DE2700916A1 - Photothermischer umwandler - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

iffer körner<L Qi^ey

270Ü9IB

D-1 BCRLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE D-8 MÜNCHEN 22 ■ Wl DEN MAYERSTRASSE 49

BATTELLE DEVELOPMENT CORPORATION

BERLIN:

DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS.HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 07. Januar 1977

Photothermischer Umwandler

(Schweiz, Nr. 156/76 vom 08. Januar 1976)

44 Seiten Beschreibung 20 Patentansprüche 7 Blatt zeichnungen

Em - 27 075

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BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 KABEL: PROPINDUS · TELEX O184O57 MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225585
KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 244

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- Έ •Χ"

Die Erfindung betrifft einen photothermischen Umwandler mit einer Oberfläche, von der wenigstens die eine Seite, die einer einfallenden Lichtstrahlung ausgesetzt werden soll, eine starke Absorptionskraft für diese Strahlung hat.

Auf den Gebiet der Verwendung von Solarenergie ist das Verfahren photothermischer Umwandlung von erstrangiger Bedeutung. Gerade dieses Verfahren macht es möglich, beispielsweise die Erzeugung thermischer Energie für die Raumheizung oder für die Klimatisierung, die Gewinnung von heißem Wasser (unter Druck) oder von Dampf für die Erzeugung mechanischer Energie oder verschiedene andere industrielle verfahren usw. zu gewährleisten. Die photothermische Umwandlung kann definiert werden als die Absorption einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung (wie die Solarstrahlung) durch eine absorbierende Sammeloberfläche mit nachfolgender Erwärmung dieser Samtne lober fläche, die ihrerseits eine bestimmte Ladung oder ein bestimmtes Wärmetauscherfluid erwärmt. Im allgemeinen versucht man, die höchstmögliche Betriebstemperatur für eine einfallende Strahlungsleistung pro gegebene Oberflächeneinheit des Umwandlers zu erreichen (die Intensität der Solarstrahlung ist nämlich begrenzt und hängt mehr von der Tageszeit, den metereologischen Bedingungen usw. abr in bezug auf die direkte Solarstrahlung kann man auf die optische Konzentration mit Hilfe von Systemen von Sammelspiegeln oder Linsen zurückgreifen). Das Erreichen einer hohen Betriebstemperatur erfordert neben einer erhöhten einfallenden Strahlungsintensität eine wirksame thermische Isolierung der beiden Oberflächen des Umwandlers. Die thermische Isolierung der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Oberfläche ist aber nur schwer zu erreichen, da diese Oberfläche gleichzeitig die einfallende Strahlung absorbieren rauS und in das thermische infrarot nicht abstrahlen darf, so daß sie im Hinblick auf die einfallende Strahlung absorbierend gemacht und im Hinblick auf die ausgesandte Strahlung reflektierend gestaltet werden raufl.

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Bei iedem photothermischen Umwandler mu 3 man drei bekannte- chemische Verlustprozesse berücksichtigen: Verluste durch Abstr^.hlung infraroter thermischer Strahlen, Abkühlung durch Konvektion im Inneren des den Umwandler von der unmittelbaren Umgebung trennenden Gasvolumens und Verluste durch thermische Leitung.

In den letzten Jahren sind zahlreiche Lösungen vorgeschlagen worden, um eine Verringerung der Gesamtheit dieser thermischen Verluste zu erreichen und dadurch den Ertrag aus der photother-nischcn U tiwn η ellung zu steigern. Um die Verluste durch Strahlung zu verringern, ist; beispielsweise die Verwendung selektiver Oberflächen fur die strahlung vorgeschlagen worden. Diese nur mit einer schwachen thermischer. Ausstrahlungskraft versehenen Oberflächen ermöglichen insbesondere eine oraktisch vollständige Absorption der einfallenden Solarstrahlung, wobei sie eine starke verringerung der Verluste durch Infrarot-Strahlung des Umwandlers erreichen. Das Vorhandensein derartiger Oberflächen trägt jedoch zu einer erheblichen Erhöhung des Preises der umwandler bei, während es gleichzeitig auf lange Sicht Stabilitätsor ob lerne mit sich bringt.

Far die Verringerung der Verluste durch Konvektion sind drei Hauotlösungen bekannt. Die erste besteht darin, mehrere Platten mit durchlässiger Beschichtung über dem Utiwandler so zu stapeln, daß der Konvektionsmechanismus in geringere Temperaturunterschiede aufweisenden Volumen begrenzt wird. Eine solche Stapelung von Platten trägt jedoch zur Steigerung der Verluste durch Reflexi-n der einfallenden Strahlung bei und bringt eine Erhöhung des Gewichts und der Kosten der Vorrichtung mit sich. Die zweite Lösung besteht darin, den Raum über dem Umwandler mit einem Gas zu füllen, das eine geringere thermische Leitfähigkeit als Luft hat, während die dritte Lösung darin besteht, diesen Raum völlig luftleer zu machen. Die zweite Lösung ermöglicht jedoch nur eine teilweise Verringerung der Verluste durch Leitung bzw. Konvektion; und die dritte Lösung

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ITt. teuer, d« sie das Vorhandensein absr-.lut dichtet Υ-λ· ]-,:'■ ! t er rnit. einem nur geringen Entgasungsgrad erfordert. Die IU-a li.^erung von dichten Behältern mit langer Lebensdauer ist auch sehr schv.-ierig, da diese Behälter erheblichen thermischen Zyklen 'Druckvc r.Inderungen des thermischen Isoliergases) und anderen atmosphärischen Angriffen unterworfen sind, die insbesondere auf die Abdichtung einwirken. Schließlich hat insbesondere im Fall der Anwendung auf Solarsammler das Auftreten irgendwelcher Risse in dem Beschichtungs· glas (durch Hagel, fallende Zweige, Steinwürfe...) die unvermeidbare Folge, daß derartige Sammler durch Auslösen des Entweichen3 von Gas mit schwacher thermischer Leitfähigkeit unwirksam gcnacht werden.

Zum Sammeln der Solarenergie ist auch vorgeschlagen worden, eine Eienenwabenstruktur zu verwenden, die auf einer üblichen absorbierenden Oberfläche aufliegt. Diese Struktur wird vorzugsweise aus dünnen Platten oder Glasrohren hergestellt, die in typischer Weise fine Höhe von 6 bis 25 cm, einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 cm und eine Dicke von 0,2 bis 0,3 mm haben können. Eine solche Struktur hat den Vorteil, als Lichtführung für die einfallende S- jlarstrahlung zu dienen, die eine Vielzahl von Reflexionen und Brechungen erlebt, bevor sie von dem eigentlichen Umwandler absorbiert wird. Eine solche Struktur kann auch für den Fall, daß dss Verhältnis Höhe-Durchmesner ausreichend groß ist, als thermische Schranke für die zurückgestrahlte Infrarotstrahlung dienen, die gezwungen wird, einem Diffusionsprozeß zu folgen, bevor sie die äußere Umgebung erreichen kann, von wo eine verringerung der Verluste durch Strahlung stattfindet. Eine solche Struktur erlaubt aber nicht, die konvektiven Luftbewegungen in optimaler Weise zu verringern insbesondere in dem Fall, wo ein großer Temperaturunterschied zwischen dem Umwandler und der unmittelbaren Umgebung be-3tt-:ht, und/oder in dem Fall, wo der Umwandler schräg liegt. Es ist

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bekannt, daß sich über einer erhitzten horizontalen Oberfläche eine Luftgrenzschicht von geringer Dicke (ungefähr 1 ran) rait instabiler Schwimmfähigkeit bildet, und da3 sich von dieser Grenzschicht aus faserförmige konvektive Bewegungen entwickeln, die aufgrund von Konvektion mit den mehr oberhalb der warmen Oberfläche liegenden Luftschichten ein Durcheinanderwirbeln nach sich ziehen. Es ist auch bekannt, daß diese Instabilität für eine schräge Zellstruktur die Form einer regelmäßigen Zirkulation in jeder Zelle annimmt.

