. Die Isolationsschicht 4 kann aus Steinwolle oder einer anderen, wärmeisolierenden Schicht gebildet sein. Vorzugsweise ist die Isolationsschicht 4 durch eine formstabile Schichtplatte gebildet, die ebenfalls in einfacher Weise von der Stirnseite her in das Kollektorgehäuse 2 eingeschoben werden kann.
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Die Absorbereinheit 3 wird, wie anhand der 6 bis 8 erkennbar ist, durch zwei zueinander parallele Platten 3a, 3b gebildet, von denen eine obere Platte 3a solarstrahlungsdurchlässig, vorliegend transparent, gestaltet und eine untere Platte 3b solarstrahlungsabsorbierend, vorliegend dunkel oder schwarz, ausgeführt sind. Beide Platten 3a, 3b sind aus einem tiefziehfähigen Kunststoffmaterial und werden in einem Twin-Sheet-Verfahren gemeinsam tiefgezogen und in einem Randbereich 10 umlaufend dicht miteinander verbunden, vorzugsweise durch Verschweißung in dem einstufigen Twin-Sheet-Herstellungsprozess.
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Die untere, solarstrahlungsabsorbierende Platte 3b (2, 3) ist an einem Endbereich mit einem zentralen Einlassbereich 5b und an einem gegenüberliegenden Endbereich mit einem zentralen Auslassbereich 6 versehen. Der Auslassbereich 6 ist koaxial zu einer Mittellängsachse der Platte 3b angeordnet und als kreisförmiger Durchtritt ausgeführt. Der Einlassbereich 5b ist kastenartig gestaltet und weist als zentralen Einlass eine rechteckige Schlitzöffnung auf, die an einer dem Austrittsbereich 6 zugewandten Seitenwandung des kastenförmigen Gebildes des Einlassbereiches 5b vorgesehen ist. Der Einlassbereich wird aus der Platte 3b ausgeformt und ist demzufolge einstückig mit der Platte 3b. An den Einlassbereich 5d schließt eine gegenüber der übrigen Fläche der Platte 3b vertiefte Querrinne an, in dem eine Quersteganordnung 7b vorgesehen ist. Die Quersteganordnung 7b weist eine der Schlitzöffnung des Einlassbereiches 5b gegenüberliegende zentrale Prallwand sowie mehrere, in einer Flucht mit der zentralen Prallwand in Querrichtung der Absorbereinheit 3 ausgerichtete Querstegabschnitte auf. Zwischen der zentralen Prallwand und den Querstegabschnitten sind Strömungsdurchtritte 11b vorgesehen. An die Quersteganordnung 7b schließt strömungsabwärts, d. h. auf der dem Einlassbereich 5b gegenüberliegenden Seite, der eigentliche Strömungsraum an, an dessen Ende der zentrale Auslassbereich 6 liegt. Die vertiefte Querrinnenprofilierung, in der die Quersteganordnung 7b vorgesehen ist, geht mittels einer konvex gekrümmten Querrampe 12 in den Strömungsraum über (siehe 3 und 6).
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Im Strömungsraum selbst sind eine Vielzahl von noppenförmigen Domen 8 vorgesehen, die in mehreren, in Querrichtung der Absorbereinheit 3 verlaufenden Reihen angeordnet sind. Die Dome 8 sind in Längsrichtung der Absorbereinheit 3 derart versetzt zueinander angeordnet, dass jede zweite Reihe von Domen 8 wieder in der Längsflucht der vorletzten Reihe ausgerichtet ist. Die Dome 8 weisen eine Höhe auf, die geringer ist als eine Höhe des Strömungsraumes. Dies ist anhand der 6 und 7 gut erkennbar. Dadurch ragt jeder Dom 8 zur gegenüberliegenden Platte 3a, 3b hin ab und endet mit seiner Oberseite in Abstand zu der gegenüberliegenden Platte 3a, 3b. Zusätzlich sind Stütznocken 9 über den Strömungsraum verteilt angeordnet, deren Höhe der Höhe des Strömungsraumes entspricht und die zur Abstützung der gegenüberliegenden Platten 3a, 3b relativ zueinander dienen. Zudem können die beiden Platten 3a, 3b im Bereich dieser Stütznocken 9 zur Erhöhung der Stabilität der gesamten Absorbereinheit 3 zusätzlich fest miteinander verbunden sein.
