DE2852089A1 - Solarzelle - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (0 89) 881608

1.12.1978-SSe(5) 190-1523P

Solarzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einer an ihrer Außenseite der Strahlungsaufnahme dienenden Sammelplatte, einem unter derselben verlaufenden und in einen mittleren Abführkanal weiterführenden Hauptströmungskanal einer Querschnittshöhe von 0,5 bis 2 mm für einen von ihr her aufzuheizenden Luftstrom, sowie mit einer in den Hauptströmungskanal einmündenden Beipaß-Luftströmung einer im hälftigen Bereich des Gesamtluftstromes liegenden Menge.

Bei einer solchen bekannten, durch die US-PS 4 054 124 offenbarten Solarzelle soll der Anteil der Beipaß-Luftströmung am Gesamtluftstrom im Bereich von 0,25 bis 0,75 liegen, wobei der Beipaß-Luftstrom dem Hauptluftstrom durch im Mittelbereich der Sammelplatte verteilt angeordnete Beipaß-Einlaßöffnungen von beispielsweise 0,5 mm Durchmesser zugeführt werden soll. Wenn mit solchen Solarzellen mit einem DoppeIstromsystem auch schon beachtliche Leistungen und insbesondere Aufheizungen mit sehr niedrigen Zeitkonstanten erreichbar sind, so fallen diese Solarzellen in der Herstellung doch noch verhältnismäßig teuer aus, sind in der Handhabung empfindlich und befriedigen in ihrer Leistung solchen höheren Anforderungen noch nicht ganz, wie sie in nördlichen Breitengraden bei einer nur schwachen Sonneneinstrahlung auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs ge-

9 0 9 8 2 3/0 77 9

- χ-

nannte Solarzelle so weiter zu vervollkommnen, daß sie unter gleichzeitiger Ermöglichung einer leichteren und insbesondere unempfindlicheren Handhabung insbesondere für eine Anwendung in nördlichen Breitengraden bei nur schwacher Sonneneinstrahlung geeignet ist.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen

dadurch gelöst, daß die Sammelplatte eine Oberfläche von min-

2 2

destens etwa 0,1 m und höchstens etwa 1 m und der Hauptströmungskanal eine Länge von 0,15 bis 0,50 m aufweist, und daß der Anteil der Beipaß-Luftströmung am Gesamtluftstrom 20% bis 50% beträgt.

Mit den vorgenannten Merkmalen ergibt sich eine Solarzelle kleiner Abmessung und damit leichter Handhabung, die überdies durch die Zusammenwirkung der weiteren Merkmale große Temperaturdifferenzen zwischen dem Lufteinlaß und der Luftabgabe in den Abführkanal und damit auch sehr kleine Zeitkonstanten und einen großen thermischen Wirkungsgrad gewährleistet.

Die vorgenannten Leistungswerte fallen besonders günstig aus, wenn die Sammelplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über ihre Oberfläche verteilt Beipaß-Einlaßöffnungen in einer Dichte von 2 000 bis 3 000/m aufweist und der Gesamtluftdurchsatz der Solarzelle 0,002 bis

2
0,012 kg/sec/m beträgt. Insbesondere ergibt sich bei einer solchen Ausbildung der Sammelplatte unter gleichzeitiger Einhaltung der Lehre des Hauptanspruchs eine günstige Einhaltung ein und desselben Anteils f, nachstehend auch "f-Zahl" genannt, der Beipaß-Luftströmung am Gesamtluftstrom, auch wenn dieser Gesamtluftstrom in der Zeiteinheit zur Berücksichtigung unterschiedlicher Sonneneinstrahlungsverhältnisse in einem größeren Bereich geändert werden sollte.

