WO2011045121A1 - Konzentrator für die solare energiegewinnung und dessen herstellung aus polymeren werkstoffen - Google Patents

Konzentrator für die solare energiegewinnung und dessen herstellung aus polymeren werkstoffen Download PDF

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WO2011045121A1
WO2011045121A1 PCT/EP2010/063065 EP2010063065W WO2011045121A1 WO 2011045121 A1 WO2011045121 A1 WO 2011045121A1 EP 2010063065 W EP2010063065 W EP 2010063065W WO 2011045121 A1 WO2011045121 A1 WO 2011045121A1
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layer
concentrator
layers
highly transparent
pmma
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Uwe Numrich
Thomas Arndt
Werner Arnold
Michael Olbrich
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Evonik Degussa Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a concentrator for the concentration of solar radiation and its production from polymeric materials.
  • Concentrator can be used in photovoltaic or in particular in solar thermal plants usable.
  • the concentrator according to the invention enables the efficient concentration of solar radiation on objects such as
  • Solar cells or absorber units regardless of their geometry. This applies, for example, to the surface of a high-performance solar cell as used in concentrating photovoltaics, as well as to an absorber tube used in concentrated solar thermal energy, e.g. in the
  • line-concentrating technologies When using solar radiation, a distinction is usually made between so-called point and line concentrating technologies.
  • One of the line-concentrating technologies is the parabolic trough technology used in concentrating solar thermal energy, which linearly lines up the incident radiation with a parabolic curved reflecting surface (parabolic mirror)
  • Absorber tube is hereby usually evacuated
  • Thermoforming takes place at temperatures of about 600 ° C, and must be performed before the metallization. It is a costly and
  • the actual metal mirror is applied to this carrier system. This usually consists of one
  • Rear side provided with an unspecified protective layer.
  • a closer version of the film structure or the reflector construction is not set forth.
  • polyester laminate evaporated. Overall, the system is very expensive to produce and shows a high susceptibility to mechanical stress.
  • a PET carrier film is coated with silver on the side facing away from the light and provided on the other side with a poly (meth) acrylate-based (UV) protective film.
  • the back of the silver vaporization can either be provided directly with a pressure-sensitive adhesive (PSA) or to
  • mirror film systems have the disadvantage that the bonding process per se is prone to failure, and that e.g. the parabolic trough of a parabolic trough collector in one
  • a flexible concentrator is braced on the back and flexibly brought into the desired shape.
  • the concentrator consists of an acrylic protective layer, the metal layer, an optional damping layer consisting of a foam and a Carrier. All layers are connected to each other with an adhesive layer.
  • the concentrator according to the invention can be used in photovoltaic or in particular in solar thermal usable systems.
  • this concentrator should have at least equivalent properties over the prior art.
  • the concentrator should have a lower susceptibility to breakage than the prior art and thus also a reduced risk of secondary damage.
  • the concentrator is a lower
  • the concentrator naturally has a
  • the problem is solved by a novel process for the preparation of self-supporting concentrators and the provision of such self-supporting concentrators for plants for solar energy.
  • polymer layer in the following comprise plates, films, and
  • Such a layer may in principle have a thickness between 1 ⁇ m and 2 cm.
  • metal layer refers to layers of pure metals or alloys. The thicknesses of these metal layers are independent of the other layers further down in the text.
  • Use temperatures up to at least 50 ° C, preferably at least
  • Parabolic trough collectors for example, this means that a once shaped parabolic geometry during transport, installation and operation of the system is maintained.
  • the method according to the invention consists of at least the following steps:
  • Silver mirror layer construction becomes a second
  • the laminate thus produced is by means of simple forming processes, preferably by means of
  • the plastic layer facing the light source is highly transparent
  • the concentrator obtained from the process is self-supporting.
  • the first plastic layer in the first step of the physical vapor deposition on the metal-to-metal-coated side, is provided with a highly transparent primer layer.
  • Anti-corrosion protective layer preferably consisting of copper or an alloy of chromium and nickel, provided. This process leads to so-called backside mirrors.
  • the carrier layer later turned away from the light source is coated by means of physical vapor deposition with the metal-or with two consecutive metals-and then the other side of the metal layer is optionally coated with a primer and a highly transparent plastic.
  • This method leads to so-called front-side mirrors.
  • the carrier layer is stiffness-determining and thus significantly shaping.
  • the concentrator according to the invention may have a total thickness between
  • the high-transparency plastic is preferably polycarbonate, polystyrene, a styrene copolymer, a fluoropolymer or PMMA, preferably PMMA or a fluoropolymer, wherein the fluoropolymer is, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the highly transparent layer is preferably provided with additives such as inhibitors and / or UV stabilizers.
  • the surface of the highly transparent substrate is highly transparent
  • Plastic layer additionally provided with a scratch-resistant and / or anti-soiling coating.
  • the plastic of the carrier layer is preferably polycarbonate, polystyrene, a styrene copolymer, a polyester or PMMA, more preferably PMMA.
  • adhesive layers may optionally be located between the individual layers.
  • the laminate has such rigidity that it is self-supporting, and that the laminate is at the same time easily cold-workable, thus
  • Layers in particular the two plastic layers in terms of stiffness, thickness and others
  • a concentrator viewed from the light source, consists of at least the following layers:
  • a carrier layer preferably consisting of
  • a concentrator - viewed from the light source - from the following
  • a corrosion protection layer consisting of copper or nickel / chromium with a thickness between 10 nm and 100 nm, preferably between 20 and 50 nm, an optional adhesive layer
  • Another feature is that the plastic layer was brought into the final shape by means of cold forming.
  • the transparent portion of the concentrator according to the invention is particularly neutral in color and does not become cloudy when exposed to moisture.
  • the concentrator also shows an excellent
  • the surface has dirt-repellent properties.
  • the surface is optionally abrasion-resistant and / or scratch-resistant.
  • the highly transparent plastic layer is the highly transparent plastic layer
  • the highly transparent plastic layer is composed of highly transparent plastics. These are preferably polycarbonates, polystyrene, styrene copolymers, fluoropolymers and / or PMMA. Especially,
  • PMMA and / or fluoropolymers are preferred.
  • the highly transparent plastic layer can be made of a polymer or of a blend of different polymers
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the highly transparent plastic layer is added to improve the weathering resistance and to improve the surface properties
  • Parabolic trough technology for example, require a reflection of at least 93% of the relevant
  • Wavelength range of solar radiation from approx. 340 to 2500 nm. Only for medium or small scale Solar thermal systems is a lower one
  • the relevant wavelength range of the concentrating photovoltaic is about 300 to 1800 nm.
  • highly transparent plastic layer has a total thickness in the range of 1 ym to 9 mm, preferably in the range of 10 ym to 5 mm, particularly preferably in the range of 20 ym to 3 mm.
  • the thickness of the highly transparent plastic layer is crucial in terms of the reflection performance of solar radiation. It can be a paint job, a
  • a foil or a plate which may have the thicknesses already listed.
  • a highly transparent plastic layer has a maximum thickness of 1 mm.
  • the application of the highly transparent plastic layer for front-side mirror can be done by means of painting, coating or gluing with an adhesive or the primer
  • Reflectance performance of solar radiation This can be achieved by setting a certain maximum layer thickness, optionally connected to a multi-layer structure, e.g. to represent a reflection enhancement stack.
