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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsreceiver für Solarturmkraftwerke zum Betrieb mit einem freifließenden Schüttgut als Wärmeträgermedium mit einer Absorbervorrichtung, sowie ein Solarturmkraftwerk mit einem Solarstrahlungsreceiver.
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Es sind solarthermische Kraftwerke bekannt, bei denen ein Solarstrahlungsreceiver an einem Turm angeordnet ist, wobei Solarstrahlung mittels zahlreicher Heliostate eines den Turm umgebenden Heliostatfeldes auf den Solarstrahlungsreceiver reflektiert wird. An dem Solarstrahlungsreceiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich ein geeignetes Wärmeträgermedium auf hohe Temperaturen aufheizen lässt.
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Bei der Verwendung von sogenannten offenen, volumetrischen Receivern wird Luft als Wärmeträgermedium verwendet, indem Absorbermodule mittels der Solarstrahlung erhitzt werden und die durch die Absorbermodule gesaugte Luft bis ca. 700°C erwärmt werden kann. Bei sogenannten Salzreceivern wird Flüssigsalz bis ca. 600°C erwärmt. Dabei wird das Flüssigsalz durch einen mittels der solaren Strahlung erwärmten Solarabsorber geleitet.
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Der Nachteil des Konzepts des volumetrischen Receivers liegt in der geringen Energiedichte heißer Luft und darin, dass die Luft als Wärmespeichermedium ungeeignet ist. Zur Speicherung der Hochtemperaturwärme müssen luftdurchströmte, keramische Speichereinheiten aufgebaut werden, die zusätzliche Kosten verursachen. Ferner wird für den Lufttransport durch die Absorbermodule eine hohe Antriebsleistung benötigt.
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Der Nachteil von Salzreceivern liegt in der begrenzten Temperaturfestigkeit und Korrosionsfestigkeit der eingesetzten Salzschmelzen sowie in einer Mindesttemperatur von ca. 260°C. Darüber hinaus sind die Wandmaterialien und andere Systemkomponenten, wie etwa Pumpen oder Wärmetauscher, durch das Salz ebenfalls einer hohen Korrosion ausgesetzt. Dadurch müssen sehr hochwertige Materialien eingesetzt werden. In Zeiten nicht ausreichender Solareinstrahlung ist ferner eine Beheizung der Solarschmelze notwendig, um ein Erstarren des Salzes zu vermeiden.
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Es ist ferner bekannt, Feststoffpartikel als Wärmeträgermedium zu verwenden. Aus der
DE 10 2008 036 210 A1 und der
DE 10 2010 062 367 A1 der Anmelderin (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) sind Solarstrahlungsreceiver bekannt, die mittels Solarstrahlung erwärmt werden, wobei die Solarstrahlung direkt auf das Wärmeträgermedium reflektiert wird. Derartige Receiver werden auch direkt absorbierende Receiver genannt und besitzen den Vorteil, dass die Solarstrahlung direkt auf das zu beheizende Wärmeträgermedium fällt. Durch die direkte Einkopplung können hohe solare Strahlungsflussdichten ausgenutzt werden und hohe Endtemperaturen erreicht werden. Das erreichbare hohe Temperaturniveau kann einen hohen Wirkungsgrad bei der Nutzung der thermischen Energie ermöglichen.
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Die vorbekannten Solarstrahlungsreceiver sind jedoch mit hohem vorrichtungstechnischem Aufwand verbunden in Form von zusätzlichen Reflektoren oder rotierenden Behältern. Ferner ist das Wärmeträgermedium offenliegend, so dass dieses gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Winden, ungeschützt ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarstrahlungsreceiver für Solarturmkraftwerke zum Betrieb mit einem freifließenden Schüttgut als Wärmeträgermedium bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau besitzt, wobei gleichzeitig das Schüttgut gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist. Ferner ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Solarturmkraftwerkes mit einem derartigen Solarstrahlungsreceiver.
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Der erfindungsgemäße Strahlungsreceiver ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Solarturmkraftwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 11.
