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Die
Erfindung betrifft ein Absorberbauteil für thermosolare
Anwendungen, mit einer Trägerschicht, einer auf der der
Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite der Trägerschicht
angeordneten, die Sonnenstrahlung selektiv reflektierenden Absorptionsschicht und
einem auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der Trägerschicht
angeordneten Leitungssystem, das wärmeleitend mit der Trägerschicht
verbunden und dazu vorgesehen ist, von einem Wärmeträgerfluid
durchströmt zu werden, das die von dem Absorberbauteil
aufgenommene Wärme einem Verbraucher zuführt.
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Konventionelle
Flachkollektoren umfassen in der Regel ein Absorberbauteil, dessen
Aufgabe darin besteht, die Sonneneinstrahlung aufzunehmen und auf
das die aufgenommene Wärme abtransportierende Wärmeträgerfluid
zu übertragen. Dazu weisen bekannte Absorberbauteile in
der Regel eine aus einem Blech bestehende Trägerschicht
auf, auf deren der Sonneneinstrahlung zugewandten Seite eine Absorptionsschicht
aufgebracht ist. Diese ist dabei so beschaffen, dass sie ein hohes
Absorbtionsvermögen bei niedriger Emission aufweist. Die
Herstellung solcher so genannter "solarselektiver" Schichten ist beispielsweise
in der
DE 28 04 447
C3 oder der
DE 30
29 637 A1 beschrieben. Modernere Lackbeschichtungen mit solarselektiven
Eigenschaften sind in den Artikeln von
B. Orel et al., "Selective
paint coatings for coloured solar absorbers: Polyurethane thickness
insensitive spectrally selective (TISS) paints", Part II, Solar
Energy Materials & Solar
Cells (2006), doi: 10.1016/j.solmat.2006.07.012 und doi: 10.1016/j.solmat.2006.07.013 beschrieben.
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Auf
ihrer von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite trägt
bei konventionellen Absorberbauteilen die Trägerschicht
in der Regel ein Leitungssystem, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit
durchströmt wird (
DE
103 19 367 A1 ). Deren Funktion besteht darin, die von der
Absorptionsschicht aufgenommene und von der Trägerschicht übertragene Wärme
abzutransportieren und der jeweiligen Nutzung zuzuführen.
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Wegen
seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen bei den
bekannten Absorberbauteilen sowohl die Trägerschicht als
auch die Rohre des Leitungssystems typischerweise aus Kupfer und
sind mittels linearer Schweißnähte oder Lötverbindungen
an der Trägerschicht befestigt. Aus Gründen der
Gewichts- und Kosteneinsparung werden für die Trägerschicht jedoch
auch Aluminiumwerkstoffe verwendet.
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Neben
dem voranstehend erläuterten allgemeinen Stand der Technik
ist aus der
EP 1 688
684 A1 ein mehrschichtiges Absorberbauteil für
einen thermosolaren Flachkollektor bekannt, bei dem die das wärmeübertragende
Fluid führenden Wärmeträgerrohre in eine
Schicht aus expandiertem Graphit eingebettet sind. An ihrer der
Sonneneinstrahlung zugewandten Oberfläche trägt
diese die Wärmeträgerrohre umgebende Graphitschicht
eine Absorptionsschicht, die wie beim sonstigen Stand der Technik auch
die einfallende Sonneneinstrahlung in Wärme umwandelt.
Diese Absorptionsschicht soll bevorzugt anstelle eines Absorberlacks
aus selektiv absorbierenden keramischen Absorptionsmaterialien bestehen,
welche einen hohen Absorptionsgrad im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichtes, jedoch nur einen geringen Absorptionsgrad
im IR-Bereich aufweisen. Aufgrund der geringen Absorptionsfähigkeit
im IR-Bereich sind bei diesen Materialien die Verluste durch abgestrahlte
Wärme geringer als bei den nicht wellenlängenspezifisch
absorbierenden Absorberlacken.
