WO2009027218A1 - Lichtdurchlässiger sonnenenergiekollektor - Google Patents

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WO2009027218A1
WO2009027218A1 PCT/EP2008/060553 EP2008060553W WO2009027218A1 WO 2009027218 A1 WO2009027218 A1 WO 2009027218A1 EP 2008060553 W EP2008060553 W EP 2008060553W WO 2009027218 A1 WO2009027218 A1 WO 2009027218A1
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WO
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solar energy
plastic
energy collector
collector according
translucent solar
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Wolfgang Scharnke
Volker Mende
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Evonik Röhm Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to translucent solar energy panels containing IR absorber, carbon black and colorants, as well as its use as tagedännnendes and sun protective Roofing and glazing material.
  • EP 927741 describes thermoplastics containing a copper dithiocarbamate compound which can be injection molded.
  • JP 10157023 discloses thermoplastics containing IR-absorbing dithiol metal complexes.
  • EP 607031 and JP 06240146 describe thermoplastics containing IR-absorbing phthalocyanine metal complexes.
  • JP 61008113 discloses IR-absorbing adhesive sheets which can be applied to glazings.
  • JP 56129243 and EP 19097 disclose plastic sheets of methyl methacrylate which contain organic copper phosphate complexes as IR absorbers.
  • WO 01/18101 describes molding compositions containing IR-absorbing dyes.
  • the molding compositions are also suitable, inter alia, for the production of cavity plates, double-skin sheets or multi-layer sheets, which may optionally also be provided with one or more coextruded layers.
  • the entire shaped body contains the IR-absorbing pigment. This has the disadvantage that the absorbed heat heats the entire plastic body and the heat is unspecifically discharged in all directions.
  • the plastic body consist of a basic form body, which is made of a transparent thermoplastic resin base material, and which consists of at least two opposite planar layers which are interconnected by vertical or diagonally arranged webs, wherein one of the sheet-like layers with an additional Layer is provided of a plastic matrix of transparent plastic base material, characterized in that the additional layer is an IR-absorbing layer containing one or more, the transparency of the plastic body does not adversely affecting IR absorber, which in the range of near infrared radiation (780nm to 1100 nm) has an average transmission of less than 80%, the plastic body has a light transmission (D65) of 15 to 86%, a heat transfer coefficient of 4 W / m 2 K or less and an SK number of 1, 15 or greater ,
  • DE 2904564 describes a solar energy collector whose surface elements are translucent, and whose heat exchanger absorbs radiation only in a part of the area covered by the surface elements.
  • the heat exchanger preferably covers 40-70% of the area, since it is usually constructed of opaque material.
  • a translucent surface element or an opaque heat exchanger can be used. It should thus be provided a plastic body which is translucent and has a more pleasant color tone. At the same time, the solar energy should be used and also to avoid excessive heating on the side facing away from the sun.
  • the object is achieved by a translucent solar energy collector consisting of a web double or multiple plate made of transparent thermoplastic material containing an internal, the transparency of the plastic body does not adversely affecting IR absorber layer in the range of near infrared radiation (780nm to 1100 nm) average transmission has less than 80%, characterized in that the hot air formed in the web plate is fed directly to a heat exchanger
  • a particular embodiment of the present invention differs in that in addition a mixture of a carbon black and colorants is included, so that the plastic body has an appealing shade of gray.
  • the measures result in that the SK number is in contrast to WO 03/013849 under 1, 15, it was surprisingly found in a practice-oriented test that the temperature rise on the opposite side of the plastic body when exposed to light (greenhouse effect) in a similar manner is reduced as in plastic bodies according to WO 03/013849.
  • the invention is therefore also based on the finding that the selectivity index according to DIN 67507 (SK number) is only a limited suitable control variable for the development of IR absorber-containing plastic body, which should have a reduced greenhouse effect.
  • the invention relates to solar energy collectors, which are characterized by a particularly simple structure. It is a conventional web double or multi-plate according to the invention provided with an inner IR absorber layer. As a result, solar energy is absorbed, which on the one hand leads to the reduction of heat energy on the solar side facing away from the web plate. Accordingly, the solar energy collector according to the invention also fulfills the object of thermal insulation.
  • the air in the web double or multiple plate is considerably heated by the IR absorber layer. Radiated solar energy is converted into thermal energy by the IR absorber layer. The passing air is heated. With a downstream heat exchanger, this warm air can be used, for example, for hot water.
  • the incorporation of the functional layer in the interior of the web double or - multiple plate also has the advantage that this layer is protected from the weather and mechanical influences.
  • the solar energy collector according to the invention can be used directly as a roof window or other translucent roofing.
  • the invention relates to web double or Mehrfachplatten solar energy collectors consisting of a transparent thermoplastic material containing one or more, the transparency of the plastic body not impairing IR absorber, in the range of near infrared radiation (780nm to 1100 nm) has an average transmission of less than 80%, preferably less than 75.
  • a mixture of a carbon black and colorants may be included, so that the plastic body or possibly only portions of the plastic body a gray tone based on the Cie-Lab color space within L * corresponding to the specified light transmission range, eg. B. L * in the range 10 to 75 or 30 to 75, as well
  • a * +/- 5.0, preferably -5.0 to -0.5, more preferably -3.0 to -2.0, and
  • b * +/- 5.0, preferably 1, 0 to 5.0, particularly preferably 3.0 to 4.5.
  • the plastic body has an SK number of less than 1, 15, in particular less than 1, 1, z. B. 1, 0 to 1, 1 or optionally 0.8 to 1, 1 on.
  • the Cie-Lab color space allows, in contrast to the two-dimensional standard color chart to make color comparisons and to measure the distance to target colors.
  • the size L * indicates the brightness (leightness) and correlates approximately with the transmittance of a plastic body to be measured. L * in the range 10 to 75 correlates roughly with light transmission (D65) of 15 to 70%.
  • the size a * indicates the red-green chroma, the size b * the yellow-blue chroma.
  • the plastic body may have a light transmittance (D65, DIN 67 507, light transmittance for daylight (standard illuminant D65) D ⁇ S SZB also DIN 5033/5036) of 15 to 70, preferably from 25 to 50%.
  • a light transmittance D65, DIN 67 507, light transmittance for daylight (standard illuminant D65) D ⁇ S SZB also DIN 5033/5036
  • the solar energy collectors according to the invention are realized by means of a hollow chamber plate, in particular a double-walled plate, a multi-plate plate, in particular a web triple plate or a quadruple plate.
  • the hollow chamber plate may consist of at least two layers which are not firmly connected and / or are firmly connected by coextrusion or by lamination or by painting.
  • Hollow chamber plates or web plates consist of two opposite flat layers, the outer straps, the upper and lower straps, which are interconnected by vertical or diagonally arranged webs.
  • the laminar layers are preferably parallel to each other.
  • B. are two parallel belt layers, namely the upper and lower flange, with corresponding webs before.
  • a web trough panel also has an intermediate belt arranged parallel to the upper and lower belt. Intermediate straps lie in the interior of the plate in contrast to the upper and lower straps.
  • the webs may be at least partially arranged diagonally.
  • the IR absorber is expediently in the applied, coextruded, laminated and / or lacquered layer.
  • This layer may or may not contain soot and colorant.
  • the IR absorber is preferably located in a layer, eg. As an inner, thin coextruded layer, while soot and colorant are in another layer, in particular in the underlying basic form body.
  • a further preferred embodiment is a hollow chamber plate, in particular a double-walled plate, a multi-plate web, in particular a web triple plate or a web quadruple plate, in which one or optionally both straps and the remaining web plate are coextruded, wherein at least one coextruded belt, the IR absorber, and carbon black and colorants contains.
  • the rest of the web plate can z. B. colorless or, to ensure a uniform color impression, carbon black or carbon black and colorants.
  • the web plate consists of impact-modified poly (meth) acrylate.
  • the coextrusion of a complete outer belt has the advantage that the layer has sufficient thickness or thickness, for. B.
  • the preferred way to place the IR absorbing layer is through a continuous coextruded inner coating of one or both of the straps.
  • a corresponding extrusion tool for the inner coating of the belt surfaces of web plates is known from EP 1 270 176 A.
