DE19801380A1 - Bauteil mit Sonnenkollektoren - Google Patents
Bauteil mit SonnenkollektorenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Ausgestaltung marktgerechter
Bauteil-Konstruktionen, die der Nutzung einfallenden Sonnenlichts für Wärme-
und Strom-Erzeugung dienen.
Erfindungsgemäß werden, insbesondere zur Abdeckung von Gebäuden auf Dach und
Wand, einfache Gestaltungsmöglichkeiten von Bauteilen als Tragstrukturen für
den Einbau hierfür geeigneter Solarkollektoren vorgeschlagen. Dazu gehören Kon
struktions- und Gestaltungsweisen, die auf eine vorteilhafte Anordnung der Kol
lektoren in den Bauteilen unter Berücksichtigung einer wirtschaftlichen Her
stellung solcher Bauteile ausgerichtet sind. Damit können geringe Gestehungs
kosten für Produktion und niedrige Verkaufspreise auf dem Markt erreicht werden.
Bei den hier vorgesehenen Kollektortypen handelt es sich einmal um bekannte
photovoltaische Elemente zur direkten Stromerzeugung und zum anderen um dieje
nigen Sonnenkollektoren, die zur Wärmeerzeugung mit einer lichtdurchlässigen
Struktur arbeiten, welche über einer dunklen Absorberfläche angeordnet sind und
eine nach außen gerichtete wärmedämmende Eigenschaft nach Art der transparenten
Wärmedämmung TWD aufweist.
Beide Kollektortypen lassen sich nun in einer Tragstruktur plazieren, auf wel
cher erfindungsgemäß wahlweise beide Typen oder auch jede für sich zur flächi
gen Anordnung vom Bauteil auf genommen werden können. Bezüglich der wärmeerzeu
genden Kollektoren wird im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Tragstruktur
insbesondere die Ausgestaltung der lichtdurchlässigen und wärmeabführenden
Kollektor-Teile beansprucht.
Im Hinblick auf eine einfache und praktische Installation derartiger Kollektor-Syste
me und deren Einführung auf dem Markt für Gebäudeverkleidungen wird als
besonders geeignete Formgebung eine Tragstruktur mit mäanderförmigen Wellentälern
und Wellenbergen vorgeschlagen in Analogie zu üblichen Wellplatten.
Die Wellentäler können dann für die Aufnahme von thermischen Solarkollektoren
und die Wellenberge für die Plazierung von elektrischen (photovoltaischen)
Kollektoren vorgesehen werden.
Für die Abführung der durch die thermischen Kollektoren gewonnenen Wärme stehen
auch die von den Stegen der Wellenberge umschlossenen Tragstruktur-Raumteile
zur Verfügung, gegebenenfalls auch für die Abführung der elektrischen Energie
aus den Photozellen.
Durch die Wahl besonderer Materialien für die Tragstruktur und durch konstruk
tive Maßnahmen können zur positiven Verwertung der vorliegenden Grundgedanken
bestimmte, wünschenswerte und auch erforderliche, Eigenschaften geboten werden.
