WO2009106525A2

WO2009106525A2 - Absorberbauteil für thermosolare anwendungen

Info

Publication number: WO2009106525A2
Application number: PCT/EP2009/052172
Authority: WO
Inventors: Nicole Weiher; Roman Glass; Stefan Brunold
Original assignee: Thyssenkrupp Steel Ag
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2009-09-03
Also published as: DE102008011219A1; WO2009106525A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absorberbauteil für thermosolare Anwendungen, mit einer Trägerschicht (1), einer auf der der Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite der Trägerschicht (1) angeordneten, die Sonnenstrahlung selektiv reflektierenden Absorptionsschicht (2) und einem auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite (R) der Trägerschicht (1) angeordneten Leitungssystem (6), das wärmeleitend mit der Trägerschicht (1) verbunden und dazu vorgesehen ist, von einem Wärmeträgerfluid durchströmt zu werden, das die von dem Absorberbauteil (A1,A2,A3) aufgenommene Wärme einem Verbraucher zuführt. Ein solches Absorberbauteil besitzt nicht nur einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme, sondern ist gleichzeitig auch unempfindlich gegen mechanische und thermische Belastungen, indem erfindungsgemäß die Trägerschicht (1) aus einem Stahlwerkstoff besteht.

Description

24. Februar 2009

Absorberbauteil für thermosolare Anwendungen

Die Erfindung betrifft ein Äbsorberbauteil für thermosolare Anwendungen, mit einer Tragerschicht, einer auf der der Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite der Tragerschicht angeordneten, die Sonnenstrahlung selektiv reflektierenden Absorptionsschicht und einem auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der Tragerschicht angeordneten Leitungssystem, das warmelei tend mit der Tragerschicht verbunden und dazu vorgesehen ist, von einem Warmetragerfluid durchströmt zu werden, das die von dem Absorberbauteil aufgenommene Warme einem Verbraucher zufuhrt.

Konventionelle Flachkollektoren umfassen m der Regel ein Absorberbauteil, dessen Aufgabe darin besteht, die Sonneneinstrahlung aufzunehmen und auf das die aufgenommene Warme abtransportierende Warmetragerfluid zu übertragen. Dazu weisen bekannte Absorberbauteile in der Regel eine aus einem Blech bestehende Tragerschicht auf, auf deren der Sonneneinstrahlung zugewandten Seite eine Absorptionsschicht aufgebracht ist. Diese ist dabei so beschaffen, dass sie ein hohes Absorbtionsvermogen bei niedriger Emission aufweist. Die Herstellung solcher so genannter "solarselektiver" Schichten ist beispielsweise in der DE 28 04 447 C3 oder der DE 30 29 637 Al beschrieben. Modernere Lackbeschichtungen mit

SI/cs 071839 24. Februar 2009 solarseJ ektiven Eigenschaften sind in den Artikeln von B. Ore] et al . , "Selective paint coatings for coloured solar absorbers: Polyurethane thickness insensitive spectrally selective (TISS) paints", Part II, Solar Energy Materials & Solar Cells (2006), doi : 10.1016/] . solmat .2006.07.012 und doi: 10.1016/j . solmat .2006.07.013 beschrieben.

Auf ihrer von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite tragt bei konventionellen Absorberbauteilen die Tragerschicht in der Regel ein Leitungssystem, das von einer Warmetragerflussigkeit durchströmt wird (DE 103 19 367 Al) . Deren Funktion besteht darin, die von der Absorptionsschicht aufgenommene und von der Tragerschicht übertragene Warme abzutransportieren und der jeweiligen Nutzung zuzuführen.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen bei den bekannten Absorberbauteilen sowohl die Tragerschicht als auch die Rohre des Leitungssystems typischerweise aus Kupfer und sind mittels linearer Schweißnahte oder Lotverbindungen an der Tragerschicht befestigt. Aus Gründen der Gewichts- und Kosteneinsparung werden für die Tragerschicht jedoch auch Aluminiumwerkstoffe verwendet.

Neben dem voranstehend erläuterten allgemeinen Stand der Technik ist aus der EP 1 688 684 Al ein mehrschichtiges Absorberbauteil für einen thermosolaren Flachkollektor bekannt, bei dem die das warmeubertragende Fluid fuhrenden Warmetragerrohre m eine Schicht aus expandiertem Graphit eingebettet sind. An ihrer der Sonneneinstrahlung zugewandten Oberflache tragt diese die Warmetragerrohre umgebende Graphitschicht eine

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Absorptionsschicht, die wie beim sonstigen Stand der Technik auch die einfallende Sonneneinstrahlung m Warme umwandelt. Diese Absorptionsschicht soll bevorzugt anstelle eines Absorberlacks aus selektiv absorbierenden keramischen Absorptionsmaterialien bestehen, welche einen hohen Absorptionsgrad im Wellenlangenbereich des sichtbaren Lichtes, jedoch nur einen geringen Absorptionsgrad im IR-Bereich aufweisen. Aufgrund der geringen Absorptionsfähigkeit im IR-Bereich sind bei diesen Materialien die Verluste durch abgestrahlte Warme geringer als bei den nicht wellenlangenspezifisch absorbierenden Äbsorberlacken .

Zusatzlich können bei dem aus der EP 1 688 684 Al bekannten Absorberbauelement zwischen der

Absorptionsschicht und der Graphitschicht eine bis zu 1,5 mm dicke Warmeverteilungsschicht, die die laterale Verteilung der von der Absorptionsschicht aufgenommenen Warme verbessert, sowie eine maximal 100 μm dicke Haftvermittlerschicht vorhanden sein, die die Haftung der Absorptionsschicht auf der Warmeverteilungsschicht bzw. der Graphitschicht verbessert. Als Material für die Warmeverteilungsschicht wird dabei Graphitfolie vorgeschlagen, die sich durch eine bevorzugte Warmeleitung in der Ebene auszeichnet und daher gut geeignet sein soll, die aus der Absorptionsschicht abzuführende Warme gleichmaßig zu verteilen. Die dünne Haftvermittlerschicht soll dagegen aus Metall oder einem nichtmetallischen anorganischen Material bestehen und durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen oder andere bekannte Beschichtungstechniken aufgebracht werden .

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Oberflache der Graphitschicht kann bei dem aus der EP 1 688 684 Al bekannten Absorberbauelement zusatzlich eine warmedammende Schicht aufgeklebt sein, die aus Mineralfasern, Polyurethanschaum oder Gipskarton bestehen kann .

Der Vorteil des in der EP 1 688 684 Al beschriebenen Aufbaus eines Absorberelements besteht darin, dass auf eine stoffschlussige Befestigung der Warmetragerrohre an einer Tragerschicht verzichtet werden kann. So ist bei diesem bekannten Absorberbauelement das von dem warmeubertragenden Fluid durchströmte Leitungssystem komplett von Graphitexpandat umgeben, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise ist nicht nur der mit der Herstellung eines Absorberbauteils verbundene Aufwand vermindert, sondern auch ein verbesserter Wärmeübergang zwischen Absorptionsschicht und Warmetragerflussigkeit gewahrleistet. Allerdings weisen die auf der Graphitschicht basierenden Absorberelemente eine für die Praxis ungenügende Stabilität auf. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Absorberelemente nicht nur alleine zur Umwandlung von der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie genutzt werden sollen, sondern auch für bauliche Zwecke, wie beispielsweise zur Verkleidung einer Fassade oder zum Decken eines Daches. Die Gestaltung der in der EP 1 68 684 Al beschriebenen Absorberelemente macht bei einem solchen Anwendungsfall entweder eine sehr dicke Graphitschicht oder eine aufwandige Unterkonstruktion erforderlich, die die Absorberelemente stutzt und gegen Beschädigungen schützt,

SI/rs 071839 24. Februar 2009 die andernfalls durch mechanisch oder thermisch induzierte Spannungen verursacht werden konnten.

Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein für die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Warme geeignetes Absorberelement zu schaffen, das nicht nur einen hohen Wirkungsgrad besitzt, sondern gleichzeitig auch unempfindlich gegen mechanische und thermische Belastungen ist und sich kostengünstig herstellen lasst.

Diese Aufgabe ist erfmdungsgemaß durch ein gemäß Anspruch 1 gestaltetes Absorberbauteil gelost worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfmdungsgemaßen Absorberbauteils sind in den auf Anspruch 1 ruckbezogenen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemaßes Absorberbauteil weist wie der eingangs angegebene Stand der Technik eine Tragerschicht auf, die auf ihrer der Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite eine die Sonnenstrahlung selektiv reflektierende Absorptionsschicht tragt. Auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der Tragerschicht ist dagegen ebenfalls wie beim Stand der Technik ein Leitungssystem angeordnet, das wärmeleitend mit der Tragerschicht verbunden ist. Im Betrieb wird dieses Leitungssystem von Warmetragerfluid durchströmt, das einen Verbraucher, beispielsweise einen Wärmetauscher oder eine Kraftmaschine, mit der von dem Absorberbauteil aufgenommenen Warme versorgt. Erfindungsgemaß ist nun da e Tragerschicht aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Stahl hat gegenüber den üblicherweise für die Tragerschicht

SI/cs 071839 24 Februar 2009 verwendeten Materialien den Vorteil, dass er gunstig herstellbar ist und auch bei geringen Wanddicken eine so hohe Festigkeit besitzt, dass erfindungsgemaße Absorberelemente ohne die Gefahr von Beschädigungen auch als Konstruktionselemente in Bauwerke einbezogen werden können. So lassen sich erfindungsgemaße Absorberelemente problemlos in Fassaden eingliedern, ohne dass dazu aufwandige Unterkonstruktionen erforderlich sind. Auch können erfindungsgemaße Absorberelemente besonders dünn ausgelegt werden, dass die erfindungsgemaß vorhandene Stahltragerschicht bereits bei geringer Materialstarke eine ausreichende Formstabilitat des Absorberelements gewahrleistet .

Die vergleichbar geringe Wärmeleitfähigkeit von Stahl wird bei einem erfindungsgemaßen Absorberelement dadurch aufgewogen, dass die Absorptionsschicht mit hoher Effektivität die Sonnenstrahlung absorbiert und sich die Oberflachen des Stahlsubstrats problemlos so präparieren lassen, dass ein optimaler Wärmeübergang von der Absorptionsschicht in die Trägerschicht und von dort in das das Leitungssystem durchströmende Fluida gewahrleistet ist.

Mit der Erfindung ist es somit möglich, kostengünstig in großen Stuckzahlen Absorberelemente herzustellen, die unempfindlich sind gegen mechanische und thermische Belastungen und die sich als solche mit minimalem Aufwand für Bauzwecke einsetzen lassen. So lassen sich erfindungsgemaße Absorberelemente insbesondere als Fassadenelemente zur Verkleiden oder Erstellen ganzer

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Bauwerke einsetzen und erlauben es so auf einfache Weise, die Hülle eines Gebäudes zur Warmegewmnung zu nutzen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erfindungsgemaß für die Tragerschicht verwendete Stahlwerkstoff in einer großen Auswahl zur Verfugung steht. Dies erlaubt es, den Stahlwerkstoff der Tragerschicht den sich in der Praxis stellenden Anforderungen entsprechend auszuwählen, ohne das Grundkonzept der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend können besonders feste Stahle oder dickere Wandstarken für die Tragerschicht gewählt werden, wenn das Absorberbauelement in der Praxis hohen mechanischen Belastungen standhalten soll. Sollen die Absorberbauteile dagegen eine komplexe Form erhalten, so kann als Material für die Tragerschα cht ein gut formbarer Stahl verwendet werden, der sich beispielsweise durch Tiefziehen auf einfache und kostengünstige Weise in einer serienmäßigen Herstellung in die jeweilige Form bringen lasst .

Für Anwendungen, bei denen die Absorberbauteile einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind, lasst sich die Tragerschicht beispielsweise auch aus nicht rostenden Stahlen herstellen. Eine andere Möglichkeit, den Schutz des Stahlsubstrats gegen Korrosion zu gewahrleisten, besteht darin, dass der Stahlwerkstoff der Tragerschicht mit einem vor Korrosion schutzenden metallischen Überzug versehen ist. Zum Auftragen des vor Korrosion schutzenden Überzugs sind besonders das Schmelztauchbeschichten, wie beispielsweise Feuerverzinken, aber auch andere Beschichtungsverfahren wie PVD (für besonders dünne Schichten) oder CVD, Plattieren oder das Aufbringen von

SI/cs 07..839 24. Februar 2009 Sol-Gel -Schichten geeignet. Die auf das Stahlsubstrat aufgetragene Veredelungsschicht liefert ein Optimum an Korrosionsschutz bei minimaler Auflage und dementsprechend optαmalem Wärmeübergang.

Mit der Erfindung steht somit ein Absorberbauteil zur Verfugung, das sich besonders wirtschaftlich in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Großserienprozess fertigen lasst. Dabei ist das erfindungsgemaße Absorberbauteil so gestaltet, dass der thermische Ubergangswiderstand von der solarselektiven Absorptionsschicht zum warmeabnehmenden Fluid auf ein Minimum reduziert ist.

Die Dicke der Tragerschicht eines erfindungsgemaßen Absorberbauteils lässt sich in Abhängigkeit von den in der Praxis auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen wählen. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Tragerschicht ihre Funktion in einem Dickenbereich von 0,2 - 10 mm einwandfrei erfüllt. Optimale Eigenschaften ergeben sich, wenn die Dicke der Tragerschicht 0,5 - 5 mm betragt.

Auch bei erfindungsgemaßen Absorberbauteilen trifft direktes Sonnen- oder diffuses Tageslicht auf die solarselektive Absorptionsschicht und wird dort in thermische Energie umgewandelt . Die wesentliche Funktion der Absorptionsschicht besteht in ihrer solaren Selektivität. Daher sollte die Absorptionsschicht im Bereich des Sonnenspektrums (Wellenlange von 0 - 2500 nm) ein hohes Absorptionsvermögen von α ∞ 0,5 - 1,0 besitzen. Im Bereich der thermischen Strahlung (Wellenlange von 2,5

SI/cs 071839 24. Februar 2009 - 20 μm) sollte sie dagegen ein geringes Emissionsvermögen (ε « 0 - 0,5) aufweisen, was gleichbedeutend mit einem hohen Reflexionsgrad ist.

Die Absorptionsschicht kann beispielsweise als Lack aufgetragen werden. Die solare Selektivität der Absorptionsschicht kann dabei dadurch eingestellt werden, dass dem Lack reflektierende oder absorbierende Teilchen beigemischt werden. Dies schließt selbstverständlich ein, das reflektierende und absorbierende Teilchen gleichzeitig in dem Lack vorhanden sind. Bei den Teilchen kann es sich beispielsweise um kleine Partikel oder größere Flocken handeln. So kann die Absorptionsschicht beispielsweise aus einem organischen Lack erzeugt werden, der Metalle, wie z. B. Silber-, Gold-, Aluminium-, Kupferteilchen oder -flocken oder mit Metalloxiden belegte Teilchen oder Flocken enthält. Ebenso lassen sich andere Pigmente wie Ruß oder Nanopartikel mit entsprechenden optischen Eigenschaften in den Lack einbringen, um dessen Reflektions- und Absorptionseigenschaften einzustellen. Der Lack lässt sich beispielsweise im Coilcoating-, Spray- oder Anstrichverfahren aufbringen.

Eine andere Möglichkeit der Erzeugung der solarselektiven Absorptionsschicht besteht darin, auf dem Stahlsubstrat gezielt Titan-Nitrid-Oxid, Schwarzchrom, Chromoxid, Chromnitrid oder andere Metalloxid-Schichtsysteme zu erzeugen. Des Weiteren ist es denkbar, metallische oder andere selektive Beschichtungen auf dem Stahlsubstrat mittels CVD (chemical vapour deposition) , PVD (physical

SI/cs 071839 24. Februar 2009 vapour deposution) oder chemischer bzw. elektrochemischer Verfahren aufzubringen.

Neben ihrer ersten Aufgabe, die auf das

Absorptionsbauteil treffende Lichtstrahlung selektiv zu absorbieren, kann die Absorptionsschicht auch dem Korrosionsschutz dienen. Dazu kann die Absorptionsschicht beispielsweise direkt auf das Stahlsubstrat aufgebracht werden. Zu diesem Zweck lassen sich beispielsweise Lacke auf organischer Basis nutzen, die für den Außenbereich entwickelt sind und als solche eine hohe Witterungsbestandigkeit besitzen. Auch Metall- und Metalloxidbeschichtungen, die mittels anderer Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. elektrochemisch, mittels PVD, CVD oder als Sol-Gel-Schichten, können eine kombinierte Absorptions- und Korrosionsschutzfunktion übernehmen .

Des Weiteren kann die Absorptionsschicht dazu genutzt werden, dem erfindungsgeiraßen Absorptionselement die jeweils zum Zwecke beispielsweise einer architektonischen Integration gewünschte, vom Betrachter wahrgenommene Farbigkeit zu verleihen. Dies kann beispielsweise durch Beimengung von Farbpigmenten in einen organischen solarselektiven Lack erreicht werden, aus dem die Absorptionsschicht erzeugt wird.

Oder es werden durch uberemandergelegte mehrere Lagen von unterschiedlicher Farbe oder Transparenz Interferenzfarben erzeugt. Em mehrlagiger Aufbau der Absorptionsschicht kann auch dazu genutzt werden, dass der ersten Lage der Schicht die solarselektive Funktion,

SI/cs 071839 24 Febrαar 2009 einer zweiten Lage die vor Korrosion schutzende Funktion und einer dritten Lage die farbbestimmende Funktion zugeordnet wird.

Abhängig von der Oberflachenqualitat oder der Kompatibilität des Stahlsuostrats und der Absorptionsschicht kann es zweckmäßig sein, zwischen der Absorptionsschicht und der Tragerschicht eine Zwischenschicht anzuordnen. Diese Zwischenschicht kann als Haftvermittler dienen. Solche Haftvermittlerschichten gewährleisten eine verbesserte Absorptionsschicht und stellen eine weitere Korrosionsbarriere dar. Darüber hinaus können sie bei der Herstellung des Stahlsubstrats als temporarer Korrosionsschutz für die gegebenenfalls auf dem Stahlsubstrat vorhandene Veredlungsschicht genutzt werden. Beispiele hierfür sind Primer, die mit Metallpartikeln, wie z. B. Zink, pigmentiert sind, oder Vorbehandlungen mit Titanaten.

Das Leitungssystem liegt vom der Einfallrichtung des Sonnenlichtes her betrachtet hinter der Tragerschicht und fuhrt ein Fluid, welches die gewonnene Warme abfuhrt. Als warmetransportierendes Medium kommen Wasser, Glykol oder vergleichbare Flüssigkeiten in Frage. Typischerweise umfasst das Leitungssystem rohrformige Leitungselemente, die in einer harfen-, maanderformigen oder bionischen Anordnung verteilt angeordnet sind. Der Vorteil der Verwendung von rohrformigen Leitungselementen besteht dabei darin, dass diese auch hohen Flussigkeitsdrucken problemlos standhalten.

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Die durch da e Erfindung eröffnete Möglichkeit, für die Tragerschicht einen beulsteifen Stahl zu wählen, erlaubt es jedoch auch, das Leitungssystem so auszubilden, dass das Leitungssystem ein einziges Leitungselement aufweist, das sich im Wesentlichen über die gesamte Flache der Tragerschicht erstreckt. Em solches weitestgehend vollflachig über die Tragerschicht sich erstreckende Leitungselement erlaubt einen maximalen Wirkungsgrad des Absorberbauteils .

Als Material für die Leitungselemente können Kupfer-, Aluminium-, sonstige Leichtmetall-, Stahl- oder Kunststoffwerkstoffe verwendet werden. Bevorzugt werden die Leitungselemente stoffschlussig mit der Tragerschicht verbunden, um einen minimalen Widerstand beim Übergang der Warme auf das im Leitungssystem vorhandene Fluid sicherzustellen. Dazu können die jeweiligen Leitungselemente des Leitungssystems auf der von der direkten Lichteinstrahlung abgewandten Ruckseite des Absorbers durch Kleben, Schweißen (durchgehend oder gepulst) oder Loten (durchgehend oder gepulst) befestigt werden .

Um den Wirkungsgrad des Absorbers zu verbessern, kann das erfindungsgemaße Absoberbauelement auf seiner von der Absorptionsschicht abgewandten Seite eine warmedammen.de Schicht aufweisen Als Materialien für die warmedammende Schicht kommen PU-Schaum, Mineralwolle, Glaswolle und vergleichbare Werkstoff in Frage. Mineralwolle in entsprechender Dicke kann beispielsweise zusatzlich die Funktion des Brandschutzes übernehmen. Blahgraphit kann die Funktion des Brandschutzes und Flammenschutzes im

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Falle der Verwendung von Mineralwolle als Dammmaterial unterstutzen oder ggf. substituieren. Beim Aufbringen des PU-Schaums sollte die der Absorptionsschicht abgewandte Seite eine beschaumbare Oberflache tragen, um eine optimale Schicht zur Schaumhaftung zu erzeugen. Dies gilt im Allgemeinen auch für die der Sonne abgewandten Oberflache einer leitfahigen Matrix (Graphit usw.) .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt das erfindungsgemaße Absorberbauteil auf seiner von der Absorptionsschicht abgewandten Außenseite eine Basisschicht. Diese Basisschicht besteht bevorzugt wie die Tragerschicht aus einem Stahlwerkstoff und kann dazu genutzt werden, das Absorberbauteil an einer Wand, in einem Fachwerk oder desgleichen zu befestigen. Zu diesem Zweck kann die Basisschicht mindestens abschnittsweise in mindestens einer Raumrichtung über die Abmessungen der anderen Schichten des Absorberbauteils hinausstehen, so dass das Absorberteil über an den jeweils hinausstehenden Abschnitt angreifende Befestigungselemente gehalten wird.

Im Fall, dass das Leitungssystem eines erfindungsgemaßen Absorberbauteils mit Abstand zueinander verlegte Leitungselemente umfasst, kann eine optimierte Übertragung der von der Absorberschicht aufgenommenen und über die Tragerschicht weitergeleiteten Warme auf das durch das Leitungssystem stromende Fluid dadurch erreicht werden, dass das Leitungssystem in ein wärmeleitendes Material eingebettet ist, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Tragerschicht steht. Dazu werden die zwischen den Leitungselementen des Leitungssystems verbleibenden

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Frei räume mit einem Material gefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Für diesen Zweck grundsatzlich geeignet sind Metalleinsatze, Metallschaume, handelsübliche Warmeleitpasten, Kunststoffe und Kleber mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Siliconfette usw.

Besonders effektiv lasst sich der Wärmeübergang dadurch bewerkstelligen, dass das Leitungssystem in einen Graphitwerkstoff eingebettet ist. Graphit ist spröde und bruchig und hat eine Dichte von etwa 2,1 - 2,3 g/cm³. Des Weiteren ist Graphit anisotrop, d. h. die Wärmeleitfähigkeit (elektrische Leitfähigkeit) ist abhangig von der Orientierung des Graphits. Das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Leitungselementen des Leitungssystems kann so erfolgen, dass in eine Graphitplatte geeignete Ausnehmungen eingefrast werden, m die dann die Leitungselemente eingebettet werden können. Der Kontakt zwischen den Leitungselementen und der Graphitplatte kann zusatzlich durch warmeleitfahige Kleber oder Pasten hergestellt werden. Die Ebenen des Graphits sind idealerweise parallel zur Absorberflache ausgerichtet, können aber auch rechtwinklig zu ihr ausgerichtet verlaufen oder andere Ausrichtungen sowie Mischformen haben.

Eine vereinfachte Möglichkeit des Einbettens des Leitungssystems in Graphit ergibt sich, wenn dazu so genannter "Blahgraphit" verwendet wird, wie er bereits aus dem in der EP 1 688 684 Al für diesen Zweck vorgeschlagen worden ist. "Blahgraphit" ist Graphit, der auf ein vielfaches seines Volumens vergrößert werden

SI/cs 071839 24. Februar 2009 kann. Dazu wird Graphit mit einem Intercalat (Saure oder ahnlichem) versetzt und anschließend warmebehandelt .

Ebenso ist es möglich, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der die Leitungselemente des Leitungssystems umgebenden Füllung so genannte "Carbonanotubes" (Kohlenstoffnanorohrchen) vorzusehen, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Solche Rohrchen stehen mit einer bezogen auf ihren geringen Durchmesser sehr großen Lange und Biegsamkeit zur Verfugung. Sie können als lose Schuttung in die Freiraume gegeben werden. Abhangig von den jeweiligen raumlichen und baulichen Gegebenheiten kann es dabei zur maximalen Füllung der Freiraume sinnvoll sein, die Rohrchen ungeordnet oder geordnet anzuordnen. Eine ungeordnete Anordnung kann sinnvoll sein, wenn möglichst viele Rohrchen direkt mit der Tragerschicht in Berührung kommen sollen. Eine geordnete Ausrichtung der Rohrchen kann dagegen beispielsweise dann zu einer erhöhten Effektivität des Wärmeübergangs fuhren, wenn ein direkter Wärmeaustausch auch zwischen den einzelnen Leitungselementen erfolgen soll. Neben einer losen Schuttung der Kohlenstoffrohrchen ist es auch denkbar, diese in einen Matrixwerkstoff einzubinden, der ihre Lage fixiert. Dazu bieten sich beispielsweise Kunststoff oder andere im nicht ausgeharteten Zustand fließ- oder schuttfahige Kunststoffe an.

Vergleichbar mit der Verwendung von Carbonanotubes lassen sich auch Kohlenstofffasern verwenden. Kohlenstofffasern (auch Carbonfasern, engl.: carbon fibre) sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden.

Soll der mit der Anordnung eines den Wärmeübergang verbessernden Materials in den zwischen den Leitungselementen des Leitungssystem verbundene Aufwand vermieden werden, so sollten die Leitungselemente zumindest in ein warmedammendes Material eingebettet werden, um andernfalls eintretende Warmeverluste zu vermeiden .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausfuhrungsbeispiele darstellenden Zeichnung naher erläutert .

Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils schematisch und im Längsschnitt ein Absorberbauteil Al,A2,A3.

Die Absorberbauteile weisen auf ihrer der

Sonneneinstrahlung zugewandten Seite S eine Tragerschicht 1 auf, auf deren der Seite S zugewandten Oberflache eine Absorptionsschicht 2 aufgetragen ist.

Die Tragerschicht 1 besteht aus einem Stahlblech, dessen Oberflachen in an sich bekannter Weise feuerverzinkt oder in anderer Weise mit einem vor Korrosion schutzenden metallischen Überzug 3,4 beschichtet sind.

Die Absorptionsschicht 2 ist aus einem auf die Tragerschicht aufgebrachten Lack gebildet. In den Lack sind einerseits Farbpigmente gemischt, um das jeweilige Absorberbauteil Al , A2 , A3 in der jeweils gewünschten Farbe

SI/cs 071839 24. Februar 2009 erscheinen zu lassen. Zusatzlich enthalt der Lack reflektierende und absorbierende Partikel, so dass er mehr als ≥ 50 % (α ~ 0,5 - 1,0) des auf ihn fallenden Sonnenlichtes absorbiert. Gleichzeitig ist die Absorptionsschicht 2 so konstituiert, dass sie im Bereich der thermischen Strahlung nur ein minimales geringes Emissionsvermögen < 50 % (ε ~ 0 - 0,5) besitzt. Um eine nachweisliche Selektivität zu erzeugen, sollte α immer großer sein als ε. Es wird daher vorgeschlagen, einen Mindestwert von 10 % zu veranschlagen für organische Lacke. Im konkreten Fall werden praktisch für α Werte < 0,85 und für ε Werte < 0,50 erreicht in Abhängigkeit der Farbgebung. Auf der von der Absorptionsschicht 2 abgewandten Ruckseite R der Tragerschicht 1 sind rohrformige Leitungselemente 5 stoffschlussig befestigt, die beispielsweise aus einem Kupfermaterial, Kunststoff oder einem Stahlwerkstoff geformt sind. Die stoffschlussige Verbindung ist beispielsweise durch Verkleben, Verlöten oder Verschweißen hergestellt. Durch das aus den Leitungselementen 5 gebildete Leitungssystem 6 fließt ein warmetransportierendes Fluid, bei dem es sich beispielsweise um eine Wasser-/Glykol-Mischung handeln kann.

Um einen optimalen Wärmeübergang von der Tragerschicht 1 auf die Leitungselemente 5 zu gewahrleisten, sind die Leitungselemente 5 in eine Warmeubertragungsschicht 7 eingebettet .

Beim in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist dazu Graphit oder expandierender Graphit mit einem

SI/cs 071839 24. Februar 2009 beigemengten Bindemittel oder Kleber (z. B. PVDF o. a.) oder mittels Pyrolyse von Precursoren direkt auf der Ruckseite R der Tragerschicht 1 aufgebracht worden. Alternativ ist es auch möglich, dort Folien aus expandiertem Graphit auf die Tragerschicht 1 zu laminieren, so dass die von der solarthermischen Absorptionsschicht 2 abgewandte Seite der Tragerschicht 1 zwischen den Leitungselementen 5 und seitlich von diesen mit der Warmeubertragungsschicht 7 belegt ist.

Alternativ ist es auch möglich, zunächst das Leitungssystem 6 auf die Tragerschicht 1 aufzukleben, aufzuschweißen oder aufzulöten. Anschließend wird dann blahfahiger Graphit auf die mit den Leitungselementen 5 versehene Ruckseite R der Tragerschicht 1 aufgebracht und durch Wärmebehandlung auf das gewünschte Volumen zum Ausfüllen der Zwischenräume gebracht. Aufgrund der m ihr enthaltenen Zusatzstoffe haftet die durch den derart aufgebiahten Graphit gebildete Warmeubertragungsschicht 7 grundsatzlich bereits an der Tragerschicht 1, ohne dass es dazu zusatzlicher Mittel bedarf. Sollte diese Haftwirkung nicht ausreichen, kann sie durch entsprechenden Kleber unterstutzt werden, der vor dem Auftrag des Graphits auf die Ruckseite R der Tragerschicht aufgestrichen wird.

Auch bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausfuhrungsbeispielen sind die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 in eine Warmeubertragungsschicht 7 eingebettet. In diesem Fall besteht die Warmeubertragungsschicht 7 jedoch aus einer Kunststoffmasse, in die hoch warmeieitfahige

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Kohlenstoffrohrchen 8 eingemischt sind. Die Kunststoffmasse bildet dabei eine Matrix, durch die die Lage der Kohlenstoffrohrchen 8 fixiert wird.

Beim in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die Kohlenstoffrohrchen 8 der Warmeubertragungsschicht 7 ungeordnet ausgerichtet, so dass sie zum einen Teil direkt die Tragerschicht 1 bzw. deren Überzugsschicht 4 und zum anderen Teil die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 berühren.

Beim in Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die Kohlenstoffrόhrchen 8 dagegen so geordnet, dass sie sich im Wesentlichen parallel zur Tragerschicht 1 erstrecken und die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 untereinander wärmeleitend verbinden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass es zu einem Wärmeausgleich zwischen den Leitungselementen 5 kommt.

Sofern eine ausreichende Verklebung gewahrleistet ist und eine entsprechende Fertigungstechnik zur Verfugung steht, kann bei jedem der Absorberbauteile Al,A2,A3 die Warmeubertragungsschicht 7 auch dazu genutzt werden, die Leitungselemente 5 des Leitungssystems 6 mit der Tragerschicht 1 zu verbinden. In diesem Fall kann auf eine gesonderte Befestigung des Leitungssystems 6 an der Tragerschicht 1 verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass keine Gefahr mehr besteht, dass die Eigenschaften der Uberzugsschichten 3,4 der Tragerschicht 1 durch die beim Anlöten oder Schweißen punktuell auftretende Wärmezufuhr verändert werden.

SI/cs 071839 24. Februar 2009 Bei jedem der Absorberbauteile Al, A?, A3 ist auf der von der Absorberschicht 2 abgewandten Ruckseite der Warmeubertragungsschicht 7 eine aus einem warmedammenden Material bestehende Schicht 9 aufgetragen. Um diese zu gewahrleisten, sollte die zur Sonne zugewandte Seite der Basisschicht sowie die der Sonne abgewandte Seite der Tragerschicht beschaumbar sein und eine entsprechende Schaumhaftung gewährleisten. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Lack speziell zur Unterstützung der Schaurαhaftung aufgebracht wird.

Darauf liegt schließlich eine Basisschicht 10, die ebenfalls aus einem Stahlblech hergestellt ist. Die Basisschicht .0 steht mit jeweils einem Befestigungsabschnitt 11,12 seitlich über die anderen Schichten der Absorberbauteile A1,A2,A3 hinaus. Die Befestigungsabschnitte 11,12 können dazu genutzt werden, das jeweilige Absorberbauteil Al,A2,A3 auf einem Untergrund, einer Wand, einer Tragkonstruktion oder desgleichen (jeweils hier nicht gezeigt) zu befestigen.

SI/cs 071839 24. Februar 2009 BEZUGSZEICHEN

A1,A2,A3 Absorberbauteile A1,A2,A3

1 Tragerschicht

2 Absorptionsschicht 3,4 metallische Überzüge

5 Leitungselemente

6 Leitungssystem

7 Warmeubertragungsschicht

8 Kohlenstoffrohrchen

9 Schicht aus warmedammenden Material

10 Basisschicht

11,12 Befestigungsabschnitte der Basisschicht

R Ruckseite der Tragerschicht 1

S der Sonneneinstrahlung zugewandte Seite der Absorberbauteile A1,A2,A3

SI/cs 071839 24. Februar 2009

Claims

24. Februar 2009P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Absorberbauteil für thermosolare Anwendungen, mit einer Tragerschicht (1), einer auf der der Sonneneinstrahlung zugeordneten Seite der Tragerschicht (1) angeordneten, die Sonnenstrahlung selektiv reflektierenden Absorptionsschicht (2) und einem auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite (R) der Tragerschicht (1) angeordneten Leitungssystem (6), das wärmeleitend mit der Tragerschicht (1) verbunden und dazu vorgesehen ist, von einem Warmetragerfiuid durchströmt zu werden, das die von dem Absorberbauteil (Äl,A2,A3) aufgenommene Warme einem Verbraucher zufuhrt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Tragerschicht (1) aus einem Stahlwerkstoff besteht .

2. Absorberbauteil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Stahlwerkstoff der Tragerschicht (1) mit einem vor Korrosion schutzenden metallischen Überzug (3,4) versehen ist .

SI/cs 071839 24. Februar 2009

3. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Tragerschicht (1) 0,2 - 10 mm dick ist.

4. Äbsorberbauteil nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Tragerschicht 0,5 - 5 mm dick ist.

5. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Absorptionsschicht (2) durch einen Lack gebildet ist.

6. Absorberbauteil nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Lack reflektierende oder absorbierende Teilchen enthalt.

7. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden

Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Absorptionsschicht (2) mehrlagig aufgebaut ist.

8. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden

Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zwischen der Absorptionsschicht (2) und der Tragerschicht (1) eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist.

SI/cs 071839 24. Februar 2009

9. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Leitungssystem (6) mindestens ein Leitungselement

(5) umfasst, das stoff schlussig an der Tragerschicht (1) befestigt ist.

10. Absorberbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Leitungssystem (β) ein einziges Leitungselement aufweist, das sich im Wesentlichen über die gesamte Flache der Tragerschicht (1} erstreckt.

11. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Leitungssystem (6) in ein wärmeleitendes Material

(7) eingebettet ist, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Trägerschicht (1) steht.

12. Absorberbauteil nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das wärmeleitende Material (7) Graphit ist.

13. Absorberbauteil nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Graphit in Form von Kohlenstoffrohrchen vorliegt.

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14. Absorberbauteil nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Graphit m Form von Kohlenstoff fasern vorliegt.

15. Absorberbautexl nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Graphit als Blahgraphit vorliegt.

16. Absorberbauteil nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Graphit als blahfahiger Graphit vorliegt.

17. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es an seiner von der Absorptionsschicht (2) abgewandten Seite eine warmedammende Schicht (9) aufweist.

18. Absorberbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Leitungssystem (6) in ein warmedammende s Material eingebettet ist.

19. Absorberbautei L nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es auf seiner von der Absorptionsschicht (2) abgewandten Außenseite eine Basisschicht (10) aufweist.

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20. Absorberbauteil nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basisschicht (10) aus einem Stahlwerkstoff besteht.

21. Absorberbauteil nach Anspruch 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basisschicht (10) mindestens abschnittsweise in mindestens einer Raumrichtung über die Abmessungen der anderen Schichten (1,2,3, 4,7, 9) des Absorberbauteils (A1,A2,A3) hinaussteht.

22. Absorberbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es zusätzlich mit einer Vorhangverglasung oder Verglasung versehen ist.

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