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Spektralselektive Kunststoffolie für die Solartechnik
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Die Erfindung betrifft beschichtete, UV-beständige, solartransmittierende,
IRreflektierende Kunststoffolien, die in der Solartechnik als Abdeckfolie oder als
Wandungen von Solarkollektoren Verwendung finden.
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Der Sonnenenergie als umweltfreundliche und regenerative Energiequelle
kommt eine wachsende Bedeutung zu. Die breite Einführung der Solartechnik wird jedoch
trotz ihrer unbestrittenen Vorteile nur dann möglich sein, wenn sie auch wirtschaftlich
genug ist, um mit den fossilen und nuklearen Energiequellen konkurrieren zu können.
Derzeit liegen selbst die einfachsten Solarsysteme, wie z. B. Flachkollektoren für
Wohnraumheizung, noch am Rande der Rentabilität.
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Einige wichtige Voraussetzungen für die wirtschaftliche Herstellung
und Verwendung von Flachkollektoren sind bereits technisch realisiert, nämlich -
die Anwendung von Aluminium-Platinen, die nach dem unter dem Warenzeichen ROT.TROND
bekannt gewordenen Verfahren hergestellt worden sind und als rationelle Absorber-Wärmetauschereinheit
Verwendung finden,
- die Entwicklung hochwertiger und kostengünstiger
selektiver Beschichtungen für Absorber-Platine, wie sie beispielsweise in der deutschen
Patentanmeldung P 26 16 662.1 beschrieben sind.
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Eine weitere, verbesserungsbedürftige Komponente von Flachkollektoren
ist das Abdecksystem.
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Flachkollektoren werden bislang mit ein oder zwei normalen Glasscheiben
abgedeckt, welche vor allem zwei Aufgabe erfüllen: - Transmission der Sonnenstrahlung,
aber Unterdrückung der Wärmeabstrahlung des Kollektors (Treibhauseffekt).
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- Reduzierung der Konvektions- und Wärmeleitungsverluste nach oben.
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Obwohl Glas diese Aufgaben gut erfüllt, zeigen sich bei näherer Betrachtung
erhebliche Nachteile. Glas reduziert die Abstrahlung hauptsächlich durch Absorption.
Wesentlich effektiver könnte dies durch ein hohes Infrarot-Reflexionsvermögen geschehen.
Es wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, Glas diese Eigenschaft durch eine Beschichtung
zu vermitteln. Diese Ergebnisse sind bisher nicht praktisch verwertbar, da die Schichten
entweder zu teuer sind oder aber die gute Transmission des Glases erheblich verschlechtert
wird.
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Glasscheiben haben ein hohes Gewicht, weshalb bei Solarkollektoren
aufwendige Rahmenkonstruktionen und Kollektoraufhängungen notwendig sind. Nachteilig
ist weiter, daß Glas zerbrechlich ist.
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Steinschlag, Hagelschlag, hohe Schneelasten und starke Temperaturschwankungen
können
zum Bruch des Glases führen. Der weitaus wichtigste Gesichtspunkt ist jedoch, daß
Kollektoren mit Glasabdeckung sehr teuer sind. Zu dem hohen Betrag für großflächige
Glasscheiben verursacht die Halterung und Montage der Glasscheibe erhebliche Kosten.
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Aus der DT-OS 25 23 089 ist es bekannt, zur Abdeckung von Solarkollektoren
Fluorkunststoffolien zu verwenden. Dadurch werden zwar die oben aufgelisteten Nachteile
von Glasscheiben vermieden, jedoch sind solche Spezialfolien mit besonderer chemischer
Zusammensetzung teuer in der Herstellung. Die mechanische Festigkeit solcher Folien
ist gering; sie dahnen sich bei Wärme aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, handelsübliche Kunststoffolien,z.
B. Polyesterfolien, durch Beschichtung auf einer oder beiden Seiten UV-beständig,
solartransmittierend und IR-reflektierend zu machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf die
Folien aufgebrachte Beschichtung eine transparente, halbleitende Substanz einer
anorganischen Verbindung, wie Metalloxid, Metallnitrid, Metallsulfid, Metallhalogenid,
ist, deren optische Absorptionskante zwischen 300 und 400 nm liegt.