909823/0779

Nach einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sammelplatte eine Wandstärke von etwa 0,10 bis 0,20 nun und eine selektive Beschichtung einer geringen Infrarot-Strahlungscharakteristik auf, wodurch ermöglicht wird, die f-Zahl im Rahmen des vorgeschlagenen Bereiches zu erhöhen, was einer Verringerung an Verlusten durch etwaiges Abströmen an der Außenseite der Sammelplatte aufgeheizter Sekundärluft und einer gleichzeitigen Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades entspricht.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Solarzelle in einem vereinfacht dargestellten Querschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2;

Fig. 2 die Solarzelle gemäß Fig. 1 in einer Draufsieht (in gegenüber Fig. 1 verkleinertem Maßstab);

Fig. 3 ein den Druckabfall des Hauptluftstromes entlang dem HauptStrömungskanal unter verschiedenen Bedingungen wiedergebendes Diagramm;

Fig. 4 ein die f-Zahl über der Fördermenge der Luft unter verschiedenen Strömungsbedingungen wiedergebendes Diagramm;

Fig. 5 ein den thermischen Wirkungstrad der Solarzelle über der f-Zahl unter verschiedenen Bedingungen wiedergebendes Diagramm;

Fig. 6 ein die f-Zahl über dem Hauptströmungskanal bei verschiedenen Drosselzuständen und damit einen überblick über die Strömungsverhältnisse im Hauptströmungskanal wiedergebendes Diagramm;

Fig. 7 einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Solarzelle.

Die in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Solarzelle ist ins-

909823/0779

besondere in Fig. 1 deshalb nicht maßstabsgerecht dargestellt, damit auch sonst kaum erkennbare Einzelheiten deutlich in Erscheinung treten. Eine Sammelplatte 10 der dargestellten Solarzelle besteht aus einer außen mit einer selektiven Beschichtung einer nur geringen infraroten Strahlungscharakteristik versehenen dünnen Aluminiumscheibe, die gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Wandstärke von 0,15 mm aufweist. Die Sammelplatte 10 ist gemäß Fig. 2 über einen weiten Bereich mit Beipaß-Einlaßöffnungen 12 versehen, die mit einem jeweiligen Durchmesser von 0,2 bis 0,7 mm in einer Dichte von

2
2 000 bis 3 000 öffnungen je m -über die Platte verteilt sein können. Gemäß dem Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Beipaß-Einlaßöffnungen 12 jeweils 0,5 mm und die öffnungen sind über die Platte in einem Rechteckbereich mit einem gegenseitigen Mittenabstand von 20 mm verteilt. Sofern durch die Beipaß-Einlaßöffnungen 12 in bekannter Weise lediglich ungefilterte Luft aus der freien Atmosphäre angesaugt wird, lassen sich kleinere Durchmesser der einzelnen öffnungen wegen einer Verstopfungsgefahr kaum durchführen.

0 Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird durch die Beipaß-Einlaßöffnungen 12 ein Bereich von angenähert 70% der Gesamtfläche der Sammelplatte 10 eingenommen. Nahe ihren beiden gemäß Fig. 2 rechts und links gegenüberliegenden Seitenkanten verläuft entlang denselben je eine Reihe weiterer Einlaßöffnungen 14 für Luft zugleich parallel zu einer Längsmittelebene der Sammelplatte 10, entlang der in nachstehend noch beschriebener Weise unter der Sammelplatte 10 die erwärmte Luft abgesaugt wird.

In einem nur kleinen Abstand von 1,5 mm unter der Sammelplatte 10 verläuft eine Grundplatte 16, die entlang der genannten Mittelebene nach unten ausgewölbt ist und dort einen Sammelkanal 18 bildet, der sowohl schräge Seitenwände als in nicht besonders dargestellter Weise an seinen beiden Enden nach den dortigen gegenüberliegenden Seitenkanten der Sammelplatte 10 hin auch schräge Stirnwände aufweist, durch