Wenn die die Struktur in Bienenwabenform bildenden Zellen seitliche Ausmaße haben, die wesentlich über dem charakteristischen Durchmesser dieser konvektiven Bewegungen faserartiger Art (oder mit der Dicke der die Form einer regelmäßigen zirkulation überspannenden Bewegung - im Verhältnis über 2) liegen, folgt daraus, daß eine solche Struktur nicht in der Lage ist, die konvektiven ',uftbcwegungen in optimaler Weise auszuschalten und infolgedessen das Abkühlen des Umwandlers durch Konvektion zu verhindern. Außerdem ist diese Bienenwabenform relativ dick, angesichts ihrer Zellenhöhe (6 bis 25 cm), so daß die Gefahr besteht, daß ein mit einer solchen Struktur versehener Solarsammler zu schwer und zu raurngreifend für die Mehrzahl der Anwendungsformen wäre. Das Erfordernis, eine erhebliche Menge von Glas für diese Struktur zu verwen-

2 den (in der Größenordnung von 60 bis 300 kg/m des Umwandlers ) führt außerdem zu wenig wettbewerbsfähigen Gesamtgewicht und preisen. Außerdem gibt diese große Menge Glas Anlaß f-ir sehr erhöhte thermische Zeitkonstanten, so daß man ihn eine oder mehrere Stunden lang dauernder Solarbestrahlung aussetzen muß, bevor ein solcher Sammler seine Arbeitstemperatur erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die verschiedenen vorerwähnten Nachteile durch Schaffung eines photothermischen Umwandiers mit erhöhter Umwand lungs leistung und zu einem wirtschaftlichen

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Preis zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem photothermischen Umwandler mit einer Oberfläche, von der wenigstens eine Seite, die einer einfallenden Lichtstrahlung ausgesetzt werden soll, eine starke Absorptionskraft für diese Strahlung aufweist, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß er eine Vielzahl von aus dieser Fläche vorspringenden, sich im wesentlichen parallel und deutlich in gleichem Abstand voneinander erstreckenden Fasern aufweist, wobei jede Faser aus einem gleichzeitig für die Lichtstrahlung durchdringbaren und wenigstens teilweise für die thermische, durch diese Oberfläche zurickstrahlbare Infrarotstrahlung lichtundurchlässigen Material besteht, wobei die Vielzahl von Fasern auf diese Weise eine antiradiative und antikonvektive Struktur bilden, die es einerseits ermöglicht, die Verluste durch thermische Infrarotstrahlung zu verringern, und andererseits, die Verluste durch Konvektion auszuschließen.

In der vorliegenden Beschreibung soll der Ausdruck "einfallende Lichtstrahlung" jede elektromagnetische Strahlung aus einer thermischen Quelle mit hoher Temperatur bezeichnen, d.h. jede elektromagnetische Strahlung, die eine beachtenswerte thermische Energie transportieren kann, ob diese Strahlung nun ein völlig oder ein nur teilweise im Sichtbaren liegendes Spektrum darstellt oder auch ein völlig außerhalb des Sichtbaren liegendes Spektrum. In vorteilhafter Weise kann ein solches Strahlungsspektrum zwischen 0,25 und 5 /im liegen. Die thermische Quelle mit hoher Temperatur, die eine solche Strahlung aussenden kann, kann auch eine natürliche Strahlungsquelle wie etwa die Sonne sein, oder es können künstliche Strahlungsquellen sein wie Körper, die zum Weißglühen gebracht werden (wenn möglich unter Vakuum zur Vermeidung von Verlusten), sowie Flammen oder Gasentladungen.

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In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Faser" jedes faserförmige Element mit begrenzter Länge, dtsscr* Querschnitt gegenüber seiner Länge klein bleibt. Ein solches Elcnent kann ebenso voll wie hohl sein und einen Querschnitt haben, der genauso gut rund wie nicht rund sein kann, beispielsweise elliptisch oder abgeplattet.

Die Erwärmung der absorbierenden Platte, die daraus folgt, daß sie der einfallenden Lichtstrahlung ausgesetzt wird, kann ihrerseits in bekannter Weise ausgenutzt werden, um entweder Wärmeausteuschfluide (wie Wasser, Dnmpf, Öl, Luft, Reaktionsgas usw.) oder ndungen (d.h. unbewegliche Körper, die nahe der absorbierenden Oberfläche angebracht sind) zu erwärmen.

Die Erwärmung einer Ladung mittels einer einfallenden Strahlung, die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Umwandlers wirkt, kann tatsächlich bestimmte Vorteile gegenüber anderen Erwärmungsverfahreη haben. Es ist in erster Linie möglich, die Gesamtheit Ladung/Umwand ler in eine bestimmte Entfernung von der Strahlungsquelle zu verbringen. Eine solche Möglichkeit erlaubt dadurch beispielsweise, die Ladung in einer korrosiven Umgebung unter Vakuum anzubringen, in gesteuerten magnetischen oder elektrischen Feldern usw. Die Erwärmung durch Strahlung stellt auch vom chemischen und/oder biologischen (Nicht-Verschmutzung) Standpunkt aus gesehen eine sehr geeignete Art der Erwärmung dar. Die Erwärmung durch Strahlung ktnn im übrigen schneller eingeschaltet, gesteuert und angehalten werden als die elektrische Widerstandserwärmung oder die Erwärmung durch Flamme, weil diese beiden letzteren ziemlich dicke Wände zwischen dem heizenden Agens und der Ladung erfordern. Die Strahlungerwärmung ist auSerdem weniger teuer als beispielsweise die Erwärmung durch Mikrowellen.

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Als Ladungen, die dafür geeignet sind, durch den erfindungsgem'fißen Umwandler erwärmt zu werden, können beispielsweise chemische Reaktionen für ultrareine Materialien genannt werden, die Thermostatisierung mikrobiologischer Präparate, das Kochen oder Fritieren von Nahrungsmitteln (beispielsweise die Vorbereitung von Gerichten in Kasserollen oder auf Platten, die mit einem photothermisch versiegelten Urnwandler versehen sind).

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den unteransprächen angegeben,

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nachstehend anhand in der zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umwandlers;

Fig. 2a eine Teilansicht der Fig. 1 von oben in vergrößertem Maßstab, die den Weg eines quer durch die Vorderseite des Umwandlers 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 Umwnndlers zurückgestrahlt wird;

Fig. 3a eine teilweise Längsschnittansicht einer ersten Abwandlung des erfindungsgemäßen Umwandlers, die in einen flachen Solarsammler eingebaut ist;

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•η.

Fig. 3b eine eine Einzelheit der Fig. 3a veranschaulichende Ansicht in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3c ein Diagramm bezüglich der Energieumwandlungs leistung des Sammlers der Fig. 3a und 3b;

Fig. 4 einen Längsschnitt einer zweiten Abwandlung des erfindungsgemäßen Umwandlers, eingebaut in ein System mit DoppeIbelichtung;

Fig. 5 einen Längsschnitt einer dritten Abwandlung des erfindungsgemäßen Umwandlers, 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 f:r.fte 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 Umwandlers;

Fig. 8a eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 8b einen Längsschnitt einer phase des Herstellungsverfahrens zur Realisierung dieser AusfUhrungsform;

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•β.

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. lOa einen Querschnitt in vergrößertem Ma3stab entlang der Achse Xa-Xa der Fig. 9b;

Fig. lOb einen Querschnitt in ebenfalls vergrößertem Ma.3st^b 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 Solarsammlers, in den diese Ausführungsform eingebaut ist; und

Fig. 14 einen Längsschnitt einer vierten Ausführungsform.

Der in Fig. 1 teilweise dargestellte photothermische Umwandler hat eine metallische Grundplatte 1, die mit einer Schicht 2 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 platte 1 erstreckt. Dieses Netz 3 besteht aus einer Vielzahl von durchsichtigen Fasern 4 mit im wesentlichen gleicher Länge und mit im wesentlichen kreisförmigem Schnitt, die einzeln mit einem ihrer Enden in der Schicht 2 befestigt sind und sämtlich

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senkrecht zur Platte 1 ausgerichtet sind, wobei sie im wesentlichen im gleichen Abstand zueinander stehen.

Dns Fasernetz 3 soll verschiedenartige, im folgender, beschriebene Funktionen erfüllen. Um diese Funktionen erfüllen zu k^:ir.r.er.₍ mu.3 dieses Netz 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 c Ieichzeitig durchscheinend (d.h. nicht-absorbierend) und im Hir.b ick ;.u: einfallende Strahlung nicht streuend ist, sowie lichtundur.::.'.^33ig (d.h. stark absorbierend und in alle Richtungen abstrahlend) gegenüber der thermischen Infrarotstrahlung (wobei das Abs or ^ic.n.svermögen und damit die Strahlkraft für mittlere Wellenlängen entsprechend der Betriebstemperatur des Umwandlers eingestellt v/erden kann).

Ein solches Material muß in vorteilhafter Weise auch eine schwache thermische Leitfähigkeit besitzen und chemisch und strukturell stabil bei der Betriebstemperatur des Umwandlers sein und sogar auch, wenn möglich, bis zur "Temperatur mit Fluß Null" des Umwandlers. 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 Mylar ITeclar} oder Polyesterfasern verwenden.