Dazu gehören:
- - Unbrennbarkeit; diese ist durch Einsatz anorganischer Materialien gewährleistet,
- - Leichtes Gewicht und auf das Gewicht bezogene spezifische Beulstabilität; dies ist neben geeigneter geometrischer Auslegung der Wellenprofilierung zusätz lich durch Armierung des Tragstrukturmaterials mittels Verstärkungsfasern, also durch Bildung eines Verbundwerkstoffes, zu erreichen. Die Armierung wird vorteil haft durch Glasfasern, Glashohlfasern und/oder Glaskapillaren (bis zu mehreren Millimetern Durchmesser) in einer anorganischen Masse vorgenommen. Dünnwandige Glaskapillaren erhöhen die Steifigkeit der Tragstruktur und tragen auch zur Ver besserung der thermischen Isolierfähigkeit bei, was oft gewünscht wird,
- - Wärme- und Formbeständigkeit; mit vorzugsweise anorganischen Materialien, die Lufteinschlüsse enthalten, erreicht man neben Verringerung des Gewichts bereits gute thermische Isolationswerte, die einer wirtschaftlichen Wirkungsweise der in die Tragstruktur eingesetzten thermischen Solarkollektoren zugute kommen. Mit der hier genannten Glasarmierung wird auch die Dauerwärmefestigkeit und Formstabilität der ganzen Tragstruktur auch im höheren Temperaturbereich erhöht. Dies wirkt sich auch auf die Gesamtabdeckung von Gebäuden mit dieser Bauweise positiv aus. Als Materialien mit Lufteinschlüssen sind z. B. zu nennen: Glas schäume, glass bubbles, Perlite, Vermiculite, Blähbeton uam.,
- - Thermische Isolation; diese läßt sich optimal erreichen bei Kombination der oben genannten Materialeigenschaften.
Die thermischen Solarkollektoren, die erfindungsgemäß jeweils in den von den
Wellentälern umschlossenen Tragstruktur-Räumen angeordnet sind, bestehen aus einer
lichtdurchlässigen Struktur mit einseitig aufgebrachter Glas-Abdeckung im Bereich
der, der Sonne zugewandten Tragstruktur-Oberfläche. Die lichtdurchlässige Struktur
ist vorzugsweise und unter Anpassung und Verwendung der hier vorgeschlagenen Er
findung gebildet aus wärmebeständigen, achsparallel geschichteten Glasröhrchen,
die mit einem Röhrchen-Ende an der genannten Glas-Abdeckung senkrecht zur Röhr
chenachse, gegebenenfalls dichtend, anliegen. Auf der anderen Röhrchenseite stehen
ihre Enden über einer dunklen Absorberfläche, an der die Lichteinstrahlung in Wärme
umgewandelt wird.
Durch die große Dauerwärmebeständigkeit einer derartigen Glasstruktur können
auch hohe Temperaturentwicklungen im Kollektor aufgefangen und Schattierungs
maßnahmen zum Überhitzungsschutz eingespart werden.
Je kleiner die Glasröhrchen sind umso mehr können innerhalb der Röhrchen Luft
konvektionsvorgänge gebremst, ja sogar verhindert werden, was natürlich eine
bessere Wirtschaftlichkeit der Energieausbeute im Kollektor bringt. Der Einsatz
dünnwandiger und kleiner Röhrchendurchmesser bildet ein besonderes Kennzeichen
der erfindungsgemäß hier vorgeschlagenen Kollektorausbildung.
Die auf der Absorberfläche entstehende Wärme kann in oder auch unter dem Absorber
über mediendurchflossene Kanäle abgeführt werden, die z. B. in der Tragstruktur
selbst eingelagert sind oder auch in einem getrennten Absorberteil untergebracht
werden können. Eine Zusammenschaltung der Abführkanäle geschieht an den Enden
der Wellentäler zu einer Gesamtleitung.
Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung des
Absorberteils im Absorberraum des Sonnenkollektors durch Anwendung dunkel
gefärbter Wärmerohre, sogenannter Heat-Pipes, sowie deren besondere Form
gebung und Plazierung in der Tragstruktur. Diese Rohre haben die Eigenschaft,
Wärmetransport an kältere Stellen automatisch zu veranlassen, und dies mit
hohem Wirkungsgrad.
Dazu wird vorgeschlagen, die Rohre aus dem Absorberraum herauszuführen und
in kühleren Zonen enden zu lassen, z. B. außerhalb einer besonnten Gebäude
wand an schattigen Gebäudeteilen.
Eine zusätzliche Kühlung der Heat-Pipes-Enden mittels Medien, wie Wasser oder
Luft, fördert die Wärmeabnahme aus den heißen Zonen, wodurch die Wärmeenergie
z. B. für Heizzwecke abgeführt werden kann.