  • Thickness of the upper and lower straps for web plates approx. 0.4 to 3 mm
  • Thickness of the intermediate straps and webs with web plates approx. 0.1 to 2 mm.
  • Lengths up to approx. 6000 mm or more (if necessary cut to length)
  • the web plates consist essentially of a transparent thermoplastic plastic base material, a z.
  • a polymethyl methacrylate plastic a toughened polymethyl methacrylate (see, for example, EP-A 0 733 754)
  • a polycarbonate plastic branched or linear polycarbonate
  • a polystyrene plastic styrene-acrylonitrile plastic
  • a Polyethylene terephthalate plastic a glycol-modified polyethylene terephthalate plastic
  • a polyvinyl chloride plastic a transparent polyolefin plastic (e.g., producible by metallocene-catalyzed polymerization), or an acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) plastic.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • a transparent thermoplastic material or plastic base material has, without IR absorber, carbon black and colorants, for.
  • the transparent thermoplastic resin base material and a scattering agent for. B. BaSO 4 , z. B. in amounts of 0.5 to 5 wt .-%, or another light scattering agent, for. As Lichtstreuperlen be added, whereby the original transparent plastic light scattering, translucent.
  • Lichtstreuperlen can z. B. in concentrations of 0.1 to 30 wt .-%, preferably 0.5 to 10 wt .-% are added.
  • Crosslinked light scattering beads of copolymers of methymethacrylate and styrene or benzyl methacrylate, especially for Base moldings of polymethylmethacrylate are suitable, for. B. known z. Example from DE 35 28 165 C2, EP 570 782 B1 or EP 656 548 A2.
  • the layer thickness of the inner, thin layer is z. In the range of 2 to
  • the layer thicknesses of coextruded layers are preferably in the range from 5 to 250, preferably from 20 to 150, in particular from 50 to 125 ⁇ m.
  • the layer thicknesses of laminated layers are preferably in the range of 10 to 250, preferably 10 to 100 microns.
  • the layer thicknesses of coated layers after drying are preferably in the range from 2 to 50, preferably from 5 to 25 ⁇ m.
  • the IR-absorbing layer may additionally comprise a UV absorber in conventional concentrations, eg. B. 0.1 to 15 wt .-%, to protect the IR absorber and the plastic matrix from degradation by UV radiation.
  • the UV absorber may be a volatile, low molecular weight, slightly volatile, high molecular weight or polymerizable UV absorber (see, for example, EP 0 359 622 B1).
  • the plastic matrix of the IR absorbing layer is made of transparent plastic base material which may be thermoplastic, thermoelastic or crosslinked.
  • the plastic base material of the IR absorbing layer of the same type of transparent, thermoplastic plastic base material, which also consists of the basic form body, so z.
  • the base molding z. B. consist of a more viscous variant of a plastic type, z.
  • Polymethyl methacrylate, and the plastic matrix of a lower viscous variant of the same type, e.g. B. a low-viscosity polymethylmethacrylate, z. B. is particularly well suited for coextrusion.
  • the outer layer and thereby the entire plastic body appears greenish to bluish turquoise, depending on the IR absorber used.
  • you can use a light-scattering pigment eg. B. a white pigment, z.
  • barium sulfate in amounts of 0.5 to 5 wt .-% enforce. This has the technical advantage that the glare effect in translucent sun is mitigated by the light is scattered.
  • a compensation of the color impression can be achieved by adding dyes.
  • the transparent plastic base material of the additional layer a scattering agent, for. B. BaSO 4 or another light scattering agent, for. As Lichtstreuperlen be added, whereby the original transparent plastic light scattering, translucent, is.
  • the additional layer of transparent plastic which contains an IR-absorbing layer, one or more further z.
  • B coextruded, painted or laminated layer of plastic, preferably transparent plastic.
  • the IR-absorbing layer is not outside but inside the outer layer of the plastic body.
  • the further or the further layers can have different functions, eg. B. mechanical protection of the IR-absorbing layer, z.
  • the layer thicknesses of the other layers are in the range of 2 to 200, preferably from 5 to 60 microns. It can, for. B.
  • the UV absorber may be a volatile, low molecular weight, slightly volatile, high molecular weight or a polymerizable UV absorber and in a layer with a layer thickness z. B. in the range 2 to 100 microns in a concentration of z. B. 0.01 to 15 wt .-% may be included.
  • the additional layer contains an IR absorber which does not impair the transparency of the plastic body. This means that the plastic body remains clearly transparent in the presence of the contained IR absorber. This is possible because the IR absorber in the plastic matrix of the additional layer is quasi-soluble or copolymerized. Since soluble IR absorbers are relatively high molecular weight, there is generally no migration into underneath or optionally overlying plastic layers.
  • the IR absorber may be an organic Cu (II) phosphate compound.
  • an organic Cu (II) phosphate compounds which can be obtained from 4 parts by weight Phosphorklamethacryloyloxyethylester (PMOE) and one part by weight of copper (II) - carbonate (KCB).
  • organic Cu (II) phosphate complexes such as. In JP 56129243 or EP 19097.
  • These compounds may, for. B. as co-monomers in polymehsierenden paint layers of polymethyl methacrylate plastic be used. Due to their cross-linking effect, they also provide increased scratch resistance of the plastic surface.
  • the IR absorber may be a phthalocyanine derivative. Preference is given to phthalocyanine derivatives such as. As described in patents EP 607,031 and JP 06240146.
  • the IR absorber may be a perylene Dehvat or z.
  • B. be a Quaterrylentetracarbonklareimid compound such. As described in EP 596 292.
  • the non-crosslinking compounds as these z. B. for the coextrusion process or for application in non-polymerizing paints that cure after evaporation of a solvent by itself.
  • the application of an IR-absorbing layer by lamination with prefabricated films has the advantage that the film production generally allows a more uniform layer thickness distribution.
  • Laminated film layers containing the IR absorber are usually more uniform than corresponding coextruded layers.
  • High molecular weight IR absorbers or copolymerizing IR absorbers have the advantage of being particularly stable to migration, i. they do not migrate at high manufacturing or service temperatures or in the course of their useful life practically in the underlying or possibly overlying plastic layers.
  • the above-mentioned IR absorber types can, for. B. in a coextruded or laminated plastic matrix in a concentration of 0.01 to 5, preferably from 0.05 to 2, in particular 0.1 to 0.5 wt .-%.
  • a preferred IR absorber is lanthanum hexaboride (LaB 6 ). This IR absorber is already effective in very low concentrations.
  • Lanthanum hexaboride (LaB 6 ) can be found in a z. B. concentration of 0.0005 to 0.1, preferably 0.005 to 0.08 wt .-% are present.
  • Commercially available lanthanum hexaboride preparations which may contain from about 10-30% by weight of lanthanum hexaboride, from 15 to 35% by weight of zirconium oxide and from 40 to 60% by weight of organic dispersing agents, are suitable for the purposes of this invention ,
  • the ratio between light transmittance (T) and total energy transmittance (g) is less than 1, 15, in particular less than 1, 1, z. B. 1, 0 to 1, 1 or optionally 0.8 to 1, 1.
  • the total energy transmittance (g) describes the proportion of the energy of solar radiation passing through the body. It is composed of directly transmitted radiation and a heat fraction generated by absorption.
  • a high level of thermal insulation can be achieved in that the body consists of at least two solid layers, which are thermally decoupled by air chambers. The layers are interconnected in web plates by thin webs.
  • the IR-absorbing layer preferably consists of a coating layer of a transparent plastic which adheres to the base material and contains one or more IR-absorbing compounds.
  • Concentration of the IR-absorbing compound and layer thickness of the coating layer are preferably z. B. to be chosen so that the maximum of the absorption in the range between 780 and 1100 nm at least 25%, in particular at least 50%.
  • the average absorption in the range between 780 and 1100 nm can z. B. preferably at least 10, more preferably at least 20, in particular at least 25%.
  • the heat transfer coefficient according to DIN 52612 may be less than or equal to 4, preferably 3 to 1, 5 W / m 2 K.