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Ebenso müssen die geometrischen Abmessungen des Fasernetzes, damit dieses Netz die oben erwähnten Funktionen ausüben kenn, innerhalb des folgenden Bereiches liegen: Jede der konstitutivcn Fasern des Netzes mu3 eine verbleibende Länge aufweisen, die zwischen 1 und 10 cm liegt, und einen Durchmesser zwischen 2 5 und 500 /am. wobei das Netz zwischen den Fasern einen Abstand von zwischen loo una 5000 /um und eine Faserdichte (Anzahl der Fasern orο Oberflächen-

2 einheit der Grundplatte) zwischen 4 und Io 000 Fasern pro cr^ aufweisen muß. Es ist besonders vorteilhaft, ein Netz zu verwenden, das aus Fasern besteht, die eine Länge in der Größenordnung von 5 cm haben und einen Durchmesser in der Größenordnung von 70 /ük, die in einer solchen Weise voneinander· entfernt angebracht sind,

2 daß sie eine Dichte in der Größenordnung von 500 Fasern pro cm ur.d eine Volumendichte oder einen Füllungsprozentsatz (proportional zut. Quotienten der Summe der Faserschnitte pro Gesamtoberflache der Grundplatte) haben, der unter 2 % liegt.

Der beschriebene Umwandler arbeitet in folgender Weise, wenn er der einfallenden Lichtstrahlung ausgesetzt wird: Die Lichtstrahlung, die auf die absorbierende Schicht 2 auftrifft, nachdem sie das durchscheinende Fasernetz 3 durchquert hat, wird in kontinuierliche! Weise durch diese Schicht 2 absorbiert, derart daß die Grundplatte 1 sich unter Einwirkung dieser Absorption progressiv erwärmt, bis sie ihre Betriebstemperatur erreicht (Temperatur, die aufgrund dor geringen thermischen Masse der Fasern 4 schnell erreicht wird). Die derart erhaltene Wärme kann dann auf eine bestimmte Ladung -^c-r ein bestimmtes Wärmeaustauscherfluid entsprechend den verschiedenen Anwendungen übertragen werden.

Aufgabe des Fasernetzes 3 ist es, die thermischen Verluste gegen die Vorderseite des Umwandlers (die unausweichliche Folge der Erwärmung der absorbierenden Platte sind) maximal zu verringern,

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wobei die bestmögliche Durchdringung der einfallenden Lichtstrahlung bis zu dieser absorbierenden Platte (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 mehr im einzelnen diese verschiedenen Funktionen sowie die Art und Weise untersucht, in der sie auf die verschiedenen optischen und thermischen Verluste übertragen werden.

Die Durchdringung der einfallenden Lichtstrahlung bis auf die absorbierende platte kann sich in zwei optischen Verlustarten äußern: Verluste, die auf dem Vorhandensein des Fasernetzes (Möglichkeit von Rückstreuung eines Teils der die Fasern durchquerenden Strahlung nach außen) beruhen und Verluste, die auf der unvollständigen Absorption der absorbierenden Platte beruhen.

Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen den Weg eines einfallenden Strahlenbündels "a" quer durch das Netz 3 aus durchscheinenden Fasern 4. Man kann in diesen Figuren feststellen, daß das einfallende Bündel "a" beim Auf treffen auf die Fasern 3 an einer bestimmten Anzahl von Punkten "b" eine Vielzahl von Reflexionen und Brechungen erfährt, so das es in einer Vielzahl von Sekundär-BundeIn "c" reflektiert wird, die sämtlich die absorbierende oberfläche 2 der Platte 1 des Urnwandlers erreichen. Alle diese abgelenkten Sekundär-B'indel "c" sind tatsächlich notwendigerweise auf Kegeln lokalisiert, deren Symmetrieachse aus den Fasern besteht, wobei die Kegel alle die absorbierende Schicht 2 durchschneiden. Der Teil der einfallenden Strahlung, der im Inneren der einzelnen Fasern gefangen wird (Totalrefelxion), erreicht ebenfalls zwangsläufig den Boden dieser

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Fasern. Die einzelnen Fasern 4 sowie die zwischen diesen Fasern vorhandenen kleinen Zwischenräume wirken daher als Licht fihrung für die einfallende Strahlung, wie auch immer die Richtung dieser letzteren in bezug auf die Platte 1 verlaufen mag, wobei fast diese gesamte Strahlung zusammengezogen wird, die auf die absorbierende Oberfläche 2 der Platte 1 des Umwandlers aufgetr >ffen ist.

Die einzigen wahrnehmbaren optischen Verluste, die sich bei der Durchquerung des Fasernetzes bemerkbar machen können, sind Verluste, die Folge von Absorptions- oder Diffusionsvorgängen durch die Fasern sein können (Absorption, wenn die Fasern nicht völlig durchscheinend sind, und 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 äußert (optischer Verlust durch Rückstreuung nach außen), wobei zumindest die andere Hälfte dieser Strahlung tatsächlich bis zu der absorbierenden platte gelangt. Im übrigen stellt man fest, daß diese optischen Verluste durch Rückstreuung mit dem Einfallswinkel der einfallenden Lichtstrahlung ansteigen (Strahlungswinkel in bezug auf die Normüle 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 aus Glas mit 5 Fasern pro mm (Netz aus Glasfasern von 5 cm Höhe und mit 60 /im Durchmesser, erhalten durch Ziehen von "Glas E"), einen übertragungsfaktor der einfallenden Lichtstrahlung durch dieses Netz erhielt, der gleich etwa 99 % bei einem Einfallswinkel Null, ungefähr 97?6 bei einem Einfallswinkel von 45° und ungefähr 95% bei einem Einfallswinkel von 60° betrug.

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Zu diesen optischen Verlusten bei der Durchquerung des F"scrnetzes kommen die optischen Verluste aufgrund einer ur.v ,1 Ikvv.rnenern Absorption der absorbierenden Platte. Diese letzter, ootiεcr.cn Verluste hängen, wie bekannt, iti wesentlichen von der Art ::es 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 cesarr.t-Umwandlungs leistung (Produkt des Übertragungsfaktors durch dss Fasernetz zum Absorptionsfaktor der absorbierenden Platte) in der Größenordnung von 94% erhalten. Diese optische Umwand lungs leistung ist unabhängig von der von dem Umwandler erreichbaren T£T.?eratur.

Die Erwärmung der absorbierenden Platte des Umwandlers äuierr s^ch in bezug auf diesen auf nur zwei thermische verlustarten zum Vorderteil des Umwandlers hin: Verluste durch thermische Infrarotstrahlung zur Vorderseite und Verluste durch thermische zeitung gleichzeitig entlang den Fasern und in der zwischen den Fasern stehender. unbeweglichen Luft. Eine der wesentlichen Eigenschaften des erfxndungsgemäßen Umwandlers beruht auf der Tatsache, ds3 das V~rh£.r.äe.-isein des Fasernetzes jegliche Bildung von konvektiver Luftbevegung zwischen den Fasern verhindert und so ermöglicht, die Verluste aufgrund von Konvektion völlig auszuschließen.

Die völlige Vermeidung von Verlusten durch Konvektion dank des Vorhandenseins des Fasernetzes konnte experimentell aufgezeigt v/erden, indem man Vergleichsmessungen von Verlusten unter Vakuum und vergleichsweise an der Luft bei atmosphärischem Druck durchführte

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(unter Verwendung von Temoeraturen, die die norrr.o Le Betriebstemperatur des Umwandlers, d.h. Temperaturen in der Größenordnung von 80° bis 300°C, nicht überschritten): Der erhaltene unterschied zwischen den beiden Fällen ist tetsächlich im wesentlichen gleich der. Verlusten durch thermische Leitung in der Luft (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, die sich durch eine erhöhte Grenzfläche äußern, die zu erheblichen Kapillarreibungs-Koeffizienten führen, die praktisch jede Bewegung konvektivcr 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 und der verwendeten Temperaturen zu erklären.

in dem einfachen Fall von zwei voneinander in Abstand stehenden "■Letten, die einem Temr>eraturgradienten At unterworfen sine diese platten sind übrigens in Luft bei atmosphärischem Druck angebracht", besteht eine ganz bekannte Theorie, die es erlaubt, den Temperatur gradienten (ÄT) zu berechnen, aus dem die Konvektion zwischen den Platten als Funktion des Zwischenraums « zwischen diesen platten entstehen kann. Dieser Temperaturgradient (ΔΤ) druckt sich entsprechend dieser Theorie durch folgende Gleichung aus:

( Δ T)_- - 48,2 χ £~³,

worin f in cm ausgedrückt ist und 48,2 eine Konstante darstellt. ■Diese Beziehung zeigt, daß die Konvektion für einen Temperatur-

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gradienten zu entstehen beginnt, der gleich O,4°C f'ir einen Zwischenraum S von 5 cm, 6 C f'ir einen Zwischenraum von 2 cm, 48°C für einen Zwischenraum von 1 cm, 386° C für einen Zwischenraum von 0,5 cm und ungefähr 3OOO°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 <£ durch ein "Xquiva lenz-lnterva Il S " ersetzt ist, wie z.B.