Das Herausführen von Heat-Pipe-Teilen, insbesondere ihrer Enden, aus dem Absor
berraum in kühlere Zonen, ist auch in die von den Wellenbergen der Tragstruk
tur umschlossenen Räumen möglich; diese unterliegen keiner Besonnung und bie
ten genügend Platz für Einrichtungen zur Kühlung und zum Wärmeabtransport.
Der besondere Vorteil Heat-Pipes in angepaßter Form als Absorber einzusetzen,
besteht darin, daß ein Wärmefluß zu kühleren Zonen innerhalb eines abgedichteten
Rohres als geschlossenes System abläuft und daß dadurch keinerlei - oft mit Un
dichtheiten belastete - Rohrinstallationen mit durchfließenden Medien, wie Was
ser oder Luft, notwendig sind.
Eine spezielle, fertigungsmäßig kostengünstige Variante einer Bauteilkonstruk
tion zur Aufnahme derartiger thermischer Solarkollektoren ist ein einzelnes, lang
gestrecktes "Rinnen"-Element, das in seiner Länge den Kollektor enthält. Es ist so
zusagen ein Ausschnitt aus einer mäanderförmigen Tragstruktur mit rechteckigem
Querschnitt eines Wellentales. Der "Wellenberg" existiert hier nur als zwei, das
Wellental Begrenzente Steg-Enden. Eine wahlweise Installation zusätzlicher pho
tovoltaischer Kollektoren wäre dann auf verbreiterten Wellental-Stegen möglich.
Der große Vorteil dabei ist, daß ein solches Rinnen-Bauteilelement eine endlose,
kontinuierliche und damit äußerst preiswerte Herstellung fertig konfektionierter
Wärme-Solarkollektoren erlaubt.
Durch Addition solcher Kollektor-Rinnen aneinander (parallel zu ihrer Längsausdeh
nung) können beliebig größere Solarkollektoren-Felder gebildet werden, gegebe
nenfalls auf einer weiteren großflächigen Tragstruktur.
Im Bereich der Kollektor-Glasabdeckung wird erfindungsgemäß weiterhin vor
geschlagen, daß die der Sonne zugewandte Glasröhrchenfläche gegenüber der
Röhrchenachsrichtung abgeschrägt ist.
Damit kann erreicht werden, daß bei hohem Sonnenstand, wie er im Sommer vor
liegt, keine direkte, also in Richtung Röhrchenachse einfallende Sonnenstrahlung
in die Glasröhrchenschichtung eindringen kann. Man vermeidet damit Abschattungs
maßnahmen, die sonst bei zu hoher Sonneneinstrahlung notwendig sein können.
Die Abschrägung kann in verschieden gestaffelter Weise gewählt werden, in der
Fig. 6 ist dazu ein Beispiel näher gezeigt.
In den folgenden Figuren sind einige der beschriebenen Variationsmöglichkeiten
skizziert. Zur Verdeutlichung sind die Zeichnungen schematisch und im Maßstab
verzerrt dargestellt.
Fig. 1a zeigt als Tragstruktur den Querschnitt einer marktüblichen Wellplatte.
Fig. 1b gemäß 1a sieht man hier einen Querschnitt durch eine Wellplatte mit
mäanderförmiger (rechteckiger) Ausgestaltung.
Fig. 2a zeigt den Querschnitt gemäß Fig. 1a mit Solarkollektoren-Bestückung,
in den Wellentälern mit thermischen Solarkollektoren, auf den Wellen
bergen mit photovoltaischen Elementen.
Fig. 2b Wie in Fig. 2a ist die Kollektor-Bestückung hier jedoch in einer
mäanderförmigen Wellplatte dargestellt.
Fig. 3 stellt den Querschnitt einer "Rinne" dar als Teil eines Wellentals.
In Rinnenlängsrichtung ist darin ein thermischer Solarkollektor ein
gesetzt und über dem dunklen "Wellentalboden" als Absorber angeordnet.
