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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator zur Konzentration von solarer Strahlung und dessen Herstellung aus polymeren Werkstoffen. Der erfindungsgemäße Konzentrator kann in photovoltaisch oder insbesondere in solarthermisch nutzbaren Anlagen zur Anwendung kommen.
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Der erfindungsgemäße Konzentrator ermöglicht die effiziente Konzentration von solarer Strahlung auf Objekte wie Solarzellen oder Absorbereinheiten, unabhängig von deren Geometrie. Dies betrifft beispielsweise die Fläche einer Hochleistungs-Solarzelle, wie sie in der konzentrierenden Photovoltaik eingesetzt wird genauso wie ein Absorberrohr, welches in der konzentrierenden Solarthermie, z. B. im Rahmen der Parabolrinnentechnologie Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Bei der Nutzung Solarer Strahlung wird meist zwischen so genannten Punkt- und linienkonzentrierenden Technologien unterschieden. Zu den linienkonzentrierenden Technologien zählt die in der konzentrierenden Solarthermie eingesetzte Parabolrinnentechnologie, welche die einfallende Strahlung mittels einer parabelförmig gekrümmten, reflektierenden Oberfläche (Parabolspiegel) linienförmig auf ein Absorberrohr konzentriert.
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Parabolrinnenkonzentratoren werden aktuell in Solarthermiekraftwerken eingesetzt, welche für Leistungen von beispielsweise bis zu 300 Mw ausgelegt sind. Das Absorberrohr ist hierbei meist von einer evakuierten Glasröhre umgeben. Als Reflektor bzw. Konzentrator wird normalerweise anorganisches Solarglas eingesetzt. Des Weiteren werden Spiegelfolien auf Polymerbasis, bei denen eine Polymerfolie auf eine Aluminiumplatte, Aluminiumbasierende Composite-Systeme oder ein anderes Trägermaterialien aufgebracht ist, verwendet.
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Allen diesen Systemen ist gemeinsam, dass zur Erlangung der notwendigen Parabelgeometrie eine komplexe Umformung bei sehr hohen Prozesstemperaturen durchgeführt werden muss. Besonderes aufwendig ist dies bei Solarspiegeln basierend auf anorganischem Glas, welches in der Regel mit einer Dicke von ca. 4 bis 6 mm Verwendung findet. Die Thermoformung findet bei Temperaturen von ca. 600°C statt, und muss vor der Metallisierung durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um einen kostenintensiven und aufwendigen Prozess. In einem weiteren Prozessschritt wird auf dieses Trägersystem der eigentliche Metallspiegel appliziert. Dieser besteht in der Regel aus einer Silberschicht mit einer rückseitigen metallischen Korrosionsschutzvergütung und einer aus 3 Schichten bestehenden rückseitigen Schutzlackierung. Aufgrund der dreidimensionalen Geometrie des Parabolspiegels handelt es sich ebenfalls um einen sehr aufwendigen und komplexen Prozessschritt.
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Des Weiteren stellt die Logistik, z. B. in Bezug auf Transport und Montage dieser dreidimensionalen Spiegel mit einer beispielhaften Abmessung von ca. 1,6·1,7 m eine erhebliche Herausforderung dar. daraus ergibt sich ein weiterer Nachteil von anorganischen Solarglassystemen: diese weisen eine ausgesprochene Bruchanfälligkeit auf, die insbesondere während der Montage, der Reinigung und Wartung negativ zum tragen kommt. Weiterhin sind die Systeme anfällig gegenüber extremen Witterungseinflüssen wie Sturm oder Hagel. Entstehende Bruchstücke der Solarglasspiegel führen im Extremfall sogar zu ausgeprägten Sekundärschäden an Absorberrohren sowie benachbarten Glasspiegel-Einheiten. Nicht zu vernachlässigen ist zudem die davon ausgehend kritische Arbeitssicherheit beim Umgang mit solchen Systemen. Ein weiterer Nachteil etablierter Systeme ist das hohe Gewicht. Zur Montage dieser vergleichsweise schweren Solarglasspiegel sind eine kostenaufwendige Unterkonstruktion sowie eine aufwendige Betonfundamentierung notwendig.
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Solarspiegel basierend auf anorganischem Glas hatten sich trotz der beschriebenen Nachteile, im Besonderen in der konzentrierenden Solarthermie, bis dato als dominierende Reflektortechnologie etabliert.
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Auf Aluminiumcomposites basierende Systeme weisen nicht die notwendige solare Reflektion auf, und sind somit nur bedingt zur Verwendung in Solarkraftwerken geeignet. Einen gewissen Marktanteil haben diese Reflektrosysteme in Small- bzw. Middle-Size Anlagen, z. B. aufgrund Ihres Gewichtsvorteils bei Dachmontage. Diese finden zur Generierung z. B. von Prozesskälte zwecks Betreibens von Klimaanlagen Anwendung.