  • the translucent solar energy collectors according to the invention can be used as glazing, roofing or thermal insulation element.
  • the heat energy generated in the solar panels can be used for heating water or room air or directly for energy.
  • the energy content of the light in the solar radiation is about 50%, the UV radiation content is about 5% and about 45% is attributable to the NIR radiation. All three types of radiation contribute to the heating of glazed rooms.
  • Prior art thermal barrier glazings are based on either reflection or solar radiation absorption.
  • Simple systems reduce the overall energy transmittance by reducing radiation transmission over the entire solar radiation range (from 300 nm to 2500 nm). Carbon black pigments absorb the radiation in this area and thus reduce the total energy transmittance depending on the layer thickness or concentration. As a result, the light transmission is also reduced.
  • the selectivity index which describes the ratio of light transmission to total energy transmittance, is therefore no greater in these systems than standard glazes, or even worse in the case of carbon black pigments.
  • a high selectivity index is achieved by selective, high transmission in the visible wavelength range between 380 nm and 780 nm and shielding against IR radiation.
  • a disadvantage of these systems is that the absorbed radiation leads to a heating of the glazing body.
  • the solar radiation consisting of UV, VIS and NIR radiation impinges on the glazing.
  • the essential part of the radiation in the visible range is transmitted.
  • the proportion of radiation absorbed by the glazing is emitted as long-wave heat radiation to the outside (q a ) and to a slight extent inside (q,).
  • the portion of the long-wave heat radiation that is emitted inwardly into the room contributes to the overall energy transmittance.
  • Another advantage of the invention lies in the ease of manufacture of the plastic body. In the co-extrusion process, in a continuous process, multi-web plates of low k value can be directly provided with a topcoat containing the IR absorber.
  • the use of solar energy collectors according to the invention combines the conventional use as a roofing or window with energy production.
  • the indoor climate of the located behind the solar energy panels according to the invention spaces is positively influenced.
  • the direct solar and heat radiation is reduced while gaining energy.
  • the degree of transmission of light and the total energy transmittance are dependent on the type, concentration and layer thickness of the IR absorber in the cover layer as well as on the base body.
  • the appropriate light transmission level depends on the application. In greenhouses, it should be very high, as it has a direct influence on the yield. When roofing pedestrian passages or large-area glazing in air-conditioned buildings, a very low overall energy transmittance is more important.
  • carbon black pigments or other colorants in the topcoat that absorb in both the visible and NIR ranges, the light transmission and, likewise, the total energy transmittance can be further reduced.
  • the minimum light transmission should be at least 30%. For non-dyed double skin plates as a base body, the max. Light transmission up to 86%. In the case of uncoated web plates, the selectivity index is about 1, SK-numbers of a similar size were determined on systems coated on one side in the sense of the invention.
  • the plastic body has z.
  • Example the shape of a multi-web plate, consisting of at least two parallel plastic layers which are interconnected by vertically or diagonally arranged webs.
  • Typical thicknesses for the two outer plates are between 0.2 mm and 5 mm, preferably between 0.5 mm and 3 mm.
  • Typical thicknesses for any existing inner plates are between 0.05 and 2 mm, preferably between 0.1 mm and 1 mm.
  • the distance between the plates should be at least 1 mm, preferably more than 4 mm.
  • the web thickness should be between 0.2 mm and 5 mm, preferably between 0.5 mm and 3 mm.
  • the suitable web spacing is between 5 mm and 150 mm, preferably between 10 mm and 80 mm.
  • the body should be designed in its entirety so that the heat transfer coefficient k according to DIN 52619 is less than 4 W / m 2 K, preferably less than 3 W / m 2 K.
  • the base material consists of a transparent plastic, are suitable for this example a Polymethyl methacrylate plastic, an impact-modified polymethyl methacrylate (see, for example, EP-A 0 733 754), a polycarbonate plastic (branched or linear polycarbonate), a polystyrene plastic, styrene-acrylonitrile plastic, a polyethylene terephthalate plastic , a glycol-modified polyethylene terephthalate plastic, a polyvinyl chloride plastic, a transparent polyolefin plastic (eg producible by metallocene-catalyzed polymerization) or an acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) plastic.
  • a Polymethyl methacrylate plastic an impact-modified polymethyl methacrylate (
  • polymethyl methacrylate is understood as meaning rigid amorphous plastics which are composed of at least 60% by weight, preferably at least 80% by weight, of methyl methacrylate.
  • the polycarbonate plastics are predominantly aromatic polycarbonates of bisphenols, in particular of bisphenol A.
  • the carbon black is preferably added to colorants which have a lower absorption maximum in the wavelength range from 650 to 750 nm than in the wavelength range from 250 to ⁇ 650 nm.
  • Colorants from the commercially available dye series Thermoplast® (BASF), Macrolex® (Bayer), Sandoplast® (Clahant) or Oracet® (Ciba) Macrolexinfluencing® 5B (green colorant based on anthraquinone with the Color Index Solvent Green 3) and Plast Red® 8350 (red colorant based on anthraquinone with the Color Index Disperse Red 22) may preferably be added as the colorant.
  • the content of carbon black and colorants together may be 0.001 to 0.15, preferably 0.05 to 0.1 wt .-% .-%, based on the colored therewith layer of the plastic body.
  • the experimental set-up comprises a support table for the plates to be examined, an incident light at a distance of 100 mm, a protected data logger and a Rohacell box with a volume of 2.2 l.
  • the lighting duration is 45 min.
  • the chamber was irradiated with a global radiation of 827 W / m2 and a max. Air temperature of 35.1 0 C
  • the equipped with IR absorber Stegvierfachplatte shows a changed heating behavior.
  • the temperature is greatly increased, the utilization of heat energy by solar radiation significantly improved.

Abstract

Die Erfindung betrifft lichtdurchlässige Sonnenenergiekollektoren, bestehend aus einer Stegdoppel oder -mehrfachplatte aus transparentem thermoplastischen Kunstoff, enthaltend eine innenliegende, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber-Schicht, die im Bereich der nahen Infrarotstrahlung (780 nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission weniger als 80% aufweist, wober die in der Stegplatte gebildete warme Luft direkt einem Wärmetauscher zugeführt wird.

Description

Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor
Die Erfindung betrifft lichtdurchlässige Sonnenenergiekollektoren, enthaltend IR- Absorber, Ruß und Farbmittel, sowie dessen Verwendung als wärmedännnnendes und sonnenschützendes Bedachungs- und Verglasungsmaterial.
Stand der Technik
Transparente, IR-absorbierende Körper aus Kunststoffen werden in verschiedenen Patentschriften beschrieben. In EP 927741 werden thermoplastische Kunststoffe beschrieben, die eine Kupferdithiocarbamatverbindung enthalten und spritzgegossen werden können.
JP 10157023 offenbart thermoplastische Kunststoffe, die IR-absorbierende Dithiolmetallkomplexe enthalten.
In EP 607031 und JP 06240146 werden thermoplastische Kunststoffe beschrieben, die IR-absorbierende Phthalocyaninmetallkomplexe enthalten.
JP 61008113 offenbart IR-absorbierende Klebefolien, die auf Verglasungen aufgebracht werden können.
In JP 56129243 und EP 19097 werden Kunststoffplatten aus Methylmethacrylat offenbart, die als IR-Absorber organische Kupferphosphatkomplexe enthalten.
WO 01/18101 beschreibt Formmassen, enthaltend IR-absorbierende Farbstoffe. Die Formmassen eignen sich u. a. auch zur Herstellung von Hohlraumplatten, Doppelstegplatten oder Multistegplatten, die optional auch zusätzlich mit einer oder mehreren coextrudierten Schicht versehen sein können. Bei einer solchen Ausführung enthält der gesamte Formkörper das IR-absorbierende Pigment. Dies hat den Nachteil, daß die absorbierte Wärme den gesamten Kunststoffkörper erwärmt und die Wärme unspezifisch nach allen Seiten abgegeben wird.