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Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver für Solarturmkraftwerke weist eine Absorbervorrichtung auf. Der Solarstrahlungsreceiver wird mit einem freifließenden Schüttgut als Wärmeträgermedium betrieben. Der Solarstrahlungsreceiver ist dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbervorrichtung einen zwischen einer für die Solarstrahlung transparenten Einkristall- oder Keramikplatte und einer Wandung gebildeten Spaltraum aufweist, durch die das freifließende Schüttgut als Wanderbett leitbar ist, wobei die Absorbervorrichtung mit der transparenten Einkristall- oder Keramikplatte in Richtung der einfallenden Solarstrahlung anordenbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver wird das Wärmeträgermedium in Form des freifließenden Schüttguts direkt erwärmt, indem die Solarstrahlung, die durch die transparente Keramikplatte einfällt, von dem Wärmeträgermedium absorbiert wird. Die transparente Keramikplatte wird in Richtung der einfallenden Solarstrahlung angeordnet, so dass die Solarstrahlung in vorteilhafter Weise die Einkristall- oder Keramikplatte durchdringen kann, um das Wärmeträgermedium zu bestrahlen. Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver besitzt somit die Vorteile eines direkt absorbierenden Receivers. Dabei ist die transparente Einkristall- oder Keramikplatte zumeist schräg angeordnet, auf der das freifließende Schüttgut als Wanderbett rutschen kann. Der Transport des Wärmeträgermediums durch die Absorbervorrichtung erfolgt somit schwerkraftbedingt. Dadurch, dass das Wärmeträgermedium in dem zwischen einer Wandung und der transparenten Einkristall- oder Keramikplatte gebildeten Spaltraum angeordnet ist, ist das Wärmeträgermedium weitestgehend gegenüber Umwelteinflüssen abgeschottet. Der erfindungsgemäße Aufbau der Absorbervorrichtung ermöglicht die Schaffung eines Solarstrahlungsreceivers mit vorrichtungstechnisch einfachem Aufbau, wobei bei der Verwendung des Solarstrahlungsreceivers in einem Solarturmkraftwerk neben den bereits vorhandenen Heliostaten keine weiteren Reflexionsvorrichtungen notwendig sind. Dadurch ist der vorrichtungstechnische Aufwand gering gehalten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte einen hemisphärischen solaren (AM 1,5) Transparenzgrad von mindestens 85% aufweist. Durch einen derart hohen Transparenzgrad wird gewährleistet, dass ein hoher Anteil der Solarstrahlung durch die transparente Einkristall- oder Keramikplatte zu dem Wärmeträgermedium gelangen kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte eine thermische Stabilität von mindestens 1000°C, vorzugsweise mindestens 1300°C, aufweist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Wärmeträgermedium auf ein sehr hohes Temperaturniveau mittels der Solarstrahlung erwärmt werden kann, ohne dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte aufgrund der hohen Temperatur beschädigt wird.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte eine Härte von mindestens HV10 = 10Gpa aufweist. Da geeignete Wärmeträgermedien in Form von Schüttgütern, wie beispielsweise Quarzsand oder Basalt, eine Härte von Mohs 7–8 aufweisen, wird verhindert, dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte einen hohen Verschleiß durch das über die Einkristall- oder Keramikplatte rutschende Schüttgut erfährt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einkristall- oder Keramikplatte auf der dem Spaltraum abgewandten Seite eine Anti-Reflexbeschichtung aufweist. Dadurch wird erreicht, dass ein hoher Anteil der Solarstrahlung durch die Einkristall- oder Keramikplatte transmittiert, und es wird verhindert, dass es zu Wirkungsgradverlusten aufgrund von Reflexion der Solarstrahlung an der Einkristall- oder Keramikplatte kommen kann. Eine derartige Reflexbeschichtung kann beispielsweise Siliziumoxid, Titanoxid oder Aluminiumoxid aufweisen. Eine derartige Anti-Reflexbeschichtung kann eine breitbandige Antireflexionswirkung im solaren Wellenlängenbereich aufweisen. Dazu kann die Anti-Reflexbeschichtung auch aus mehreren Schichten bestehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich oder alternativ auf der dem Spaltraum zugewandten Seite der Einkristall- oder Keramikplatte eine Anti-Reflexbeschichtung angeordnet ist.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die Einkristall- oder Keramikplatte auf der dem Spaltraum zugewandten Seite eine Aluminiumoxidschicht aufweist. Auf diese Weise kann die Stabilität der Oberfläche der Einkristall- oder Keramikplatte auf der dem Spaltraum zugewandten Seite gegenüber einer abrasiven Wirkung des Wärmeträgermediums erhöht werden.
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Die Wandung kann aus einem metallischen oder keramischen Material bestehen.