«.q

worin d-, h_f und n_f jeweils den Durchmesser, die Höhe und die Dichte der Fasern bezeichnen (d.h. die Faseranzahl pro OberflHcheneinheit der platte). Die dieses \quivalenz-lntervaIl S bestimmende Beziehung kann sich durch Errichtung einer äquivalenz zwischen dem Begriff der "f'ir die freie Zirkulation der Luft vorhandenen Höhe" in dem einfachen Fall zweier in Abstand angebrechter Platten berechnen (in diesem Fall gleich der Hälfte des Zwischenraums σ ) 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" wurde, die derjenigen ähnlich wäre, die von der in der Nähe der in der Mitte liegenden, unfcewegliehen Schicht in dem einfachen Fall mit zwei platten zirkulierenden Luft erkannt wird. Die nachstehende Tabelle gibt die Werte h , die für verschiedene Abmessungen des Fasernetzes erhalten werden, sowie die Werte, die genommen werden können als Funktion der gleichen Abmessungen durch den Übertragungsfaktor b des Fasernetzes, der wie folgt bestimmt wird:

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(in cm)

d_f 50 70 700 7000

(in

n_f 10 5 5 χ 1O~² 5 χ lo"⁴

(Fasern/mm )

0,12 0,17 1,33 3,92 (in cm)

e_f 0,12 0,10 0,52 0,91

(ohne Dimension)

Diese Tabelle zeigt deutlich, daß der Wert des Xquivalenz-Zwischen-

raums S für Fasern mit einem Durchmesser unter 500 /um und eq ₂

einer Dichte über 4 Fasern/cm (d.h. einem Fasernetz, das den weiter oben geforderten Abmessungen entspricht) weit unter dem Wert des Auftretens der Konvektion bleibt (bei Temperaturgradienten, die im wesentlichen mit denen identisch sind, die bei einem bei normaler Temperatur arbeitenden Umwandler auftreten würden). Die gleiche Tabelle zeigt auch auf, daß es überhaupt nicht zutrifft

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auf "zylindrische Elemente", die im Gegensatz dazu einen iber 500 μτη liegenden Durchmesser haben und eine Dichte unter 4 Fasern/cm (d.h. für Elemente mit Abmessungen, die über den oben geforderten Abmessungen liegen und die nicht mehr tiit dem Ausdruck "Faser" bezeichnet werden können); der Äquiva lenz-Zv;ischen-

raum 6 wird tatsächlich für diese Elemente weitaus höher sein eq

als der Wert des Auftretens der Konvektion, so daß solche Ele-.ente völlig unwirksam dafür werden, die Konvektion zu unterdrücken.

Da die Verluste durch Konvektion auf diese Weise völLic ir. dem erf indungsgemiißen Umwandler unterdrückt werden, reduzieren sich die thermischen Verluste zur Vorderseite des Umwand lers einfach auf die Verluste durch thermische Infrarot-Strahlung und auf die Verluste durch Leitung entlang den Fasern und in der zwischen den Fasern stehenden unbeweglichen Luft.

Das Fasernetz 3 wirkt gegenüber der thermischen Infrarot-Strahlung, die ν.·>η der Grundplatte zurückgestrahlt werden kann, wie- ein mikroporöser thermischer Isolator entsprechend einem Mechanismus, der dem der 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 (zur Vereinfachung sind in der zeichnung nur zwei Fasern dargestellt und nur einige thermische Strahlenbündel, die von diesen beiden Fasern abgestrahlt oder absorbiert werden). Die Gesamtzahl aller seitlichen Oberflächen der Fasern ^entsprechend dem Zwischenraum Fasern/Gas) ist um vie Le 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

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wird', in der Lage ist, unmittelbar au3 dera Fasernet;: zu erweichen. Die quer abgestrahlte thermische Infr.'.r .t;_;tr;h .',.n.; '.;ir:-
dagegen von den Fasern absorbiert; daraus ergibt sich eine indirekte Rückstrahlung, die von Seiten der entsprechenden l\ scr.bschnitte schwächer ist. Ein Teil dieser Rückstrahlung I.vjfi: zim
oberen Teil des Fasernetzes (in der Zeichnung mit "f" bezeichneter Teil), ein Teil nach unten und ein Teil quer durch das Nc-t;:. Unter der Wirkung dieses Mechanismus erreichen so die Fasern ei.-, 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 t; sich bei diesem Prozeß von thermischer Infrarotstrahl lung-Absor ot: ^r.-R ic¹.;-strahlung um einen Streuungsprozeß. Ein solcher Froze 3 .'üc-r nviscl-.c einen thermischen Gradienten aufweisenden Fasern auftritt' hat der. V :r c(-.i ", , weniger radiative Energie zur Außenseite des Ur;.:. τΑ e■;-::
.■l?...3tr£h!.c-n als ein (nicht diffuser) unmittelbarer τ?.CLi.tivcr .'.;._- tausch von der absorbierenden Oberfläche aus.

Die Funktion als thermische Schranke, die auf diese Weise von dem Fasernetz gegenüber der von der Grundplatte zuruckgestrahlten
thermischen Infrarot-Strahlung ausgeübt wird, konnte experimentell bestimmt werden durch vergleichende Verlustmessungen auf einer mit einem Fasernetz versehenen Grundplatte 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
Rienenwabenform" erhielt, die vom Stand der Technik her bekannt
sin^. Das F~sernetz hat jedoch gegenüber den Strukturen "in Bienenwabe nf orm" den außerordentlichen Vorteil, daß es bei gleicher verringerung der Verluste durch Strahlung eine beträchtlich geringere (ungefähr eine Größenordnung) Menge an Material (Glas oder Kunststoff) benötigt, was sich nicht nur durch ein viel geringeres Ge-

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wicht 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 und der angelegten Temperaturen zu erklären.

Für den einfachen Fall zweier voneinander in Abstand angebrachter und zwei genauen Termperaturen T und T ausgesetzter Platten gibt es eine weitere, sehr bekannte Theorie, durch die der Austausch unmittelbarer Strahlungswärme S zwischen den beiden Platter, als Funktion der Temperaturen T und T berechnet werden kann. Dieser unmittelbare Strahlungswärmeaustausch S wird entsprechend dieser Theorie durch die folgende Beziehung gegeben:

S = S₆C (T⁴ - T₀ ⁴),

worin 6 die Ausstrahlung der warmen Platte (derjenigen bei der Temperatur T, wobei die Ausstrahlung der kalten Platte im übrigen als gleich der Einheit angenommen wird) und ά die Universa!konstante 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 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 S- zugefügt wird, der den Faktor der thermischen Infrarot-Übertragung quer durch die Struktur hindurch bezeichnet. Man kann beweisen, daß dieser übertragungs-

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faktor £_ proportional dem Quotienten aus der Oberfläche der Platten zur seitlichen Oberfläche der Struktur oder auch proportional einem Aufrichtfaktor h ist, der für eine bestimmte Struktur charakteristisch ist. Es kann so bewiesen werden, daß bei einer Struktur in Bienenwabenform der Übertragungsfaktor £_ durch die Beziehung ε « 0,68 χ 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 S durch die Beziehung

f 2 + d_fh_fn_f

berechnet werden kann, worin d_f, h_f und n_f jeweils der. Durchmesser, die Höhe und die Dichte (Anzahl pro Oberflächeneinheit) der Fasern darstellen.

Die weiter oben erwähnte Tabelle gibt ebenfalls die Werte des Übertr^gungskoeffizienten^ für verschiedene Abmessungen des Fasernetzes. Diese Tabelle zeigt deutlich, daß der Transmissionsfaktor fr* für Fasern mit einem Durchmesser unter 500 pm und einer Dichte

2 über 4 Fasern/cm (d.h. bei einem Fasernetz, das den weiter >ben geforderten Abmessungen entspricht) schwach bleibt, aber Bedeutung gewinnt für Fasern oder auch "zylindrische Elemente", die jenseits dieser Abmessungen liegen, so daß das Fasernetz 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.

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Weis die Verluste durch Leitung entlang den Fasern betrifft, 30 können diese verringert werden, indem man bei einerr. besti-rrr.ten Abstand zwischen den Fasern und einem bestimmten Zwischenraum zwischen Fasern und Luft ausreichend lange und danne Fasern verwendet. In vorteilhafter Weise wählt man daher für die Fasern ein Material mit einer ausreichend schwachen thermischen leitfähigkeit (Vorteil von Glas gegenüber kristallinischen Materialien).

Wenn er der Solarstrahlung ausgesetzt ist, entwickelt der erfindungsgemäße Umwandler zwischen den unteren und den oberen Enden seiner Fasern (sowohl was die Fasern selbst betrifft als auch die zwischen den Fasern und der zwischen ihnen ausgestrahlten thermischen Strahlung liegende Luft) einen inneren, hörnte nc η Temperaturgradienten, der annähernd linear dem Wert LT ist, icr eine thermische Leitung bestimmt, die offensichtlich der der üblichen mikroporösen, thermischen Isolatoren (wie Glaswolle, Kork usw.) vergleichbar ist.