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und Dabei bietet die Beschichtung Schutz vor UV-Strahlung maximale
Transmission für Sonnenlicht, während die übrigen Eigenschaften, wie mechanische,
thermische und chemische Stabilität, der Kunststoffolie erhalten bleiben.
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FUr die Erzeugung der UV-Schutzschicht auf der Folienoberseite
sind
vor allem transparente Metalloxide, wie SnO2, CeO2, TiO2, ZrO2, SiO, Sb203, PbO,
geeignet, es können jedoch prinzipiell auch Sulfide, Halogenide und Nitride verwendet
werden. Wichtig dabei ist, daß die optische Absorptionskante der Schichten bei 300
bis 400 nm liegt. Die Dicke der UV-Schutzschicht wird erfindungsgemäß so gewählt,
daß auf Grund von Interferenzeffekten eine optimale solare Transmission entsteht
(Antireflexschicht). Die Schichtdicke muß dabei nicht, wie sonst üblich, auf senkrechten
Einfallswinkel bezogen werden; durch die Binstellung etwas kleinerer Schichtdicken
wird die Transmission bezüglich schrägen Einfalls bevorzugt, was für den Wirkungsgrad
des gesamten Systems vorteilhaft ist.
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FUr die Erzeugung der IR-Reflexion auf der Folienunterseite kön-Qen
entweder Interferenzfilter, Dispersionsfilter oder Halbleiterfilter verwendet werden;
dies wird im folgenden erläutert: Das Interferenzfilter besteht aus einem System
von zwei oder mehreren Schichten. Das hohe Reflexionsvermögen im infraroten Bereich
wird erreicht, in-dem eine der verwendeten Schichten selbst ein hohes Reflexionsvermögen
besitzt dünne Metallschicht) oder indem Schichten mit stark unterschiedlichen optischen
Konstanten gewählt werden, so daß eine starke Reflexion an ihren Grenzflächen entsteht.
In beiden Fällen wird sich das hohe Reflexionsvermögen auch im solaren Spektralbereich
fortsetzen, kann aber weitgehend durch Interferenzeffekte kompensiert werden. Dies
bedeutet, daß die Schichtdicken der verwendeten transparenten Schichten so einzustellen
sind, daß sich für Sonnenlicht eine maximale Transmission ergibt.
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Beim Dispersionsfilter wird ebenfalls die Reflexion an Grenzflächen
von stark unterschiedlich brechenden Substanzen verwendet; die hohe Transmission
im solaren Spektralbereich wird primär nicht durch Interferenzeffekte erreicht (obwohl
diese unterstützend mitwirken können), sondern dadurch, daß die eingesetzte Substanz
im Solarbereich identische oder nur leicht verschiedene Brechungsindices besitzen.
Ähnliche Brechungsindices im Solarbereich und stark differierende Brechungsindices
im Infrarotbereich bedeutet, daß mindestens eine der Schichten eine starke Dispersion
CÄnderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge) aufweisen muß. Solche Schwankungen
des Brechungsindex treten z. B. an Stellen mit starker Absorption auf (anomale Dispersion).
Bei der Auswahl solcher Substanzen ist zu berücksichtigen, daß die erhöhte Reflexion
im Wellenlängenbereich von 5 bis 15/1 zu liegen kommt, weil dort der Hauptanteil
der Wärmestrahlung bezogen auf Absorbertemperaturen von 20 bis 1500 C (Planck'sche
Kurve) liegt. Viele Substanzen wie A1203, Si3N4, SiO2, BeO2, MgF2, Aluminiumsilikate,
Karbonate, Karbide haben in diesem Gebiet starke IR-Absorptionsbanden und entsprechende
Brechungsindicesschwankungen. Xegen der geringen Breite von Reflexionsbanden ist
der Effekt ziemlich beschränkt, kann aber durch Kombination verschiedener Schichten
verstärkt werden.