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Zusätzlich
können bei dem aus der
EP 1 688 684 A1 bekannten Absorberbauelement
zwischen der Absorptionsschicht und der Graphitschicht eine bis
zu 1,5 mm dicke Wärmeverteilungsschicht, die die laterale
Verteilung der von der Absorptionsschicht aufgenommenen Wärme
verbessert, sowie eine maximal 100 μm dicke Haftvermittlerschicht
vorhanden sein, die die Haftung der Absorptionsschicht auf der Wärmeverteilungsschicht
bzw. der Graphitschicht verbessert. Als Material für die
Wärmeverteilungsschicht wird dabei Graphitfolie vorgeschlagen,
die sich durch eine bevorzugte Wärmeleitung in der Ebene
auszeichnet und daher gut geeignet sein soll, die aus der Absorptionsschicht
abzuführende Wärme gleichmäßig
zu verteilen. Die dünne Haftvermittlerschicht soll dagegen
aus Metall oder einem nichtmetallischen anorganischen Material bestehen
und durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen oder andere
bekannte Beschichtungstechniken aufgebracht werden.
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Auf
der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Oberfläche der
Graphitschicht kann bei dem aus der
EP 1 688 684 A1 bekannten Absorberbauelement
zusätzlich eine wärmedämmende Schicht aufgeklebt
sein, die aus Mineralfasern, Polyurethanschaum oder Gipskarton bestehen
kann.
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Der
Vorteil des in der
EP
1 688 684 A1 beschriebenen Aufbaus eines Absorberelements
besteht darin, dass auf eine stoffschlüssige Befestigung der
Wärmeträgerrohre an einer Trägerschicht
verzichtet werden kann. So ist bei diesem bekannten Absorberbauelement
das von dem wärmeübertragenden Fluid durchströmte
Leitungssystem komplett von Graphitexpandat umgeben, welches eine
hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise
ist nicht nur der mit der Herstellung eines Absorberbauteils verbundene
Aufwand vermindert, sondern auch ein verbesserter Wärmeübergang
zwischen Absorptionsschicht und Wärmeträgerflüssigkeit
gewährleistet. Allerdings weisen die auf der Graphitschicht
basierenden Absorberelemente eine für die Praxis ungenügende
Stabilität auf. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Absorberelemente
nicht nur alleine zur Umwandlung von der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie
genutzt werden sollen, sondern auch für bauliche Zwecke,
wie beispielsweise zur Verkleidung einer Fassade oder zum Decken
eines Daches. Die Gestaltung der in der
EP 1 68 684 A1 beschriebenen Absorberelemente
macht bei einem solchen Anwendungsfall entweder eine sehr dicke
Graphitschicht oder eine aufwändige Unterkonstruktion erforderlich, die
die Absorberelemente stützt und gegen Beschädigungen
schützt, die andernfalls durch mechanisch oder thermisch
induzierte Spannungen verursacht werden könnten.
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Vor
diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein
für die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme
geeignetes Absorberelement zu schaffen, das nicht nur einen hohen
Wirkungsgrad besitzt, sondern gleichzeitig auch unempfindlich gegen
mechanische und thermische Belastungen ist und sich kostengünstig
herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein gemäß Anspruch
1 gestaltetes Absorberbauteil gelöst worden. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Absorberbauteils
sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen
angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes Absorberbauteil weist wie der
eingangs angegebene Stand der Technik eine Trägerschicht
auf, die auf ihrer der Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite eine
die Sonnenstrahlung selektiv reflektierende Absorptionsschicht trägt.
Auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der Trägerschicht
ist dagegen ebenfalls wie beim Stand der Technik ein Leitungssystem angeordnet,
das wärmeleitend mit der Trägerschicht verbunden
ist. Im Betrieb wird dieses Leitungssystem von Wärmeträgerfluid
durchströmt, das einen Verbraucher, beispielsweise einen
Wärmetauscher oder eine Kraftmaschine, mit der von dem
Absorberbauteil aufgenommenen Wärme versorgt. Erfindungsgemäß ist
nun die Trägerschicht aus einem Stahlwerkstoff hergestellt.
Stahl hat gegenüber den üblicherweise für
die Trägerschicht verwendeten Materialien den Vorteil,
dass er günstig herstellbar ist und auch bei geringen Wanddicken
eine so hohe Festigkeit besitzt, dass erfindungsgemäße
Absorberelemente ohne die Gefahr von Beschädigungen auch
als Konstruktionselemente in Bauwerke einbezogen werden können. So
lassen sich erfindungsgemäße Absorberelemente problemlos
in Fassaden eingliedern, ohne dass dazu aufwändige Unterkonstruktionen
erforderlich sind. Auch können erfindungsgemäße
Absorberelemente besonders dünn ausgelegt werden, dass
die erfindungsgemäß vorhandene Stahlträgerschicht
bereits bei geringer Materialstärke eine ausreichende Formstabilität
des Absorberelements gewährleistet.
