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Mit einem gasförmigen Medium gekühlter
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Sonnenstrahlungskollektor Die Erfindung betrifft einen mit einem
gasförmigen Medium gekühlten Sonnenstrahlungskollektor, bestehend aus einem Sonnenstrahlen
absorbierende Körper, einer sonnenseitig vor diesem Körper angeordneten lichtdurchlässigen
Abdeckplatte und einer hinter dem Körper angeordneten Rückseiten-.
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platte.
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Luftgekühlte oder mit einem anderen gasförmigen Medium gekühlte Sonnenstrahlungskollektoren
besitzen gegenüber flüssigkeitsgekuhlten Kollektoren die Vorzüge, daß ihre thermische
Trägheit geringer ist, daß sie eine verringerte Korrosionsanfälligkeit haben und
daß sie leichter und billiger gebaut und leichter installiert werden können.
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Ferner ist eine einfacherere ästhetisch ansprechende Gestaltung möglich
und können sie deshalb besser und leichter als flüssigkeitsgekühlte Kollektoren
bei Neubauten oder auch bei Altbauten als Dach- oder Fassadenelement integriert
werden.
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Die bekannten luftgekühlten Sonnenstrahlungskollektoren bestehen aus
einem flachen Kasten, der sonnenseitig mit einer oder mehreren lichtdurchlässigen
Platten abgedeckt ist. Die durch diese lichtdurchlässige Abdeckung in den Kasten
eintretende Sonnenstrahlung wird an der in ver-
schiedenartiger
Form vorkommenden Oberfläche eines absorbierenden festen Körpers, beispielsweise
an der geschwärzten Oberfläche einer Blechplatte, absorbiert und in Wärme umgesetzt,
und die an der Oberfläche dieses Körpers entstehende Wärme wird durch eine Luftströmung
abgeführt, die entlang der Oberfläche des absorbierenden Körpers durch einen spaltförmigen
Raum zwischen der lichtdurchlässigen Abdeckung und der Oberfläche des absorbierenden
Körpers strömt. Neben diesen längs durchströmten Kollektoren sind auch querdurchströmte
luftgekühlte Kollektoren bekannt, bei denen die in den vorgenannten spaltförmigen
Raum hinter der lichtdurchlässigen Abdeckung eintretende Luft durch einen gelöcherten
Körper geleitet wird und aus einem spaltförmigen Raum hinter diesem Körper abströmt.
In gleichartiger Weise wie bei den längsdurchströmten Kollektoren absorbiert auch
bei diesen querdurchströmten Kollektoren der gelöcherte Körper die Sonnenstrahlung
an seiner der Sonne zugekehrten Seite, und die durchlöcherte Ausbildung des Körpers
soll dazu dienen, um eine Querdurchströmbarkeit des Körpers zu erhalten und um dadurch
gegenüber der reinen Oberflächenströmung entlang der Plattenoberfläche der längsdurchströmten
Kollektoren die Ubertragng der durch die Strahlungsabsorption an der sonnenseitigen
Oberfläche des Körpers erzeugten Wärme an die Luftströmung zu erhöhen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines luft- oder gasgekühlten Sonnenstrahlungskollektors
ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Körper aus einer
Absorberschicht
besteht, in deren Inneres die Sonnenstrahlen einzudringen vermögen und deren Zone
der Energieaufnahme durch Absorption der Strahlen beim Durchgang durch die Absorberschicht
sich im wesentlichen über die gesamte Schichtdicke der Absorberschicht erstreckt
und die für das gasförmige Medium permeabel ist und deren Zone der Wärmeabgabe an
das gasförmige Medium sich im wesentlichen über die gesamte Schichtdicke erstreckt.