  • the stabilizer package (sunscreen)
  • Plastic layer is equipped with a UV protection. Corresponding UV protection for foils can be found
  • a special constituent of the UV protective layer used in accordance with the invention is the UV stabilizer packet, which contributes to the longevity and the weathering resistance of the UV stabilizer package
  • the stabilizer package used in the UV protective layers used according to the invention consists of the following components:
  • a UV stabilizer preferably a HALS compound
  • the components A and B can be used as a single substance or in mixtures. At least one UV absorber component must be in the highly transparent
  • Plastic layer be included.
  • the component C is mandatory in the invention used
  • the individual additives can be uniformly and / or separately distributed on one or more of these layers.
  • the concentrator produced according to the invention is distinguished by its UV stability, which is markedly improved over the prior art, and to the fact that it is so
  • the material according to the invention can also be used over a very long period of at least 15 years, preferably even at least 20 years, more preferably at least 25 years in places with particularly many hours of sunshine and particularly intense solar radiation, such as. in the southeastern United States or the Sahara be used in solar concentrators.
  • the wavelength spectrum of solar radiation relevant for "solar thermal energy” ranges from 300 nm to 2500 nm
  • Range below 400 nm, in particular below 375 nm should, however, be filtered to extend the life of the concentrator, so that the "Effective
  • Wavelength range "of 375 nm or from 400 nm to 2500 nm remains
  • UV absorbers and UV stabilizers show over a wide wavelength spectrum (300 nm - 400 nm) provides stable, long-lasting UV protection.
  • surface coating is understood in the context of this invention as a collective term for coatings that reduce to a
  • Abrasion resistance can be polysiloxanes, such as CRYSTALCOAT TM MP-100 from SDC Techologies Inc., AS 400 - SHP 401 or UVHC3000K, both from Momentive Performance
  • paint formulations are e.g. Applied to the surface of the highly transparent plastic layer of the concentrator via roll coating, Knifecoating or Flowcoating.
  • PVD physical vapor deposition
  • Anti-soiling coatings can be found in the literature or are known to the person skilled in the art.
  • the silver mirror layer construction is composed of one to several different functional layers that can be produced by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • Mandatory is the presence of the actual mirror layer.
  • On the side facing away from the solar radiation can optionally be applied an anti-corrosion layer. Between the mirror layer and the PVD to be coated
  • Plastic layer may optionally be a primer.
  • the highly transparent plastic layer may optionally be a primer.
  • Plastic layer is coated by PVD, the primer is on the solar radiation side facing. Furthermore, a reflection enhancement stack can be built into the silver mirror layer structure be included. This is a
  • the reflection enhancement stack layers are typically built by PVD.
  • Embodiment is used.
  • the silver mirror layer structure consisting of optional primer, mirror layer, optional "reflection enhancement stack” and optional anti-corrosion layer, is preferably constructed by means of physical vapor deposition.
  • the silver mirror layer construction typically has a thickness between 80 and 200 nm.
  • the silver mirror layer structure can also be incorporated in the form of a prefabricated so-called “silver mirror foil.” This likewise has the above
  • Plastic film usually polyester, on. In the case of this plastic film on the side of the solar
  • Layer are considered as an additional component of the carrier layer and optionally connected to this by a further adhesive layer.
  • the primer acts simultaneously as a migration barrier layer to prevent the migration of silver from the
  • the primer simultaneously serves for adhesion promotion, so that no additional adhesive layers are required for the metal layer and / or the highly transparent plastic layer.
  • the primer is applied by means of physical vapor deposition in a layer thickness between 1 nm and 20 nm.
  • the primer may be a thin metal oxide layer.
  • the mirror layer is the mirror layer
  • the mirror layer is preferably made of silver, gold or aluminum, particularly preferably silver. Silver has the highest reflectivity of all potentially possible metal mirror layers in the relevant wavelength spectrum of solar radiation.
  • alternatively, gold or aluminum, particularly preferably silver. Silver has the highest reflectivity of all potentially possible metal mirror layers in the relevant wavelength spectrum of solar radiation.
  • Silver is used with a thickness between 50 and 200 nm, preferably between 70 and 150 nm, more preferably between 80 and 130 nm. At these layer thicknesses, on the one hand, a reflection of usually more than 90% of the solar radiation is ensured and at the same time high process and material costs are avoided.
  • the mirror layer is preferably using
  • the back side of the mirror layer can optionally be provided with a second metal layer as anticorrosive layer, for example, copper or a nickel-chromium alloy, coated. This serves as a protection of the metal mirror layer and the other to
  • Such anti-corrosion layers are preferably applied in a layer thickness between 10 nm and 100, more preferably between 20 and 50 nm.
  • the choice of the carrier layer, that is, the solar layer facing away from the plastic layer is determined by the following, mandatory properties:
  • Carrier layer must have sufficient rigidity and ideally good adhesion properties to the composite silver mirror layer structure.
  • the carrier layer must be depending on
  • the silver mirror layer construction process may be coatable using either physical vapor deposition or have a lamination capability with a silver mirror foil. In addition, it should be resistant to weather and environmental influences for at least 20 years. Opposite the
  • Silver mirror layer should occur over a long period no loss of liability.
  • the carrier layer serves to prevent damage to the
  • a plate with a thickness of at least 0.8 mm are proven. Examples are polyesters, polycarbonates, styrene copolymers, polystyrene and PMMA.
  • the silver mirror layer structure is built up from the carrier layer by physical vapor deposition.
  • the carrier layer is applied to the remaining layer composite by means of gluing or painting.
  • the required layer thicknesses of the carrier layer are between 0.8 and 19 mm, preferably between 2 and 8 mm.
  • Such layers are usually made by extrusion,
  • the carrier layer is the shaping and thus mainly self-supporting layer of
  • the adhesive layers are identical to The adhesive layers.
  • Adhesive layers may be present between the individual layers. Adhesive layers can be more accurately located between the support layer and the anti-corrosion layer, between the silver mirror layer structure and the highly transparent plastic layer, and between the individual layers of a multilayer plastic layer.
  • Adhesive systems contribute to the longevity performance, as well as prevent negative interactions of the adjacent layers.
  • Adhesive layers which are used on the solar radiation facing side of the metal layer must be highly transparent. Are suitable
  • Concentrators preferred as parabolic trough concentrators of a parabolic trough collector are of particular advantage, as realized in the inventive method, when the concentrator cold formed or in the
  • Parabolic geometry of the parabolic trough can be formed. So even slightly curved shapes can be made or the concentrator can be adapted to only slightly molded, otherwise two-dimensional collector structures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator zur Konzentration von solarer Strahlung und dessen Herstellung aus Polymeren Werkstoffen. Der erfindungsgemäße Konzentrator kann in photovoltaisch oder insbesondere in solarthermisch nutzbaren Anlagen zur Anwendung kommen. Der erfindungsgemäße Konzentrator ermöglicht die effiziente Konzentration von solarer Strahlung auf Objekte wie Solarzellen, unabhängig von deren Geometrie. Dies betrifft beispielsweise die Fläche einer Solarzelle, wie sie in der konzentrierenden Photovoltaik eingesetzt wird genauso wie ein Absorberrohr, welches in der konzentrierenden Solarthermie, z.B. im Rahmen der Parabolrinnentechnologie Verwendung findet.