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Die
vergleichbar geringe Wärmeleitfähigkeit von Stahl
wird bei einem erfindungsgemäßen Absorberelement
dadurch aufgewogen, dass die Absorptionsschicht mit hoher Effektivität
die Sonnenstrahlung absorbiert und sich die Oberflächen
des Stahlsubstrats problemlos so präparieren lassen, dass
ein optimaler Wärmeübergang von der Absorptionsschicht
in die Trägerschicht und von dort in das das Leitungssystem
durchströmende Fluida gewährleistet ist.
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Mit
der Erfindung ist es somit möglich, kostengünstig
in großen Stückzahlen Absorberelemente herzustellen,
die unempfindlich sind gegen mechanische und thermische Belastungen
und die sich als solche mit minimalem Aufwand für Bauzwecke
einsetzen lassen. So lassen sich erfindungsgemäße
Absorberelemente insbesondere als Fassadenelemente zur Verkleiden
oder Erstellen ganzer Bauwerke einsetzen und erlauben es so auf
einfache Weise, die Hülle eines Gebäudes zur Wärmegewinnung
zu nutzen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erfindungsgemäß für
die Trägerschicht verwendete Stahlwerkstoff in einer großen
Auswahl zur Verfügung steht. Dies erlaubt es, den Stahlwerkstoff
der Trägerschicht den sich in der Praxis stellenden Anforderungen
entsprechend auszuwählen, ohne das Grundkonzept der Erfindung
zu verlassen. Dementsprechend können besonders feste Stähle oder
dickere Wandstärken für die Trägerschicht
gewählt werden, wenn das Absorberbauelement in der Praxis
hohen mechanischen Belastungen standhalten soll. Sollen die Absorberbauteile
dagegen eine komplexe Form erhalten, so kann als Material für
die Trägerschicht ein gut formbarer Stahl verwendet werden,
der sich beispielsweise durch Tiefziehen auf einfache und kostengünstige
Weise in einer serienmäßigen Herstellung in die
jeweilige Form bringen lässt.
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Für
Anwendungen, bei denen die Absorberbauteile einer korrosiven Umgebung
ausgesetzt sind, lässt sich die Trägerschicht
beispielsweise auch aus nicht rostenden Stählen herstellen.
Eine andere Möglichkeit, den Schutz des Stahlsubstrats
gegen Korrosion zu gewährleisten, besteht darin, dass der
Stahlwerkstoff der Trägerschicht mit einem vor Korrosion schützenden
metallischen Überzug versehen ist. Zum Auftragen des vor
Korrosion schützenden Überzugs sind besonders
das Schmelztauchbeschichten, wie beispielsweise Feuerverzinken,
aber auch andere Beschichtungsverfahren wie PVD (für besonders dünne
Schichten) oder CVD, Plattieren oder das Aufbringen von Sol-Gel-Schichten
geeignet. Die auf das Stahlsubstrat aufgetragene Veredelungsschicht
liefert ein Optimum an Korrosionsschutz bei minimaler Auflage und
dementsprechend optimalem Wärmeübergang.
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Mit
der Erfindung steht somit ein Absorberbauteil zur Verfügung,
das sich besonders wirtschaftlich in einem kontinuierlichen oder
quasi-kontinuierlichen Großserienprozess fertigen lässt.
Dabei ist das erfindungsgemäße Absorberbauteil
so gestaltet, dass der thermische Übergangswiderstand von
der solarselektiven Absorptionsschicht zum wärmeabnehmenden
Fluid auf ein Minimum reduziert ist.
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Die
Dicke der Trägerschicht eines erfindungsgemäßen
Absorberbauteils lässt sich in Abhängigkeit von
den in der Praxis auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen
wählen. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, dass die
Trägerschicht ihre Funktion in einem Dickenbereich von 0,2–10
mm einwandfrei erfüllt. Optimale Eigenschaften ergeben
sich, wenn die Dicke der Trägerschicht 0,5–5 mm
beträgt.
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Auch
bei erfindungsgemäßen Absorberbauteilen trifft
direktes Sonnen- oder diffuses Tageslicht auf die solarselektive
Absorptionsschicht und wird dort in thermische Energie umgewandelt.