Bei diesem Sonnen-; strahlungskollektor findet also sowohl die Energieaufnahme durch
Strahlungsabsorption als auch die Wärmeabgabe an das gasförmige Medium nicht nur
an der der Sonne zugekehrten Seite beziehungsweise Oberfläche eines absorbierenden
Körpers sondern im Innern und prak-tisch über die gesamte Schichtdicke der Absorberschicht
statt, die mehrere Zentimeter betragen kann. Für die Ausbildung der Absorberschicht
ist also bezeichnend und zu beachten, daß der Strahlungsanteil, der in der jeweiligen
Tiefe der Schicht nicht absorbiert wird, transmittiert wird und nicht etwa reflektiert
wird. Die Absorberschicht kann beispielsweise aus einem Gewebe aus Glas-, Kunststoff-,
Metall- oder Textilfasern bestehen oder aus übereinandergestapelten Gittern aus
Glas-, Kunststoff- oder Metalldraht aufgebaut sein oder aus einer Füllung von Füllkörpern,
zum Beispiel Glaskugeln, bestehen. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kollektors
werden dreierlei wesentliche Vorteile erreicht. Die Wärmeübertragung an das Kiihlmedium
verteilt sich über eine wesentlich größere Fläche, da die für den Wärmeübergang
effekti.ve Oberfläche der porösen Absorberschinht
größer ist als
die Wärmeaustauschoberfläche einer gleich großen Platte,so daß sich für die Wärmeübertragung
an das kühlende Medium günstigere Verhaltnisse ergeben. Beim Auf treffen der Strömung
des kühlenden Mediums auf die einzelnen Porenwände beziehungsweise auf die einzelnen
Gewebefasern oder Füllkörper, aus denen die permeable Absorberschicht besteht, bildet
sich jedesmal die thermische Grenzschicht von neuem, was zu einer Erhöhung der lokalen
Wärmeübergangszahl gegenüber der Wärmeübergangszahl in der Grenzschichtströmung
entlang einer Platte führt. Durch das Eindringen der Strahlungsenergie in das Innere
der Absorberschicht wirken deren äußere Zonen isolierend bezüglich der Wärmeleitung
und der Wärme strahlung derjenigen Wärme nach außen, die beim Durchgang durch die
Absorberschicht in deren Kern entsteht, wodurch der Anteil der Wärme, der für die
Ubertragung an das kühlende Medium verlorengeht, das heißt die Wärmeverluste des
Kollektors vermindert werden.
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Mit besonderem Vorteil kann die Absorberschicht sogar so ausgebildet
sein, daß statt konstanter Absorptionsverhältnisse über die Schichtdicke ihr Absorptionsvermögen
von der der Abdeckplatte zugekehrten Oberfläche zum Innern der Absorberschicht mit
zunehmender Eindringtiefe der Sonnenstrahlen ansteigt, vorzugsweise in der Mitte
der Schichtdicke der Absorberschicht am größten ist. Dies hat den großen Vorteil,
daß gerade an der sonnenseitigen Oberfläche der Absorberschicht eine geringere Strahlungs-
absorption
und Wärmeerzeugung eintritt und hierdurch die Wärmeverluste der Absorberschicht
respektive des Kollektors an die Umgebung noch weiter herabgesetzt werden.
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Dieses besondere Absorptionsprofil über die Schichtdicke mit höherer
Absorption in der Mitte der Schichtdicke als in den Oberflächenzonen kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, daß für die der Sonne zugewandte Oberflächenzone ungefärbte
lichttransparente Fasern zum Beispiel aus Glas verwendet werden und mit zunehmender
Eindringtiefe der Sonnenstrahlen diese ungefärbten Fasern zunehmend mit gefärbten
Fasern vermischt werden oder die Farbe aller Fasern zunehmend dunkler gemacht wird.