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Schließlich können auch die für Glas vorgeschlagenen Halbleiterfilter,
bestehend aus einer transparenten, halbleitenden Schicht mit hoher selektiver Leitfähigkeit,
wie Zinnoxid, Cadmiumoxid, Indiumoxid usw., verwendet werden.
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Welcher der vorgeschlagenen IR-Reflexionsschichten der Vorzug zu geben
ist, hängt weitgehend von den technischen und ökonomischen Bedingungen des jeweiligen
Anwendungsfalls ab. Dispersionsfilter erreichen keine sehr hohe Selektivität, zeichnen
sich aber durch gutes Transmissionsvermögen aus, das sogar noch über dem der unbeschichteten
Trägerfolien liegen kann. Interferenzfilter sind aufwendiger in der Herstellung,
weil mehrere Schichten mit exakten Schichtdicken erzeugt werden müssen, dafür bieten
sie sehr gutes Reflexions- und Transmissionsvermögen.
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Zur Abscheidung der Schichten eignen sich besonders die Aufdampf-und
die Sputtertechnik, weil sie hinsichtlich Dicke und Qualität reproduzierbare Filme
ermöglichen und vor allem für die Folien-Bandbeschichtung geeignet sind. Aus Kostengründen
sind hohe Bandgeschwindigkeiten und damit auch hohe Aufwachsraten erforderlich,
was erfindungsgemäß durch ein Zweistufenverfahren erreicht wird.
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Die vorgeschlagenen Schichten bestehen weitgehend aus Oxiden und anderen
Verbindungen mit sehr hohem Schmelzpunkt. Teilweise neigen sie dazu, bei der Vakuumbeschichtung
sich in ihren Eigenschaften zu verändern. Es ist deshalb vorteilhaft, vom Metall
auszugehen, was wesentlich leichter und kontinuierlicher aufzudampfen oder aufzusputtern
ist und diesen Metallfilm in einer zweiten Stufe zur gewünschten Schicht aufzuoxidieren.
Die Oxidationsmethode richtet sich nach dem jeweiligen Metall. Bei dünnen Cerfilmen
z.
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B. reicht die Oxidation an Luft aus, bei anderen Metallen muß bei
erhöhten
Temperaturen in reinem Sauerstoff oder in einem Sauerstoffplasma gearbeitet werden.
Im Bedarfsfall kann es auch vorteilhaft sein, die Oxidation während der Metallbeschichtung
durchzuführen, indem in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einem Sauerstoffplasma
aufgedampft (reaktives Bedampfen, Ionenbedampfen) oder gesputtert wird (reaktives
Sputtern).
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Die Beschichtung von Glas mit transparenten Materialien ist an sich
nicht neu und wird bei der Vergütung von optischen Geräten, Antireflexschichten
auf Brillengläsern und speziellen Fenstern und auf Schaugläsern verwendet. Das Erfindungswesentliche
besteht darin, daß es bisher nicht erkannt wurde, daß an sich bekannte Techniken
in Verbindung mit neuartigen Substanzen, neuen Schichtkombinationen und besonderen
Abscheidungsverfahren verwendet werden können, um Kunststoffolien zu veredeln, also
UV-fest zu machen und mit besonderen optischen Eigenschaften zu versehen und daß
daraus für die Solartechnik besondere ökonomische und technische Vorteile erwachsen.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind zum Gegenstand von Unteransprüchen
gemacht worden.
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Bine Gegenüberstellung der Merkmale einer beschichteten Polyesterfolie
und einer beschichteten Glasscheibe ist in der beiliegenden Tabelle wiedergegeben.
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Die erfindungsgemäß beschichteten Folien können in folgender Weise
für die Abdeckung von Solarkollektoren verwendet werden:
1. Folie
mit IR-Reflexionsschicht Einsatzbereich: Zweischeibenkollektor mit nicht selektivem
Absorber. Die Folie ersetzt nur die untere Glasscheibe, muß also nicht UV-fest sein.