909823/0779

-X-

welche seine Höhe auf ein Minimum reduziert wird. Dabei ist der Sammelkanal 18 durch eine ebenfalls entlang der Mittelebene verlaufende Mittelplatte 19 verdeckt, die entlang der Mittelebene in einem gegenseitigen Mittenabstand von 20 mm öffnungen 20 eines Durchmessers von jeweils 3 mm aufweist. Auch die Grundplatte 16 und die Mittelplatte 19 bestehen gemäß dem Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumscheibe einer Wandstärke von 0,15 mm. Beiderseits des Sammelkanals 18 ragen aus der Grundplatte 16 Vorsprünge 22 nach der Sammelplatte 10 hin, die in einem gegenseitigen Mittenabstand von 20 mm angeordnet und mit Kopfflächen eines Durchmessers von jeweils 3 mm an der Sammelplatte 10 festgelegt sind. Die überdies entlang ihren Rändern miteinander verbundenen beiden Platten stellen damit einen selbsttragenden flächigen Körper dar, der verhältnismäßig unempfindlich gehandhabt werden kann und lediglich in seinem Mittelbereich gemäß dem Ausführungsbeispiel über vier Kopfschrauben 36 an einem ihn flächig untergreifenden Grundkörper 30 festgelegt ist.

Der Grundkörper 30 ist entlang der genannten Mittelebene von einem Abführkanal 32 durchsetzt, dessen Wände in nicht besonders dargestellter Weise mit einem zugleich etwaige Erosionen des Isolierstoffes des Grundkörpers 30 verhindernden Dichtmaterial beschichtet sein können. Durch entlang der Mittelebene in der Grundplatte 16 befindliche öffnungen 33 und an jeweils gleichen Stellen des Grundkörpers 30 befindliche Durchtrittsöffnungen 34 steht der Sammelkanal 18 mit dem Abführkanal 32 in Verbindung.

. Aufgrund der mittleren Halterung der Sammelplatte 10 und der Grundplatte 16 nebst Mittelplatte 19 am Grundkörper 30 kann sich das selbsttragende Plattenaggregat bei den betriebsmäßigen Aufheizungen ungehindert oberhalb des Grundkörpers ausdehnen und beispielsweise nachts bei einer entsprechenden Abkühlung wieder ungehindert zusammenziehen.

909823/0779

Beim Betrieb der beschriebenen Solarzelle tritt die zunächst kalte Luft durch die gemäß Fig. 2 gegenüberliegenden äußeren Einlaßöffnungen 14 in den zwischen der Sammelplatte 10 und der Grundplatte 16 befindlichen Hauptströmungskanal ein, durch den sie in einer laminaren Strömung nach der Mittelebene hin und dort durch die mittleren öffnungen 20 in den Sammelkanal 18 einströmt. Aus dem Sammelkanal 18 strömt die erwärmte Luft durch die öffnungen 33 und 34 in den Abführkanal 32 ein, der an seinen beiden aus der Solarzelle herausführenden Enden in nicht besonders dargestellter Weise mit weiteren entlang der Mittelebene anschließenden Solarzellen oder gegebenenfalls an seinem einen Ende auch mit einem Wärmetauscher und anschließend einem Lüfter verbunden sein kann, durch den die Luft nach dem Wärmetauscher hin abgesaugt wird.

Durch die Absaugung der Luft entlang dem Hauptströmungskanal wird zugleich die oberhalb der Sammelplatte 10 entlangstreichende und bei Sonneneinstrahlung von dieser her ebenfalls aufgeheizte Luft durch die Beipaß-Einlaßöffnungen als Sekundärluft mitangesaugt und damit dem Hauptluftstrom zugeführt. Dabei befinden sich die Beipaß-Einlaßöffnungen 12 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise hauptsächlich im Mittelbereich der Sammelplatte 10, wo sich aufgrund der Erwärmung der Platte eine freie Konvektionsströmung ausbildet. Dagegen kann die freie Konvektionsströmung im Bereich der Außenränder der Sammelplatte 10 vernachlässigt werden.