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Die transparente Keramikplatte kann aus einer polykristallinen Keramik bestehen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die transparente Keramik aus einer Spinell-Keramik besteht. Derartige Keramiken haben sich für die Schaffung der erfindungsgemäßen transparenten Keramikplatte als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die transparente Keramikplatte aus einer mit einem Metall dotierten Keramik besteht. Das Metall kann beispielsweise ein Metall der seltenen Erden verwendet werden. Über die Dotierung der Keramik kann erreicht werden, dass die transparente Keramik für bestimmte Wellenlängenbereiche der Solarstrahlung selektiv transparent ist. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass Solarstrahlung durch die Keramikplatte transmittiert, die in vorteilhafter Weise von dem Wärmeträgermedium absorbiert werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Solarturmkraftwerk mit einem Receiverturm und mit einem den Receiverturm zumindest teilweise umgebenden Heliostatfeld aus mehreren Heliostaten, wobei der Receiverturm einen erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver aufweist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die transparente Einkristall- oder Keramikplatte des Solarstrahlungsreceivers in einem Winkel zur Horizontalen angeordnet ist, wobei gilt: 45 90°. Dadurch kann erreicht werden, dass die von den Heliostaten reflektierte Solarstrahlung in vorteilhafter Weise, vorzugsweise orthogonal, auf die transparente Einkristall- oder Keramikplatte trifft, wodurch erreicht werden kann, dass die Solarstrahlung in besonders vorteilhafter Weise durch die transparente Einkristall- oder Keramikplatte transmittieren kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Solarturmkraftwerk einen Kreislauf für das Wärmeträgermedium aufweist, wobei der Kreislauf einen in dem Kreislauf vor dem Solarstrahlungsreceiver angeordneten Schüttgutpufferspeicher, einen in dem Kreislauf hinter dem Solarstrahlungsreceiver angeordneten Schüttgutspeicher und/oder einen Wärmetauscher aufweist. Über den Schüttgutpufferspeicher, der vor dem Solarstrahlungsreceiver angeordnet ist, wird erreicht, dass das freifließende Schüttgut als ununterbrochenes Wanderbett durch die Absorbervorrichtung rutschen kann, da stets ausreichend Material zur Verfügung gestellt wird. Selbst wenn der Kreislauf des Wärmeträgermediums kurzzeitig unterbrochen ist, wird durch den Schüttgutpufferspeicher noch ausreichend Material zur Verfügung gestellt, um den Solarstrahlungsreceiver zur Überbrückung der Ausfallzeit des Kreislaufes mit dem Wärmeträgermedium zu versorgen.
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An dem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver können auch Antriebe vorgesehen sein, über die der Winkel der transparenten Einkristall- oder Keramikplatte zu der Horizontalen veränderbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Transportgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums über die transparente Einkristall- oder Keramikplatte beeinflussen. Ferner kann ein Rüttelantrieb vorgesehen sein, über den die Absorbervorrichtung, die Wandung oder die transparente Keramikplatte bewegbar ist, wodurch eventuell in dem Spaltraum steckenbleibende Partikel des Wärmeträgermediums gelöst werden können.
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Der hinter dem Solarstrahlungsreceiver angeordnete Schüttgutspeicher kann beispielsweise als Wärmespeicher genutzt werden. Über eine dem Schüttgutspeicher nachgeschalteten Nutzwärmeentnahme, beispielsweise einem Wärmetauscher, kann nach Bedarf die in dem Wärmeträgermedium gespeicherte Wärme entnommen werden. Der Schüttgutspeicher kann auch dazu dienen, Zeiten mit geringer Solarstrahlung und Nachtzeiten zu überbrücken, so dass eine kontinuierliche Wärmeentnahme erfolgen kann. Die Verwendung eines freifließenden Schüttguts als Wärmeträgermedium ist von besonderem Vorteil, da die Wärme direkt in dem Wärmeträgermedium zwischengespeichert werden kann, wodurch Verluste während der Speicherung gering gehalten werden können.
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Über den Wärmetauscher kann die in dem Wärmeträgermedium gespeicherte Wärme in vorteilhafter Weise abgegeben werden, beispielsweise an einen Dampferzeuger eines Wasserdampfkreislaufes. Dadurch lässt sich die Wärme in vorteilhafter Weise, beispielsweise zur Stromerzeugung, nutzen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Solarturmkraftwerks mit einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver,
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2 eine schematische Prinzipskizze des Wärmeträgermedium-Kreislaufs durch ein Solarturmkraftwerk mit einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver,
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Solarturmkraftwerk 100 schematisch dargestellt. Sonnenlicht wird über Heliostate 110 eines Heliostatfeldes 120 auf einen erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver 1, der an einem Receiverturm 105 angeordnet ist, reflektiert.
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Durch den Solarstrahlungsreceiver 1 wird ein Wärmeträgermedium in Form eines freifließenden Schüttguts geleitet. Das Wärmeträgermedium wird in dem Solarstrahlungsreceiver 1 erhitzt und über ein Heißleitungssystem 130 einem Verbraucher zugeführt. Der Verbraucher kann beispielsweise ein Dampferzeuger 140 mit einem herkömmlichen Wasserdampfkreislauf 150 sein. Über ein Rückführsystem 160 wird das abgekühlte Wärmeträgermedium dem Solarstrahlungsreceiver zurückgeführt.