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Die obere Platte 3a, die transparent gestaltet ist, ist bezüglich ihrer wesentlichen Abschnitte identisch, aber spiegelbildlich zu der unteren Platte 3b profiliert. Die obere Platte 3a ist anhand der 4 und 5 sowie anhand der 6 bis 8 erkennbar. Auf Höhe des Einlassbereiches 5b der unteren Platte 3b weist die obere Platte 3a Gegenstützen 5a auf, die mit dem kastenförmigen Gebilde der unteren Platte 3b während des Tiefziehprozesses im Twin-Sheet-Verfahren verschweißt werden und so gemeinsam mit der unteren Platte 3b den Einlassbereich 5a, 5b bilden. Spiegelsymmetrisch zu der unteren Platte 3b ist auch die obere Platte 3a strömungsabwärts zum Einlassbereich 5a, 5b mit einer vertieften Querrinne versehen, in der korrespondierende Querstegabschnitte 7a und eine korrespondierende Prallwand vorgesehen sind, die spiegelsymmetrisch zu der Quersteganordnung 7b nach unten abragt. Die gegenüberliegenden Quersteganordnungen 7a, 7b liegen auf Stoß aneinander an und sind in diesen Stoßbereichen miteinander verschweißt. Die Querstegabschnitte und die Prallwand der Quersteganordnung 7a bilden korrespondierende Strömungsdurchtritte 11a, so dass die obere und die untere Platte 3a, 3b insgesamt die Quersteganordnung 7a, 7b bilden, die zur Verteilung der durch den Einlassbereich 5a, 5b einströmenden Luftströmung über die gesamte Breite des strömungsabwärts anschließenden Strömungsraumes dient. Auch die obere Platte 3a weist eine konvexe oder im Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmte Querrampe 12 auf. Die gegenüberliegenden Querrampen 12 bilden für den Strömungsraum Strömungsleitmittel nach Art einer Schlitzdüse. Im Strömungsraum selbst weist die obere Platte 3a korrespondierende Dome 8 auf, die von der oberen Platte 3a aus nach unten ragen und auf Lücke zu den unteren Domen 8 versetzt angeordnet sind. Auch die oberen Dome 8 enden mit ihrer Unterseite in Abstand zu der unteren Platte 3b. Alle Dome 8 der oberen und der unteren Platte 3a, 3b sind identisch zueinander gestaltet. Anhand der 2 bis 5 ist erkennbar, dass jeder Dom 8 sich in Strömungsrichtung erweitert, so dass sich für jeden Dom 8 in der Draufsicht eine sich strömungsaufwärts verjüngende, tropfenähnliche Form ergibt. Jeder Dom 8 verjüngt sich zudem geringfügig zu seiner freien Stirnseite, d. h. zur benachbarten Platte hin. Die Kontur jedes Domes 8 ist insgesamt gerundet, wie insbesondere den 3 bis 5 zu entnehmen ist.
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Alle Dome 8, die Quersteganordnung 11a, 11b mit den jeweiligen Querstegabschnitten und Prallwänden, der Einlassbereich 5a, 5b sowie der Auslassbereich 6 und der umlaufende Rand 10 wie auch die Querrampen 12 und die vertieften Querrinnen sind jeweils einstückig aus der jeweiligen Platte 3a, 3b durch einen entsprechenden Tiefziehvorgang im Rahmen eines einstufigen Twin-Sheet-Verfahrens ausgeformt. Gleiches gilt für die Stütznocken 9, die ebenfalls einstückig aus der entsprechenden Platte 3a, 3b ausgeformt sind.
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Im Einlassbereich 5a, 5b ist ein Ventilator V angeordnet, der elektrisch angetrieben ist. Die Platte 3a kann entweder insgesamt transparent oder lediglich auf Höhe des Strömungsraumes transparent ausgeführt sein. In letzterem Fall ist die obere Platte 3a in den übrigen Bereichen eingefärbt. Der Ventilator V kann mit einer gebäudeseitigen Stromversorgung verbunden werden. Alternativ ist der Solarluftkollektor 1 direkt mit einer Stromquelle in Form einer Batterie oder eines Akkumulators versehen. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die Oberseite des Kollektorgehäuses 2 auf Höhe des Einlassbereiches mit Solarzellen zu bedecken, die den Strom für den Ventilator V gewinnen.
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Die beiden Platten 3a, 3b bestehen vorzugsweise aus Polykarbonat oder einem anderem tiefziehfähigen Kunststoffmaterial, das in vorteilhafter Weise einen Schmelzpunkt von wenigstens 150°C aufweist.
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Die gesamte Absorbereinheit 3 ist strömungstechnisch optimiert. Hierzu wird die Form jeder Profilierung der beiden Platten 3a, 3b durch Computersimulation im Hinblick darauf berechnet, dass sich sowohl über die gesamte Breite und Länge als auch über die Höhe des Strömungsraumes gleichmäßige Strömungsabrissfunktionen für ein gleichmäßiges Aufbrechen der thermischen Grenzschicht ergeben. Die insoweit berechneten Profilierungen betreffen nicht nur die Dome 8, sondern auch die Querstegabschnitte und Prallwände der Quersteganordnung 7a, 7b, die Größe und Höhe der Strömungsdurchtritte 11a, 11b, die gekrümmte Gestaltung der Querrampen 12, die vertieften Querrinnen, die Dimensionierung des Einlassbereiches 5a, 5b und die Dimensionierung und Anordnung des Auslassbereiches 6. Mittels Computersimulation wird jede einzelne Profilierung dreidimensional so lange modifiziert, bis sich die gewünschte einheitliche und gleichmäßige Wärmeübertragungsfunktion auf die Strömungsluft ergibt. Die die Quersteganordnung betreffenden Profilierungen und Strömungsdurchtritte 11a, 11b werden derart berechnet, dass die durch den Einlassbereich 5a, 5b eintretende Luftströmung mit möglichst wenig Druckverlust gleichmäßig über die gesamte Breite des anschließenden Strömungsraumes verteilt wird.