Die wesentliche Funktion der Absorptionsschicht besteht in ihrer
solaren Selektivität. Daher sollte die Absorptionsschicht
im Bereich des Sonnenspektrums (Wellenlänge von 0–2500
nm) ein hohes Absorptionsvermögen von α ≈ 0,5–1,0
besitzen. Im Bereich der thermischen Strahlung (Wellenlänge
von 2,5 –20 μm) sollte sie dagegen ein geringes
Emissionsvermögen (ε ≈ 0–0,5)
aufweisen, was gleichbedeutend mit einem hohen Reflexionsgrad ist.
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Die
Absorptionsschicht kann beispielsweise als Lack aufgetragen werden.
Die solare Selektivität der Absorptionsschicht kann dabei
dadurch eingestellt werden, dass dem Lack reflektierende oder absorbierende
Teilchen beigemischt werden. Dies schließt selbstverständlich
ein, das reflektierende und absorbierende Teilchen gleichzeitig
in dem Lack vorhanden sind. Bei den Teilchen kann es sich beispielsweise
um kleine Partikel oder größere Flocken handeln.
So kann die Absorptionsschicht beispielsweise aus einem organischen
Lack erzeugt werden, der Metalle, wie z. B. Silber-, Gold-, Aluminium-,
Kupferteilchen oder -flocken oder mit Metalloxiden belegte Teilchen
oder Flocken enthält. Ebenso lassen sich andere Pigmente
wie Ruß oder Nanopartikel mit entsprechenden optischen
Eigenschaften in den Lack einbringen, um dessen Reflektions- und
Absorptionseigenschaften einzustellen. Der Lack lässt sich
beispielsweise im Coilcoating-, Spray- oder Anstrichverfahren aufbringen.
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Eine
andere Möglichkeit der Erzeugung der solarselektiven Absorptionsschicht
besteht darin, auf dem Stahlsubstrat gezielt Titan-Nitrid-Oxid,
Schwarzchrom, Chromoxid, Chromnitrid oder andere Metalloxid-Schichtsysteme
zu erzeugen. Des Weiteren ist es denkbar, metallische oder andere
selektive Beschichtungen auf dem Stahlsubstrat mittels CVD (chemical
vapour deposition), PVD (physical vapour deposition) oder chemischer
bzw. elektrochemischer Verfahren aufzubringen.
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Neben
ihrer ersten Aufgabe, die auf das Absorptionsbauteil treffende Lichtstrahlung
selektiv zu absorbieren, kann die Absorptionsschicht auch dem Korrosionsschutz
dienen. Dazu kann die Absorptionsschicht beispielsweise direkt auf
das Stahlsubstrat aufgebracht werden. Zu diesem Zweck lassen sich
beispielsweise Lacke auf organischer Basis nutzen, die für
den Außenbereich entwickelt sind und als solche eine hohe
Witterungsbeständigkeit besitzen. Auch Metall- und Metalloxidbeschichtungen,
die mittels anderer Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. elektrochemisch,
mittels PVD, CVD oder als Sol-Gel-Schichten, können eine
kombinierte Absorptions- und Korrosionsschutzfunktion übernehmen.
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Des
Weiteren kann die Absorptionsschicht dazu genutzt werden, dem erfindungsgemäßen
Absorptionselement die jeweils zum Zwecke beispielsweise einer architektonischen
Integration gewünschte, vom Betrachter wahrgenommene Farbigkeit
zu verleihen. Dies kann beispielsweise durch Beimengung von Farbpigmenten
in einen organischen solarselektiven Lack erreicht werden, aus dem
die Absorptionsschicht erzeugt wird.
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Oder
es werden durch übereinandergelegte mehrere Lagen von unterschiedlicher
Farbe oder Transparenz Interferenzfarben erzeugt. Ein mehrlagiger
Aufbau der Absorptionsschicht kann auch dazu genutzt werden, dass
der ersten Lage der Schicht die solarselektive Funktion, einer zweiten
Lage die vor Korrosion schützende Funktion und einer dritten Lage
die farbbestimmende Funktion zugeordnet wird.