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Polymere Spiegelfolien, vorwiegend aufgeklebt auf Aluminiumplatten, haben sich im Markt bislang nicht etablieren können. Als nachteilig wird beispielsweise die aufwendige, sowie qualitätskritische Lamination auf das vorgeformte Trägermaterial gesehen. Zudem weisen einige der verfügbaren polymeren Spiegelfolien Defizite bezüglich Langlebigkeit sowie Verbundhaftung auf.
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In
EP 1 771 687 wird der Schutz der Spiegelschicht auch mit Acrylglas aufgeführt, ohne dass eine genauere Spezifikation dieser Technologie beschrieben ist.
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Im Folgenden werden einige Konzepte zu Spiegelfoliensystemen vorgestellt.
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In
US 2008/0093753 wird ein Verfahren zur Herstellung von Spiegelfolien offenbart. Die Schutzfolie stellt zugleich die Trägerfolie dar, die bereits bei der Herstellung in die endgültige Form gebracht wird und anschließend metalliert wird. Die Metallbeschichtung wird wiederum auf der Rückseite mit einer nicht näher bestimmten Schutzschicht versehen. Eine nähere Ausführung des Folienaufbaus bzw. der Reflektorkonstruktion ist nicht dargelegt.
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In
US 4,645,714 werden Schutzfolien für Parabolspiegel aus zwei getrennten (Meth)acrylat basierten Beschichtungen aufgetragen. Die äußere enthält einen UV-Absorber, die innere, direkt auf der Silberschicht aufliegende, einen Inhibitor. Durch diesen Aufbau wird die innere durch die äußere Schicht geschützt. Die Silberschicht wiederum wurde zuvor auf ein zweischichtiges, durch Coextrusion hergestelltes Polyesterlaminat aufgedampft. Das System ist insgesamt sehr aufwendig herzustellen und zeigt eine hohe Anfälligkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung.
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Um dieses Problem zu umgehen, wird in
US 5,118,540 eine abriebfeste und feuchtigkeitsbeständige Folie auf Basis von Fluorkohlenstoff-Polymeren aufgeklebt. Sowohl das UV-Absorptionsreagenz als auch der Korrosions-Inhibitor sind Bestandteil der Klebschicht, mit der die Folie mit der Metalloberfläche der bedampften Polyesterträgerfolie verbunden ist. Dabei kann die Klebschicht wiederum analog zu der oben ausgeführten (Meth)acrylat Doppelbeschichtung aus zwei verschiedenen Schichten bestehen, um Korrosions-Inhibitor und UV-Absorptionsreagenz voneinander zu trennen.
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In
WO 2007/076282 wird eine alternative Struktur zum besseren Schutz der Silberbeschichtung aufgeführt. Eine PET-Trägerfolie wird auf der dem Licht abgewandten Seite mit Silber bedampft und auf der anderen Seite mit einer auf Poly(meth)acrylat basierenden (UV-)Schutzfolie versehen. Die Rückseite der Silberbedampfung kann entweder direkt mit einem Haftkleber (PSA) versehen werden oder zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit auf der Rückseite und zur besseren Haftung des PSA mit einer zusätzlichen Kupferschicht bedampft werden. Die Lehre, dass eine langlebige UV-Schutzausrüstung benötigt wird, ist in
WO 2007/076282 nicht berücksichtigt. Zudem sind solche Systeme nur schwer zu verarbeiten und anfällig gegenüber mechanischer Beanspruchung.
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Die UV-Schutzfolien des Standes der Technik haben den Nachteil, dass als UV-Absorber Benztriazole eingesetzt werden. Diese haben nur eine vergleichsweise kurze Eigenbeständigkeit unter UV-Strahlungseinfluss und sind somit kein wirkungsvoller UV-Schutz für eine Klebschicht bzw. eine Trägerfolie z. B. auf Polyesterbasis.
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Spiegelfoliensysteme haben jedoch den Nachteil, dass der Klebevorgang an sich fehleranfällig ist, und dass z. B. die Parabolrinne eines Parabolrinnenkollektors in einem getrennten Verfahren hergestellt und die Spiegelfolie anschließend, in einem aufwendigen sowie qualitätskritischen Prozeßschritt, auflaminiert werden muss. Entsprechendes gilt auch für andere Konzepte unter Verwendung von Konzentratoren zur solaren Energiegewinnung.
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In
WO 00/22462 wird ein flexibler Konzentrator rückseitig verspannt und flexibel in die angestrebte Form gebracht. Der Konzentrator besteht von außen nach innen aus einer Acrylschutzschicht, der Metallschicht, einer optionalen Dämpfungsschicht, bestehend aus einem Schaum und einem Träger. Alle Schichten sind jeweils mit einer Klebschicht miteinander verbunden.