Diese offensichtliche thermische Leitfähigkeit stellt die Su-nr.e der thermischen Verlustprozesse durch Strahlung, durch Leiturv.· irr> Gas und durch Leitung in den Fasern dar. Die thermische isoLicrung ist daher umso besser, ie langer die Fasern sind.

Da die thermischen Gesamtverluste gering sind, kann der erfindungsgemäße Umwandler vorteilhaft in einem konventionellen, flachen Solarsammler verwendet werden, der mit einem einzigen Deckelglas versehen und einfach mit Luft gefüllt ist (das Deckelglas dient gleichzeitig als Schutz gegen Staub, Bruch der Fasern usw.) Um die Verluste durch thermische Leitung in dem Gas noch weiter zu verringern, kann man auch in diesem flächen Sammler die Luft durch ein anderes Gas wie CO₂ oder Freon ersetzen. Der erfindungsgemäße Umwandler kann ebenso in nicht flache Sammler eingebaut werden,

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beispielsweise in röhrenförmige, die mit Solürkonzentrotorer. verwendet werden (Spiegeln, Fresnel-Linsen) . Der erfindunysgc-raäSe Umwandler kann auch in den Boden und/oder die Seitenv/.'indo eir.es dichten Behälters eingebaut werden, der beispielsweise c: Is chemischer Reaktor, als thermostatischer Behälter oder auch als Behalter (Tiegel} fCir 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 Anwencuncs~;rten. So zeigen die Fig. 3a und 3b den erfindungsgemäßen UmwandIor eingebaut in einen konventionellen Solarsammler flacher B-=u^rt. Der in diesen Figuren dargestellte Sammler umfa3t eine metallische Grundplatte 1 im Inneren eines Behälters, dessen Vorderseite r.us einer durchscheinenden Glaswand 6 besteht.

Auf der Hinterseite der Grundplatte 1 ist eine Vielzahl von Xär:..ecustauschleitungen 7 aufgeschweißt, die ein Wärmeaustausch!luid 8 wie wasser. Öl oder Gas bewegen sollen. Die Grundplatte 1 ist von der hinteren Platte 9 des Sammlers in bekannter Weise durch ein Isoliermaterial 10 wie Glaswolle oder Glasstein thermisch isoliert, in das parallel zur Platte 1 Metallfolien 11 eingefügt sein können, die die Rolle eines Schirms gegen die zur Hinterseite des Sammlers rückgestrahlte thermische Strahlung spielen. Die vordere Seite der Grundplatte 1 ist von einer absorbierenden Schicht 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

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-VS-

Glasverbundschicht eingelassen sind (Glaslot). Eine solche Struktur hat den Vorteil, ihre thermische Stabilität bis zu Temperaturen in der Größenordnung von 3OO°C beizubehalten; im übrigen haben die Glasfasern nicht nur eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit, sondern besitzen auch in hohem Male alle erforderlichen optischen Eigenschaften.

Der Raum 15 zwischen dem Fasernetz 14 und der vorderen Verglasung 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 übriger, wichtig, das das Fasernetz völlig trocken bleibt, da ein Auftreter. eines Verdampfungs-Kondensations-Kreislaufs im Inneren diese;; Fasernetzes die Gefahr mit sich brächte, als thermischer KurzschluS zu wirken. In dem Fall eines in Berührung mit der Act.ds ^hIre stehenden, nicht dichten Sammlers, der in schräger oder vertikaler Lage verwendet wird, könnte man einen inneren Sammel- und Drainage kanal für Wassertropfen einrichten, die sich auf dem inneren kältesten Teil des Sammlers, d.h. dem Glas 6 niederschlagen könnten. Man würde auf diese Weise vermeiden, daß das Fasernetz feucht wird.

Um die Strahlungsverluste so weit wie möglich zu verringern, kann man auch in bekannter Weise die Innenseite des durchscheinenden Vorderglases 6 mit einer durchscheinenden Schicht 16 aus einem Material wie Indiumoxid *ⁿ ₂ ^O3 beschichten, das mit Zinnoxid SnO₂ gedopt ist, was die Wirkung hat, die restliche thermische Infrarotstrahlung zu reflektieren, die an der Spitze der Fasern 14 austritt. Die Hinzufügung dieser zusätzlichen Schicht 16 hat jedoch den Nachteil, das sich die Verluste durch Reflexion der einfallenden Strahlung erhöhen. Es ist daher in bestimmten Fällen vorteilhaft, die durchscheinende Platte 6 mit anti-reflektierenden Schichten zu bedecken.

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Um deutlich zu zeigen, dafl der erfindungsgemäße Umwandler es ermöglicht, die Gesamtheit der optischen und thermischen Verluste zu verringern, wird nachstehend versucht, die Gesamt-Konversions- leistung r des flachen Sammlers entsprechend den Figuren 2r. und 3b als Funktion des Quotienten aus der Erhöhung der Temperatur -T der Grundplatte zur Intensität der Solarstrahlung H, zu bewerten, und dann die derart erhaltene Leistung mit denen zu vergleichen, die in entsprechenden nach dem Stand der Technik bekannten Sammlern erhalten werden können.

Diese Gesamt-Konversionsleistung Γ läSt sich als Funktion der einfallenden Solar-Intensität H, und der verschiedenen Verluste durch die folgende Beziehung darstellen:

r « cos $ r_c r_f r_e - (s_b + s_f

worin Γ die Gesamt-Konversions leistung bezeichnet, bestimmt: als der Quotient der thermischen Kraft, die pro Oberflacheneinheir in bezug auf die solare Belichtung H. dimensionslos erforder ich ist: Dabei bezeichnet

_2

H. die Solar-Belichtung (Wm ),

$ den Einfallswinkel der Solarstrahlung in bezug auf

die Normale auf der Grundplatte, Γ den Transmissionsfaktor der Solarstrahlung durch

das Deckglas (dimensionslos ), T- den Transmissionsfaktor der Solarstrahlung durch

das Fasernetz (dimensionslos), Γ den Absorptionsfaktor der Solarstrahlung im Inneren

der absorbierenden Platte (dimensionslos),

S. die thermischen Verluste zur Rückseite des Umwandlers

^b -2

(Wm *) und

S_f die thermischen Verluste zur Vorderseite des umwandlers (Wm"²).

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. ic.

Die thermischen Verluste S, und S- können als Funktion vor. £T (wobei A τ den Temperaturunterschied zwischen der Grundplatte des Umwandlers und der Umgebung bezeichnet) durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden:

worin λ. die Leitfähigkeit des Isoliermateria Is, ö;.s die R'.ckseiti

1 η 1

des Umwandlers bedeckt (Wm" ( K)" ) bezeichnet und h.^ die Uicke dieses Isoliermaterial (m) bezeichnet, sowie

Λ ir , ^{Ύ K}f ^d . _ΑΤ + £ .tr V J(T ⁿf 4h_fe'^{i 1}^ -

λ, ,j« ^di^e Leitfähigkeit der Luft bezeichnet, air

\- die thermische l,eitfähigkeit der Fasern, h- die Länge der Fasern (m), d den Durchmesser der Fasern (m), e den Raum zwischen den Fasern (m), g die InfrarotausstrahLung der absorbierenden Platte

dimensions los,
£_ den Infrarot-Transmissionsfaktor durch das raser-

netz dimensions los.

die Boltzmann-Konstante = 5 .67.1O~⁸W-n~² (

C X

T die Temperatur der absorbierenden Platte C X) ur.d T die Umgebungstermoeratur (" K) .

(Um den Gradienten der zusätzlichen Temperatur zwischen dem Fasernetz und dem Deckglas zu berücksichtigen, ist ΔΤ durch .i T/T, 2 irr. ersten Ausdruck von S_f ersetzt worden).

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Angenommen, die Solarstrahlung fällt unter normalen Einfallswinkel ein (cos φ ■= 1) und der flache Sammler hat die folgenden Ausmaße (Glasfasernetz) :

e
T

8 x 1O~² m
variabler parameter
0,6 χ lo"⁴ m
0,4 χ 1O~³ m
2 73°K

und unter Zugrundelegung der folgenden Werte für die anderen Koeffizienten:

Γ =0,92 (durch die Literatur gegebener Wert) Γ- = 0,99 (weiter oben bestimmter Wert)

Γ ^β 0,95 (weiter oben bestimmter Wert) ,-2

air

«h

4 χ l0~ (durch die Literatur bestimmter Wert) 3 χ l0~ (durch die Literatur gegebener Wert) 1 (in der Literatur für Glas genannter Wert) 0,90 (experimentell gefundener Wert)

950 Wm

-2

(Literatur)
-8

5,6 χ 10 2

1,8 e /(h/d) (weiter oben bestimmter Wert)

erhält man schließlich den folgenden Ausdruck für den Faktor der Gesamt-Konversion Γ:

-1

ο,87 -

(0,42 +

0,40 χ 10

«h

2,5 χ 10

-13

- 29 -

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270Ü916 - a-9 -

.331.