Fig. 4a zeigt zwei nebeneinander liegende Rinnen gemäß Fig. 3 mit gegen
seitigen Befestigungsteilen und
Fig. 4b zwei Rinnen in einer geeignet geformten Tragstruktur-Platte.
Fig. 5a verdeutlicht den Absorberbereich mit Abführkanälen für die, von den
thermischen Kollektoren gebildete Wärme durch Kanäle im Rinnenboden
und
Fig. 5b mittels in einem getrennt eingesetzten Absorberteil integrierten
Abführrohren.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt an einer Gebäudewand eines senkrecht verlaufenden
Wellentals mit abgeschrägten Glasröhrchenstruktur-Flächen.
In der Fig. 1a ist ein Plattenquerschnitt einer marktüblichen Wellplatte als
Tragstruktur gezeigt, wie sie zur Abdeckung von Dach und Wand an Gebäuden ange
wendet wird. Für den vorliegenden Anwendungszweck zur Gewinnung bzw. Nutzung von
Solarenergie weist sie in Platten-Längsrichtung Rinnen als Wellentäler 1 auf, da
zwischen entsprechende Wellenberge 2. Das Plattenmaterial 3 besteht wie üblich
aus unbrennbarem Zementmaterial, wie z. B. Glasfaserbeton.
Die Fig. 1b zeigt gegenüber der Fig. 1a eine Wellplatte mit der abgewandelten
Form eines Querschnitts mit mäanderförmiger Wellung. Hier ist eine rechteckige
Querschnittsausgestaltung gezeichnet mit den Wellentälern 1' und den Wellenbergen
2'. Das Plattenmaterial 3' ist hier andeutungsweise als spezifisch leichtes Ma
terial, wie z. B. Glasschaum oder Blähbeton, skizziert.
Unter Anwendung eines üblichen Wellplatten-Profils gemäß Fig. 1a sind in der
Fig. 2a die Bereiche der Wellentäler 1 für eine Bestückung mit thermischen Solar
kollektoren vorgesehen. Diese bestehen aus einer mit Glasscheiben-Abdeckung 4 ver
sehenen lichtdurchlässigen Struktur 5, die das Wellental zum großen Teil ausfüllt.
Im Bereich der Wellenberge 2 sind photovoltaische Solarplatten-Elemente 6 aufgesetzt.
Der Raum 7 in Fig. 2a dient als Absorberraum, um die durch die lichtdurchlässige
Struktur 5 dort auftreffende Solarstrahlung auf einem Absorber in Wärme umwandeln
zu können.
Für die lichtdurchlässigen Strukturen können - wie bisher üblich - gitter- oder
röhrchenförmige Kunststoffe zur Anwendung kommen, z. B. aus (klarsichtigem) Poly
carbonat oder Polymethacrylat. Infolge deren geringwärmebeständigen und brand
technischen Nachteile sind sie in Zukunft zu ersetzen durch Glasröhrchen-Strukturen,
wie sie oben erwähnt und im Patentanspruch 6 gekennzeichnet sind.
In Fig. 2b ist eine Variante gemäß der in Fig. 1b gezeigten Tragstruktur an
gegeben, und zwar mit gleichartiger Kollektor-Bestückung in einer mäanderförmigen
Wellplatten-Ausbildung. Die Rechteckform bietet Vorteile für die Plazierung der
lichtdurchlässigen Strukturen 5' in den Wellentälern 1', weil derartige Struktu
ren mit einer einfachen rechteckigen Querschnittsform fertigungstechnisch sehr
preiswert erzeugbar sind. Sie ist an der Glasabdeckung 4' befestigt und endet im
unteren Teil des Wellentals im Absorberraum 7'.
Für die Aufnahme photovoltaischer Elemente 6' auf den Wellenbergen 2' liegt bei
der hier gewählten mäanderförmigen Querschnittsausbildung der Wellplatte eine
ebene Fläche vor, was die Befestigung der Elemente im Gegensatz zu der Variante
der Fig. 2a erleichtert.