Ähnlich: kann bei Verwendung zum Beispiel von Glaskugeln als Absorberschichtmaterial
der sonnenseitige Rand der Absorberschicht aus lichtdurchlässigen Kugeln bestehen
und: zur Mitte der Schichtdicke hin ein zunehmender Anteil von farbigen oder schwarzen
Kugeln zugemischt oder die Farbe aller Kugeln zunehmend dunkler gemacht sein. Ferner
kann der gewünschte Verlauf des Absorptionsprofils über die Schichtdicke der Absorberschicht
auch durch Veränderung der Maschenweite des Gewebes beziehungsweise der übereinandergeschichteten
Gitter erzielt werden, indem die Maschenweite vom sonnenseitigen Rand gegen das
Innere der Absorberschicht zunehmend verkleinert wird. Es können auch die beiden
Maßnahmen der Farbveränderung und der Maschenweitenveränderung kombiniert angewendet
werden.
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Bei Ausbildung des Kollektors als längsdurchströmter Kollektor, bei
dem die Absorberschicht mit ihrer sonnenseitigen und mit ihrer rückseitigen Oberfläche
an der Abdeckplatte beziehungsweise an der Rückseitenplatte anliegt, kann die Absorberschicht
weiterhin mit großem Vorteil so ausgebildet sein, daß nicht nur das Absorptionsvermögen
von der Oberfläche zum Innern der Absorberschicht hin zunimmt, sondern außerdem
auch die Permeabilität der Absorberschicht für das gasförmige Medium von der Oberfläche
zum Innern der Absorberschicht hin zunimmt, so daß vorzugsweise im Bereich des größten
Absorptionsvermögens der Strömungswiderstand am geringsten ist. Auf diese Weise
wird erreicht, daß dort, wo im Innern der Absorberschicht mehr Strahlung absorbiert
und mehr Wärme erzeugt wird, auch mehr kühlendes Medium durchströmt und stärker
Wärme abgeführt wird so daß das Strömungsprofil über die Schichtdicke dem Absorptionsprofil
angeglichen wird und eine Vergleichmäßigung der Temperatur der Strömung eintritt.
Die Verinderung der Permeabilität für die Strömung kann beispielsweise dadurch erreicht
werden, daß die Absorberschicht aus mehreren Gewebe- oder Gittereinzelschichten
aufgebaut wird und die Einzelschichten quer zu der Strömungsrichtung stehende Platten
enthalten, die den Strömungswiderstand der Einzelschicht vergrößern, wobei die Anzahl
der Platten pro Längeneinheit der betreffenden Einzelschicht von der Oberfläche
zum Innern der Absorberschicht abnimmt. Vorzugsweise sind diese
Platten
möglichst dünn und strahlungstransparent, beispielsweise aus Glas bestehend, um
das Eindringen der Strahlung in das Innere der Absorberschicht möglichst wenig zu
behindern. Bei Verwendung von beispielsweise Glaskugeln für die Absorberschicht
kann die Permeabilitat dadurch verändert werden, daß für die Randzonen kleinere
verwendet werden als für das Innere der Absorberschicht.
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Je nach der Ausführung der Absorberschicht kann ein Teil der Strahlung
durch die Absorberschicht hindurchgehen und auf die Rückseitenplatte auftreffen.
In vorteilhafter Weise kann die Rückseitenplatte Sonnenstrahle + eflektierend ausgebildet
sein. Damit wird erreicht, daß der durch die Absorberschicht hindurchgehende Strahlungsanteil
zwecks Absorption in die Absorberschicht zurücdreflektiert wird, so daß der zweimalige
Strahlungsdurchgang zu einer höheren Gesamtabsorption und damit zu einer besseren
Nutzung der Sonnenstrahlung führt. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform
kann die Rückseitenplatte lichtdurchlässig ausgebildet sein. Auf diese Weise kann
der nicht von der Absorberschicht beim Durchgang absorbierte Strahlungsanteil zu
Beleuchtungszwecken hinter dem Kollektor ausgenutzt werden, was bei der Verwendung
des Kollektors als Dach- oder Fassadenelement von Bedeutung und großem Nutzen sein
kann.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sonnenstrahlungsollektors: besteht
auch noch darin, daß die aus Gewebe, übereinander-
geschichteten
Gittern oder k7üllkörpern bestehende poröse Absorberschicht gleichzeitig eine W>rmeisolierschicht
bildet und der Kollektor damit Wärme gewinnung mit Wärmeschutz vereinigt, was bei
der Verwendung des Kollektors als Dach- oder Fassadenelement von Bedeutung ist und
den Kollektor auch bei schwacher oder fehlender Sonneneinstrahlung nützlih macht.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines Sonnenstrahlungskollektors
nach der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 einen Schnitt
durch einen längsdurchströmten Kollektor; Fig. 2 bis Fig. 4 drei Beispiele eines
querdurchströmten Kollektors im Schnitt; Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung
des Aufbaues eines längsdurchströmten Kollektors im Schnitt.