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Aufgabe
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Es bestand die Aufgabe, einen neuartigen Konzentrator zur Konzentration von solarer Strahlung zur Verfügung zu stellen, der eine besonders einfache Montage ermöglicht. Der erfindungsgemäße Konzentrator kann in photovoltaisch oder insbesondere in solarthermisch nutzbaren Anlagen eingesetzt werden. Darüber hinaus soll dieser Konzentrator gegenüber dem Stand der Technik zumindest gleichwertige Eigenschaften aufweisen.
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Insbesondere soll der Konzentrator eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Bruchanfälligkeit und damit auch ein vermindertes Risiko von Sekundärschäden aufweisen.
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Zusätzlich soll der Konzentrator ein niedrigeres Eigengewicht aufweisen, sowie die Möglichkeit einer weniger kostenaufwendigen Unterkonstruktion ermöglichen.
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Gleichzeitig muss der Konzentrator naturgemäß eine Langlebigkeit von mindestens 20 Jahren, eine hohe Reflektionsleistung solarer Strahlung und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte oder zumindest gleichwertige Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aufweisen.
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Darüber hinaus war es Aufgabe ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger, energiesparender, einfacher und schneller durchführbar ist und eine weniger aufwendige Logistik beansprucht.
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Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Beispiele.
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Lösung
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung selbsttragender Konzentratoren und die zur Verfügung Stellung solcher selbsttragender Konzentratoren für Anlagen zur solaren Energiegewinnung.
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Überraschend gelingt die Darstellung der notwendigen Performance-Kriterien an Konzentratoren für Anlagen zur solaren Energiegewinnung, unter Vermeidung der dargesteilten Nachteile bestehender Konzentratorkonzepte, mittels einer neuartigen Konzentrator-Zusammensetzung auf Basis einer selbstragenden polymeren Struktur, welche nachfolgend im Detail beschrieben ist.
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Insbesondere erfolgt die Erfüllung der Beanspruchungskriterien durch Einstellung der geforderten Gesamtdicke und Flexibilität des herzustellenden Laminats. Bei der Einstellung von Zusammensetzung und Dicke der der solaren Strahlung zugewandten Kunststoffschicht ist jedoch auch die Reflektionsperformance zu beachten.
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Die Bezeichnungen Polymerschicht, Kunststoffschicht bzw. Trägerschicht umfassen im Folgenden Platten, Folien, Lackierungen oder Beschichtungen, die auf Polymeren basieren. Eine solche Schicht kann prinzipiell eine Dicke zwischen 1 μm und 2 cm aufweisen.
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Die Bezeichnung Metallschicht dagegen bezeichnet Schichten aus reinen Metallen oder Legierungen. Die Dicken dieser Metallschichten sind unabhängig von den anderen Schichten weiter unten im Text ausgeführt.
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Unter dem Begriff „selbsttragend” wird in dieser Schrift verstanden, dass ein Werkstück im Gegensatz zu einer Spiegelfolie nach der Ein- bzw. Umformung, bei Gebrauchstemperaturen bis mindestens 50°C, bevorzugt mindestens 65°C, sowie den anliegenden Umweltbedingungen, wie z. B. Windlasten, diese Form behält. Im Zusammenhang mit Parabolrinnenkollektoren beispielsweise bedeutet dies, dass eine einmal geformte Parabelgeometrie beim Transport, Einbau und Betrieb der Anlage erhalten bleibt.
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Die Begriffe Reflektor und Konzentrator werden im Rahmen dieser Schrift synonym verwendet.
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Gelöst wird die Aufgabe insbesondere durch Bereitstellung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung eines selbsttragenden Konzentrators für Anlagen zur solaren Energiegewinnung und durch diesen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Konzentrator. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus mindestens folgenden Schritten:
- – eine erste Kunststoffschicht wird mit einem Silberspiegelschichtenaufbau durch Physical Vapor Deposition beschichtet
- – auf der anderen Seite des Silberspiegelschichtenaufbaus wird eine zweite Kunststoffschicht aufgebracht
- – das so hergestellte Laminat wird mittels einfachen Umformungsprozessen, bevorzugt mittels Kalteinbiegen, in eine Verwendungsform wie beispielsweise eine Parabolrinne, gebracht
- – das verformte, bevorzugt parabelförmige Laminat wird als Konzentrator in eine Anlage zur solaren Energiegewinnung eingebaut
- – die der Lichtquelle zugewandte Kunststoffschicht ist hochtransparent
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Zusätzlich ist der aus dem Verfahren erhaltene Konzentrator selbsttragend.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Kunststoffschicht im ersten Schritt der Physical Vapor Deposition auf der mit einem Metall zu beschichtenden Seite mit einer hochtransparenten Primerschicht versehen.