Auf de- Diagramm der Fig. 3c sind verschiedene Kurver. (A bis Z) dargestellt, die für die Veränderung des Koeffizienten r ΐ. Is Funktion des Verhältnisses ( Λ T/H, ) für Sammler verschiede." er Typen repräsentativ sind. Die Kurven A und B beziehen sich :.uf den S ο lür saum ler der Fig. 3a und 3b, der mit dem erf i ndu ης; ξ gemäßen, mit Glasfasern versehenen Umwandler 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, das ein solcher Sammler eine Betriebstemperatur von lOO bis 200⁰C erreichen kann ■die temperatur kann bis auf 300°C ansteigen (auf "Fluß Null"). Die Kurven C und D ihrerseits beziehen sich auf einen konventionellen Sammler vom flachen Typ,der mit einer einzigen Glasdecke (Kurv« C) bzw. mit zwei Glasdecken (Kurve D) ausgestattet ist. Man kann auf diesem Diagramm deutlich feststellen, da 3 der mit dem Umwandler entsprechend der Erfindung versehene Sc.mr.ler eine Gesamt-Konversionsleistung Γ aufweist, die wesentlich höher eis die konventioneller Sammler ist.

Fig. 4 veranschaulicht eine Abwandlung des erfindungsgeT.äie.^ Ut.-wandlers, bei dem gleichzeitig die Vorderseite und die Hinter^eite als absorbierende Flächen verwendet werden, wobei der U-nwr.adleiin ein System mit Doppelbelichtung eingesetzt ist. Der in dieser Fig. 4 dargestellte Umwandler 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 ein Wärmeaustauscherfluid befördern sollen. Der beschriebene Umwandler 80 ist im Inneren eines Reflektorsystems 85 angebracht, das im wesentlichen aus einem sphärischen, durch einen planen Reflektor 87 verlängerten Reflektor 86 besteht. Das Reflektorsystern 85 ist zur Vorderseite hin durch

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ein durchscheinendes Deckelglas 88 geschlossen, das die einfallende Solarstrahlung a durchlassen soll. Das Ref lekt ,r^ystem 85 ha¹:, die Funktion, die unmittelbare oder diffuse S ~>1 ^rstrah Lung gegen die Hinterseite des Umwandlers zu leiten, dessen Vorderseite ebenfalls dieser Strahlung ausgesetzt ist (Bahn der Strahlen in der Zeichnung schematisiert). Die derart realisierte Doppelbelichtung hat den Vorteil, die Gesamtleistung des Systems zu steigern, wobei sogar ermöglicht wird, die gewöhnlich fir die Richseite erforderliche Isolierung wegzulassen.

Fig. 5 veranschaulicht eine andere Abwandlung des erfindu:igsgemäßen Umwandlers, der in einen doppe Iwandigen Behälter 'mit ^T,uft) eingefigt ist und die Erwärmung einer Ladung gewährleister, soll. Der in dieser Figur dargestellte doppeIwandige Behälter 90 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 90 ist ein Reflektorsystern 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 90 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 Anhalte,! der einfallenden Strahlung aufgrund der guten thermischen Isolierung des Behälters 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.

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ORIGINAL INSPECTED

In den verschiedenen Abwandlungen des bisher beschriebenen "λ-wandUrs ist festgestellt worden, daß die das Netz begrir.c:enden Fasern einen im wesentlichen runden Querschnitt ho Iren. Sine solche Anordnung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, ^nd der Querschnitt der Fasern kann auch eine andere cc-stöi.^ h.-.ben, beispielsweise elliptisch oder abgeplattet sein, ■r.r.e c-.'ί das derart: erhaltene Fasernetz seine antiradiativen urvi ent :?. ;r.vcktiven Eigenschaften verliert.

In Fig. 6a (in Ansicht von oben) ist ein solches .;tt;: ::-.r :· ^t '..:_, das sus Fasern 89 mit abgeplattetem Querschnitt bes^hc. c^ :; .-. im wesentlichen gleichmäßigem Abstand voneinander urvu i..~. ; r.\ ve ö ■:::-. t.-liehen zufälliger VJeise verteilt angeordnet sine. Kin ■> > ".c.-.t .-; :·.'«:r.:: muß, um seine antiradiativen und antikonvektiven Funktionen :-.u erfüllen, Ausmaße haben, die in den folgenden Bereichen liegen: Faserhöhe zwischen 1 und lo cm; Querschnitt, dessen größtes Au ζ -Λε. zwischen 25 /am und 5 mm und dessen kleinstes Ausrr.aß zwischen 25 urn und 500 μπι liegt; und schließlich Zwischenraum zwischen den Fasern zwischen lOO ^m und 5 OOO μχη. Die verwendung cer 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 »olche 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 antiradic;tiven und antikonvektiven Funktionen zu erfüllen, Ausmaße haben, die in den folgenden Bereichen liegen: Faserhöhe zwischen 1 und 10 cm; Außendurchmesser zwischen 25 μτα. und 5 mm mit einer V7anddicke zwischen 10 μτα und 500 ^ira; und Zwischenraum zwischen den Fasern zwischen 100 Jim und 10 mm. Eine solche Anordnung hat den beträcht-

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ORIGINAL

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Lichen 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 Polycarbonst. Epoxy, Methyl-Polymethacrylat, Polyester, Polyimid, Methv loenten. Polymer, Polyamid-Imid, PTE, FEp, Viny1-Polyfluorur, ETFE, E-CTFE, Phenol-Formol-Dehyd, Polysulfon, Silikon, polystyrol-Xthylen-Butylen usw.

Entsprechend den obigen Ausführungen waren die Fasern senkrecht in die Grundplatte 1 eingesetzt. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zwingend; und für bestimmte Ve rwendung 3 f jn.cn, insbesondere fir Solörsam-nler, die auf Oberflächen ν .η vertik^ ' en :~cer i\uz'r. horizontalen} Eauwerken verwendet werden sollen, ist er, -,ft vorteilhaft, ein in bezug auf die Normale auf der Grundplatte schrie:; Fasernetz zu verwenden, so da 3 dieses Fasernetz sich annähernJ in der soLaren Einfallsebene (Fig. 6c) befindet. Wesentlich ist di.be-i in dem erfindungsgemäßen Umwandler, daß die Fasern untereinander im wesentlichen parallel bleiben, ob sie nun senkrecht oder schräg auf der Grundplatte 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 Solarsammler vorteilhaft sein. Man richtet die Reihen der Fasern so aus, da3 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.

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• 34.

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 verschiedenen Arten realisiert werden: Durch Einsetzung auf mechanischem Wege oder durch elektrostatische Befleckung; durch Ziehverfahren verschiedenartiger Fasern unmittelbar aus einer geeigneten Umwandlerplctte heraus; durch Web-, Strick- oder Tufting-Techniken (d.h. Einsetzen zusätzlicher Fasern in ein Gewebe), die denen entsorechen, die fir die Herstellung von Velours oder Teppichen verwendet werden; durch Befestigung entsprechend der Art, die für bestimmte Bürsten verwcnr.et wird; durch Wachstum feiner Kristalle in Form langer Nc-.de In vbeisoielsweise Gips); durch Extrudieren von Fasern durch in die gleiche Oberfläche des Sammlers eingelassene Löcher usw.

Die Fj.g. 7 bis 14 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemä3en Umwandlers (in Einzeldarstellung oder in einen Solarsammler 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 Haftschi ciit 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 ab-

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sorbierende Kleber wie Schwarzkleber oder schwarzes Glaslot oder auch Kleber zu verwenden, die durch Einbringung von ELen-.er.ren wie Schwarzkohle, übergangstnetalle, Selen usw. absorbierend gemacht werden.

Als mögliche Haftmaterialien kann man solche Materialien verwenden, die von Natur aus haftend sind, Materialien, die rr.it; Hilfe der Wirkung eines Katalysators oder durch Hinzufügen einer zweiten Komoonente 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, vervrendet man vorzugsweise als Haftmittel ein Glaslot oder ein Emaille miz. einer geeigneten Schmelztemperatur.

Die Implantationstechnik auf mechanischem Wege besteht im wesent lichen darin, die Fasern mit irgendeinem geeigneten mechanischen Mittel in eine Haftschicht hineinzustecken, wobei man im Bedarfs fall ein Gitter mit feinen Maschen oder irgendeine Trennvorrichtung verwendet, die den gewünschten Abstand zwischen den Fasern während ihres Einsetzens aufrechterhalten soll.