WO 03/013849 beschreibt Kunststoffkörper mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, hoher Lichttransmission und Absorption im nahen Infrarotbereich. Die Kunststoffkörper, bestehen aus einem Basisform körper, der aus einem transparentem thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial gefertigt ist, und der aus mindestens zwei gegenüber liegenden flächigen Schichten besteht, die durch senkrechte oder diagonal angeordnete Stege miteinander verbunden sind, wobei eine der flächigen Schichten mit einer zusätzlichen Schicht aus einer Kunststoffmatrix aus transparentem Kunststoff- Basismaterial versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht eine IR-absorbierende Schicht ist, die einen oder mehrere, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber enthält, der im Bereich der nahen Infrarotstrahlung (780nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission von weniger als 80% aufweist, der Kunststoffkörper eine Lichttransmission (D65) von 15 bis 86%, eine Wärmedurchgangszahl von 4 W/m2K oder kleiner und eine SK-Zahl von 1 ,15 oder größer aufweist.
Die DE 2904564 beschreibt einen Sonnenenergiekollektor, dessen Flächenelemente lichtdurchlässig sind, und dessen Wärmetauscher nur in einem Teil der von den Flächenelementen überdeckten Fläche Strahlung absorbiert. Der Wärmetauscher überdeckt vorzugsweise 40-70% der Fläche, da er üblicherweise aus lichtundurchlässigem Material aufgebaut ist.
Aufgabe und Lösung
Die DE 2904564 zeigt, dass entweder ein lichtdurchlässiges Flächenelement oder ein lichtundurchlässiger Wärmetauscher eingesetzt werden können. Es sollte somit ein Kunststoffkörper bereitgestellt werden, der lichtdurchlässig ist und eine angenehmere Farbtönung aufweist. Zugleich sollte die Sonnenenergie genutzt werden und zudem eine zu starke Erwärmung auf der sonnenabgewandten Seite vermieden werden. Die Aufgabe wird gelöst durch einen lichtdurchlässigen Sonnenenergiekollektor bestehend aus einer Stegdoppel- oder -mehrfachplatte aus transparentem thermoplastischen Kunststoff, enthaltend eine innenliegende, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber-Schicht, die im Bereich der nahen Infrarotstrahlung (780nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission weniger als 80% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Stegplatte gebildete warme Luft direkt einem Wärmetauscher zugeführt wird
Es wurde gefunden, dass durch eine innenliegende, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigende IR-Absorber-Schicht, die Sonnenenergie zur Erwärmung der Luft in den Hohlkammern genutzt werden kann. Die Luft wird durch die IR-Absorber-Schicht stark aufgewärmt. Die erwärmte Luft kann mittels eines nachgeschalteten Wärmetauschers genutzt werden. Zudem führt die IR-Absorber- Schicht dazu, dass nur stark reduzierte Sonnenenergie zur wesentlich geringeren Erwärmung an der sonnenabgewandten Seite führt.
Gegenüber den bekannten Kunststoffkörpern gemäß der WO 03/013849 unterscheidet sich eine besondere Ausführungsform der vorliegende Erfindung dadurch, dass zusätzlich eine Mischung aus einem Ruß und Farbmitteln enthalten ist, so dass der Kunststoffkörper einen ansprechenden Grauton aufweist. Obwohl die Maßnahmen dazu führen, dass die SK-Zahl im Gegensatz zur WO 03/013849 unter 1 ,15 liegt, wurde überraschender weise in einem praxisorientierten Test festgestellt, dass der Temperaturanstieg auf der entgegengesetzten Seite des Kunststoffkörpers bei Lichteinstrahlung (Treibhauseffekt) in ähnlicher Weise vermindert ist wie bei Kunststoffkörpern gemäß der WO 03/013849. Der Erfindung liegt somit auch die Erkenntnis zugrunde, dass die Selektivitätskennzahl nach DIN 67507 (SK-Zahl) eine nur bedingt geeignete Steuergröße zur Entwicklung von IR-Absorber-haltigen Kunststoffkörper ist, die einen verminderten Treibhauseffekt aufweisen sollen. Eine im Vergleich zur SK-Zahl geeignetere Leitgrösse für die Reduktion des Treibhauseffektes mag im Gesamtenergiedurchlasskoeffizienten g (DIN 67507) oder dem sogenannten „Solar Heat Gain Coefficient" (SHGC, ISO 15099) liegen. Beide Größen korrelieren relativ gut (g = 0,86 x g). Allerdings vermag auch die Betrachtung von g oder SHGC den Gesamteindruck nicht vollständig wiederzugeben. Bei den erfindungsgemäßen Stegdoppel- oder -mehrfachplatten für Sonnenenergiekollektoren ist die Transmission im Vergleich zu nicht erfindungsgemäßen Stegdoppel- oder -mehrfachplatten deutlich, der Gesamtenergiedurchlasskoeffizient nur geringfügig vermindert. Trotzdem erscheinen die erfindungsgemäßen Kunststoffkörper dem unvoreingenommenen Betrachter in der Durchsicht unerwartet hell.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung betrifft Sonnenenergiekollektoren, die sich durch einen besonders einfachen Aufbau auszeichnen. Es wird eine herkömmliche Stegdoppel- oder mehrfachplatte erfindungsgemäß mit einer innenliegenden IR-Absorber-Schicht versehen. Dadurch wird Sonnenenergie absorbiert, was einerseits zur Minderung der Wärmeenergie auf der sonnenabgewandten Seite der Stegplatte führt. Demnach erfüllt der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektor auch die Aufgabe der Wärmedämmung.
Andererseits wird durch die IR-Absorber-Schicht die in der Stegdoppel- oder - mehrfachplatte befindliche Luft erheblich erwärmt. Eingestrahlte Sonnenenergie wird durch die IR-Absorber-Schicht in Wärmeenergie umgewandelt. Die vorbeiströmende Luft wird erwärmt. Mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher kann diese warme Luft beispielsweise zur Warmwasserbereitung genutzt werden.
Die Einbringung der funktionellen Schicht im Inneren der Stegdoppel- oder - mehrfachplatte bietet zudem den Vorteil, dass diese Schicht gegenüber der Witterung und mechanischen Einflüssen geschützt ist.
Idealerweise kann der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektor direkt als Dachfenster oder sonstige lichtdurchlässige Bedachung genutzt werden. Die Erfindung betrifft Stegdoppel- oder -mehrfachplatten als Sonnenenergiekollektoren bestehend aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff, enthaltend einen oder mehrere, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR- Absorber, der im Bereich der nahen Infrarotstrahlung (780nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission von weniger als 80 %, bevorzugt weniger als 75 aufweist.
Zusätzlich kann eine Mischung aus einem Ruß und Farbmitteln enthalten sein, so dass der Kunststoffkörper oder gegebenenfalls auch nur Teilbereiche des Kunststoffkörpers einen Grauton bezogen auf den Cie-Lab-Farbraum innerhalb von L* entsprechend dem angegebenen Lichttransmissionsbereich, z. B. L* im bereich 10 bis 75 oder 30 bis 75, sowie
a* = +/- 5,0, bevorzugt -5,0 bis -0,5 besonders bevorzugt -3,0 bis -2,0 und
b* = +/- 5,0, bevorzugt 1 ,0 bis 5,0 besonders bevorzugt 3,0 bis 4,5 aufweist.
Der Kunststoffkörper weist eine SK-Zahl von kleiner 1 ,15, insbesondere kleiner 1 ,1 , z. B. 1 ,0 bis 1 ,1 oder gegebenenfalls 0,8 bis 1 ,1 auf.
In der Chemischen Industrie werden wie auch in der Glasindustrie, vor allem 2 Farbsysteme bzw. Farbräume genutzt, um den Eindruck von gefärbten Kunststoffen bzw. Gläsern wiederzugeben. Dies sind die Normfarbtafel und der Cie-Lab-Farbraum, die in der DIN 5033, Teil 2, 3 und 7, sowie in DIN 5036, Teil 1 im Detail beschrieben sind.