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Im Falle, dass die erste Kunststoffschicht die hochtransparente Kunststoffschicht, und damit die später in der Endanwendung dem Licht zugewandte Kunststoffschicht, ist, wird im ersten Schritt der Physical Vapor Deposition auf der mit einem Metallspiegel zu beschichtenden Seite mit einer hochtransparenten Primerschicht versehen.
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Optional, aber bevorzugt wird darauf die der hochtransparenten Kunststoffschicht abgewandte Seite der Metallschicht mit einer metallischen Antikorrosionsschutzschicht, bevorzugt bestehend aus Kupfer oder einer Legierung aus Chrom und Nickel, versehen. Dieses Verfahren führt zu so genannten Rückseitenspiegeln.
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In einem alternativen Verfahren wird die der Lichtquelle später abgewandte Trägerschicht mittels Physical Vapor Deposition mit dem Metall – oder mit zwei aufeinander folgenden Metallen – beschichtet und anschließend die andere Seite der Metallschicht mit optional einem Primer und einem hochtransparenten Kunststoff beschichtet. Dieses Verfahren führt zu so genannten Frontseitenspiegeln.
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In der Regel ist die Trägerschicht steifigkeitsbestimmend und damit maßgeblich formgebend. In einer anderen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass der Unterschied der Schichtdicken zwischen Trägerschicht und hochtransparente Kunststoffschicht gering ist und beide Schichten zur Formgebung beitragen.
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Der erfindungsgemäße Konzentrator kann insgesamt eine Dicke zwischen 1 mm und 2 cm, bevorzugt zwischen 2 mm und 1,5 cm und besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm aufweisen.
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Bei dem hochtransparenten Kunststoff handelt es sich bevorzugt um Polycarbonat, Polystyrol, ein Styrol-Copolymer, ein Fluorpolymer oder PMMA, bevorzugt um PMMA oder ein Fluorpolymer, wobei es sich bei dem Fluorpolymer beispielsweise um Polyvinylidenfluorid (PVDF), handelt. Bevorzugt ist die hochtransparente Schicht mit Additiven wie Inhibitoren und/oder UV-Stabilisatoren ausgestattet.
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In einer besonderen Ausführungsform besteht die hochtransparente Kunststoffschicht aus verschiedenen, unterschiedlichen Polymerschichten, bei denen es sich bevorzugt um mindestens eine PMMA-Schicht handelt. In diesem Fall sind die einzelnen Additive gleichmäßig und/oder getrennt voneinander auf eine oder mehrere dieser Schichten verteilt.
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Optional ist die Oberfläche der hochtransparenten Kunststoffschicht zusätzlich mit einer Kratzfest- und/oder einer Antischmutzbeschichtung ausgestattet.
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Bei dem Kunststoff der Trägerschicht handelt es sich bevorzugt um Polycarbonat, Polystyrol, ein Styrol-Copolymer, einen Polyester oder PMMA, besonders bevorzugt um PMMA.
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Darüber hinaus können sich zwischen den einzelnen Schichten jeweils optional Klebschichten befinden.
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Als überraschender Aspekt des vorliegenden Verfahrens wurde gefunden, dass das Laminat eine derartige Steifigkeit besitzt, dass es selbsttragend ist, und dass das Laminat gleichzeitig leicht kaltverformbar ist, somit kalteinformbar – ohne Erhitzen – in die endgültige Form gebracht werden kann. Diese Eigenschaft wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die einzelnen Schichten, insbesondere die beiden Kunststoffschichten bezüglich Steifigkeit, Dicke und anderen Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden.
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Damit ergibt sich der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Kalteinformbarkeit in komplizierte Formen wie Parabelformen. Zusätzlich ist es möglich dies unter Erhalt einer äußerst glatten Oberfläche zu gewährleisten. Diese wird zum Beispiel für Parabolrinnenkonzentratoren benötigt.
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Darüber hinaus erschließt sich durch die Herstellung der Laminate aus neuen polymeren Träger- und Vergütungsmaterialien die Nutzung neuer geometrischer Möglichkeiten und die Gestaltung möglichst (kosten)effizienter Konzentrator- und Kollektorgeometrien.
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Insbesondere ist jetzt die Metallisierung im zweidimensionalen Zustand und die anschließenden Verformung möglich. Auch dies ist mit einer zusätzlichen, deutlichen Kosteneinsparung verbunden
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Ein weiterer sich daraus ergebender Vorteil sind Einsparungen gegenüber einer energie- und kostenaufwendigen Thermoumformung unter Vermeidung von hohen Prozesstemperaturen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäß ein Konzentrator – von der Lichtquelle aus betrachtet – aus mindestens folgenden Schichten bestehend, erhalten:
- – eine UV-Stabilisator und Inhibitoren enthaltenden Kunststoffschicht, enthaltend PMMA
- – ein Silberspiegelschichtenaufbau mit einer Dicke zwischen 80 und 200 nm
- – eine Trägerschicht, bevorzugt bestehend aus PMMA.