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Alle dargestellten Ausführungsbeispiele besitzen auf der der Sonne
zugekehrten Seite des Kollektors eine liciztdurch-i lässige Abdeckplatte 1 und eine
Rückseitenplatte 3, zwischen denen eine Absorberschicht 2 angeorune; ist. Unter
Verwendung der als Beispiele genannten Materialien ist die Absorberschicht 2 derart
porös beschaffen und ausgebildet, daß die durch die Abdeckplatte 1 hindurchtretenden
Sonnenstrahlen nicht an der der Abdeckplatte 1 zugekehrten Oberfläche der Absorberschicht
2 absorbiert werden, sondern in
das Innere der Absorberschicht
2 eindringen und sich die Absorption der Sonnenstrahlung möglichst über die gesamte
Schichtdicke der Absorberschicht 2 erstreckt. Der in einer: jeweiligen Tiefe der
Schichtdicke noch nicht absorbierte Strahlungsanteil wird also nicht reflektiert,
sondern transmittiert, so daß dieser Strahlungsanteil noch tiefer in die Schicht
eindringen ka;in, um dann fortschreitend absorbiert zu werden. Hierzu eignen sich
in besonders gunstiger Weise Fasergewebe oder geschichtete Gitter oder Kugelkörperfüllungen
aus Glas, welches entsprechend der gewünschten Absorptionsverhältnisse über die
Schichtdicke der Absorberschicht eingefärbt werden kann. Gleichzeitig ist die Absorberschicht
2 aufgrund der porösen Beschaffenheit und Ausbildung über ihre gesamte Schichtdicke
für das gasförmige Medium permeabel, so daß in allen Tiefen der Schichtdicke der
dort jeweils absorbierte Strahlungsanteil in Form von Wärme bei hoher Wärmeübergangszahl
an das gasförmige Medium übertragen wird und von dem Medium abgeführt wird. Aufgrund
sowohl der Strahlungsabsorption als auch der; Wärmeübertragung an das gasförmige
Medium über die gesamte Schichtdicke der Absorberschicht wird mit verhältnismäßig
kleinen Dimensionen des Kollektors eine sehr hohe Gesamtabsorption und Nutzung der
einfallenden Sonnenstrahlung möglich, wobei durch die Absorption im Innern der Absorberschicht
außerdem Wärmeverluste durch Abstrahlung oder Ableitung durch die Abdeckplatte 1
an die Umgebung sehr gering gehalten sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.
1 liegt die Absorberschicht 2 mit ihrer sonnenseitigen und rück-
seitigen
Oberfläche an der Abdeckplatte 1 beziehungsweise an der Rückseitenplatte 3 an und
wird die Absorberschichti in ihrer Längsrichtung von dem gasförmigen Medium durchströmt.
Die Fig. 5 zeigt zu diesem längsdurchströmten Kollektor in vergrößerter schematischer
Darstellung eine Absorberschicht 2, die aus mehreren übereinandergeschich teten
Gewebe- bzw. Gitterschichten aufgebaut ist.