Bei einer durchschnittlichen Strahlungsbeaufschlagung der Solarzellen bei Sonnenschein und klarem Himmel erwärmt sich die Sammelplatte 10 um etwa 10⁰C mehr als die Grundplatte Im übrigen weicht die beschriebene Konstruktion mit den beiden zusammenhängenden Platten, den in gegenüberliegenden Reihen verlaufenden Einlaßöffnungen 14, deren wichtige Funktion nachstehend noch näher beschrieben wird, der zentralen Halterung

909823/0779

-S-

des Plattenaggregates und anderen Einzelheiten von den in der US-PS 4 054 124 beschriebenen Solarzellen ab, wobei die konstruktiven und auch funktioneilen Vorteile dieser Abweichungen im einzelnen in dem Patent "Plattenförmige

Solarzelle" (Patentanmeldung gleichen Datums) gleicher Priorität erläutert sind.

Das Doppelstromprinzip bringt indessen noch eine Anzahl weiterer Auswirkungen mit sich, die bei der Auslegung solcher Systeme im Hinblick auf die Erzielung der erwünschten kurzen Zeitkonstanten, hohen Temperaturdifferenzen zwischen dem Auslaß und dem Einlaß des Luftstromes und eines hohen thermischen Wirkungsgrades insbesondere in nördlichen Breitengraden zu berücksichtigen sind, wo hinsichtlich der Solarheizung besonders ungünstige Bedingungen herrschen und zugleich besonders hohe Anforderungen an die Heizungen zu stellen sind. In diesen Breitengraden ist die Sonneneinstrahlung, abgesehen von den Sommermonaten verhältnismäßig schwach und steht dann auch nur für jeweils kurze Zeiträume zur Verfügung. Während einer Sonneneinstrahlung sollte die Sammelplatte deshalb so schnell wie möglieh erwärmt werden und die Wärme sollte auch möglichst wirkungsvoll und verlustlos an den durch die Solarzellen gesaugten Luftstrom abgegeben werden. Zu beachten ist dabei jedoch, daß bei der Übertragung der Wärmeenergie von einer durch Sonneneinstrahlung aufgeheizten Sämmelplatte auf einen Luftstrom eine Reihe von sich teilweise gegensätzlich auswirkenden Einflußgrößen zu berücksichtigen ist. Würde man beispielsweise allein darauf bedacht sein, die Wärmeverluste aufgrund einer an der Außenfläche der Sammelplatte auftretenden Konvektionsströmung durch die Platte aufgeheizter Luft mittels einer mögliehst weitgehenden Mitansaugung dieser Konvektionsströmung durch eine Beipaß-Strömung zu vermeiden, dann würde mit der entsprechenden Vergrößerung der f-Zahl auch die durchschnittliche Temperatur der Sämmelplatte derart ansteigen, daß mit der Absenkung der Verluste an freier Konvektionsströmung zugleich

909823/07

-X-

die Verluste an abgestrahlter Wärme unerwünscht ansteigen. Außerdem macht die wechselnde Intensität der Wärmeeinstrahlung vom Sonnenlicht her entsprechende Änderungen in der Menge der durch die Solarzellen angesaugten Luft erforderlieh, damit stets die maximal mögliche Temperaturdifferenz und damit auch maximal mögliche Wärmeabgabe an den Luftstrom erzielt wird- F/ird aber die rlenge des in der Zeiteinheit abgesaugten Luftstromes geändert, dann ändern sich auch die Druckverluste in den Beipaß-Einlaßöffnungen 12, da diese Druckverluste im wesentlicheil proportional dem Quadrat der in der Zeiteinheit geförderten Beipaß-Luftmenge sind, wogegen der Druclrverlust im Hauptströmungskanal jeweils der gesamten durch den Kanal in der Zeiteinheit geförderten Luftmenge (hauptsächlich ein Druckverlust entsprechend der Viskosität der Luft) nahezu proportional ist. Infolgedessen besteht eine Tendenz, da3 sich bei einer Änderung der durch die Solarzelle geförderten Luftmenge zugleich die resultierende f-Sahl ändert, womit sich aber auch entweder der thermische Wirkungsgrad des Systems verringert oder die Summe der Verluste durch eine freie Konvektionsströmung und Wärmeabstrahlumj größer wird. Soweit man im Interesse eines Ausgleichs der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung daran denken würde, die Menge des durch die Solarzelle gesaugten Luftstromes in einem Bereich von 5 zu 1 zu ändern, so müßte auch eine solche Absicht unbefriedigend bleiben.