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Mit dem zusätzlichen Merkmal, dass der Konzentrator mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Konzentrator – von der Lichtquelle aus betrachtet – aus folgenden Schichten bestehend, erhalten:
- – eine Oberflächenvergütung mit schmutzabweisenden und die Kratzfestigkeit verbessernden Eigenschaften
- – eine UV-Stabilisator und Inhibitoren enthaltende Kunststoffschicht, enthaltend PMMA
- – eine optionale Klebschicht
- – eine Primerschicht
- – eine Silberschicht mit einer Dicke zwischen 80 und 130 nm
- – eine Korrosionsschutzschicht bestehend aus Kupfer oder Nickel/Chrom mit einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 20 und 50 nm
- – eine optionalen Klebschicht
- – eine polymeren Trägerschicht bestehend aus PMMA
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Ein weiteres Merkmal ist, dass die Kunststoffschicht mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde.
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Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße, neuartige Konzentrator folgende Eigenschaften, in Kombination als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, besonders in Hinblick auf optische Eigenschaften, auf: Der transparente Anteil des erfindungsgemäßen Konzentrators ist besonders farbneutral und trübt sich bei Feuchtigkeitseinfluss nicht ein. Der Konzentrator zeigt zudem eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit und bei optionaler Ausstattung mit einer PVDF-Oberfläche und/oder einer Kratzfestausrüstung eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit, beispielsweise gegen sämtliche handelsübliche Reinigungsmittel. Auch diese Aspekte tragen zum Erhalt der solaren Reflektion über einen langen Zeitraum bei. Um die Reinigung zu erleichtern, weist die Oberfläche schmutzabweisende Eigenschaften auf. Zusätzlich ist die Oberfläche optional abriebsfest und/oder kratzfest.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die hochtransparente Kunststoffschicht
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Die hochtransparente Kunststoffschicht setzt sich aus hochtransparenten Kunststoffen zusammen. Dabei handelt es sich bevorzugt um Polycarbonate, Polystyrol, Styrol-Copolymere, Fluorpolymere und/oder PMMA. Besonders bevorzugt sind PMMA und/oder Fluorpolymere.
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Die hochtransparente Kunststoffschicht kann sich aus einem Polymer oder aus einem Blend verschiedener Polymere zusammensetzen. Alternativ kann es sich bei der hochtransparenten Kunststoffschicht auch um ein mehrschichtiges System verschiedener Polymere handeln. Ein Beispiel sind Systeme aus Polymethylmethacrylat- (PMMA) und Polyvinylidenfluorid-Schichten (PVDF).
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In der Regel ist die hochtransparente Kunststoffschicht zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit additiviert und zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften oberflächenveredelt.
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Je nach Anwendung darf eine gewisse Reflektionsperformance der solaren Strahlung nicht unterschritten werden. CSP Solarkraftwerke unter Verwendung der Parabolrinnentechnologie beispielsweise benötigen eine Reflektion von mindestens 93% des relevanten Wellenlängenbereiches solarer Strahlung von ca. 340 bis 2500 nm. Nur für Medium- bzw. Small-Scale Solarthermieanlagen ist eine niedrigere Reflektionsperformance ebenfalls möglich.
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Im Allgemeinen liegt der relevante Wellenlängenbereich der konzentrierenden Photovoltaik bei ca. 300 bis 1800 nm.
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Unabhängig von der Zusammensetzung weist die hochtransparente Kunststoffschicht insgesamt eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 9 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 3 mm auf.
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Die Dicke der hochtransparenten Kunststoffschicht ist im Bezug auf die Reflektionsperformance solarer Strahlung entscheidend. Es kann sich um eine Lackierung, eine Beschichtung, eine Folie oder eine Platte handeln, die die bereits aufgeführten Dicken aufweisen kann. Besonders bevorzugt zur Optimierung der Reflektion solarer Strahlung hat eine hochtransparente Kunststoffschicht eine maximale Dicke von 1 mm.
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Die Auftragung der hochtransparenten Kunststoffschicht für Frontseitenspiegel kann mittels Lackierung, Beschichtung oder Verkleben mit einem Klebstoff oder dem Primer erfolgen.
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Wichtig ist die Aufrechterhaltung der geforderten Reflektionsperformance solarer Strahlung. Dies kann mittels Einstellung einer bestimmten maximalen Schichtdicke, optional verbunden mit einem Mehrschichtaufbau, z. B. zur Darstellung eines ”Reflection Enhancement Stacks”, erreicht werden.
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Das Stabilisatorpaket (Lichtschutzmittel)
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Die idealerweise verwendete hochtransparente Kunststoffschicht ist mit einem UV-Schutz ausgestattet. Entsprechende UV-Schutz für Folien finden sich beispielsweise in
WO 2007/073952 (Fa. Evonik Röhm) oder den in
DE 10 2007 029 263 A1 .