Die Imnlantationstechnik durch elektrostatische Befleckung stellt ein sehr bekanntes industrielles verfahren dar, das gekennzeich net i.3t durch das gerichtete Spritzen von Fasern in Richtung auf eine ^ufprallplatte, auf der sie sich implantieren sollen. Die Ausrichtung der Fasern wird durch die elektrostatischen Kräfte hervorgerufen, die sich aus dem Aufbau eines kontinuierlichen erhöhte^ 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

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- vt -

man beispielsweise die Geschwindigkeit des Vorbei Laufs der Platte den Strom der beflockten Fasern anpaßt.

Fig. 7 veranschaulicht schematisch eine Einrichtung zur Herstellung von erfindungsgemäßen Strukturen durch elektrostatische Etf .Lockung mit einer erhöhten Herstellungsgeschwindigkeit (mehrere m/r.in^ . Die in dieser Figur gezeigte Einrichtung umfaßt eine Mitnahnoverrichtung, die aus einer Vielzahl von seitlichen Trägerrollen 13 besieht, die so angebracht sind, daß sie eine mit einer geschwärzten Schicht versehene Metallfolie 19 (oder ein Band) an folgenden Elementen vorbei laufen lassen: Die Folie 19 läuft nach rechts an einer Pulverisiervorrichtung 21 vorbei, die aus einem mit einer v;\s ¹^r igen, selbstklebenden Pulverlösung aus Glaslot gefüllten Behälter 11 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 r.ösung bestehenden Überzug 24 aufzubringen (in einer Abwand lur.r kann das Glaslot selbst geschwärzt werden). Die auf diese weise überzogene Folie 19 läuft dann durch einen ersten Ofen 2 5, der so angeordnet ist, daß er nacheinander trocknet, erhitzt und dann das Einbrennen des Giaspulvers auf der Folie 19 hervorruft, bevor es senkrecht zu einer elektrostatischen, im Inneren eines zweiten Ofens 27 angeordneten Beflockungsvorrichtung 26 ankommt.

Diese Bef lockungsvorrichtung 26 umfaßt ein Meta I !.gitter 28, ruf dessen oberstem Rand ein Ausgabeorgan 31 für Glasfasern minder (die !Speisung dieses Organs mit Fasern, die pneumatisch geschehen kann, ist in der Zeichnung schematisch durch den Pfeil 31a dargestellt). Unterhalb des Gitters 28 ist ein mit komprimierter Luft gespeister Trichter 32 angeordnet (die Speisung ist in der Zeichnung ächematisch durch den Pfeil 32a 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

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Metallplatte 29 angesetzt, die sich im wesentlichen über die gesam-ce 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 F)lie 19 mit Hilfe der Rollen 18 geerdet ist, so da 3 zv/ischen der Cese-nuheit 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 Oberzug 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 aus Glaslot 24 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 ciasl)tcs 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 l2ngsam 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 dsrin, gleichzeitig eine große Anzahl von Fasern aus einer Schicht eines thermoplastischen oder chemisch aufweichbaren Materials (Weichglas, organisches Material usw.) zu ziehen, das die Grundplatte bedeckt. Ein solches Verfahren hat

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den Vorteil, genau parallele Fasern zu ergeben, selbst wenn diese lang sind und dicht aneinandergerückt sind.

Uli 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 Grundnlatte wird dann mit einer dünnen Schwarzschicht versehen, d.h. einer Strahlung absorbierenden Schicht (elektrochemische Schwärzung usw.1,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 (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 (dieses Zylinders) 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 pyraitiidenförmigen Ausstülpungen 36 versehen ist (perspektivisch

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dargestellt in Fig. 8a). Die Fig. 8b zeigt das Ziehverfahren der Fiisern zu Beginn der Abhebbewegung (schematisch dargestellt durch den Pfeil 40) der Hilfsplatte 39, die vorher suf 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 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 Io veranschaulichen eine erste Abwandlung dieses Ziehverfahrens, bei dem man eine mit einem Netz von Ausstülpungen in prismatischer Form 46 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 47 die Form dünner Lamellen, deren oberes Ende (nach der Trennung der beiden Platten) einen Schnitt aufweisen kann, der dem einer gewöhnlichen Faser nahekommt. Die Längsschnitte der Fig. lOa und lob zeigen Querschnitte dieser Lamellen 47 in zwei verschiedenen Ebenen.

Für die Verwendung in einem flachen Solarsammler wird der auf diese Weise mit Lamellen versehene Umwandler vorteilhafterweise derart angeordnet, das die Lamellen nahezu auf den Südpunkt des

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Himmelsäquators zeigen, wobei die "Schnitt"-Seiten dieser :.:.T,cl'.en im wesentlichen in Ost-West-Richtung angeordnet sind. Eine solche Anordnung erlaubt es, aufs beste die Führung der einfallenden Solsrstrahlung bis zu der absorbierenden Schicht zu gewährleisten.

Fig. Il veranschaulicht eine zweite Abwandlung, in der -^r. eine durchscheinende Hilfsplatte 49 verwendet, die an den Enden der Fasern 50 nach Ausziehen dieser letzteren von einer Crurvdolatte aus (auf deren Hinterseite beispielsweise durch Schweifung War Tie austauschrohre 52 befestigt sind) verbunden bleibt. Wie ^n in dieser Figur feststellen kann, stellt die entstehende "Sandwich"-Formierung bereits (nach thermischer Isolation 53 der Rickwände und der Seitenwände 54) einen flachen Solarsammler dar, der voll arbeitsfähig ist. Der ursprüngliche Vorteil einer solchen Abwandlung beruht auf ihrer großen Widerstandskraft gegen mechanische Stöße (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 Solarsammler zu realisieren, insbesondere in Querrichtung zu den Rohren 52. Man kann £uf diese Weise Bänder von Solarsammlern verwirklichen, die in F ^r:r. -/.-,n Rollen hergestellt und transportiert werden können. Diese /.bvar.dlung erlaubtvor allem einen schnellen Aufbau großer SoLörsarrmLer-Oberflachen. Eine solche Abwandlung des Umwandlers ist auch gut geeignet für die Anwendung nicht-solarer Strahlungsheizung. Die Grundplatte 51, die Fasern 50 und die durchscheinende Platte 49 bilde,.! die Wand (oder den Boden) eines chemischen Reaktors, eines thermostatxschen Behälters oder einer Kasserole. Die Ladung wird durch thermische Leitung quer durch die Platte 51 hindurch erwärmt.

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Die Fig. 12 und 13 zeigen einen erfindungsge!r,ä3en Umwandler, der durch Web-oder Tufting-Verfahren erhalten wird. Es ist bekannt, cir 3 diejenigen Webverfahren, wie sie für die Herstellung ν ;n 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 Urawandlers 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 Texti!struktur, die als Umwandler dienen kann, aus schwarzen Kettfaden (d.h. solchen, die die einfallende Strahlung absorbieren und die widerstandsfähig gegen Hitze sind) unc: durchscheinenden Schußfäden (oder Fäden, die durch Tufting einge:: Ahrt werden) bestehen, die nicht diffundieren und ebenfalls hitzebeständig sind. Da die entstehenden Textilstrukturcn im allgemeinen nicht fluiddicht sind, sind sie besonders gut geeignet zum Einsetzen in Solarsammlern, die ein Gas als Wärmeaustauschmedium enthalten.

Fig. 12 zeigt eine solche TextiIstruktur, 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 bzw. (Sl zeigen jeweils die Richtung der einfallenden Strahlung und die Richtung des Gasstroms in bezug auf diese Struktur an).

Die Fig. 13 zeigt einen Solarsammler, der beispielsweise mit zwei Texti '..strukturen 63 und 64 versehen ist, die als Luft-Wärmeaustauscher arbeiten. Dieser Solarsammler umfaßt einen (nach Süden)

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geneigten Behälter 65, dessen Vorderseite aus einer durchscheinenden Platte 66 besteht und dessen hintere und seitliche Innenwände in 'üblicher Weise mit einem porösen, thermischen Isolierer 67 versehen sind (Glas- oder Kiese!wolle. Wolle aus einer organischen Faser, Kork usw.). Diese thermische Isolier-Ausstattu.ng 67 ist vorteilhaft innen mit einer Metallfolie 68 mit geringer Strahlungskraft (beispielsweise Nickel, Aluminium usw.) versehen. Die beiden textlien Strukturen 63 und 64 sind untereinander im Inneren des Behälters 65 zwischen der durchscheinenden Vorderolatte 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.

Kin solcher Solarsammler arbeitet besonders einfach: Die Ks.ItIuft dringe durch die Eingangsöffnung 69 in den Sammler ein, wird durch die textlien Strukturen 63 und 64 geblasen, in denen sie sich erwärmt, und verläßt den Sammler schließlich durch die Ausgengsöffnung 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-WellenlHngen hat. Es genügt, daß die vertikalen Fasern (Schußfäden) und die in der Ebene der gewebten Strukturen liegenden Fasern (Kette und nicht geschnittener Schuß) Absorptionsbereiche und spektrale Tr^nsmissionsbereiche haben, die im Inneren des Wellenlängenbereiches des thermischen Infrarot identisch sind.