Berücksichtigt man die vorstehenden und weitere nachstehend noch genannte Faktoren, dann gelangt man zu einer optimalen Gestaltung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Solarzelle in Übereinstimmung mit den folgenden Gesichtspunkten:

1. Durch in der Sammelplatte 10 vorgesehene Einlaßöffnungen 14 schafft man auch im Hauptluftstrom einen (im wesentlichen dessen Querschnitt proportionalen) Druckverlust, der in seiner Charakteristik dem festgestellten Druckverlust an den Beipaß-Einlaßöffnungen entspricht, womit die einlaßseiti-

909823/0779

gen Druckverhältnisse im Sinne einer besseren Übereinstimmung zwischen den Charakteristiken des Hauptluftstromes und des Beipaß-Luftstromes geändert werden. Die US-PS 4 054 124 offenbart verschiedene Vorschläge, bei ungedrosselt bleibender Hauptluftströmung den Druck der Beipaß-Luftströmung zu senken. Auf diese Weise kann der Einlaßdruck des Hauptluftstromes den Einlaßdruck des Beipaß-Luftstromes jedoch über einen beträchtlichen einlaßseitigen Strömungsweg überschreiten, so daß in diesem einlaßseitigen Bereich keine Beipaß-Einlaßöffnungen verwendbar sind. Da die Hauptluftströmung im Hauptströmungskanal im wesentlichen laminar ist, hat weiterhin eine Änderung des Luftdurchsatzes nur einen verhältnismäßig kleinen Einfluß auf den Druckabfall, wogegen der Druckabfall des Beipaß-Luftstromes durch die Beipaß-Einlaßöffnungen mit dem Querschnitt der Luftströmung ( Δ ρ ^V m ) ansteigt (oder abfällt). Infolgedessen ändert sich mit Änderungen des Luftdurchsatzes der Durchsatz an Beipaßluft - und damit auch die f-Zahl - viel mehr als der Durchsatz des Hauptluftstromes, womit man bei größeren Änderungen sehr schnell aus den gewünschten Verhältniswerten bis in solche Verhältnisbereiche gelangt, die nicht mehr annehmbar sind.

Die entsprechenden Beziehungen sind in den Diagrammen der Fig. 3 und 4 veranschaulicht. In Fig. 3 sind über der Länge L des Strömungsweges im Hauptströmungskanal verschiedene Drücke P wiedergegeben, und zwar der Umgebungsdruck P , der Druck A

des ungedrosselten Hauptluftstromes, der zunächst mit dem Umgebungsdruck P übereinstimmt und im ersten Bereich des Strö-

Cl

mungsweges den Förderdruck P_fa der Beipaß-Luftströmung übersteigt, sofern mit der Zuströmung der Beipaßluft ein Druckabfall verbunden ist, und weiterhin der Druck B des Hauptluftstromes, sofern auch dieser durch Einlaßöffnungen oder sonstige Maßnahmen derart gedrosselt ist, daß er auf jeden Fall unter dem Förderdruck des selbst gedrosselt einströmenden Beipaß-Luftstromes bleibt. Im letzteren Falle können also auch in dem

909823/0779

im Diagramm parallel zur Ordinate gestrichelten Bereich des Förderweges der Beipaß-Luftströmung Beipaß-Einlaßöffnungen 12 vorgesehen werden. Da außerdem der im Hauptluftstrom hervorgerufene Druckabfall gleicher Art (Δρ^ί ) wie der Druckabfall in den Beipaß-Einlaßöffnungen ist, ergeben sich bei Änderungen des Luftdurchsatzes auch nur kleine Änderungen der f-Zahl, wie sich aus dem Verlauf der die f-Zahl über der Luft-Fördermenge m wiedergebenden Kurve B der Fig. 4 ergibt. Weiterhin zeigt die den Verlauf der f-Zahl der ungedrosselten Hauptströmung über der Luft-Fördermenge m veranschaulichende Kurve A der Fig. 4, daß dort die f-Zahl mit zunehmender Luft-Fördermenge m stark abfällt und den brauchbaren f-Zahl-Bereich C bei größerer Fördermenge sogar verläßt.