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Ein besonderer Bestandteil der erfindungsgemäß verwendeten UV-Schutzschicht ist das UV-Stabilisatorpaket, welches zur Langlebigkeit und zur Witterungsbeständigkeit der Konzentratoren beiträgt.
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Idealerweise besteht das in den erfindungsgemäß verwendeten UV-Schutzschichten eingesetzte Stabilisatorpaket aus folgenden Komponenten:
- • einem UV-Absorber vom Benztriazol-Typ,
- • einem UV-Absorber vom Triazin-Typ
- • einem UV-Stabilisator, bevorzugt einer HALS-Verbindung
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Die Komponenten A und B können als Einzelsubstanz oder in Mischungen eingesetzt werden. Mindestens eine UV-Absorberkomponente muss in der hochtransparenten Kunststoffschicht enthalten sein. Die Komponente C ist zwingend in der erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffschicht enthalten.
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Für den Fall, dass die hochtransparente Kunststoffschicht aus verschiedenen, unterschiedlichen Polymerschichten besteht können sich die einzelnen Additive gleichmäßig und/oder getrennt voneinander auf eine oder mehrere dieser Schichten verteilen.
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Insbesondere zeichnet sich der erfindungsgemäß hergestellte Konzentrator durch seine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte UV-Stabilität und die damit einhergehende längere Lebensdauer aus. Das erfindungsgemäße Material kann so auch über einen sehr langen Zeitraum von mindestens 15 Jahren, bevorzugt sogar mindestens 20 Jahren, besonders bevorzugt mindestens 25 Jahren an Orten mit besonders vielen Sonnenstunden und besonders intensiver Sonnenstrahlung, wie z. B. im Südwesten der USA oder der Sahara in Sonnenkonzentratoren eingesetzt werden.
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Das für „Solarthermie” relevante Wellenlängenspektrum der solaren Strahlung reicht von 300 nm bis 2500 nm. Der Bereich unter 400 nm, insbesondere unter 375 nm sollte zur Verlängerung der Lebensdauer des Konzentrators jedoch ausgefiltert werden, so dass der „Wirksame Wellenlängenbereich” von 375 nm bzw. von 400 nm bis 2500 nm bestehen bleibt. Die erfindungsgemäß eingesetzte Mischung aus UV-Absorbern und UV-Stabilisatoren zeigt über ein breites Wellenlängenspektrum (300 nm–400 nm) einen stabilen, langlebigen UV-Schutz.
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Die Oberflächenbeschichtung
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Der Begriff Oberflächenbeschichtung wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung als Sammelbegriff für Beschichtungen verstanden, die zur Verminderung einer Oberflächenverkratzung und/oder zur Verbesserung der Abriebsbeständigkeit und/oder als Antischmutzbeschichtung aufgebracht werden.
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Zur Verbesserung der Kratzfestigkeit bzw. der Abriebfestigkeit können Polysiloxane, wie CRYSTALCOATTM MP-100 der Firma SDC Techologies Inc., AS 400 – SHP 401 oder UVHC3000K, beide von der Firma Momentive Performance Materials, verwendet werden. Diese Lackformulierungen werden z. B. über Rollcoating, Knifecoating oder Flowcoating auf die Oberfläche der hochtransparenten Kunststoffschicht des Konzentrators appliziert. Als Beispiele weiterer in Frage kommenden Beschichtungstechnologien seien PVD-(physical vapor deposition; physikalische Gasphasenabscheidung) sowie CVD-Plasma (chemical vapor deposition; chemische Gasphasenabscheidung) erwähnt.
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Genauere Angaben zu Antisoil- bzw. Antischmutzbeschichtungen finden sich in der Literatur bzw. sind dem Fachmann bekannt.
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Der Silberspiegelschichtaufbau
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Der Silberspiegelschichtaufbau setzt sich aus einer bis zu mehreren verschiedenen, durch Physical Vapor Deposition (PVD) herstellbare funktionale Schichten zusammen. Zwingend ist das Vorliegen der eigentlichen Spiegelschicht. Auf der der solaren Strahlung abgewandten Seite kann optional eine Antikorrosionsschicht aufgebracht werden. Zwischen der Spiegelschicht und der mittels PVD zu beschichtenden Kunststoffschicht kann optional ein Primer vorliegen. Im Falle, dass beispielsweise die hochtransparente Kunststoffschicht mittels PVD beschichtet wird, ist der Primer auf der der solaren Strahlung zugewandten Seite. Des Weiteren kann ein „Reflection Enhancement Stack”-Schichtenaufbau in den Silberspiegelschichtenaufbau einbezogen werden. Dabei handelt es sich um einen optimierten, mehrschichtigen Aufbau sehr dünner Metalloxid-Schichten, durch dessen Verwendung die Absorption minimiert werden kann. Die Reflection Enhancement Stack-Schichten werden in der Regel durch PVD aufgebaut.