Vorteilhaft ist hierbei geringes Gewichts höherer Wirkungsgrad durch Vermeidung
von Wärmeabstrahlung.
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2. Folie mit UV-Schutzschicht Zinsatzbereich: Einscheibenkollektor
mit selektivem Absorber.
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Die Folie ersetzt die einfache Glasscheibe. Vorteilhaft ist die entscheidende
Gewichtseinsparung, die einfachere Kollektorkonstruktion, die Wirkungsgraderböhung
durch höhere Transmission.
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3. Folie mit UV- und IR-Schicht Einsatzbereich: Ein- und Zweischeibenkollektor
mit nicht selektivem Absorber. Die Folie ersetzt die Glasscheiben.
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Vorteile: Erhebliche Gewichtseinsparung, einfache Kollektorkonstruktion,
höherer Wirkungsgrad durch Einsparung einer Glasscheibe und durch Vermeidung von
Abstrahlungsverlusten. Geeignet für jeden Kollektortyp, insbesondere für technisch
einfache Kollektoren.
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Die Anwendung der Folien auf Solarkollektoren ist jedoch nur ein Beispiel,
das zur besseren Verständlichkeit der Erfindung gewählt wurde. Für spektralselektive
Kunststoffolien mit den oben beschriebenen Eigenschaften ergeben sich auch andere
Einsatzmöglichkeiten in der Solartechnik, in der Wärmetechnik und in der Klimatechnik,
z. B.: Schwimmbadbeheizung, Gewächshausbau; Abdeckung von Speicherbecken, Verkleidung
von Fenstern in Wohnhäusern, Jalousien, Vorhänge,
Solardächer,
Solarwände, solararchitektonische Bauelemente, solare Trocknung, Sonnenreflektoren,
Sonnenkonzentratoren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand von Figuren nachfolgend
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Kunststoffolie 1, z. B. Polyesterfolie, die auf
der Oberseite mit einer UV-Schutzschicht 2 bedeckt ist, Fig. 2 zeigt eine Kunststoffolie
1, die auf der Unterseite mit einer IR-Reflexionsschicht 3, bestehend aus einem
3-Schicht-Interferenzsystem (Oxidschicht, semitransparente Metallschicht, Oxidschicht)
beschichtet ist und Fig. 3 zeigt eine Kunststoffolie 1 mit UV-Schutzschicht 2 und
einer IR-Reflexionsschicht 3.
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Tabelle Beschichtete Glasscheibe Polyesterfolie (100/u) (3 mm) 2 2
Gewicht 150 g/m 8 kg/m Mechanische Hervorragend. E-modul beträgt zerbrechlich Festigkeit
ein Drittel des Wertes von Stahlblech gleicher Dicke flexibel spröde Transport unproblematisch
unhandlich, hoher Verpackungsaufwand Thermische Beständig im Dauereiasatz Temperaturbeständig,
Eigenschaften von -200 C bis +150 C; aber Bruchgefahr bei temperaturschockbeständig
örtlichen oder zeitlichen Temperaturschwankungen Schrumpfungseffekt bei Erwärmung,
d.h. Ausbeulung ist ausgeschlossen.
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Chemische Folie und Beschichtung be- Beständig gegen alle Beständigkeit
ständig gegen alle praktisch Substanzen außer vorkommenden Substanzen Flußsäuren
(Gase, Lösungsmittel, verdünnte Säuren usw.) Brechungs- 1,6 (unbeschichtet) 1,45
- 1,6 index Transmission ca. 90 % (unbeschichtet) 92 % bei 550 nm > 90 % (mit
Antirelfex- x) schicht) IR-Reflexion ca. 80 % ca. 10 % x) Kosten DM 1,00/qm (unbeschichtet)
DM 10,00 bis 20,00/ qm x) Glas kann natürlich prinzipiell auch durch Spezialbeschichtung
mit diesen Eigenschaften ausgerüstet werden, wird dann äber zu teuer für solartechnische.Anwendungen.
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