2. Die Beipaß-Einlaßöffnungen 12 sind so klein wie im Hinblick auf eine Verstopfungsgefahr möglich ausgeführt und gemäß Fig. 2 gleichmäßig über denjenigen Teil der Sammelplatte 10 verteilt, der bei Sonneneinstrahlung eine hinreichend grosse Aufheizung erfährt, so daß dort mit Verlusten durch eine freie Konvektionsströmung gerechnet werden müßte. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispxel sind Beipaß-Einlaßöffnungen

eines Durchmessers von 0,5 mm in einer Dichte von 2 500/m vorgesehen, wobei die zugeführte Luft schwach gefiltert ist und im übrigen aber keine besonderen Maßnahmen zur Reinigung der Einlaßöffnungen vorgesehen sind. Im übrigen erstreckt sich der Bereich bevorzugter Durchmesser der Beipaß-Einlaßöffnungen je nach etwa vorhandenen Filterungsmöglichkeiten von 0,2 mm bis zu 0,7 mm. Sofern keine Verstopfungsgefahr besteht oder etwaige Verstopfungen behoben werden können, ist es empfehlenswert, zur Erzielung ein- und derselben f-Zahl möglichst viele Beipaß-Einlaßöffnungen entsprechend kleineren Durchmessers vorzusehen.

3. Auch die Wandstärke der Sammelplatten sollte so klein wie möglich gehalten werden, wie es im Rahmen einer hinreichend formhaltigen Konstruktion ohne die Gefahr von Verwerfungen oder

909823/0779

-yf-.

Verwindungen des Plattenmaterials möglich ist. Eine nur 0,15 nun dicke Sammelplatte 10 ermöglicht eine kurze Zeitkonstante für den Wärmeaustausch mit der unter ihr strömenden Luft.

4. Die Querschnittshöhe des Hauptströmungskanals, die bei dem beschriebenen Äusführungsbeispiel 1,5 mm beträgt, sollte zwischen 0,5 und 2,0 mm liegen, damit nicht mir eine im wesentlichen laminare Strömung, sondern auch ein guter Wärmeaustausch mit der erhitzten Sammelplatte 10 und der Grundplatte 16 gewährleistet wird.

5. Die Außenfläche der Sammelplatte 10 sollte mit einem im Handel erhältlichen Material nur geringer infraroter Strahlung, d.h. einer Reflexion von nur etwa 20% oder weniger beschichtet sein. Je geringer die Strahlung im optimalen Betriebszustand ist, umso höher wird die erreichte mittlere Temperatur der Sammelplatten und umso höher kann die f-Zahl - und damit die Absaugung nachteiliger freier Konvektionsströmung - gemacht werden. Das Diagramm der Fig. 5 zeigt den thermischen Wirkungsgrad TJ über der f-Zahl sowohl für eine Sammelplatte ohne selektiver Beschichtung (E=1,0) als auch für eine Sammelplatte 0 mit selektiver Beschichtung (E=O,1), wobei aus dem Diagramm ersichtlich ist, daß mit einer beschichteten Sammelplatte bei gleichzeitig höherer f-Zahl ein nennenswert größerer thermischer Wirkungsgrad erzielt wird. Dies ist verständlich, weil hierbei sowohl die Abstrahlungsverluste als auch die Verluste an freier Konvektionsströmung geringer sind.

6. Bei der dem Ausführungsbeispiel entsprechenden Plattengröße sollte die gesamte in der Zeiteinheit durchgesetzte Luft-

2 menge im Bereich von 0,002 bis 0,012 kg/sec/m liegen, wobei die Fördermenge angenähert proportional zur einfallenden Sonnenstrahlung geändert werden sollte, um so maximale Auslaß-Lufttemperaturen mit einem optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.

909823/0779

7. Man erhält somit bereits sehr gute Werte, wenn man die vorgenannten Parameter in den genannten Bereichen hält und entlang der Sammelplatte 10 einen nur kurzen Hauptströmungskanal mit einer Drosselung des Luftstromes vorsieht, wobei es mehr auf die Drosselung des Hauptluftstromes als auf eine Drosselung der Beipaß-Luftströmung ankommt. Zu achten ist jedoch darauf, daß eine bestimmte Beziehung zwischen der f-Zahl und der wirksamen Weglänge L des Hauptströmungskanals einzuhalten ist, um beide Werte in einem brauchbaren Bereich zu halten. Fig. 6 zeigt eine Gruppe von Kurven, nämlich einerseits - gestrichelt - den Verlauf A der f-Zahl über der wirksamen Weglänge L des Luftstromes im Hauptströmungskanal ohne Drosselung des Hauptluftstromes und anderseits den Verlauf B der f-Zahl über der wirksamen Weglänge L des Hauptströmungskanals bei gedrosseltem Hauptluftstrom sowie weitere, zur letztgenannten Kurve im wesentlichen parallele Kurven, die jeweils bestimmte Konstanten für weitere unabhängige Parameter, wie den Durchmesser der Beipaß-Einlaßöffnungen, die Querschnittshöhe des Hauptströmungskanals und den Luftdurchsatz veranschau- liehen. Dabei hat sich gezeigt, daß abträgliche Bedingungen oder Zustände eintreten und Anlaß zu erheblichen Verlusten geben, sofern in diesem Diagramm ein bestimmter, im Diagramm gestrichelt angedeuteter Bereich verlassen wird. Allgemein kann gesagt werden, daß der brauchbare Bereich einerseits f-Zahlen zwischen 0,2 bis 0,5 und anderseits wirksame Weglängen L des Hauptströmungskanals zwischen 0,15 und 0,5 m umfaßt. Dabei sollte erneut berücksichtigt werden, daß diese Faktoren nur im Zusammenhang mit dünnen Sammelplatten und geringen Querschnittshöhen des Hauptströmungskanals Gültigkeit haben, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit anderen Parametern genannt wurden. Tatsächlich sind solche Betrachtungen bisher nicht bekanntgeworden. Während die wirksame Weglänge ein konstanter Faktor ist, können geringfügige Änderungen der Betriebsverhältnisse auch noch durch unterschiedliche Isolationen eintreten und Änderungen der durchgesetzten Luftmenge können die f-Zahl etwas verändern.

909823/0779

Trotzdem kann davon ausgegangen werden, daß der brauchbare Bereich durch die in Fig. 6 durch die gestrichelte Linie eingefaßte mittlere Fläche definiert wird. Würde die Sammelplatte 10 zu kurz bemessen werden, dann würden unzulässig große Verluste dadurch entstehen, daß die Wärmeleitung entlang der Sammelplatte zu groß und der Wirkungsgrad wegen der nur geringen erreichbaren Temperaturdifferenz zu gering werden würde. Würde umgekehrt die wirksame Weglänge des HauptStrömungskanals zu lang werden, würden die Druckverluste in diesem Kanal aufgrund der Viskosität des Luftstromes übermäßig groß werden und ihrerseits den Wirkungsgrad des Systems herabsetzen. Wird die f-Zahl zu niedrig gewählt, bedeutet dies eine zu geringe Heranziehung der durch die Sammelplatte 10 aufgewärmten freien Konvektionsströmung, während eine zu groß gewählte f-Zahl zu unerwünscht großen Strahlungsverlusten führt. Werden jedoch geeignete Beziehungen zwischen den Parametern ausgewählt, können sowohl der angestrebte hohe Wirkungsgrad als auch eine hohe Auslaßtemperatur der Luft an kompakten und leicht herstellbaren Solarzellen geringen Gewichtes erzielt werden, wie

sie in dem Patent (Anmeldung

vom ) gleicher Priorität beschrieben sind.