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Der Wortbestandteil Silber in Silberspiegelschichtaufbau impliziert nicht, dass es sich bei dem spiegelnden Metall tatsächlich um Silber handeln muss, sondern bringt vielmehr zum Ausdruck, dass Silber in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.
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Der Silberspiegelschichtenaufbau, bestehend aus optionalem Primer, Spiegelschicht, optionalem „Reflection Enhancement Stack” und optionaler Antikorrosionsschicht, wird bevorzugt mittels Physical Vapor Deposition aufgebaut.
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Der Silberspiegelschichtenaufbau hat in der Regel eine Dicke zwischen 80 und 200 nm.
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Alternativ kann der Silberspiegelschichtenaufbau auch in Form einer vorgefertigten sogenannten „Silberspiegelfolie” eingebracht werden. Diese weist ebenfalls den oben beschriebenen Schichtenaufbau, appliziert auf eine Kunststofffolie (in der Regel Polyester), auf. Im Falle, dass diese Kunststofffolie auf der Seite der solaren Strahlung eingebaut wird, ist sie im Weiteren als Bestandteil der hochtransparenten Kunststoffschicht zu betrachten.
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Im Falle dass diese Kunststofffolienschicht (z. B. Polyester) der Silberspiegelfolie auf der Rückseite (die der solaren Strahlung abgewandte Seite des Silberspiegelaufbaus) eingebaut wird, kann diese neue Schicht als zusätzlicher Bestandteil der Trägerschicht betrachtet werden und optional mit dieser durch eine weitere Klebschicht verbunden werden.
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Der Primer
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Der Primer wirkt gleichzeitig als Migrationssperrschicht zur Vermeidung der Migration von Silber aus der Spiegelschicht in das polymere Substrat bzw. von schädlichen Komponenten aus dem polymeren Substrat in die Silberspiegelschicht.
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Hier kommen Materialien zum Einsatz, die insbesondere eine Migration der für die Metallschicht schädlichen Bestandteile oder auch migrationsfähige Bestandteile der Additive aus der hochtransparenten Kunststoffschicht verhindern. Naturgemäß muss der Primer ähnlich hochtransparente Eigenschaften wie die eigentliche Kunststoffschicht aufweisen. Idealerweise dient der Primer gleichzeitig zur Haftvermittlung, so dass zur Metallschicht und/oder zur hochtransparenten Kunststoffschicht keine zusätzlichen Klebschichten benötigt werden. In der Regel wird der Primer mittels Physical Vapor Deposition in einer Schichtdicke zwischen 1 nm und 20 nm aufgetragen. Die Wahl des Primers ergibt sich aus den Haftungs- bzw. Oberflächeneigenschaften der Metallschicht und der hochtransparenten Kunststoffschicht. Es kann sich bei dem Primer beispielsweise um eine dünne Metalloxidschicht handeln.
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Die Spiegelschicht
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Die Spiegelschicht besteht bevorzugt aus Silber, Gold oder Aluminium, besonders bevorzugt aus Silber. Silber weist von allen potentiell möglichen Metallspiegelschichten die höchste Reflektivität im relevanten Wellenlängenspektrum solarer Strahlung auf. Insbesondere alternative Reflektionsschichten aus Aluminium oder Gold können optional mit Reflectance Enhancement Stack-Schichten optisch aufgewertet werden.
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Silber wird mit einer Dicke zwischen 50 und 200 nm, bevorzugt zwischen 70 und 150 nm, besonders bevorzugt zwischen 80 und 130 nm verwendet. Bei diesen Schichtdicken wird zum einen eine Reflektion von zumeist mehr als 90% der solaren Strahlung gewährleistet und gleichzeitig werden hohe Prozess- und Materialkosten vermieden.
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Die Spiegelschicht wird bevorzugt unter Einsatz von modernen Dünnschichttechnologien, bevorzugt unter Verwendung der Physical Vapor Deposition, aufgebracht. Mit einer solchen Methode ist die Einstellung möglichst dicht gepackter, homogener Schichten möglich.
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Die Rückseite der Spiegelschicht kann optional mit einer zweiten Metallschicht als Antikorrosionsschicht, beispielsweise aus Kupfer oder einer Nickel-Chrom-Legierung, überzogen werden. Diese dient zum einen als Schutz der Metallspiegelschicht und zum anderen zur besseren Haftung der Trägerschicht bzw. der Haftklebeschicht. Solche Antikorrosionsschichten werden bevorzugt in einer Schichtdicke zwischen 10 nm und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 20 und 50 nm aufgebracht.