In Fig. 3 sieht man den Querschnitt einer "Rinne", sozusagen als Ausschnitt eines
einzelnen Wellentals einer mäanderförmigen Tragstruktur-Platte. Die Rinne besteht
hier aus einem U-förmigen langgestreckten Profil 8 mit rechteckigem Querschnitt.
Der eingesetzte Solarkollektor, der sich über die ganze Länge des Rinnenprofils
erstrecken kann, ist, wie in Fig. 2b, ein glasabgedeckter lichtdurchlässiger
Strukturkörper 5'. Dieser steht über einer dunkel gefärbten Fläche 9 im Boden des
U-Profils. Die Fläche 9 kann durch ein eingelegtes dunkles Blech oder auch durch
Einfärbung des U-Profil-Bodens realisiert sein.
Fig. 4a zeigt den Querschnitt zweier, in ihrer Längsrichtung parallel aneinander
gelegter U-Profile mit eingesetzten thermischen Solarkollektoren gemäß Fig. 3.
Ihre Verbindung ist hier durch Befestigungsteile 10 angedeutet.
In der Fig. 4b werden zwei solcher Rinnen mit geringem Querabstand zueinander
gezeigt, deren Orientierung und Befestigung über eine gemeinsame Tragstruktur
platte 11 - getrennt durch Stege 12 - vorgenommen ist.
In Fig. 5a sieht man Abführungskanäle 13, die im Bodensteg der U-förmigen
Tragstruktur 8 eingelagert sind. Diese dienen dem Zweck, die auf dem Absorber
9 entstandene Wärme abführen zu können, indem die Kanäle mit einem Medium,
wie Wasser oder Luft, durchströmt werden.
Gemäß Fig. 5b können derartige Abführkanäle auch in einem Absorberblech 14
integriert sein, das im unteren Bereich des "Wellentals" eingesetzt worden ist.
In der Fig. 6 ist ein Beispiel gezeigt für abgeschrägte Glasröhrchen-Struktur
flächen.
Sie zeigt im Längsschnitt die obere Begrenzung eines Wellentals der Tragstruk
tur 15 an einer (hier nur angedeuteten Gebäudewand 16.
Die Abschrägung 17 ist hier blockmäßig abgesetzt und steht (schräg zu den Röhrchen
achsen 18) im Winkel α zu der mit dem Pfeil 19 angegebenen Richtung der Sonnen
einstrahlung. Diese kann nicht in die Röhrchen 20 eindringen und somit auch
nicht auf das Absorberblech 21 auftreffen. Lediglich die kleine Fläche 22 an
den Vorsprüngen der abgesetzten Blöcke 23 bietet eine geringe Spiegelfläche
für auftreffende Sonnenstrahlen.
Bei Vergrößerung des Sonneneinstrahlungs-Winkels β, was für den Winter bzw.
allgemein für niedrigere Sonnenhöhen zutrifft, können dann die Sonnenstrahlen
in die Glasschichtung eindringen und damit entsprechend auch auf den Absorber
21 treffen.
Die Glasabdeckung 24 der Röhrchenblöcke 23 kann an deren Vorderflächen ange
ordnet sein, wie skizziert, oder auch ganze Gruppen abdecken, wie durch die
gestrichelten Linien 25 angedeutet.
Die Abschrägung 17 kann auch an jedem einzelnen Glasröhrchen ausgebildet sein,
mit deren Addition zu Röhrchenblöcken durch analoge Stellung der Abschrägung
das Eindringen steil einfallender Sonnenstrahlung in gewünschten Massen ver
hindert bzw. vermindert werden kann.