Dasselbe Doppelstromprinzip kann auch mit einer vereinfachten Solarzellenkonstruktion verwirklicht werden, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Dort weist die mit Beipaß-Einlaßöffnungen 12 und Einlaßöffnungen 14 versehene Sammelplatte 10' eine konvex gewölbte Außenfläche auf und ist entlang ihrem Außenrand an einem aus aufgeschäumtem Isolierstoff hergestellten Grundkörper 42 mittels Federklammern 48 festgelegt. Infolge ihrer Krümmung kann sich die Sammelplatte 10' bei Temperaturänderungen auf dem Grundkörper 42 ungehindert ausdehnen oder zusammenziehen, ohne daß dadurch unzulässig große Verschiebungen gegenüber dem Grundkörper 42 auftreten würden. Die hierbei auftretenden Verschiebungen des äußeren Randes der Sammelplatte 10' gegenüber dem Grundkörper 42 können von den Federklammern 48

909823/0 7 79

-yf-

aufgenommen werden.

Der in den Solarzellen aufzuheizende Luftstrom kann in
einem offenen Kreislauf aus der freien Atmosphäre angesaugt werden, kann aber auch in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden, wenn beispielsweise nur eine mehr oder weniger verschmutzte atmosphärische Luft zur Verfügung stehen würde. Selbstverständlich könnte in einem geschlossenen Kreislauf auch statt Luft irgendein anderes geeignetes Gas benutzt
werden.

Patentansprüche
909823/0779

Leerseite

Claims (9)

2 8 b 2 O 8 9

1.12.1978-SSe(5) 190-1523P

Patentansprüche

. 1./Solarzellemit einer an ihrer Außenseite der Strahlungsauf-

^"hahrne dienenden Sammelplatte, einem unter derselben verlaufenden und in einen mittleren Abführkanal weiterführenden Hauptströmungskanal einer Ouerschnittshöhe von 0,5 bis 2 mm für einen von ihr her aufzuheizenden Luftstrom, sowie mit einer in den Hauptströmungskanal einmündenden Beipaß-Luftströmung einer im hälftigen Bereich des Gesamtluftstromes liegenden Menge, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammel-

2 platte (1.0 bzw. 10') eine Oberfläche von mindestens etwa 0,1 m

2
und höchstens etwa 1 m und der HauptStrömungskanal eine Länge von 0,15 bis 0,50 m aufweist, und daß der Anteil (f) der Beipaß-Luftströmung am Gesamtluftstrom 20% bis 50% beträgt.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Sammelplatte (10 bzw. 10') über ihre Oberfläche verteilt Bei-

paß-EinlaßÖffnungen (12) in einer Dichte von 2 000 bis 3 000/m

aufweist und der Gesamt-Luftdurchsatz der Solarzelle 0,002 bis 0,012 kg/sec/m² beträgt.

3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beipaß-Einlaßöffnungen (12) einen Durchmesser von je etwa 0,2 bis 0,5 mm aufweisen.

4. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

909823/0779

ORiGiNAL

gekennzeichnet, daß die Sammelplatte (10 bzw. 10') eine Wandstärke von etwa 0,10 bis 0,20 mm und eine selektive Beschichtung einer geringen Infrarot-Strahlungscharakteristik aufweist.

5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke etwa 0,15 mm beträgt und die selektive Beschichtung eine Infrarot-Strahlung unter 0,2 aufweist.

6. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelplatte (10 bzw. 10') Drosselstellen für den Hauptluftstrom aufweist.

7. Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstellen als Einlaßöffnungen (14) ausgebildet sind.

8. Solarzelle nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (14) im Bereich mindestens einer Randkante der Sammelplatte (10 bzw. 10') verteilt und die Beipaß-Einlaßöffnungen (12) über den inneren Bereich der Sammelplatte (10 bzw. 10') verteilt angeordnet sind.

9. Solarzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (14) eine gleiche Drosselabfallcharakteristik wie die Beipaß-Einlaßöffnungen (12) aufweisen.

909823/0779