Description

Konzentrator für die solare Energiegewinnung und dessen Herstellung aus polymeren Werkstoffen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator zur Konzentration von solarer Strahlung und dessen Herstellung aus polymeren Werkstoffen. Der erfindungsgemäße
Konzentrator kann in photovoltaisch oder insbesondere in solarthermisch nutzbaren Anlagen zur Anwendung kommen.
Der erfindungsgemäße Konzentrator ermöglicht die effiziente Konzentration von solarer Strahlung auf Objekte wie
Solarzellen oder Absorbereinheiten, unabhängig von deren Geometrie. Dies betrifft beispielsweise die Fläche einer Hochleistungs-Solarzelle, wie sie in der konzentrierenden Photovoltaik eingesetzt wird genauso wie ein Absorberrohr, welches in der konzentrierenden Solarthermie, z.B. im
Rahmen der Parabolrinnentechnologie Verwendung findet.
Stand der Technik
Bei der Nutzung Solarer Strahlung wird meist zwischen so genannten punkt- und linienkonzentrierenden Technologien unterschieden. Zu den linienkonzentrierenden Technologien zählt die in der konzentrierenden Solarthermie eingesetzte Parabolrinnentechnologie, welche die einfallende Strahlung mittels einer parabelförmig gekrümmten, reflektierenden Oberfläche (Parabolspiegel) linienförmig auf ein
Absorberrohr konzentriert.
Parabolrinnenkonzentratoren werden aktuell in
Solarthermiekraftwerken eingesetzt, welche für Leistungen von beispielsweise bis zu 300 Mw ausgelegt sind. Das
Absorberrohr ist hierbei meist von einer evakuierten
Glasröhre umgeben. Als Reflektor bzw. Konzentrator wird normalerweise anorganisches Solarglas eingesetzt. Des Weiteren werden Spiegelfolien auf Polymerbasis, bei denen eine Polymerfolie auf eine Aluminiumplatte, Aluminium¬ basierende Composite-Systeme oder ein anderes
Trägermaterialien aufgebracht ist, verwendet. Allen diesen Systemen ist gemeinsam, dass zur Erlangung der notwendigen Parabelgeometrie eine komplexe Umformung bei sehr hohen Prozesstemperaturen durchgeführt werden muss. Besonderes aufwendig ist dies bei Solarspiegeln basierend auf anorganischem Glas, welches in der Regel mit einer Dicke von ca. 4 bis 6 mm Verwendung findet. Die
Thermoformung findet bei Temperaturen von ca. 600 °C statt, und muss vor der Metallisierung durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um einen kostenintensiven und
aufwendigen Prozess. In einem weiteren Prozessschritt wird auf dieses Trägersystem der eigentliche Metallspiegel appliziert. Dieser besteht in der Regel aus einer
Silberschicht mit einer rückseitigen metallischen
Korrosionsschutzvergütung und einer aus 3 Schichten
bestehenden rückseitigen Schutzlackierung . Aufgrund der dreidimensionalen Geometrie des Parabolspiegels handelt es sich ebenfalls um einen sehr aufwendigen und komplexen Prozessschritt .
Des Weiteren stellt die Logistik, z.B. in Bezug auf
Transport und Montage dieser dreidimensionalen Spiegel mit einer beispielhaften Abmessung von ca. 1, 6 * 1, 7 m eine erhebliche Herausforderung dar. daraus ergibt sich ein weiterer Nachteil von anorganischen Solarglassystemen:
diese weisen eine ausgesprochene Bruchanfälligkeit auf, die insbesondere während der Montage, der Reinigung und Wartung negativ zum tragen kommt. Weiterhin sind die Systeme anfällig gegenüber extremen Witterungseinflüssen wie Sturm oder Hagel. Entstehende Bruchstücke der Solarglasspiegel führen im Extremfall sogar zu ausgeprägten Sekundärschäden an Absorberrohren sowie benachbarten Glasspiegel-Einheiten. Nicht zu vernachlässigen ist zudem die davon ausgehend kritische Arbeitssicherheit beim Umgang mit solchen
Systemen. Ein weiterer Nachteil etablierter Systeme ist das hohe Gewicht. Zur Montage dieser vergleichsweise schweren Solarglasspiegel sind eine kostenaufwendige
Unterkonstruktion sowie eine aufwendige
Betonfundamentierung notwendig.
Solarspiegel basierend auf anorganischem Glas hatten sich trotz der beschriebenen Nachteile, im Besonderen in der konzentrierenden Solarthermie, bis dato als dominierende Reflektortechnologie etabliert. Auf Aluminiumcomposites basierende Systeme weisen nicht die notwendige solare Reflektion auf, und sind somit nur bedingt zur Verwendung in Solarkraftwerken geeignet. Einen gewissen Marktanteil haben diese Reflektrosysteme in Small- bzw. Middle-Size Anlagen, z.B. aufgrund Ihres
Gewichtsvorteils bei Dachmontage. Diese finden zur
Generierung z.B. von Prozesskälte zwecks Betreibens von Klimaanlagen Anwendung.
Polymere Spiegelfolien, vorwiegend aufgeklebt auf
Aluminiumplatten, haben sich im Markt bislang nicht
etablieren können. Als nachteilig wird beispielsweise die aufwendige, sowie qualitätskritische Lamination auf das vorgeformte Trägermaterial gesehen. Zudem weisen einige der verfügbaren polymeren Spiegelfolien Defizite bezüglich Langlebigkeit sowie Verbundhaftung auf.
In EP 1 771 687 wird der Schutz der Spiegelschicht auch mit Acrylglas aufgeführt, ohne dass eine genauere Spezifikation dieser Technologie beschrieben ist.
Im Folgenden werden einige Konzepte zu
Spiegelfoliensystemen vorgestellt .
In US 2008/0093753 wird ein Verfahren zur Herstellung von Spiegelfolien offenbart. Die Schutzfolie stellt zugleich die Trägerfolie dar, die bereits bei der Herstellung in die endgültige Form gebracht wird und anschließend metalliert wird. Die Metallbeschichtung wird wiederum auf der
Rückseite mit einer nicht näher bestimmten Schutzschicht versehen. Eine nähere Ausführung des Folienaufbaus bzw. der Reflektorkonstruktion ist nicht dargelegt.
In US 4,645,714 werden Schutzfolien für Parabolspiegel aus zwei getrennten (Meth) acrylat basierten Beschichtungen aufgetragen. Die äußere enthält einen UV-Absorber, die innere, direkt auf der Silberschicht aufliegende, einen Inhibitor. Durch diesen Aufbau wird die innere durch die äußere Schicht geschützt. Die Silberschicht wiederum wurde zuvor auf ein zweischichtiges, durch Coextrusion
hergestelltes Polyesterlaminat aufgedampft. Das System ist insgesamt sehr aufwendig herzustellen und zeigt eine hohe Anfälligkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung.
Um dieses Problem zu umgehen, wird in US 5,118,540 eine abriebfeste und feuchtigkeitsbeständige Folie auf Basis von Fluorkohlenstoff-Polymeren aufgeklebt. Sowohl das UV- Absorptionsreagenz als auch der Korrosions-Inhibitor sind Bestandteil der Klebschicht, mit der die Folie mit der Metalloberfläche der bedampften Polyesterträgerfolie verbunden ist. Dabei kann die Klebschicht wiederum analog zu der oben ausgeführten (Meth) acrylat Doppelbeschichtung aus zwei verschiedenen Schichten bestehen, um Korrosions- Inhibitor und UV-Absorptionsreagenz voneinander zu trennen.