Der Cie-Lab Farbraum erlaubt im Gegensatz zur zweidimensionalen Normfarbtafel, Farbvergleiche vorzunehmen und den Abstand zu Sollfarben zu messen. Die Größe L* gibt dabei die Helligkeit (leightness) an und korreliert in etwa mit dem Transmissionsgrad eines zu messenden Kunststoffkörpers. L* im Bereich 10 bis 75 korreliert in etwa mit Lichttransmission (D65) von 15 bis 70%. Die Größe a* gibt die rot- grün-Buntheit an, die Größe b* die gelb-blau-Buntheit. Der Farbraum L* im Bereich bzw. gleich 10 bis 75, a* = +/- 5,0 und b* = +/- 5,0 steht daher für einen transparenten Kunststoffkörper mit einem Grauton. Je nach Lage von a* und b* kann der Grautone eine leichten Anklang (Stichigkeit) ins Rote, Grüne, Gelbe oder Blaue aufweisen oder bei a* und b* = 0 auch völlig neutral ausfallen.
Der Kunststoffkörper kann eine Lichttransmission (D65, DIN 67 507; Lichttransmissionsgrad für Tageslicht (Normlichtart D65) DΘS S. Z. B. auch DIN 5033/5036) von 15 bis 70, bevorzugt von 25 bis 50% aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren werden mittels einer Hohlkammerplatte, insbesondere einer Stegdoppelplatte, einer Stegmehrfachplatte, insbesondere einer Stegdreifachplatte oder einer Stegvierfachplatte realisiert.
Die Hohlkammerplatte kann aus mindestens zwei Schichten bestehen, die nicht fest verbunden sind und/oder durch Coextrusion oder durch Lamination oder durch Lackieren fest verbunden sind.
Hohlkammerplatten bzw. Stegplatten bestehen aus zwei gegenüber liegenden flächigen Schichten, den außen liegenden Gurten, den Ober- und Untergurten, die durch senkrechte oder diagonal angeordnete Stege miteinander verbunden sind. Die flächigen Schichten liegen bevorzugt parallel zueinander gegenüber. Bei einer Stegdoppelplatte z. B. liegen zwei parallel gegenüberliegende Gurtschichten, nämlich der Obergurt und Untergurt, mit entsprechenden Stegen vor. Eine Stegdreifachplatte weist zusätzlich einen parallel zu Ober- und Untergurt angeordneten Zwischengurt auf. Zwischengurte liegen im Gegensatz zu Ober- und Untergurt in Innern der Platte. Bei einer Fachwerkstegplatte können die Stege zumindest teilweise diagonal angeordnet sein.
Der IR-Absorber befindet sich zweckmäßigerweise in der aufgelegten, coextrudierten, laminierten und/oder auflackierten Schicht. Diese Schicht kann, muss jedoch nicht Russ und Farbmittel enthalten. Bevorzugt befindet sich im Falle eines mehrschichtigen Kunststoffkörpers der IR Absorber in einer Schicht, z. B. einer innen liegenden, dünnen coextrudierten Schicht, während sich Russ und Farbmittel in einer anderen Schicht, insbesondere in dem darunter liegenden Basisform körper, befinden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist eine Hohlkammerplatte, insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Stegmehrfachplatte, insbesondere eine Stegdreifachplatte oder eine Stegvierfachplatte, bei der ein oder gegebenenfalls beide Gurte sowie die übrige Stegplatte coextrudiert sind, wobei zumindest ein coextrudierter Gurt den IR- Absorber, sowie Ruß und Farbmittel enthält. Die übrige Stegplatte kann z. B. farblos sein oder, um einen gleichmäßigen Farbeindruck zu gewährleisten, Ruß oder Ruß und Farbmittel enthalten. Besonders bevorzugt besteht die Stegplatte dabei aus schlagzähmodifiziertem Poly(meth)acrylat. Die Coextrusion eines kompletten außen liegenden Gurtes hat den Vorteil, daß die Schicht eine ausreichende Stärke bzw. Dicke, z. B. von 0,5 bis 2 mm hat, die es gestattet bei guter Verteilung im Extrusionswerkzeug eine Kunststoff-Formmasse annähernd gleicher oder gleicher Schmelzviscosität wie für den Basisformkörper einzusetzen. Insbesondere kann die gleiche Kunststoffformmasse für beide Schichten verwendet werden. Dies hat bei einer Stegplatte aus schlagzähmodifizierten Poly(meth)acrylat den Vorteil, dass die Hagelschlagbeständigkeit der coextrudierten Gurtschicht nicht geringer als die des Basisform körpers ist. Dies wäre bei sehr dünnen Coextrusionschichten, die aus Gründen der Verteilung der Schmelze im Extrusionswerkzeug die Verwendung einer niedrigviskosen Formmasse verlangt, zwangsläufig der Fall.
Die bevorzugte Möglichkeit, die IR-absorbierende Schicht zu plazieren, besteht im Rahmen einer durchgehenden coextrudierten Innenbeschichtung eines oder beider Gurte. Ein entsprechendes Extrusionswerkzeug für die Innenbeschichtung der Gurtflächen von Stegplatten ist aus der EP 1 270 176 A bekannt.
Übliche Abmessungen für Stegplatten sind:
Dicke der Ober- und Untergurte bei Stegplatten: ca. 0,4 bis 3 mm Dicke der Zwischengurte und Stege bei Stegplatten: ca. 0,1 bis 2 mm. Längen: bis ca. 6000 mm oder mehr (bei Bedarf entsprechend abgelängt)
Materialien
Die Stegplatten bestehen im wesentlichen aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial, das ein z. B. ein Polymethylmethacrylat-Kunststoff, ein schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat (siehe z. B. EP-A 0 733 754), ein Polycarbonat-Kunststoff (verzweigtes oder lineares Polycarbonat), ein Polystyrol- Kunststoff, Styrol-Acryl-Nithl-Kunststoff, ein Polyethylentherephthalat-Kunststoff, ein glykolmodifizierter Polyethylentherephthalat-Kunststoff, ein Polyvinylchlorid-Kunststoff, ein transparenter Polyolefin-Kunststoff (z. B. durch metallocen-katalysierte Polymerisation herstellbar) oder ein Acrylnithl-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff sein kann. Sie kann auch aus Kombinationen oder Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe bestehen.
Ein transparentes thermoplastisches Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffbasismaterial hat, ohne IR-Absorber, Russ und Farbmittel, z. B. eine Lichttransmission (D65) von 15 bis 92, bevorzugt 65 bis 90 %.
Bei bestimmten Anwendungen, z. B. wenn eine Blendung durch sehr intensive Sonnenstrahlung vermeiden werden soll, kann dem transparenten thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial auch ein Streumittel, z. B. BaSO4, z. B. in Mengen von 0,5 bis 5 Gew.-%, oder ein anderes Lichtstreumittel, z. B. Lichtstreuperlen zugesetzt werden, wodurch der ursprünglich transparente Kunststoff lichtstreuend, transluzent wird.
Lichtstreuperlen können z. B. in Konzentrationen von 0,1 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% zugesetzt werden. Vernetzte Lichtstreuperlen aus Copolymeren aus Methymethacrylat und Styrol oder Benzylmethacrylat, die insbesondere für Basisformkörper aus Polymethylmethacrylat geeignet sind, sind z. B. bekannt z. B. aus DE 35 28 165 C2, EP 570 782 B1 oder EP 656 548 A2.
Die IR-absorbierende Schicht
Die Schichtdicke der innen liegenden, dünnen Schicht liegt z. B. im Bereich von 2 bis
250 μm.
Die Schichtdicken coextrudierter Schichten liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 250, bevorzugt von 20 bis 150, insbesondere 50 bis 125 μm.
Die Schichtdicken laminierter Schichten liegen bevorzugt im Bereich von 10 bis 250, bevorzugt von 10 bis 100 μm.
Die Schichtdicken lackierter Schichten liegen nach der Trocknung bevorzugt im Bereich von 2 bis 50, bevorzugt von 5 bis 25 μm.
Die IR-absorbierende Schicht kann zusätzlich einen UV-Absorber in üblichen Konzentrationen, z. B. 0,1 bis 15 Gew.-%, enthalten, um den IR-Absorber und die Kunststoff-Matrix vor Abbau durch UV-Strahlung zu schützen. Der UV Absorber kann ein flüchtiger, niedermolekularer, ein wenig flüchtiger, hochmolekularer oder ein einpolymerisierbarer UV-Absorber sein (s. z.B. EP 0 359 622 B1 ).