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Während des Betriebs spielt der Luftraum zwischen der Metallfolie 68 und den Strukturen 63 und 64 nur die Rolle eines ScnwErzkorper-Hohlraums bei der Temperatur des Umwandlers für solche Infrarot-We llenlängenbereiche, für die das Textilmaterial, cus dem der samm· ler b€3teht, 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 Solarsammler zu verwirklichen. In diesem Fall tränkt man den Boden des Gewebes 'v,r dem Abschneiden der gewirkten Fäden, die als Fasern dienen sv:.:n' mit einem Material wie beispielsweise geschwärzter., ther r./n'irtLi.rc: Harz. Dieses Verfahren erlaubt es, die Struktur der Fasern unmittelbar auf einer Grundplatte zu befestigen, die Leitungen fir 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 erfindungsgemä3en Umwandler, der durch Verfahren erhalten wird, wie sie analog bei der Herstellung von Bürsten angewandt werden. Die Strukturen der EWrsten sind gekennzeichnet durch die Befestigung von Faserbündeln auf einem festen Träger, wobei die Befestigung entweder mechanisch stattfindet (Einklemmen von Fasern in ein Netz von Löchern und Schlitzen) oder mit Hilfe eines Haftmittels. Die Bürstenstrukturen haben den Vorteil eines einfachen mechanischen Eefestigungsverfahrens, kombiniert mit einer praktisch unbegrenzten Auswahl in bezug auf das Material der Fasern sowie ihre Geometrie (im Gegensatz zu den Web- und Beflockungstechnxken). Es wird daher be weise möglich, längere Fasern zu verwenden als die bei der Ee-

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flockung verwendbaren, ν.oraus sich eine noch verbesseren th^r^isch Isolation des Sammlers ergibt.

Die Struktur des in Fig. 14 gezeigten Soler-Umwand :.ers hr.t oir.e zylindrische Geometrie entsprechend der, die mic den <ry lir.drischparabölischen Konzentratoren oder mit festen Kor.zer>zr<.ζ ^rer. verwendet werden, die mit einem beweglichen (zy Lindriscr.c-r.' Umwandler ? uscejitattet sind, der dem S olarherd folgt. Eine viel^,.:. ■ ν ,η Faserbinde In 74 wird radial an ihrem unteren Ende λ\·. iscnen oir.er Vielzc,hl von Unterlegscheiben oder Muttern 75 eince',; Ie--.α-, dicimraer die eine auf die andere folgend auf einem w;r.T,e«u3tr.^3c:.r -hr 76 aufgereiht sind, und die beispielsweise durch eine Ko~orcsüi;nsschraube 77 eine gegen die andere gepreßt gehalten werden. Die einzelnen Fasern der Bündel 74, die mehrere Zentimeter long ^rs:..nc, sind vorzugsweise aus einem feuerfesten Material vie Si-izia'.-. ".rier C Io s. Die Oberfläche der Unterlegscheiben 75 'vorzugsweise ir. v-For;n) wird in geeigneter Weise (beispielsweise durch Oxide.-ei -jn! gesch\/^rzt, so daß der grö3tmögliche Teil der auf den Ut..." r. ■" er geblnde Iten Solarstrahlung absorbiert werden kann. In dem ?. :hr 76 zirkuliert ein geeignetes Wärmeaustausch! luid 78 .'be ΐε-ie Isviisc DruckN^asser, flüssiges Po Iy one ny I oder ein Gas wie CG-.'.

Diese Solar-Umwand lerstruktur kann in vortex Ih^- f ter „eise _■·;. Inneren eines koaxialen (nicht in der Zeichnung c^rgc.=; ze ".''zcr.; Glasrjhrs angeordnet sein, das im allgemeinen nichc luftleer gemacht zu werden braucht.

Der Vorteil eines solchen Umwandlers in Bürstenform liegt i^rin, daß die Fasern relativ lang sein können und daher sehr wir.-:z~.n als thermische Isolierung dienen können. Im übrigen bestehen die Fasern ebenso wie die absorbierende Oberfläche aus Oxiden, die in einer Umgebung von Heialuft (daher oxidierend) auf lange S-cht

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eine ausgezeichnete Stabilität aufweisen. Ein solcher Urnv^-nö _tr ist such besonders gut geeignet, Strahlungsintensitäten und infolgedessen sehr hoch liegende Betriebstemperaturen zu ertragen» ohne irgendeine Veränderung zu erleiden.

Der photothermische erfindungsgemriao umwandler h^t eine ccv.sse Anzahl von Vorteilen. Dank der Ausschaltung der K:>nvekti-,ri besitzt er in erster Linie eine erhöhte Konversions leistung, ir.tbc ■: andere für die v/esent liehen Temperaturunterschiede zwischen UTiv/cnd :.er und Umgebung. Seine Leistung ist vergleichbar mit der bekannter 'ufrleerer photothermischer Umwandler. Im Vergleich zu den d'inr.en Schichten für selektive spektrale Absorption der bekannten phot .-thermischen Umwandler bietet er außerdem ein sehr günstiges verhältnis zwischen Leistungen und Kosten, und er kann in großer Serie bill ic hergestellt werden. Schließlich hat er einen Absorptions':oef: zienten fur Solarstrahlung, der viel höher liegt als der, der rr.it den Schichten für bekannte selektive Spektralabsorption erhalten werden kann.

Patentansprüche:

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Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Photothermischer Umwandler mit einer Oberfläche, von der wenigstens die eine Seite, die einer einfallenden ichtstrahlung ausgesetzt werden soll, eine starke Abs.-.rp-ion~- kraft für diese Strahlung hat, gekennze ich η et durch eine Vielzahl von aus dieser Fläche hervorragenden und sich im wesentlichen parallel und deutlich in gleichem Abstand voneinander erstreckenden Fasern, wobei -jede Faser aus einem gleichzeitig für die Lichtstrahlung durchdringbaren und mindestens teilweise für die durch diese Oberfläche zurückstrahlbare thermische Infrarotstrahlung licl-.cundurchlässigen Material besteht, wobei die Vielzahl vor. Fasern auf diese Weise eine antiradiative und antiker, vekti ve Struktur bilden, die einerseits ermöglicht, die Verluste durch thermische Infrarotstrahlung zu verringern, und andererseits, die Verluste durch Konvektion auszuschließen.

   2. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine genau gleiche Länge aufweisen.

   3. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fasern zwischen 1 und lO cm liegt.

   4. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern senkrecht zu der Oberfläche angeordnet sind.

   5. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern schräg zu der Oberfläche angeordnet sind.

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   C. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k π α α zeichnet, daß die Fasern einen genau kreisförmigen Querschnitt haben.

   7. Umwandler nach Anspruch 6, dadurch g e k c η η zeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser zvischcr 2 5 und 5OO μπι haben.

   8. Umwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daßdie mittlere Entfernung der 7 ζ scr r. zwischen lOO und 5000 pm beträgt.

   9. Umwandler nach Anspruch 6, d & d u r c h gekennzeichnet, daß die Fasern vorzugswc- ise eine :-:.:;hö
   in der Größenordnung von 5 cm und einen Durchmesser in -Ii. r Cr^;5 3enordnung von 70 /am haben, wobei die Dichte der iv-sorr. -jüf der Oberfläche vorzugsweise in der Größenordnung von
   5OO Fasern/cm beträgt.

   10. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen abgeplatteten
   Querschnitt haben.

   11. UTTwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -
   χ e i c h η e t , daß die Fasern hohl sind.

   12. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Glasfasern sind.

   13. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kunststoffasern sind.

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   o.t:?i:^;~"·'^ jA:"Ofr->

   14. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern auf mechaniscne-r. '-."og

   in die Oberfläche eingesetzt sind.

   15. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern auf elektrostaticchem Wege in die Oberfläche eingesetzt sind.

   16. Utnwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall die Fasern auf der Oberfläche durch Ziehen realisiert sind.

   17. Umwa ndler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Oberfläche ;.us einem gewebten Material besteht, aus dem eine Vielzahl von Fasern hervorspringt.

   Io. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch ge kenn ζ e i c η η e t , da 3 er in einen Sammler f U. ehe η Typs eingebaut ist.

   19. .Jmvr. nd i e r n;.ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Sammler vom K"ir.zcntrct.'--r-Typ eingebaut ist.

   20. Umv.\j ndler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da 3 er die Innenv/and eines Behälters Tiit Doppelwandung darstellt, dessen Außenwand aus einem fur einfallende T.ichtstrahlung durchscheinenden Material besteht, wobei der Behälter eine Ladung aufnehmen soll, die dadurch erwärmbar ist, daß der Behälter der Strahlung ausgesetzt wird

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