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In 2 ist der Kreislauf des Wärmeträgermediums in einer Prinzipskizze dargestellt. Das über das Rückführsystem 160 zu dem Solarstrahlungsreceiver 1 zurückgeführte Wärmeträgermedium wird zunächst in einem Schüttgutpufferspeicher 170 zwischengespeichert. Von diesem gelangt es in den Solarstrahlungsreceiver 1. Der Solarstrahlungsreceiver 1 weist eine Absorbervorrichtung 3 auf, in der zwischen einer Wandung 5 und einer transparenten Keramikplatte 7 ein Spaltraum 9 gebildet ist. In den Spaltraum 9 wird das Wärmeträgermedium eingeleitet, so dass das Wärmeträgermedium als Wanderbett durch die Absorbervorrichtung 3 geleitet wird. Die Absorbervorrichtung 3 ist derart ausgerichtet, dass die transparente Keramikplatte 7 in einem Winkel zur Horizontalen angeordnet ist, wobei der Winkel ein spitzer Winkel ist und vorzugsweise 80° beträgt, so dass das Wärmeträgermedium schwerkraftbedingt über die dem Spaltraum 9 zugewandte Fläche der transparenten Keramikplatte 7 rutscht. Durch die winklige Anordnung der transparenten Keramikfläche kann die durch Pfeile angedeutete Sonneneinstrahlung in etwa orthogonal auf die transparente Keramikplatte 7 auftreffen, so dass diese von der Solarstrahlung in vorteilhafter Weise durchdrungen wird und auf das Wärmeträgermedium fällt. Das Wärmeträgermedium erwärmt sich durch Absorption von Solarstrahlung.
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Aus dem Solarstrahlungsreceiver 1 rutscht das Wärmeträgermedium in ein Heißleitungssystem 130, über die es dem Verbraucher 140 zugeführt wird. In dem Heißleitungssystem 130 kann ein Schüttgutspeicher 180 angeordnet sein, in dem das erwärmte Wärmeträgermedium zwischengespeichert werden kann. Auf diese Weise kann die in dem Wärmeträgermedium enthaltene thermische Energie gespeichert werden und bei Bedarf an den Wärmetauscher 140 abgegeben werden. Der Schüttgutspeicher 180 kann auch als ein Puffer für den Wärmetauscher 140 dienen, so dass dem Wärmetauscher 140 kontinuierlich thermische Energie zugeführt werden kann.
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Der Schüttgutpufferspeicher 170 stellt sicher, dass dem Solarstrahlungsreceiver 1 kontinuierlich das Wärmeträgermedium zugeführt werden kann, so dass eine Überhitzung des Solarstrahlungsreceivers 1 vermieden wird.
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Wie am besten aus 3 ersichtlich ist, in der der Solarstrahlungsreceiver 1 schematisch in einer Schnittdarstellung dargestellt ist, kann die transparente Keramikplatte 7 an der von dem Spaltraum 9 abgewandten Seite eine Anti-Reflexbeschichtung 11 aufweisen. Die Anti-Reflexbeschichtung 11, die beispielsweise aus Siliziumoxid, Titanoxid oder Aluminiumoxid bestehen kann, sorgt dafür, dass nur ein geringer Anteil der auf den Solarstrahlungsreceiver 1 fallenden Solarstrahlung von diesem reflektiert wird und ein hoher Anteil der Solarstrahlung an das Wärmeträgermedium gelangt.
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Auf der dem Spaltraum 9 zugewandten Seite der transparenten Keramikplatte 7 kann ferner eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht sein, die die Resistenz der transparenten Keramikplatte 7 gegenüber einer abrasiven Wirkung des als Schüttgut vorliegenden Wärmeträgermediums erhöht.
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Die transparente Keramikplatte kann in Bezug auf die Solarstrahlung einen Transparenzgrad von mindestens 80% aufweisen. Ferner kann die Keramikplatte eine thermische Stabilität von mindestens 1000° aufweisen. Die Keramikplatte kann eine Härte von mindestens HV10 = 10Gpa besitzen, wodurch sichergestellt wird, dass die transparente Keramikplatte 7 gegenüber einer abrasiven Wirkung des Wärmeträgermediums beständig ist.
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Die Wandung 5 kann aus einem metallischen oder keramischen Material bestehen.
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Die transparente Keramikplatte kann aus einer Spinell-Keramik bestehen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die transparente Keramikplatte mit einem Metall dotiert ist. Dadurch kann eine selektive Transmission einzelner Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen der Solarstrahlung erreicht werden.
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Alternativ zu der transparenten Keramikplatte kann auch eine transparente Einkristallplatte vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036210 A1 [0006]
- DE 102010062367 A1 [0006]