Die Kunststoffmatrix der IR absorbierenden Schicht besteht aus transparentem Kunststoff-Basismaterial, das thermoplastisch, thermoelastisch oder vernetzt sein kann. Bevorzugt besteht das Kunststoff-Basismaterial der IR absorbierenden Schicht aus demselben Typ von transparenten, thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial, aus dem auch der Basisform körper besteht, also z. B. aus einem Polymethylmethacrylat- Kunststoff, einem schlagzäh modifizierten Polymethylmethacrylat-Kunststoff, einem Polycarbonat-Kunststoff (verzweigtes oder lineares Polycarbonat), einem Polystyrol- Kunststoff, einem Polyethylentherephthalat-Kunststoff oder einem Acrylnitril-Butadien- Stryrol (ABS)-Kunststoff. Dabei kann der Basisformkörper z. B. aus einer höher viskoseren Variante eines Kunststoff-Typs bestehen, z. B. Polymethylmethacrylat, und die Kunststoffmatrix aus einer niedriger viskosen Variante des gleichen Typs, z. B. einem niedrigviskoseren Polymethylmethacrylat, das sich z. B. besonders gut für die Coextrusion eignet.
Durch die Anwesenheit des IR-Absorbers erscheint die äußere Schicht und dadurch der gesamte Kunststoffkörper, je nach eingesetztem IR-Absorber grünlich bis bläulich türkis. In Fällen, in denen man dieser Farbeindruck vermeiden oder mildern möchte, kann man ein lichtstreuendes Pigment, z. B. ein Weißpigment, z. B. Bariumsulfat, in Mengen von 0,5 bis 5 Gew.-% zusetzen. Die hat den technischen Vorteil, daß der Blendeffekt bei durchscheinender Sonne gemildert wird, indem das Licht gestreut wird. Gegebenenfalls kann durch Zugabe von Farbstoffen eine Kompensation des Farbeindrucks erreicht werden.
Bei bestimmten Anwendungen, z. B. wenn eine Blendung durch sehr intensive Sonnenstrahlung vermeiden werden soll, kann dem transparenten Kunststoff- Basismaterial der zusätzlichen Schicht auch ein Streumittel, z. B. BaSO4 oder ein anderes Lichtstreumittel, z. B. Lichtstreuperlen zugesetzt werden, wodurch der ursprünglich transparente Kunststoff lichtstreuend, transluzent, wird.
Gegebenenfalls kann sich auf der zusätzlichen Schicht aus transparentem Kunststoff, die eine IR-absorbierende Schicht enthält, noch eine oder mehrere weitere z. B. coextrudierte, lackierte oder laminierte Schicht aus Kunststoff, bevorzugt transparentem Kunststoff befinden. In diesem Fall liegt die IR-absorbierende Schicht nicht außen sondern innerhalb der äußeren Schicht des Kunststoffkörpers. Die weitere oder die weiteren Schichten können verschiedene Funktionen haben, z. B. mechanischer Schutz der IR-absorbierenden Schicht, z. B. als kratzfeste Beschichtung, Anti-Graffity- Beschichtung, UV-Absorber-Schicht, Pigment-haltige Schicht, um einen Farbeindruck zu bewirken etc.. bevorzugt liegen die Schichtdicken der weiteren Schichten im Bereich von 2 bis 200, bevorzugt von 5 bis 60 μm. Es kann z. B. sinnvoll sein im Falle einer Stegplatte aus Polycarbonat auf die IR- Absorber-Schicht noch eine zusätzliche z. B. coextrudierte Schicht aufzubringen, die einen UV-Absorber enthält und das Polycarbonat vor vorzeitiger Verwitterung schützt (Stegplatten aus Polycarbonat mit zusätzlicher UV-Absorber-Schicht sind z. B. aus EP 0 359 622 B1 bekannt). Der UV Absorber kann ein flüchtiger, niedermolekularer, ein wenig flüchtiger, hochmolekularer oder ein einpolymerisierbarer UV-Absorber sein und in einer Schicht mit einer Schichtdicke z. B. im Bereich 2 bis 100 μm in einer Konzentration von z. B. 0,01 bis 15 Gew.-% enthalten sein.
Der IR-Absorber
Die Verwendung der zur Ausführung der Erfindung geeigneten IR-absorbierenden Verbindungen als Zusatz zu verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen ist im Prinzip bekannt (siehe Stand der Technik).
Die zusätzliche Schicht enthält einen die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber. Dies bedeutet, daß der Kunststoffkörper in Gegenwart des enthaltenen IR-Absorbers klar durchsichtig bleibt. Dies ist möglich, da der IR- Absorber in der Kunststoffmatrix der zusätzlichen Schicht quasi löslich oder mit einpolymerisiert ist. Da lösliche IR-Absorber relativ hochmolekular sind, kommt es in der Regel nicht zu einer Migration in darunter oder gegebenenfalls darüber liegende Kunststoffschichten.
Der IR-Absorber kann eine organische Cu(ll)-Phosphat-Verbindung sein. Bevorzugt ist z. B. eine organische Cu(ll)-Phosphat-Verbindungen, die aus 4 Gewichts-Teilen Phosphorsäuremethacryloyloxyethylester (PMOE) und einem Gewichts-Teil Kupfer-(ll)- carbonat (KCB) erhalten werden kann.
Geeignet sind weiterhin z. B. organische Cu(ll)-phosphat-Komplexe, wie z. B. in JP 56129243 oder EP 19097 beschrieben. Diese Verbindungen können z. B. als Co- Monomere in polymehsierenden Lackschichten aus Polymethylmethacrylat-Kunststoff eingesetzt werden. Durch ihre vernetzende Wirkung vermitteln sie zugleich eine erhöhte Kratzfestigkeit der Kunststoff-Oberfläche.
Der IR-Absorber kann ein Phthalocyaninderivat sein. Bevorzugt sind Phthalocyaninderivate wie z. B. wie in den Patenten EP 607 031 und JP 06240146 beschrieben.
Der IR-Absorber kann ein Perylen-Dehvat sein oder z. B. eine Quaterrylentetracarbonsäureimid-Verbindung sein, wie z. B. in EP 596 292 beschrieben.
Bevorzugt sind die nicht vernetzenden Verbindungen, da sich diese z. B. für das Coextrusionsverfahren oder für das Aufbringen in nicht polymerisierenden Lacken eignen, die nach dem Abdampfen eines Lösungsmittels von selbst aushärten. Der Auftrag einer IR-absorbierenden Schicht durch Laminieren mit vorgefertigten Folien hat den Vorteil, dass die Folienherstellung in der Regel eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung erlaubt. Auflaminierte Folienschichten, die den IR-Absorber enthalten sind meist gleichmäßiger als entsprechende coextrudierte Schichten. IR- Absorber mit hohem Molekulargewicht oder einpolymerisierend IR-Absorber haben den Vorteil besonders migrationsstabil zu sein, d.h. sie wandern bei hohen Herstellungsoder Gebrauchstemperaturen oder in Zuge der Nutzungsdauer praktisch nicht in die darunter oder gegebenenfalls darüber liegenden Kunststoff-Schichten.
Die oben genannten IR-Absorber-Typen können z. B. in einer coextrudierten oder laminierten Kunststoff-Matrix in einer Konzentration von 0,01 bis 5, bevorzugt von 0,05 bis 2, insbesondere 0,1 bis 0,5 Gew.-% vorliegen.
In polymerisierenden Lacksystemen kann die Konzentration z. B. 0,1 bis 5 Gew.-% bezogen auf die Lacktrockensubstanz betragen. In nicht polymerisierenden Lacksystemen kann die Konzentration z. B. 0,2 bis 5 Gew.- % bezogen auf die Lacktrockensubstanz betragen.
Ein bevorzugter der IR-Absorber ist Lanthan-Hexaborid (LaB6) ist. Dieser IR-Absorber ist bereits in sehr niedrigen Konzentrationen wirksam.