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Abhängig
von der Oberflächenqualität oder der Kompatibilität
des Stahlsubstrats und der Absorptionsschicht kann es zweckmäßig
sein, zwischen der Absorptionsschicht und der Trägerschicht
eine Zwischenschicht anzuordnen. Diese Zwischenschicht kann als
Haftvermittler dienen. Solche Haftvermittlerschichten gewährleisten
eine verbesserte Absorptionsschicht und stellen eine weitere Korrosionsbarriere
dar. Darüber hinaus können sie bei der Herstellung
des Stahlsubstrats als temporärer Korrosionsschutz für
die gegebenenfalls auf dem Stahlsubstrat vorhandene Veredlungsschicht
genutzt werden. Beispiele hierfür sind Primer, die mit
Metallpartikeln, wie z. B. Zink, pigmentiert sind, oder Vorbehandlungen
mit Titanaten.
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Das
Leitungssystem liegt vom der Einfallrichtung des Sonnenlichtes her
betrachtet hinter der Trägerschicht und führt
ein Fluid, welches die gewonnene Wärme abführt.
Als wärmetransportierendes Medium kommen Wasser, Glykol
oder vergleichbare Flüssigkeiten in Frage. Typischerweise
umfasst das Leitungssystem rohrförmige Leitungselemente,
die in einer harfen-, mäanderförmigen oder bionischen
Anordnung verteilt angeordnet sind. Der Vorteil der Verwendung von
rohrförmigen Leitungselementen besteht dabei darin, dass
diese auch hohen Flüssigkeitsdrücken problemlos
standhalten.
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Die
durch die Erfindung eröffnete Möglichkeit, für
die Trägerschicht einen beulsteifen Stahl zu wählen,
erlaubt es jedoch auch, das Leitungssystem so auszubilden, dass
das Leitungssystem ein einziges Leitungselement aufweist, das sich
im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Trägerschicht
erstreckt. Ein solches weitestgehend vollflächig über die
Trägerschicht sich erstreckende Leitungselement erlaubt
einen maximalen Wirkungsgrad des Absorberbauteils.
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Als
Material für die Leitungselemente können Kupfer-,
Aluminium-, sonstige Leichtmetall-, Stahl- oder Kunststoffwerkstoffe
verwendet werden. Bevorzugt werden die Leitungselemente stoffschlüssig
mit der Trägerschicht verbunden, um einen minimalen Widerstand
beim Übergang der Wärme auf das im Leitungssystem
vorhandene Fluid sicherzustellen. Dazu können die jeweiligen
Leitungselemente des Leitungssystems auf der von der direkten Lichteinstrahlung
abgewandten Rückseite des Absorbers durch Kleben, Schweißen
(durchgehend oder gepulst) oder Löten (durchgehend oder
gepulst) befestigt werden.
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Um
den Wirkungsgrad des Absorbers zu verbessern, kann das erfindungsgemäße
Absoberbauelement auf seiner von der Absorptionsschicht abgewandten
Seite eine wärmedämmende Schicht aufweisen Als
Materialien für die wärmedämmende Schicht
kommen PU-Schaum, Mineralwolle, Glaswolle und vergleichbare Werkstoff
in Frage. Mineralwolle in entsprechender Dicke kann beispielsweise zusätzlich
die Funktion des Brandschutzes übernehmen. Blähgraphit
kann die Funktion des Brandschutzes und Flammenschutzes im Falle
der Verwendung von Mineralwolle als Dämmmaterial unterstützen oder
ggf. substituieren. Beim Aufbringen des PU-Schaums sollte die der
Absorptionsschicht abgewandte Seite eine beschäumbare Oberfläche
tragen, um eine optimale Schicht zur Schaumhaftung zu erzeugen.
Dies gilt im Allgemeinen auch für die der Sonne abgewandten
Oberfläche einer leitfähigen Matrix (Graphit usw.).
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt das erfindungsgemäße Absorberbauteil
auf seiner von der Absorptionsschicht abgewandten Außenseite
eine Basisschicht. Diese Basisschicht besteht bevorzugt wie die
Trägerschicht aus einem Stahlwerkstoff und kann dazu genutzt
werden, das Absorberbauteil an einer Wand, in einem Fachwerk oder
desgleichen zu befestigen. Zu diesem Zweck kann die Basisschicht
mindestens abschnittsweise in mindestens einer Raumrichtung über
die Abmessungen der anderen Schichten des Absorberbauteils hinausstehen,
so dass das Absorberteil über an den jeweils hinausstehenden
Abschnitt angreifende Befestigungselemente gehalten wird.