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Beispielsweise durch unterschiedliches Einfärben der Einzelschichten,
wobei die an die Abdeckplatte 1 angrenzende Einzelschicht stark lichtdurchlässig
ist und diei darunter liegenden Einzelschichten eine zunehmend dunkler f" werdende
Farbe erhalten, kann erreicht werden, daß das Absorptionsvermögen der gesamten Absorberschicht
von der an die Abdeckplatte 1 angrenzenden Oberfläche zum Innern der Absorberschicht
hin ansteigt, so daß im Innern der Absorberschicht mehr Strahlung absorbiert und
mehr Wärme 1-erzeugt wird als im Bereich der Oberfläche der Absorberschicht 2. Um
zu erreichen, daß dementsprechend auch der Massenfluß des gasförmigen Mediums von
der Oberfläche zum Innern der Absorberschicht hin stärker wird, sind bei dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 5 die Einzelschichten mit quer zur Strömungsrichtung gerichteten Platten
7 versehen, wobei die Anzahl der Platten pro Längeneinheit von der obersten Einzelschicht
zum Innern der Absorberschicht 2 hini abnimmt, so daß dementsprechend der mit den
Platten 7 erzeugte künstliche Stromungswiderstand von der obersten Einzelschicht
zu deh tiefer liegenden Einzelschichten kleiner wird.
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Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 befinden sich zwischen
der Abdeckplatte 1 und der Absorberschicht 2 einerseits sowie zwischen der Absorberschicht
2 und der Rückseitenplatte 3 andererseits verschiedenartig ausgebildete Luftspal:te.
Die Absorberschicht 2 wird in beiden Fällen mit einheitlicher Strömungsrichtung
quer von dem gasformigen Medium durchströmt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.
4 ist der Kollektor durch Schotten 6 unterteilt, so daß die Absorberschicht 2 in
wechselnden Strömungsrichtungen von dem gasförmigen Medium qu durchströmt wird.
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Bei allen- dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Rückseitenplatte
3 in drei verschiedenen Varianten ausgeführt sein. Die Rückseitenplatte 3 kann ein
hohes Absorptinnsvermögen für Sonnenstrahlung aufweisen, so daß der Strahlungsanteil,
der durch die Absorberschicht 2 gegebenenfalls ganz hindurchgeht, an der Rückseitenplatte
3 absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, die durch Wärmeleitung an das die Absorberschicht
2 durchströmende Medium übergeht. Die Rückseitenplatte 3 kann vorteilhafterweise
so ausgebildet sein, daß sie ein hohes Reflexionsvermögen für Sonnenstrahlung besitzt.
Dadurch wird der Anteil der Strahlung, der gegebenenfalls durch die Absorberschicht
im ersten Strahlendurchgang hindurchgeht, von der Rückseitenplatte 3 zur Absorberschicht
refLektiert .
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und in einem zweiten Strahlengang im Innern der Absorberschicht 2
absorbiert. Auf diese Weise kann bei verhältnis-
mäßig geringer
Schichtdicke der Absorberschicht eine hohe Gesamtabsorption erreicht werden. Als
dritte Möglichkeit kann die Rückseitenplatte 3 lichtdurchlässig ausgebildet sein.
Diese Ausbildung eignet sich beispielsweise besonderS bei Verwendung des Kollektors
als Dachelement, um den Strahlungsanteil, der je nach der Ausbildung der Absorberschicht
ganz durch die Absorberschicht hindurchgeht, durch!; die Rückseitenplatte 3 austreten
zu lassen und hinter dem Kollektor für Beleuchtungszwecke auszunutzen. Insbesondere;
auch in diesem Fall hat der erfindungsgemäße Kollektor den: Vorteil, daß die poröse
Absorberschicht 2 eine Wärmedämmschicht bildet, die zusätzlich zur Wärmegewinnung
durch Strahlungsabsorption auch Verluste an Raumwärme vermindert und einen Wärmeschutz
darstellt.