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Die Trägerschicht
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Die Wahl der Trägerschicht, also der der solaren Strahlung abgewandten Kunststoffschicht, wird durch folgende, zwingend erforderlichen Eigenschaften bestimmt: Die Trägerschicht muss eine ausreichende Steifigkeit und idealerweise gute Haftungseigenschaften gegenüber dem verbundenden Silberspiegelschichtaufbau aufweisen. Zusätzlich muss die Trägerschicht je nach Herstellungsverfahren des Silberspiegelschichtenaufbaus entweder unter Verwendung einer Physical Vapor Deposition beschichtbar sein oder eine Laminationsfähigkeit mit einer Silberspiegelfolie aufweisen. Darüber hinaus soll eine Beständigkeit gegen Witterungs- und Umwelteinflüsse für mindestens 20 Jahre gegeben sein. Gegenüber der Silberspiegelschicht sollte dazu über einen langen Zeitraum kein Haftungsverlust auftreten. Darüber hinaus dient die Trägerschicht zur Vermeidung einer Schädigung der Antikorrosionsschicht. Es besteht jedoch kein Anspruch auf eine Reflektionsperformance.
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Als Kunststoffe, die zur Verwendung in der Trägerschicht geeignet sind, haben sich sämtliche Polymere, die zur Herstellung einer Platte mit einer Dicke von mindestens 0,8 mm geeignet sind, erwiesen. Beispiele sind Polyester, Polycarbonate, Styrol-Copolymere, Polystyrol und PMMA.
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Im Fall des Frontseitenspiegels wird von der Trägerschicht ausgehend der Silberspiegelschichtenaufbau durch Physical Vapor Deposition aufgebaut.
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Im Falle des Rückseitenspiegels wird die Trägerschicht auf den restlichen Schichtenverbund mittels Verkleben oder Lackieren aufgebracht.
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Die benötigen Schichtdicken der Trägerschicht liegen zwischen 0,8 und 19 mm, bevorzugt zwischen 2 und 8 mm. Solche Schichten werden in der Regel durch Extrusion, Gießen oder ein anderes Formgebungsverfahren hergestellt, ohne die Erfindung durch das Herstellungsverfahren in irgendeiner Form einzuschränken.
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In der Regel ist die Trägerschicht die formgebende und damit hauptsächlich selbsttragende Schicht der erfindungsgemäß hergestellten Konzentratoren.
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Die Klebschichten
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Optional können sich zwischen den einzelnen Schichten jeweils Klebschichten befinden. Klebschichten können sich genauer zwischen Trägerschicht und Antikorrosionsschicht, zwischen Silberspiegelschichtenaufbau und hochtransparenter Kunststoffschicht und zwischen den einzelnen Schichten einer mehrschichtigen Kunststoffschicht befinden.
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Die dafür eingesetzten Adhäsivsysteme ergeben sich bezüglich ihrer Zusammensetzung aus den Haftungseigenschaften der beiden miteinander zu verklebenden Schichten. Zusätzlich sollten die Adhäsivsysteme zur Langlebigkeitsperformance beitragen, sowie negative Wechselwirkungen der angrenzenden Schichten unterbinden.
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Unter Umständen sind auch die optischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Klebschichten die auf der der solaren Strahlung zugewandten Seite der Metallschicht verwendet werden, müssen hochtransparent sein. Geeignet sind beispielsweise spezielle Acrylatkleber.
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Verwendung
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Verwendung finden die erfindungsgemäß hergestellten Konzentratoren bevorzugt als Parabolrinnen-Konzentratoren eines Parabolrinnenkollektors. Dazu ist es von besonderem Vorteil, wie in dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert, wenn der Konzentrator kalt umgeformt bzw. in die Parabelgeometrie der Parabolrinne eingeformt werden kann. So können auch geringfügig gebogene Formen hergestellt bzw. der Konzentrator an nur geringfügig eingeformte, ansonsten zweidimensionale Kollektorstrukturen angepasst werden. Beispiele für Endanwendungen mit diesen Voraussetzungen sind die Verwendung in Fresnelspiegelkollektoren, Heliostat-Reflektoren, wie sie in der Solar Tower Technologie Anwendung finden, oder in Solar Dish Reflektoreinheiten.
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Eine Rationell thermische Umformung unter Vermeidung hoher Temperaturen wird zum Beispiel bei der Einpassung in eine Paraboloid-Struktur, wie sie bei Concentrated Photovoltaics (CPV) häufig eingesetzt wird, oder in extrem-gekrümmte Formen für Konzentratorkonstruktionen in Medium- bzw. Small-Scale-Solarthermieeinheiten benötigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1771687 [0010]
- US 2008/0093753 [0012]
- US 4645714 [0013]
- US 5118540 [0014]
- WO 2007/076282 [0015, 0015]
- WO 00/22462 [0018]
- WO 2007/073952 [0064]
- DE 102007029263 A1 [0064]