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Im
Fall, dass das Leitungssystem eines erfindungsgemäßen
Absorberbauteils mit Abstand zueinander verlegte Leitungselemente
umfasst, kann eine optimierte Übertragung der von der Absorberschicht aufgenommenen
und über die Trägerschicht weitergeleiteten Wärme
auf das durch das Leitungssystem strömende Fluid dadurch
erreicht werden, dass das Leitungssystem in ein wärmeleitendes
Material eingebettet ist, das in wärmeleitendem Kontakt
mit der Trägerschicht steht. Dazu werden die zwischen den Leitungselementen
des Leitungssystems verbleibenden Freiräume mit einem Material
gefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Für diesen Zweck grundsätzlich geeignet
sind Metalleinsätze, Metallschäume, handelsübliche
Wärmeleitpasten, Kunststoffe und Kleber mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
Siliconfette usw.
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Besonders
effektiv lässt sich der Wärmeübergang
dadurch bewerkstelligen, dass das Leitungssystem in einen Graphitwerkstoff
eingebettet ist. Graphit ist spröde und brüchig
und hat eine Dichte von etwa 2,1–2,3 g/cm3.
Des Weiteren ist Graphit anisotrop, d. h. die Wärmeleitfähigkeit
(elektrische Leitfähigkeit) ist abhängig von der
Orientierung des Graphits. Das Ausfüllen der Zwischenräume
zwischen den Leitungselementen des Leitungssystems kann so erfolgen,
dass in eine Graphitplatte geeignete Ausnehmungen eingefräst
werden, in die dann die Leitungselemente eingebettet werden können.
Der Kontakt zwischen den Leitungselementen und der Graphitplatte
kann zusätzlich durch wärmeleitfähige Kleber
oder Pasten hergestellt werden. Die Ebenen des Graphits sind idealerweise
parallel zur Absorberfläche ausgerichtet, können
aber auch rechtwinklig zu ihr ausgerichtet verlaufen oder andere
Ausrichtungen sowie Mischformen haben.
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Eine
vereinfachte Möglichkeit des Einbettens des Leitungssystems
in Graphit ergibt sich, wenn dazu so genannter "Blähgraphit"
verwendet wird, wie er bereits aus dem in der
EP 1 688 684 A1 für
diesen Zweck vorgeschlagen worden ist. "Blähgraphit" ist Graphit,
der auf ein vielfaches seines Volumens vergrößert
werden kann. Dazu wird Graphit mit einem Intercalat (Säure
oder ähnlichem) versetzt und anschließend wärmebehandelt.
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Ebenso
ist es möglich, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
der die Leitungselemente des Leitungssystems umgebenden Füllung
so genannte "Carbonanotubes" (Kohlenstoffnanoröhrchen)
vorzusehen, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen. Solche Röhrchen stehen mit einer bezogen auf ihren
geringen Durchmesser sehr großen Länge und Biegsamkeit
zur Verfügung. Sie können als lose Schüttung
in die Freiräume gegeben werden. Abhängig von
den jeweiligen räumlichen und baulichen Gegebenheiten kann
es dabei zur maximalen Füllung der Freiräume sinnvoll
sein, die Röhrchen ungeordnet oder geordnet anzuordnen.
Eine ungeordnete Anordnung kann sinnvoll sein, wenn möglichst
viele Röhrchen direkt mit der Trägerschicht in
Berührung kommen sollen. Eine geordnete Ausrichtung der Röhrchen
kann dagegen beispielsweise dann zu einer erhöhten Effektivität
des Wärmeübergangs führen, wenn ein direkter
Wärmeaustausch auch zwischen den einzelnen Leitungselementen
erfolgen soll. Neben einer losen Schüttung der Kohlenstoffröhrchen
ist es auch denkbar, diese in einen Matrixwerkstoff einzubinden,
der ihre Lage fixiert. Dazu bieten sich beispielsweise Kunststoff
oder andere im nicht ausgehärteten Zustand fließ-
oder schüttfähige Kunststoffe an.
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Vergleichbar
mit der Verwendung von Carbonanotubes lassen sich auch Kohlenstofffasern
verwenden. Kohlenstofffasern (auch Carbonfasern, engl.: carbon fibre)
sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die
durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt
werden.
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Soll
der mit der Anordnung eines den Wärmeübergang
verbessernden Materials in den zwischen den Leitungselementen des
Leitungssystem verbundene Aufwand vermieden werden, so sollten die
Leitungselemente zumindest in ein wärmedämmendes
Material eingebettet werden, um andernfalls eintretende Wärmeverluste
zu vermeiden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher erläutert.
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Die 1 bis 3 zeigen
jeweils schematisch und im Längsschnitt ein Absorberbauteil
A1, A2, A3.
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Die
Absorberbauteile weisen auf ihrer der Sonneneinstrahlung zugewandten
Seite S eine Trägerschicht 1 auf, auf deren der
Seite S zugewandten Oberfläche eine Absorptionsschicht 2 aufgetragen ist.
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Die
Trägerschicht 1 besteht aus einem Stahlblech,
dessen Oberflächen in an sich bekannter Weise feuerverzinkt
oder in anderer Weise mit einem vor Korrosion schützenden
metallischen Überzug 3, 4 beschichtet
sind.
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Die
Absorptionsschicht 2 ist aus einem auf die Trägerschicht
aufgebrachten Lack gebildet. In den Lack sind einerseits Farbpigmente
gemischt, um das jeweilige Absorberbauteil A1, A2, A3 in der jeweils
gewünschten Farbe erscheinen zu lassen. Zusätzlich
enthält der Lack reflektierende und absorbierende Partikel,
so dass er mehr als ≥ 50% (α ~ 0,5–1,0)
des auf ihn fallenden Sonnenlichtes absorbiert. Gleichzeitig ist
die Absorptionsschicht 2 so konstituiert, dass sie im Bereich
der thermischen Strahlung nur ein minimales geringes Emissionsvermögen ≤ 50%
(ε ~ 0–0,5) besitzt. Um eine nachweisliche Selektivität
zu erzeugen, sollte α immer größer sein
als ε. Es wird daher vorgeschlagen, einen Mindestwert von
10% zu veranschlagen für organische Lacke. Im konkreten
Fall werden praktisch für α Werte < 0,85 und für ε Werte < 0,50 erreicht in
Abhängigkeit der Farbgebung. Auf der von der Absorptionsschicht 2 abgewandten
Rückseite R der Trägerschicht 1 sind rohrförmige
Leitungselemente 5 stoffschlüssig befestigt, die
beispielsweise aus einem Kupfermaterial, Kunststoff oder einem Stahlwerkstoff
geformt sind. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise durch
Verkleben, Verlöten oder Verschweißen hergestellt.
Durch das aus den Leitungselementen 5 gebildete Leitungssystem 6 fließt
ein wärmetransportierendes Fluid, bei dem es sich beispielsweise
um eine Wasser-/Glykol-Mischung handeln kann.
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Um
einen optimalen Wärmeübergang von der Trägerschicht 1 auf
die Leitungselemente 5 zu gewährleisten, sind
die Leitungselemente 5 in eine Wärmeübertragungsschicht 7 eingebettet.
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Beim
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
dazu Graphit oder expandierender Graphit mit einem beigemengten
Bindemittel oder Kleber (z. B. PVDF o. ä.) oder mittels
Pyrolyse von Precursoren direkt auf der Rückseite R der
Trägerschicht 1 aufgebracht worden. Alternativ
ist es auch möglich, dort Folien aus expandiertem Graphit
auf die Trägerschicht 1 zu laminieren, so dass
die von der solarthermischen Absorptionsschicht 2 abgewandte
Seite der Trägerschicht 1 zwischen den Leitungselementen 5 und
seitlich von diesen mit der Wärmeübertragungsschicht 7 belegt
ist.
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Alternativ
ist es auch möglich, zunächst das Leitungssystem 6 auf
die Trägerschicht 1 aufzukleben, aufzuschweißen
oder aufzulöten. Anschließend wird dann blähfähiger
Graphit auf die mit den Leitungselementen 5 versehene Rückseite
R der Trägerschicht 1 aufgebracht und durch Wärmebehandlung
auf das gewünschte Volumen zum Ausfüllen der Zwischenräume
gebracht. Aufgrund der in ihr enthaltenen Zusatzstoffe haftet die
durch den derart aufgeblähten Graphit gebildete Wärmeübertragungsschicht 7 grundsätzlich
bereits an der Trägerschicht 1, ohne dass es dazu
zusätzlicher Mittel bedarf. Sollte diese Haftwirkung nicht
ausreichen, kann sie durch entsprechenden Kleber unterstützt
werden, der vor dem Auftrag des Graphits auf die Rückseite
R der Trägerschicht aufgestrichen wird.
