Die selektive Absorption

Da der Kollektor sowohl Strahlung absorbiert als auch gleichzeitig emittiert, ist die gewonnene solare Energie die Differenz aus Absorption und Emission, also dE = E_A - E_E. Ziel einer AbsorberOberfläche ist es, möglichst viel Energie einzufangen. Sie muss daher "schwarz" sein, also möglichst A = 1 .  Aber gleichzeitig strahlt ein schwarzer Körper auch maximale Energie wieder ab, E = 1.  Wünschenswert wäre maximal mögliche Energie aufzunehmen aber nicht wieder abzustrahlen: A = 1 und E = 0.  Dieses ist zunächst ein Widerspruch und scheint nicht erreichbar.  Ein Elektrotechniker würde hier eine Diode einsetzen:  Energie hinein: Ja   -   Energie heraus: Nein.

Zum Verständnis der Selektivität = Aussonderung = Trennung einer Absorberoberfläche müssen wir 2 physikalische Zusammenhänge kennen:

An der Tatsache, dass A = 1 auch zwangsläufig E = 1 folgt, können wir nichts ändern. Aber bei der Betrachtung der Diagramme Emission  und  Absorption sowie Transmission kann man erkennen, dass die StoffEigenschaft stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängig sein kann:  die Emission, Absorption oder Transmission bei der Wellenlänge "Blau" kann z.B. größer als bei "Rot" sein.  A und E sind eine Funktion der Wellenlänge: A = E = f ( f ). 

   Merke:

   A und E sind abhängig von der Wellenlänge

   =>  A = E bei gleicher WellenLänge.

   =>  E ungleich A  bei ungleichen WellenLängen.

Anwendung des Wien'schen Verschiebungsgesetzes

Für die Selektivität der Absorber"Farbe" entsinnen wir uns des Wien'schen Verschiebungs Gesetzes. Nach diesem ist die Lage des Maximums der Energie abhängig von der Temperatur.

Siehe Diagramm unten: Die Sonne - Kurve S - hat mit 5800 K eine sehr hohe Temperatur. Das Maximum der emittierte Energie liegt deshalb in einem Bereich kleiner WellenLängen . Nur den kleinsten Teil der SonnenEmission (-Spektrums) können wir Menschen mit unseren Augen erkennen.
Im Vergleich dazu ist die von uns gewünschte WasserTemperatur im Kollektor um 373 K = 273 K + 100 K sehr gering.  Die vom Kollektor emittierte Strahlung liegt im fernen InfraRot-Bereich - Kurve SK- und ist für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar. Das Maximum der emittierten Strahlung des Absorbers liegt daher ( rechts ) in einem sehr langwelligen IR - Bereich.

Siehe rechte Skalierung der Emission: 0 - Punkt oben ! und E = 1 => 100% unten !

Die KollektorOberfläche mit TiOX - Kurve K - hat für die kurzen WellenLängen der Sonne  einen hohen AbsorptionGrad: A = 0,9 .. 0,098.  Sie trennt = selektiert die beiden StrahlungsQuellen.

Das Wasser mit geringer Temperatur wird daher nur wenig emittieren können, weil jetzt die AbsorberBeschichtung einen geringen  Emissionsgrad E < 0,1 aufweist.

3. Unterschiedliche Temperatur ( Wellenlänge ) ermöglicht einen unterschiedlichen Absorptions- bzw EmissionsGrad

Die Oberfläche kann also zwischen der SonnenStrahlung S und der AbsorberStrahlung SK selektieren = unterscheiden. Hersteller: http://www.tinox.de/ Dort findest Du auch unter Forschung die OberflächenStruktur von TiNOX.

Die TiNOX-Beschichtung wirkt auf die beiden StrahlungsQuellen wie ein HochPass-Filter.

Zusammenfassung

Wir wissen jetzt: 

• Während der Kollektor solare Energie absorbiert, strahlt er gleichzeitig wieder Energie ab.  
• Die Absorption bzw. Emission ist von der OberfächenFarbe abhängig
• EmissionsGrad und AbsorptionsGrad sind bei der gleichen WellenLänge gleich groß.
• Das Maximum der Absorption bzw. Emission hängt von der Temperatur ab.
• Selektivität:  Der Absorptionsgrad des Kollektors ist bei hoher Temperatur der Sonne groß,  der Emissionsgrad des Kollektors bei der Kollektortemperatur unter 300°C klein

Verwenden wir eine OberflächenFarbe, welche bei kleinen WellenLängen einen guten AbsorptionsGrad für die heiße Sonne besitzt und bei großen WellenLängen für das relativ kalte Wasser im Kollektor einen kleinen AbsorptionsGrad ,  so kann ein höherer Anteil solarer Strahlung absorbiert werden als bei einer wellenlängenunabhängigen Beschichtung.
Die MaterialForschung hat deshalb in den letzten Jahren OberFlächenMaterialien gefunden, welche den WellenLängenUnterschiede der beiden Strahler - Sonne und Kollektor - zur Trennung nutzt: 

Hoher AbsorptionsGrad bei hohen Temperaturen = kleine WellenLänge der Sonne ( 5800 K ) und 

kleiner EmissionsGrad bei tiefen Temperaturen = große WellenLänge des Kollektors ( 400 K ).

Vergleichende Erklärung des Begriffes Selektivität

1.  Zum Empfang von Radio oder Fernsehsignalen werden für jeden Frequenzbereich unterschiedliche Antennen benötigt.  Dabei sind Sende- und Empfangsantennen für ein bestimmtes Frequenzband meist gleich aufgebaut.  Ein Empfänger kann deshalb über die selbe Antenne auch mit der selben Frequenz senden.    Versucht der Empfänger mit einer sehr viel niedrigen Frequenz über die "Hochfrequenz" - antenne zu senden, so ist die Sendeleistung sehr viel geringer. 

2.  In der AudioTechnik wird das komplexe Musiksignal mit einer 2-Wege LautsprecherBoxen in das akustische Signal gewandelt.  Frequenzabhängige Filter trennen den TiefTon vom HochTon mit HochPass bzw. TiefPass.

siehe auch Glas als HochPass Strahlenfalle oder Erdatmosphaere