Lanthan-Hexaborid (LaB6) kann in einer z. B. Konzentration von 0,0005 bis 0,1 , bevorzugt 0,005 bis 0,08 Gew.-% vorliegen. Handelsübliche Lanthan-Hexaborid Präparationen, die aus ca. 10 - 30 Gew.-% Lanthan-Hexaborid, 15 bis 35 Gew.-% Zirconiumoxid und 40 bis 60 Gew.-% an organischen dispergierenden Agenzien enthalten können sind für die Zwecke der Erfindung geeignet.
Selektivitätskennzahl (SK-Zahl, T/g nach DIN 67 507)
Das Verhältnis zwischen Lichttransmissionsgrad (T) und Gesamtenergiedurchlassgrad (g) ist kleiner 1 ,15, insbesondere kleiner 1 ,1 , z. B. 1 ,0 bis 1 ,1 oder gegebenenfalls 0,8 bis 1 ,1. Der Gesamtenergiedurchlassgrad (g) beschreibt den Anteil der Energie der Sonnenstrahlung, der durch den Körper hindurchgeht. Er setzt sich zusammen aus direkt transmittierter Strahlung und einen durch Absorption erzeugten Wärmeanteil. Eine hohe Wärmedämmung kann dadurch erreicht, dass der Körper aus mindestens zwei massiven Schichten besteht, die jeweils durch Luftkammern thermisch entkoppelt sind. Die Schichten sind bei Stegplatten durch dünne Stege miteinander verbunden. Die IR-absorbierende Schicht besteht bevorzugt aus einer auf dem Basismaterial haftenden Überzugsschicht aus einem transparenten Kunststoff, die eine oder mehrere IR- absorbierende Verbindungen enthält. Konzentration der IR-absorbierenden Verbindung und Schichtdicke der Überzugsschicht sind bevorzugt z. B. so zu wählen, dass das Maximum der Absorption im Bereich zwischen 780 und 1100 nm mindestens 25%, insbesondere mindestens 50 % beträgt. Die mittlere Absorption im Bereich zwischen 780 und 1100 nm kann z. B. bevorzugt mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 20, insbesondere mindestens 25 % betragen. Bei einer Mehrfachstegplatte kann die Wärmedurchgangszahl nach DIN 52612 kleiner oder gleich 4, bevorzugt 3 bis 1 ,5 W/m2 K sein.
Verwendung
Der erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Sonnenenergiekollektoren können als Verglasungs-, Überdachungs- oder Wärmedämmelement verwendet werden. Durch einfache Kombination mit einem herkömmlichen Wärmetauscher kann die in den Sonnenenergiekollektoren erzeugte Wärmeenergie zur Erwärmung von Wasser oder Raumluft oder direkt zur Energiegewinnung verwendet werden.
Vorteile der Erfindung
Der Energieanteil des Lichts an der Sonnenstrahlung beträgt ca. 50%, der UV- Strahlungsanteil beträgt ca. 5% und ca. 45% entfällt auf die NIR-Strahlung. Alle drei Strahlungsarten tragen zur Aufheizung von verglasten Räumen bei. Wärmeschutzverglasungen nach dem Stand der Technik basieren entweder auf Reflexion oder auf Absorption der Sonnenstrahlung.
Einfache Systeme reduzieren den Gesamtenergiedurchlassgrad durch Reduktion der Strahlungstransmission im gesamten Bereich der Sonnenstrahlung (von 300 nm bis 2500 nm). Rußpigmente absorbieren in diesem Bereich die Strahlung und reduzieren so je nach Schichtdicke bzw. Konzentration den Gesamtenergiedurchlassgrad. Dadurch wird die Lichttransmission jedoch ebenfalls reduziert. Die Selektivitätskennzahl, die das Verhältnis der Lichttransmission zum Gesamtenergiedurchlassgrad beschreibt, ist in diesen Systemen daher nicht größer als bei Standardverglasungen, oder im Fall von Rußpigmenten sogar noch schlechter. Es gibt jedoch Anwendungen wie z.B. Gewächshäuser, bei denen eine hohe Selektivitätskennzahl von Vorteil ist. Eine hohe Selektivitätskennzahl erreicht man durch selektive, hohe Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm und Abschirmung gegen IR- Strahlung (> 780 nm) als auch UV-Strahlung (< 380 nm). Diese Selektivität wird bei reflektierenden Systemen durch Interferenz erzeugt. Entweder man bedampft die Oberflächen mit Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes bei Schichtdicken im Submikrometerbereich, oder man verwendet Pigmente, die solche Interferenzschichten bereits enthalten. Die Bedampfung der Oberfläche ist technisch sehr aufwendig und der Einsatz der Pigmente führt zu einer starken Streuung der Strahlung, wodurch die Transparenz verloren geht. Absorbierende Systeme verwenden Substanzen, die im sichtbaren Bereich eine nur geringe und im NIR-Bereich eine hohe Absorption aufweisen.
Ein Nachteil dieser Systeme liegt darin, dass die absorbierte Strahlung zu einer Erwärmung des Verglasungskörpers führt. Die Sonnenstrahlung, bestehend aus UV-, VIS- und NIR-Strahlung trifft auf die Verglasung. Der wesentliche Teil der Strahlung im sichtbaren Bereich wird transmittiert. Der Anteil der Strahlung, der durch die Verglasung absorbiert wird, wird als langwellige Wärmestrahlung nach außen (qa) und in geringem Maße nach innen (q,) abgegeben. Durch das erfindungsgemäße Ausnutzen der Konvektionsverhältnisse wird wesentlich mehr Wärme nach außen als nach innen abgegeben.
Der Teil der langwelligen Wärmestrahlung, der nach innen in den Raum abgegeben wird, trägt zum Gesamtenergiedurchlassgrad bei. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der leichten Herstellbarkeit der Kunststoffkörper. Im Coextrusionsverfahren können in einem kontinuierlichen Prozess Mehrfachstegplatten mit niedrigem k-Wert direkt mit einer Deckschicht, die den IR-Absorber enthält, ausgestattet werden.
Die erfindungsgemäße Nutzung der Sonnenenergiekollektoren verbindet den herkömmlichen Einsatz als Bedachung oder Fenster mit der Energiegewinnung. Zudem wird das Raumklima des hinter den erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren gelegenen Räume positiv beeinflusst. Die direkte Sonnen- und Wärmeeinstrahlung wird reduziert und gleichzeitig Energie gewonnen. Lichttransmissionsgrad, Gesamtenergiedurchlassgrad und Selektivitätskennzahl
Der Lichtransmissionsgrad und der Gesamtenergiedurchlassgrad sind abhängig von der Art, Konzentration und Schichtdicke des IR-Absorbers in der Deckschicht, als auch von dem Basiskörper. Der geeignete Lichttransmissionsgrad ist abhängig von der Anwendung. In Gewächshäusern sollte er sehr hoch sein, da er direkt Einfluss auf den Ertrag hat. Bei Überdachungen von Fußgängerpassagen oder großflächigen Verglasungen in klimatisierten Gebäuden ist eher ein sehr niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad wichtig. Durch weiteren Zusatz von Rußpigmenten oder anderen Farbmitteln in die Deckschicht, die sowohl im sichtbaren als auch im NIR- Bereich absorbieren, kann die Lichttransmission und gleichermaßen der Gesamtenergiedurchlassgrad noch weiter reduziert werden. Die Mindestlichttransmission sollte ungefähr mindestens 30% betragen. Bei nicht eingefärbten Stegdoppelplatten als Basiskörper kann die max. Lichttransmission bis zu 86% betragen . Bei unbeschichteten Stegplatten beträgt die Selektivitätskennzahl ca. 1 , an einseitig im Sinne der Erfindung beschichteten Systemen wurden SK-Zahlen in ähnlicher Größe ermittelt.
Der Kunststoffkörper hat z. B. die Gestalt einer Stegmehrfachplatte, bestehend aus mindestens zwei parallelen Kunststoffschichten, die durch senkrecht oder diagonal angeordnete Stege miteinander verbunden sind. Typische Dicken für die beiden äußeren Platten liegen zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 3 mm. Typische Dicken für eventuell vorhandene innere Platten liegen zwischen 0.05 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm. Um eine effektive Wärmedämmung zu erreichen, sollte der Abstand zwischen den Platten mindestens 1 mm, vorzugsweise mehr als 4 mm betragen. Die Stegdicke sollte zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.5 mm und 3 mm liegen. Der geeignete Stegabstand liegt zwischen 5 mm und 150 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 80 mm. Der Körper sollte in seiner Gesamtheit so gestaltet sein, dass die Wärmedurchgangszahl k nach DIN 52619 kleiner als 4 W/m2K, vorzugsweise kleiner als 3 W/m2K ist. Das Basismaterial besteht aus einem transparenten Kunststoff, geeignet sind hierfür z.B. ein Polymethylmethacrylat-Kunststoff, ein schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat (siehe z. B. EP-A 0 733 754), ein Polycarbonat-Kunststoff (verzweigtes oder lineares Polycarbonat), ein Polystyrol-Kunststoff, Styrol-Acryl-Nithl-Kunststoff, ein Polyethylentherephthalat-Kunststoff, ein glykolmodifizierter Polyethylentherephthalat- Kunststoff, ein Polyvinylchlorid-Kunststoff, ein transparenter Polyolefin-Kunststoff (z. B. durch metallocen-katalysierte Polymerisation herstellbar) oder ein Acrylnitril-Butadien- Stryrol (ABS)-Kunststoff. Es kann auch aus Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe bestehen. Unter Polymethylmethacrylat werden im Sinne der Erfindung steife amorphe Kunststoffe verstanden, die zu wenigstens 60 Gew.%, vorzugsweise zu wenigstens 80 Gew.% aus Methylmethacrylat aufgebaut sind. Die Polycarbonat-Kunststoffe sind vorwiegend aromatische Polycarbonate von Bisphenolen, insbesondere von Bisphenol A.
Ruß und Farbmittel
Bevorzugt wird Ruß, besonders bevorzugt ein Farbruß, mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 10 bis 20 μm einsetzt.
Dem Russ werden bevorzugt Farbmittel hinzufügt, die im Wellenlängenbereich von 650 bis 750 nm eine geringeres Absorptionsmaximum als im Wellenlängenbereich von 250 bis < 650 nm aufweisen.
Die Farbmittel sind vom eingesetzten I R-Absorber verschieden und in der Regel selbst nicht IR-absorbierend. Es kommen alle Farbmittel allein oder in Mischung in Betracht, mit deren Hilfe zusammen mit dem IR-Absorber und dem Russ eine entsprechende grautönige Einfärbung des Kunststoffkörpers, bzw. des eingefärbten Teils des Kunststoffkörpers, im Cie-Lab-Farbraum von L*= 10 bis 75, a* = +/- 5,0 und b* = +/- 5,0 erreicht werden kann. Es können z. B. Farbmittel aus den handelsüblichen Farbstoffreihen Thermoplast® (BASF), Macrolex® (Bayer), Sandoplast® (Clahant) oder Oracet® (Ciba) Als Farbmittel können bevorzugt Macrolexgrün® 5B (Grünes Farbmittel auf Basis Anthrachinon mit dem Color Index Solvent Green 3) und Plast Red® 8350 (Rotes Farbmittel auf Basis Anthrachinon mit dem Color Index Disperse Red 22) hinzugefügt werden.
Der Gehalt an Ruß und Farbmitteln zusammen kann 0,001 bis 0,15, bevorzugt 0,05 bis 0,1 Gew.-% .-%, bezogen auf die damit eingefärbte Schicht des Kunststoffkörpers, betragen.
BEISPIELE
Beispiel 1
Testsystem:
Der Versuchsaufbau umfasst einen Auflagetisch für die zu untersuchenden Platten, ein Auflicht in einem Abstand von 100 mm, einen geschützten Datenlogger und eine Rohacell Box mit einem Volumen von 2,2 I.
Die Beleuchtungsdauer beträgt 45 min.
Die Bestrahlung der Kammer erfolgte bei einer Globalstrahlung von 827 W/m2 und einer max. Lufttemperatur von 35,1 0C
Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 zusammengestellt:
Figure imgf000020_0001
Die mit IR-Absorber ausgestattete Stegvierfachplatte zeigt ein verändertes Erwärmungsverhalten. Die Temperaur wird stark erhöht, die Ausnutzung der Wärmeenergie durch Sonneneinstrahlung wesentlich verbessert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor bestehend aus einer Stegdoppeloder -mehrfachplatte aus transparentem thermoplastischen Kunststoff, enthaltend eine innenliegende, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber-Schicht, die im Bereich der nahen Infrarotstrahlung (780nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission weniger als 80% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Stegplatte gebildete warme Luft direkt einem Wärmetauscher zugeführt wird.
2. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Mischung aus einem Ruß und Farbmitteln enthalten ist, so dass der Kunststoffkörper einen Grauton bezogen auf den Cie- Lab-Farbraum von L*= 10 bis 75, a* = +/- 5,0 und b* = +/- 5,0 aufweist und der Kunststoffkörper eine Selektivitätskennzahl (SK-Zahl) von kleiner 1 ,15 aufweist.
3. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper im wesentlichen aus einem, gegebenenfalls aus einer Kombination oder Mischungen der folgenden Kunststoffe besteht: Polymethylmethacrylat-Kunststoff, schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat, Polycarbonat-Kunststoff, Polystyrol-Kunststoff, Styrol- Acryl-Nithl-Kunststoff, Polyethylentherephthalat-Kunststoff, glykolmodifizierten Polyethylentherephthalat-Kunststoff, Polyvinylchlorid-Kunststoff, transparenten Polyolefin-Kunststoff, Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff oder Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe.
4. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer oder mehreren Kunststoffschichten besteht.
5. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens zwei Schichten besteht, die nicht fest verbunden und/oder durch Coextrusion oder durch Lamination oder durch Lackieren fest verbunden sind.
6. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Hohlkammerplatte, insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Stegmehrfachplatte, insbesondere eine Stegdreifachplatte oder eine Stegvierfachplatte handelt, bei der ein oder gegebenenfalls beide außen liegende Gurte sowie der übrige Formkörper coextrudiert sind, wobei zumindest ein coextrudierter Gurt den IR-Absorber, sowie Russ und Farbmittel enthält.
7. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er aus schlagzähmodifizierten Poly(meth)acrylat besteht.
8. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der IR-Absorber, sowie Russ und Farbmittel nebeneinander in derselben Kunststoff-Schicht befinden.
9. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines mehrschichtigen Kunststoffkörpers sich der IR-Absorber in einer Schicht und Russ und Farbmittel in einer anderen Schicht befinden.
10. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die IR-absorbierende Schicht zusätzlich einen UV- Absorber enthält.
11. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Ruß mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 10 bis 20 μm einsetzt wird.
12. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Russ Farbmittel hinzufügt werden, die im Wellenlängenbereich von 650 bis 750 nm ein geringeres Absorptionsmaximum als im Wellenlängenbereich von 250 bis < 650 nm aufweisen.
13. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Farbmittel Macrolexgrün® 5B und Plast Red® 8350 hinzugefügt werden.
14. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Ruß und Farbmitteln zusammen 0,001 bis 0,15 Gew.-%, bezogen auf die damit eingefärbte Schicht des Kunststoffkörpers, beträgt.
15. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der IR-Absorber eine organische Cu(ll)-Phosphat- Verbindungen ist.
16. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass die organische Cu(ll)-Phosphat-Verbindung ein Phosphorsäuremethacryloyloxyethylester/Kupfer-(ll)-Komplex ist.
17. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der IR-Absorber ein Phthalocyaninderivat ist.
18. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der IR-Absorber eine Quaterrylentetracarbonsäureimid- Verbindung ist.
19. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der IR-Absorber Lanthan-Hexaborid (LaB6) ist.
20. Lichtdurchlässiger Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , dass das Lanthan-Hexaborid (LaB6) in einer Konzentration von 0,0005 bis 0,1 Gew.-% vorliegt.
21. Verwendung eines lichtdurchlässigen Sonnenenergiekollektors nach Anspruch 1 als Verglasungs-, Überdachungs- oder Wärmedämmelement.
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