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Auch
bei den in den 2 und 3 gezeigten
Ausführungsbeispielen sind die Leitungselemente 5 des
Leitungssystems 6 in eine Wärmeübertragungsschicht 7 eingebettet.
In diesem Fall besteht die Wärmeübertragungsschicht 7 jedoch
aus einer Kunststoffmasse, in die hoch wärmeleitfähige Kohlenstoffröhrchen 8 eingemischt
sind. Die Kunststoffmasse bildet dabei eine Matrix, durch die die
Lage der Kohlenstoffröhrchen 8 fixiert wird.
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Beim
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Kohlenstoffröhrchen 8 der Wärmeübertragungsschicht 7 ungeordnet
ausgerichtet, so dass sie zum einen Teil direkt die Trägerschicht 1 bzw.
deren Überzugsschicht 4 und zum anderen Teil die
Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 berühren.
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Beim
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Kohlenstoffröhrchen 8 dagegen so geordnet,
dass sie sich im Wesentlichen parallel zur Trägerschicht 1 erstrecken
und die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 untereinander
wärmeleitend verbinden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass
es zu einem Wärmeausgleich zwischen den Leitungselementen 5 kommt.
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Sofern
eine ausreichende Verklebung gewährleistet ist und eine
entsprechende Fertigungstechnik zur Verfügung steht, kann
bei jedem der Absorberbauteile A1, A2, A3 die Wärmeübertragungsschicht 7 auch
dazu genutzt werden, die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 mit
der Trägerschicht 1 zu verbinden. In diesem Fall
kann auf eine gesonderte Befestigung des Leitungssystems 6 an
der Trägerschicht 1 verzichtet werden. Dies hat
den Vorteil, dass keine Gefahr mehr besteht, dass die Eigenschaften
der Überzugsschichten 3, 4 der Trägerschicht 1 durch
die beim Anlöten oder Schweißen punktuell auftretende
Wärmezufuhr verändert werden.
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Bei
jedem der Absorberbauteile A1, A2, A3 ist auf der von der Absorberschicht 2 abgewandten Rückseite
der Wärmeübertragungsschicht 7 eine aus einem
wärmedämmenden Material bestehende Schicht 9 aufgetragen.
Um diese zu gewährleisten, sollte die zur Sonne zugewandte
Seite der Basisschicht sowie die der Sonne abgewandte Seite der Trägerschicht
beschäumbar sein und eine entsprechende Schaumhaftung gewährleisten.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein Lack speziell zur Unterstützung
der Schaumhaftung aufgebracht wird.
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Darauf
liegt schließlich eine Basisschicht 10, die ebenfalls
aus einem Stahlblech hergestellt ist. Die Basisschicht 10 steht
mit jeweils einem Befestigungsabschnitt 11, 12 seitlich über
die anderen Schichten der Absorberbauteile A1, A2, A3 hinaus. Die
Befestigungsabschnitte 11, 12 können
dazu genutzt werden, das jeweilige Absorberbauteil A1, A2, A3 auf
einem Untergrund, einer Wand, einer Tragkonstruktion oder desgleichen
(jeweils hier nicht gezeigt) zu befestigen.
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- A1,
A2, A3
- Absorberbauteile
A1, A2, A3
- 1
- Trägerschicht
- 2
- Absorptionsschicht
- 3,
4
- metallische Überzüge
- 5
- Leitungselemente
- 6
- Leitungssystem
- 7
- Wärmeübertragungsschicht
- 8
- Kohlenstoffröhrchen
- 9
- Schicht
aus wärmedämmenden Material
- 10
- Basisschicht
- 11,
12
- Befestigungsabschnitte
der Basisschicht
- R
- Rückseite
der Trägerschicht 1
- S
- der
Sonneneinstrahlung zugewandte Seite der Absorberbauteile A1, A2, A3
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2804447
C3 [0002]
- - DE 3029637 A1 [0002]
- - DE 10319367 A1 [0003]
- - EP 1688684 A1 [0005, 0006, 0007, 0008, 0032]
- - EP 168684 A1 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - B. Orel et
al., "Selective paint coatings for coloured solar absorbers: Polyurethane
thickness insensitive spectrally selective (TISS) paints", Part II,
Solar Energy Materials & Solar
Cells (2006), doi: 10.1016/j.solmat.2006.07.012 und doi: 10.1016/j.solmat.2006.07.013 [0002]