In WO 2007/076282 wird eine alternative Struktur zum besseren Schutz der Silberbeschichtung aufgeführt. Eine PET-Trägerfolie wird auf der dem Licht abgewandten Seite mit Silber bedampft und auf der anderen Seite mit einer auf Poly (meth) acrylat basierenden (UV- ) Schutzfolie versehen. Die Rückseite der Silberbedampfung kann entweder direkt mit einem Haftkleber (PSA) versehen werden oder zur
Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit auf der Rückseite und zur besseren Haftung des PSA mit einer zusätzlichen Kupferschicht bedampft werden. Die Lehre, dass eine
langlebige UV-Schutzausrüstung benötigt wird, ist in WO 2007/076282 nicht berücksichtigt. Zudem sind solche Systeme nur schwer zu verarbeiten und anfällig gegenüber
mechanischer Beanspruchung.
Die UV-Schutzfolien des Standes der Technik haben den
Nachteil, dass als UV-Absorber Benztriazole eingesetzt werden. Diese haben nur eine vergleichsweise kurze
Eigenbeständigkeit unter UV-Strahlungseinfluss und sind somit kein wirkungsvoller UV-Schutz für eine Klebschicht bzw. eine Trägerfolie z.B. auf Polyesterbasis.
Spiegelfoliensysteme haben jedoch den Nachteil, dass der Klebevorgang an sich fehleranfällig ist, und dass z.B. die Parabolrinne eines Parabolrinnenkollektors in einem
getrennten Verfahren hergestellt und die Spiegelfolie anschließend, in einem aufwendigen sowie
qualitätskritischen Prozeßschritt, auflaminiert werden muss. Entsprechendes gilt auch für andere Konzepte unter Verwendung von Konzentratoren zur solaren Energiegewinnung.
In WO 00/22462 wird ein flexibler Konzentrator rückseitig verspannt und flexibel in die angestrebte Form gebracht. Der Konzentrator besteht von außen nach innen aus einer Acrylschutzschicht , der Metallschicht, einer optionalen Dämpfungsschicht, bestehend aus einem Schaum und einem Träger. Alle Schichten sind jeweils mit einer Klebschicht miteinander verbunden.
Aufgabe
Es bestand die Aufgabe, einen neuartigen Konzentrator zur Konzentration von solarer Strahlung zur Verfügung zu stellen, der eine besonders einfache Montage ermöglicht. Der erfindungsgemäße Konzentrator kann in photovoltaisch oder insbesondere in solarthermisch nutzbaren Anlagen eingesetzt werden. Darüber hinaus soll dieser Konzentrator gegenüber dem Stand der Technik zumindest gleichwertige Eigenschaften aufweisen.
Insbesondere soll der Konzentrator eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Bruchanfälligkeit und damit auch ein vermindertes Risiko von Sekundärschäden aufweisen.
Zusätzlich soll der Konzentrator ein niedrigeres
Eigengewicht aufweisen, sowie die Möglichkeit einer weniger kostenaufwendigen Unterkonstruktion ermöglichen.
Gleichzeitig muss der Konzentrator naturgemäß eine
Langlebigkeit von mindestens 20 Jahren, eine hohe
Reflektionsleistung solarer Strahlung und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte oder zumindest
gleichwertige Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aufweisen .
Darüber hinaus war es Aufgabe ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger,
energiesparender, einfacher und schneller durchführbar ist und eine weniger aufwendige Logistik beansprucht.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem GesamtZusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Beispiele.
Lösung
Gelöst wird die Aufgabe durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung selbsttragender Konzentratoren und die zur Verfügung Stellung solcher selbsttragender Konzentratoren für Anlagen zur solaren Energiegewinnung.
Überraschend gelingt die Darstellung der notwendigen
Performance-Kriterien an Konzentratoren für Anlagen zur solaren Energiegewinnung, unter Vermeidung der
dargestellten Nachteile bestehender Konzentratorkonzepte, mittels einer neuartigen Konzentrator-Zusammensetzung auf Basis einer selbstragenden polymeren Struktur, welche nachfolgend im Detail beschrieben ist.
Insbesondere erfolgt die Erfüllung der
Beanspruchungskriterien durch Einstellung der geforderten Gesamtdicke und Flexibilität des herzustellenden Laminats. Bei der Einstellung von Zusammensetzung und Dicke der der solaren Strahlung zugewandten KunststoffSchicht ist jedoch auch die Reflektionsperformance zu beachten.
Die Bezeichnungen Polymerschicht, KunststoffSchicht bzw. Trägerschicht umfassen im Folgenden Platten, Folien,
Lackierungen oder Beschichtungen, die auf Polymeren
basieren. Eine solche Schicht kann prinzipiell eine Dicke zwischen 1 μιη und 2 cm aufweisen.
Die Bezeichnung Metallschicht dagegen bezeichnet Schichten aus reinen Metallen oder Legierungen. Die Dicken dieser Metallschichten sind unabhängig von den anderen Schichten weiter unten im Text ausgeführt.
Unter dem Begriff „selbsttragend" wird in dieser Schrift verstanden, dass ein Werkstück im Gegensatz zu einer
Spiegelfolie nach der Ein- bzw. Umformung, bei
Gebrauchstemperaturen bis mindestens 50 °C, bevorzugt mindestens
65 °C, sowie den anliegenden Umweltbedingungen, wie z.B. Windlasten, diese Form behält. Im Zusammenhang mit
Parabolrinnenkollektoren beispielsweise bedeutet dies, dass eine einmal geformte Parabelgeometrie beim Transport, Einbau und Betrieb der Anlage erhalten bleibt.
Die Begriffe Reflektor und Konzentrator werden im Rahmen dieser Schrift synonym verwendet. Gelöst wird die Aufgabe insbesondere durch Bereitstellung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung eines
selbsttragenden Konzentrators für Anlagen zur solaren
Energiegewinnung und durch diesen gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Konzentrator. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus mindestens folgenden Schritten:
eine erste KunststoffSchicht wird mit einem
Silberspiegelschichtenaufbau durch Physical Vapor
Deposition beschichtet
auf der anderen Seite des
Silberspiegelschichtenaufbaus wird eine zweite
Kunststoffschicht aufgebracht
das so hergestellte Laminat wird mittels einfachen Umformungsprozessen, bevorzugt mittels
Kalteinbiegen, in eine Verwendungsform wie beispielsweise eine Parabolrinne, gebracht das verformte, bevorzugt parabelförmige Laminat wird als Konzentrator in eine Anlage zur solaren
Energiegewinnung eingebaut
die der Lichtquelle zugewandte Kunststoffschicht ist hochtransparent
Zusätzlich ist der aus dem Verfahren erhaltene Konzentrator selbsttragend .
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Kunststoffschicht im ersten Schritt der Physical Vapor Deposition auf der mit einem Metall zu beschichtenden Seite mit einer hochtransparenten Primerschicht versehen.
Im Falle, dass die erste Kunststoffschicht die
hochtransparente Kunststoffschicht , und damit die später in der Endanwendung dem Licht zugewandte Kunststoffschicht , ist, wird im ersten Schritt der Physical Vapor Deposition auf der mit einem Metallspiegel zu beschichtenden Seite mit einer hochtransparenten Primerschicht versehen. Optional, aber bevorzugt wird darauf die der
hochtransparenten KunststoffSchicht abgewandte Seite der Metallschicht mit einer metallischen
Antikorrosionsschutzschicht , bevorzugt bestehend aus Kupfer oder einer Legierung aus Chrom und Nickel, versehen. Dieses Verfahren führt zu so genannten Rückseitenspiegeln.
In einem alternativen Verfahren wird die der Lichtquelle später abgewandte Trägerschicht mittels Physical Vapor Deposition mit dem Metall - oder mit zwei aufeinander folgenden Metallen - beschichtet und anschließend die andere Seite der Metallschicht mit optional einem Primer und einem hochtransparenten Kunststoff beschichtet. Dieses Verfahren führt zu so genannten Frontseitenspiegeln.
In der Regel ist die Trägerschicht steifigkeitsbestimmend und damit maßgeblich formgebend. In einer anderen
Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass der
Unterschied der Schichtdicken zwischen Trägerschicht und hochtransparente KunststoffSchicht gering ist und beide Schichten zur Formgebung beitragen.
Der erfindungsgemäße Konzentrator kann insgesamt eine Dicke zwischen
1 mm und 2 cm, bevorzugt zwischen 2 mm und 1,5 cm und besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm aufweisen.
Bei dem hochtransparenten Kunststoff handelt es sich bevorzugt um Polycarbonat , Polystyrol, ein Styrol- Copolymer, ein Fluorpolymer oder PMMA, bevorzugt um PMMA oder ein Fluorpolymer, wobei es sich bei dem Fluorpolymer beispielsweise um Polyvinylidenfluorid (PVDF) , handelt. Bevorzugt ist die hochtransparente Schicht mit Additiven wie Inhibitoren und/oder UV-Stabilisatoren ausgestattet.
In einer besonderen Ausführungsform besteht die
hochtransparente KunststoffSchicht aus verschiedenen, unterschiedlichen Polymerschichten, bei denen es sich bevorzugt um mindestens eine PMMA-Schicht handelt. In diesem Fall sind die einzelnen Additive gleichmäßig
und/oder getrennt voneinander auf eine oder mehrere dieser Schichten verteilt. Optional ist die Oberfläche der hochtransparenten
KunststoffSchicht zusätzlich mit einer Kratzfest- und/oder einer Antischmutzbeschichtung ausgestattet.
Bei dem Kunststoff der Trägerschicht handelt es sich bevorzugt um Polycarbonat , Polystyrol, ein Styrol- Copolymer, einen Polyester oder PMMA, besonders bevorzugt um PMMA.
Darüber hinaus können sich zwischen den einzelnen Schichten jeweils optional Klebschichten befinden.
Als überraschender Aspekt des vorliegenden Verfahrens wurde gefunden, dass das Laminat eine derartige Steifigkeit besitzt, dass es selbsttragend ist, und dass das Laminat gleichzeitig leicht kaltverformbar ist, somit
kalteinformbar - ohne Erhitzen - in die endgültige Form gebracht werden kann. Diese Eigenschaft wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die einzelnen
Schichten, insbesondere die beiden Kunststoffschichten bezüglich Steifigkeit, Dicke und anderen
Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden.
Damit ergibt sich der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Kalteinformbarkeit in komplizierte Formen wie Parabelformen. Zusätzlich ist es möglich dies unter Erhalt einer äußerst glatten Oberfläche zu gewährleisten. Diese wird zum Beispiel für Parabolrinnenkonzentratoren benötigt .
Darüber hinaus erschließt sich durch die Herstellung der Laminate aus neuen polymeren Träger- und
Vergütungsmaterialien die Nutzung neuer geometrischer Möglichkeiten und die Gestaltung möglichst
(kosten) effizienter Konzentrator- und Kollektorgeometrien. Insbesondere ist jetzt die Metallisierung im
zweidimensionalen Zustand und die anschließenden Verformung möglich. Auch dies ist mit einer zusätzlichen, deutlichen Kosteneinsparung verbunden
Ein weiterer sich daraus ergebender Vorteil sind
Einsparungen gegenüber einer energie- und kostenaufwendigen Thermoumformung unter Vermeidung von hohen
Prozesstemperaturen . In einer bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäß ein Konzentrator - von der Lichtquelle aus betrachtet - aus mindestens folgenden Schichten bestehend, erhalten:
- eine UV-Stabilisator und Inhibitoren enthaltenden KunststoffSchicht , enthaltend PMMA
- ein Silberspiegelschichtenaufbau mit einer
Dicke zwischen 80 und 200 nm
- eine Trägerschicht, bevorzugt bestehend aus
PMMA.
Mit dem zusätzlichen Merkmal, dass der Konzentrator mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Konzentrator - von der Lichtquelle aus betrachtet - aus folgenden
Schichten bestehend, erhalten: eine Oberflächenvergütung mit schmutzabweisenden und die Kratzfestigkeit verbessernden
Eigenschaften
eine UV-Stabilisator und Inhibitoren enthaltende KunststoffSchicht, enthaltend PMMA
eine optionale Klebschicht
eine Primerschicht
eine Silberschicht mit einer Dicke zwischen 80 und 130 nm
eine Korrosionsschutzschicht bestehend aus Kupfer oder Nickel/Chrom mit einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 20 und 50 nm eine optionalen Klebschicht
eine polymeren Trägerschicht bestehend aus PMMA
Ein weiteres Merkmal ist, dass die KunststoffSchicht mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde .
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße, neuartige
Konzentrator folgende Eigenschaften, in Kombination als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, besonders in
Hinblick auf optische Eigenschaften, auf: Der transparente Anteil des erfindungsgemäßen Konzentrators ist besonders farbneutral und trübt sich bei Feuchtigkeitseinfluss nicht ein. Der Konzentrator zeigt zudem eine ausgezeichnete
Witterungsbeständigkeit und bei optionaler Ausstattung mit einer PVDF-Oberfläche und/oder einer Kratzfestausrüstung eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit, beispielsweise gegen sämtliche handelsübliche Reinigungsmittel. Auch diese Aspekte tragen zum Erhalt der solaren Reflektion über einen langen Zeitraum bei. Um die Reinigung zu erleichtern, weist die Oberfläche schmutzabweisende Eigenschaften auf.
Zusätzlich ist die Oberfläche optional abriebsfest und/oder kratzfest .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die hochtransparente KunststoffSchicht
Die hochtransparente KunststoffSchicht setzt sich aus hochtransparenten Kunststoffen zusammen. Dabei handelt es sich bevorzugt um Polycarbonate, Polystyrol, Styrol- Copolymere, Fluorpolymere und/oder PMMA. Besonders
bevorzugt sind PMMA und/oder Fluorpolymere.
Die hochtransparente KunststoffSchicht kann sich aus einem Polymer oder aus einem Blend verschiedener Polymere
zusammensetzen. Alternativ kann es sich bei der
hochtransparenten KunststoffSchicht auch um ein
mehrschichtiges System verschiedener Polymere handeln. Ein Beispiel sind Systeme aus Polymethylmethacrylat- (PMMA) und Polyvinylidenfluorid-Schichten (PVDF) .
In der Regel ist die hochtransparente KunststoffSchicht zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit additiviert und zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften
oberflächenveredelt .
Je nach Anwendung darf eine gewisse Reflektionsperformance der solaren Strahlung nicht unterschritten werden. CSP Solarkraftwerke unter Verwendung der
Parabolrinnentechnologie beispielsweise benötigen eine Reflektion von mindestens 93 % des relevanten
Wellenlängenbereiches solarer Strahlung von ca. 340 bis 2500 nm. Nur für Medium- bzw. Small-Scale Solarthermieanlagen ist eine niedrigere
Reflektionsperformance ebenfalls möglich.
Im Allgemeinen liegt der relevante Wellenlängenbereich der konzentrierenden Photovoltaik bei ca. 300 bis 1800 nm.
Unabhängig von der Zusammensetzung weist die
hochtransparente Kunststoffschicht insgesamt eine Dicke im Bereich von 1 ym bis 9 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 ym bis 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 ym bis 3 mm auf.
Die Dicke der hochtransparenten Kunststoffschicht ist im Bezug auf die Reflektionsperformance solarer Strahlung entscheidend. Es kann sich um eine Lackierung, eine
Beschichtung, eine Folie oder eine Platte handeln, die die bereits aufgeführten Dicken aufweisen kann. Besonders bevorzugt zur Optimierung der Reflektion solarer Strahlung hat eine hochtransparente Kunststoffschicht eine maximale Dicke von 1 mm.
Die Auftragung der hochtransparenten Kunststoffschicht für Frontseitenspiegel kann mittels Lackierung, Beschichtung oder Verkleben mit einem Klebstoff oder dem Primer
erfolgen .
Wichtig ist die Aufrechterhaltung der geforderten
Reflektionsperformance solarer Strahlung. Dies kann mittels Einstellung einer bestimmten maximalen Schichtdicke, optional verbunden mit einem Mehrschichtaufbau, z.B. zur Darstellung eines "Reflection Enhancement Stacks", erreicht werden .
Das Stabilisatorpaket (Lichtschutzmittel)
Die idealerweise verwendete hochtransparente
Kunststoffschicht ist mit einem UV-Schutz ausgestattet. Entsprechende UV-Schutz für Folien finden sich
beispielsweise in WO 2007/073952 (Fa. Evonik Röhm) oder den in DE 10 2007 029 263 AI.
Ein besonderer Bestandteil der erfindungsgemäß verwendeten UV-Schutzschicht ist das UV-Stabilisatorpaket, welches zur Langlebigkeit und zur Witterungsbeständigkeit der
Konzentratoren beiträgt. Idealerweise besteht das in den erfindungsgemäß verwendeten UV-Schutzschichten eingesetzte Stabilisatorpaket aus folgenden Komponenten:
• einem UV-Absorber vom Benztriazol-Typ,
• einem UV-Absorber vom Triazin-Typ
• einem UV-Stabilisator, bevorzugt einer HALS- Verbindung
Die Komponenten A und B können als Einzelsubstanz oder in Mischungen eingesetzt werden. Mindestens eine UV- Absorberkomponente muss in der hochtransparenten
KunststoffSchicht enthalten sein. Die Komponente C ist zwingend in der erfindungsgemäß verwendeten
KunststoffSchicht enthalten.
Für den Fall, dass die hochtransparente KunststoffSchicht aus verschiedenen, unterschiedlichen Polymerschichten besteht können sich die einzelnen Additive gleichmäßig und/oder getrennt voneinander auf eine oder mehrere dieser Schichten verteilen.
Insbesondere zeichnet sich der erfindungsgemäß hergestellte Konzentrator durch seine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte UV-Stabilität und die damit
einhergehende längere Lebensdauer aus. Das erfindungsgemäße Material kann so auch über einen sehr langen Zeitraum von mindestens 15 Jahren, bevorzugt sogar mindestens 20 Jahren, besonders bevorzugt mindestens 25 Jahren an Orten mit besonders vielen Sonnenstunden und besonders intensiver Sonnenstrahlung, wie z.B. im Südwesten der USA oder der Sahara in Sonnenkonzentratoren eingesetzt werden.
Das für „Solarthermie" relevante Wellenlängenspektrum der solaren Strahlung reicht von 300 nm bis 2500 nm. Der
Bereich unter 400 nm, insbesondere unter 375 nm sollte zur Verlängerung der Lebensdauer des Konzentrators jedoch ausgefiltert werden, so dass der „Wirksame
Wellenlängenbereich" von 375 nm bzw. von 400 nm bis 2500 nm bestehen bleibt. Die erfindungsgemäß eingesetzte
Mischung aus UV-Absorbern und UV-Stabilisatoren zeigt über ein breites Wellenlängenspektrum (300 nm - 400 nm) einen stabilen, langlebigen UV-Schutz.
Die Oberflächenbeschichtung
Der Begriff Oberflächenbeschichtung wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung als Sammelbegriff für Beschichtungen verstanden, die zur Verminderung einer
Oberflächenverkratzung und/oder zur Verbesserung der
Abriebsbeständigkeit und/oder als Antischmutzbeschichtung aufgebracht werden.
Zur Verbesserung der Kratzfestigkeit bzw. der
Abriebfestigkeit können Polysiloxane, wie CRYSTALCOAT™ MP- 100 der Firma SDC Techologies Inc., AS 400 - SHP 401 oder UVHC3000K, beide von der Firma Momentive Performance
Materials, verwendet werden. Diese Lackformulierungen werden z.B. über Rollcoating, Knifecoating oder Flowcoating auf die Oberfläche der hochtransparenten KunststoffSchicht des Konzentrators appliziert. Als Beispiele weiterer in Frage kommenden Beschichtungstechnologien seien PVD- (physical vapor deposition; physikalische
Gasphasenabscheidung) sowie CVD-Plasma (chemical vapor deposition; chemische Gasphasenabscheidung) erwähnt.
Genauere Angaben zu Antisoil- bzw.
Antischmutzbeschichtungen finden sich in der Literatur bzw. sind dem Fachmann bekannt.
Der Silberspiegelschichtaufbau
Der Silberspiegelschichtaufbau setzt sich aus einer bis zu mehreren verschiedenen, durch Physical Vapor Deposition (PVD) herstellbare funktionale Schichten zusammen. Zwingend ist das Vorliegen der eigentlichen Spiegelschicht. Auf der der solaren Strahlung abgewandten Seite kann optional eine Antikorrosionsschicht aufgebracht werden. Zwischen der Spiegelschicht und der mittels PVD zu beschichtenden
KunststoffSchicht kann optional ein Primer vorliegen. Im Falle, dass beispielsweise die hochtransparente
KunststoffSchicht mittels PVD beschichtet wird, ist der Primer auf der der solaren Strahlung zugewandten Seite. Des Weiteren kann ein „Reflection Enhancement Stack"- Schichtenaufbau in den Silberspiegelschichtenaufbau einbezogen werden. Dabei handelt es sich um einen
optimierten, mehrschichtigen Aufbau sehr dünner Metalloxid- Schichten, durch dessen Verwendung die Absorption minimiert werden kann. Die Reflection Enhancement Stack-Schichten werden in der Regel durch PVD aufgebaut.
Der Wortbestandteil Silber in Silberspiegelschichtaufbau impliziert nicht, dass es sich bei dem spiegelnden Metall tatsächlich um Silber handeln muss, sondern bringt vielmehr zum Ausdruck, dass Silber in einer bevorzugten
Ausführungsform verwendet wird.
Der Silberspiegelschichtenaufbau, bestehend aus optionalem Primer, Spiegelschicht, optionalem „Reflection Enhancement Stack" und optionaler Antikorrosionsschicht , wird bevorzugt mittels Physical Vapor Deposition aufgebaut.
Der Silberspiegelschichtenaufbau hat in der Regel eine Dicke zwischen 80 und 200 nm.
Alternativ kann der Silberspiegelschichtenaufbau auch in Form einer vorgefertigten sogenannten „Silberspiegelfolie" eingebracht werden. Diese weist ebenfalls den oben
beschriebenen Schichtenaufbau, appliziert auf eine
Kunststofffolie (in der Regel Polyester), auf. Im Falle, dass diese Kunststofffolie auf der Seite der solaren
Strahlung eingebaut wird, ist sie im Weiteren als
Bestandteil der hochtransparenten KunststoffSchicht zu betrachten .
Im Falle dass diese Kunststofffolienschicht (z.B.
Polyester) der Silberspiegelfolie auf der Rückseite (die der solaren Strahlung abgewandte Seite des
Silberspiegelaufbaus ) eingebaut wird, kann diese neue
Schicht als zusätzlicher Bestandteil der Trägerschicht betrachtet werden und optional mit dieser durch eine weitere Klebschicht verbunden werden.
Der Primer
Der Primer wirkt gleichzeitig als Migrationssperrschicht zur Vermeidung der Migration von Silber aus der
Spiegelschicht in das polymere Substrat bzw. von
schädlichen Komponenten aus dem polymeren Substrat in die Silberspiegelschicht . Hier kommen Materialien zum Einsatz, die insbesondere eine Migration der für die Metallschicht schädlichen
Bestandteile oder auch migrationsfähige Bestandteile der Additive aus der hochtransparenten KunststoffSchicht verhindern. Naturgemäß muss der Primer ähnlich
hochtransparente Eigenschaften wie die eigentliche
KunststoffSchicht aufweisen. Idealerweise dient der Primer gleichzeitig zur Haftvermittlung, so dass zur Metallschicht und/oder zur hochtransparenten KunststoffSchicht keine zusätzlichen Klebschichten benötigt werden. In der Regel wird der Primer mittels Physical Vapor Deposition in einer Schichtdicke zwischen 1 nm und 20 nm aufgetragen.
Die Wahl des Primers ergibt sich aus den Haftungs- bzw. Oberflächeneigenschaften der Metallschicht und der
hochtransparenten KunststoffSchicht . Es kann sich bei dem Primer beispielsweise um eine dünne Metalloxidschicht handeln .
Die Spiegelschicht
Die Spiegelschicht besteht bevorzugt aus Silber, Gold oder Aluminium, besonders bevorzugt aus Silber. Silber weist von allen potentiell möglichen Metallspiegelschichten die höchste Reflektivität im relevanten Wellenlängenspektrum solarer Strahlung auf. Insbesondere alternative
Reflektionsschichten aus Aluminium oder Gold können
optional mit Reflectance Enhancement Stack-Schichten optisch aufgewertet werden.
Silber wird mit einer Dicke zwischen 50 und 200 nm, bevorzugt zwischen 70 und 150 nm, besonders bevorzugt zwischen 80 und 130 nm verwendet. Bei diesen Schichtdicken wird zum einen eine Reflektion von zumeist mehr als 90 % der solaren Strahlung gewährleistet und gleichzeitig werden hohe Prozess- und Materialkosten vermieden.
Die Spiegelschicht wird bevorzugt unter Einsatz von
modernen Dünnschichttechnologien, bevorzugt unter
Verwendung der Physical Vapor Deposition, aufgebracht. Mit einer solchen Methode ist die Einstellung möglichst dicht gepackter, homogener Schichten möglich.
Die Rückseite der Spiegelschicht kann optional mit einer zweiten Metallschicht als Antikorrosionsschicht , beispielsweise aus Kupfer oder einer Nickel-Chrom- Legierung, überzogen werden. Diese dient zum einen als Schutz der Metallspiegelschicht und zum anderen zur
besseren Haftung der Trägerschicht bzw. der
Haftklebeschicht. Solche Antikorrosionsschichten werden bevorzugt in einer Schichtdicke zwischen 10 nm und 100 besonders bevorzugt zwischen 20 und 50 nm aufgebracht.
Die Trägerschicht
Die Wahl der Trägerschicht, also der der solaren Strahlung abgewandten Kunststoffschicht , wird durch folgende, zwingend erforderlichen Eigenschaften bestimmt: Die
Trägerschicht muss eine ausreichende Steifigkeit und idealerweise gute Haftungseigenschaften gegenüber dem verbundenden Silberspiegelschichtaufbau aufweisen.
Zusätzlich muss die Trägerschicht je nach
Herstellungsverfahren des Silberspiegelschichtenaufbaus entweder unter Verwendung einer Physical Vapor Deposition beschichtbar sein oder eine Laminationsfähigkeit mit einer Silberspiegelfolie aufweisen. Darüber hinaus soll eine Beständigkeit gegen Witterungs- und Umwelteinflüsse für mindestens 20 Jahre gegeben sein. Gegenüber der
Silberspiegelschicht sollte dazu über einen langen Zeitraum kein Haftungsverlust auftreten. Darüber hinaus dient die Trägerschicht zur Vermeidung einer Schädigung der
Antikorrosionsschicht . Es besteht jedoch kein Anspruch auf eine Reflektionsperformance .
Als Kunststoffe, die zur Verwendung in der Trägerschicht geeignet sind, haben sich sämtliche Polymere, die zur
Herstellung einer Platte mit einer Dicke von mindestens 0,8 mm geeignet sind, erwiesen. Beispiele sind Polyester, Polycarbonate, Styrol-Copolymere, Polystyrol und PMMA.
Im Fall des Frontseitenspiegels wird von der Trägerschicht ausgehend der Silberspiegelschichtenaufbau durch Physical Vapor Deposition aufgebaut.
Im Falle des Rückseitenspiegels wird die Trägerschicht auf den restlichen Schichtenverbund mittels Verkleben oder Lackieren aufgebracht. Die benötigen Schichtdicken der Trägerschicht liegen zwischen 0,8 und 19 mm, bevorzugt zwischen 2 und 8 mm.
Solche Schichten werden in der Regel durch Extrusion,
Gießen oder ein anderes Formgebungsverfahren hergestellt, ohne die Erfindung durch das Herstellungsverfahren in irgendeiner Form einzuschränken.
In der Regel ist die Trägerschicht die formgebende und damit hauptsächlich selbsttragende Schicht der
erfindungsgemäß hergestellten Konzentratoren.
Die Klebschichten
Optional können sich zwischen den einzelnen Schichten jeweils Klebschichten befinden. Klebschichten können sich genauer zwischen Trägerschicht und Antikorrosionsschicht , zwischen Silberspiegelschichtenaufbau und hochtransparenter KunststoffSchicht und zwischen den einzelnen Schichten einer mehrschichtigen KunststoffSchicht befinden.
Die dafür eingesetzten Adhäsivsysteme ergeben sich
bezüglich ihrer Zusammensetzung aus den
Haftungseigenschaften der beiden miteinander zu
verklebenden Schichten. Zusätzlich sollten die
Adhäsivsysteme zur Langlebigkeitsperformance beitragen, sowie negative Wechselwirkungen der angrenzenden Schichten unterbinden .
Unter Umständen sind auch die optischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Klebschichten die auf der der solaren Strahlung zugewandten Seite der Metallschicht verwendet werden, müssen hochtransparent sein. Geeignet sind
beispielsweise spezielle Acrylatkleber .
Verwendung
Verwendung finden die erfindungsgemäß hergestellten
Konzentratoren bevorzugt als Parabolrinnen-Konzentratoren eines Parabolrinnenkollektors . Dazu ist es von besonderem Vorteil, wie in dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert, wenn der Konzentrator kalt umgeformt bzw. in die
Parabelgeometrie der Parabolrinne eingeformt werden kann. So können auch geringfügig gebogene Formen hergestellt bzw. der Konzentrator an nur geringfügig eingeformte, ansonsten zweidimensionale Kollektorstrukturen angepasst werden.
Beispiele für Endanwendungen mit diesen Voraussetzungen sind die Verwendung in Fresnelspiegelkollektoren,
Heliostat-Reflektoren, wie sie in der Solar Tower
Technologie Anwendung finden, oder in Solar Dish
Reflektoreinheiten .
Eine Rationell thermische Umformung unter Vermeidung hoher Temperaturen wird zum Beispiel bei der Einpassung in eine Paraboloid-Struktur, wie sie bei Concentrated Photovoltaics (CPV) häufig eingesetzt wird, oder in extrem-gekrümmte Formen für Konzentratorkonstruktionen in Medium- bzw.
Small-Scale-Solarthermieeinheiten benötigt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Konzentrators für die solare Energiegewinnung, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine erste KunststoffSchicht mit einem Silberspiegelschichtenaufbau durch Physical Vapor Deposition beschichtet wird,
- dass auf der anderen Seite des
Silberspiegelschichtenaufbaus eine zweite KunststoffSchicht aufgebracht wird,
- dass eine der beiden Kunststoffschichten
hochtransparent ist und in der späteren Anwendung der solaren Lichtquelle zugewandt ist,
- dass das so hergestellte Laminat mittels
Kalteinbiegen in eine Verwendungsform, bevorzugt eine Parabolrinne gebracht wird, und
- dass der aus dem Verfahren erhaltene Konzentrator selbsttragend ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste KunststoffSchicht im ersten Schritt der Physical Vapor Deposition auf der mit einem Metall zu beschichtenden Seite mit einer hochtransparenten Primerschicht versehen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die der hochtransparenten
Kunststoffschicht abgewandte Seite der Metallschicht mit einer metallischen Schutzschicht, bevorzugt bestehend aus Kupfer oder einer Legierung aus Chrom und Nickel versehen wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Lichtquelle später abgewandte
Trägerschicht mittels Physical Vapor Deposition mit dem Metall beschichtet wird und anschließend die andere Seite der Metallschicht mit optional einem Primer und einem hochtransparenten Kunststoff
beschichtet wird.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Silberspiegelschichtenaufbau Reflection Enhancement Stack-Schichten aufweist.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass es sich bei dem Metall der Spiegelschicht um
Silber, Gold oder Aluminium, bevorzugt um Silber handelt, und
- dass die Spiegelschicht eine Dicke zwischen 50 und 200 nm, bevorzugt zwischen 80 und 130 nm aufweist .
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Silberspiegelschichtenaufbau, bestehend aus optionalem Primer, Spiegelschicht und optionaler Antikorrosionsschicht , mittels Physical Vapor
Deposition aufgebaut wird.
8. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem hochtransparenten Kunststoff um Polycarbonat, Polystyrol, ein Styrol-Copolymer, ein Fluorpolymer oder PMMA, bevorzugt um PMMA oder ein Fluropolymer handelt .
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtransparente Schicht mit Additiven wie Inhibitoren und/oder UV-Stabilisatoren ausgestattet ist .
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die hochtransparente
KunststoffSchicht aus verschiedenen,
unterschiedlichen Polymerschichten besteht, und dass sich die einzelnen Additive gleichmäßig und/oder getrennt voneinander auf eine oder mehrere dieser Schichten verteilen.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den verschiedenen, unterschiedlichen Polymerschichten um mindestens eine PMMA enthaltende Schicht handelt.
12. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
hochtransparente Schicht eine Kratzfest- und/oder eine Antischmutzbeschichtung aufweist.
13. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kunststoff der Trägerschicht um Polycarbonat, Polystyrol, ein Styrol-Copolymer, einen Polyester oder PMMA, bevorzugt um PMMA, handelt.
14. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den einzelnen Schichten jeweils optional
Klebschichten befinden können.
15. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat eine derartige Steifigkeit besitzt, dass es
selbsttragend ist, und dass es gleichzeitig
kalteinformbar in die endgültige Form gebracht werden kann .
16. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Konzentrator insgesamt eine Dicke zwischen 1 mm und 2 cm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm aufweist.
17. Konzentrator, dadurch gekennzeichnet, dass der
Konzentrator von der Lichtquelle aus betrachtet aus mindestens folgenden Schichten besteht:
- einer UV-Stabilisator und Inhibitoren
enthaltenden Kunststoffschicht , enthaltend PMMA
- einer Silberspiegelschichtenaufbau mit einer Dicke zwischen 80 und 200 nm
- einer Trägerschicht, bevorzugt bestehend aus
PMMA, und dass
der Konzentrator mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde.
18. Konzentrator gemäß Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, dass der Konzentrator von der
Lichtquelle aus betrachtet aus folgenden Schichten besteht :
- einer Oberflächenvergütung mit
schmutzabweisenden und die Kratzfestigkeit verbessernden Eigenschaften
- einer UV-Stabilisator und Inhibitoren
enthaltenden Kunststoffschicht , enthaltend PMMA
- einer optionalen Klebschicht
- einer Primerschicht
- einer Silberschicht mit einer Dicke zwischen 80 und 130 nm
- einer Korrosionsschutzschicht bestehend aus
Kupfer oder Nickel/Chrom mit einer Dicke zwischen 25 und 50 nm
- einer optionalen Klebschicht - einer polymeren Trägerschicht bestehend aus PMMA , und dass der Konzentrator mittels Kaltverformung in die endgültige Form gebracht wurde.
19. Verwendung eines Konzentrators gemäß Anspruch 17 oder 18 als Parabolrinne in einem Parabolrinnenkollektor .
20. Verwendung eines Konzentrators gemäß Anspruch 17 oder 18 in Fresnelspiegelkollektoren,
Heliostat-Reflektoren oder Solar Dish
Konzentratoreinheiten .
21. Verwendung eines Konzentrators gemäß Anspruch 17 oder 18 in extrem gekrümmter Form in Medium- bzw. Small Scale-Solarthermieeinheiten .
22. Verwendung eines Konzentrators gemäß Anspruch 17 oder 18 in Paraboloidform in Concentrated Photovoltaics .
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