Claims (10)
1. Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Tragstruktur besteht,
die eine wellenförmige Querschnittsausgestaltung zur Aufnahme von sowohl
thermischen Solarkollektoren in den Wellentälern als auch wahlweise photo
voltaischen Platten-Elementen auf den Wellenbergen aufweist, bei der im
Raum über den Wellentalböden jeweils ein Absorber zur Wärmebildung und zur
Abführung der dort entstandenen Wärme entlang der Wellenrinnen bis an die
Begrenzung des Tragstrukturbauteils eingesetzt sind und bei der die von
den photovoltaischen Elementen kommenden Stromleitungen entlang der Wellen
berge bis an die Begrenzung des Tragstrukturbauteils zwecks Abgriff der
bei der Sonneneinstrahlung entstandenen elektrischen Spannung verlegt sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur aus
einem flächig profilierten, unbrennbaren und formbeständigen sowie wahl
weise thermisch isolierenden Material gebildet ist.
3. Bauteil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trag
struktur mäanderförmig profiliert ist und rechteckige Querschnitte für Wel
lental und Wellenberg aufweist.
4. Bauteil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trag
struktur aus einem unbrennbaren Material besteht, das mit Hohlräumen in Form
von schaumartigen Lufteinschlüssen und/oder luftgefüllten Kanälen ausgestattet
ist.
5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in den von den
Wellentälern umschlossenen Tragstruktur-Räumen als Teil eines thermischen
Solarkollektors lichtdurchlässige Strukturen mit einer Glasabdeckung angeord
net sind.
6. Bauteil nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die licht
durchlässigen Strukturen aus einer achsparallelen Schichtung von senkrecht
zur Glasabdeckung stehenden dünnwandigen Glasröhrchen im Dimensionsbereich
unterhalb 10 Millimeter Durchmesser bestehen.
7. Bauteil nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wellentalböden im Innern der Tragstruktur als dunkle Flächen ausgebildet
sind zwecks Absorption der durch Lichteinfall entstandenen Wärme und daß
Kanäle im Wellentalboden-Bereich zwecks Abführung der Wärme eingelagert
sind.
8. Bauteil nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wel
lentalböden bedeckt sind mit dunkel eingefärbten Heat-Pipes, sogenannten
Wärmeleitrohren,als Absorber und daß sie durch ihre Formgebung in, gegen
über den Absorber-Räumen kühleren Zonen enden zwecks dortiger Abnahme der
von ihnen gespeicherten und dorthin transportierten Wärmeenergie.
9. Bauteil nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Sonne zugewandten Flächen der lichtdurchlässigen Strukturen eine ab
geschrägte Formgebung zur Richtung der eintreffenden Sonnenstrahlen auf
weisen.
10. Bauteil nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die licht
durchlässige Struktur aus einzelnen Röhrchenblöcken besteht, deren der Sonne
zugewandten Flächen jeweils mit einer Glasabdeckung versehen sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19801380A DE19801380A1 (de) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | Bauteil mit Sonnenkollektoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19801380A DE19801380A1 (de) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | Bauteil mit Sonnenkollektoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19801380A1 true DE19801380A1 (de) | 1999-07-22 |
Family
ID=7854748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19801380A Withdrawn DE19801380A1 (de) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | Bauteil mit Sonnenkollektoren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19801380A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ITMI20090245A1 (it) * | 2009-02-23 | 2010-08-24 | Francesco Gaspare Sciaulino | Materiale laterizio cementizio o di granulato(granigliato) con stratificato pellicola o strato fotosensibile che generi energia elettrica. |
CN102191837A (zh) * | 2010-03-12 | 2011-09-21 | 王英 | 波形瓦聚光太阳能水电一体化建筑模块 |
-
1998
- 1998-01-16 DE DE19801380A patent/DE19801380A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ITMI20090245A1 (it) * | 2009-02-23 | 2010-08-24 | Francesco Gaspare Sciaulino | Materiale laterizio cementizio o di granulato(granigliato) con stratificato pellicola o strato fotosensibile che generi energia elettrica. |
CN102191837A (zh) * | 2010-03-12 | 2011-09-21 | 王英 | 波形瓦聚光太阳能水电一体化建筑模块 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |