-
Die
Erfindung betrifft lichtdurchlässige Sonnenenergiekollektoren,
enthaltend IR-Absorber, Ruß und Farbmittel, sowie dessen
Verwendung als wärmedämmendes und sonnenschützendes
Bedachungs- und Verglasungsmaterial.
-
Stand der Technik
-
Transparente,
IR-absorbierende Körper aus Kunststoffen werden in verschiedenen
Patentschriften beschrieben. In
EP
927741 werden thermoplastische Kunststoffe beschrieben,
die eine Kupferdithiocarbamatverbindung enthalten und spritzgegossen
werden können.
-
JP 10157023 offenbart thermoplastische
Kunststoffe, die IR-absorbierende Dithiolmetallkomplexe enthalten.
-
In
EP 607031 und
JP 06240146 werden thermoplastische
Kunststoffe beschrieben, die IR-absorbierende Phthalocyaninmetallkomplexe
enthalten.
-
JP 61008113 offenbart IR-absorbierende
Klebefolien, die auf Verglasungen aufgebracht werden können.
-
In
JP 56129243 und
EP 19097 werden Kunststoffplatten
aus Methylmethacrylat offenbart, die als IR-Absorber organische
Kupferphosphatkomplexe enthalten.
-
WO 01/18101 beschreibt
Formmassen, enthaltend IR-absorbierende Farbstoffe. Die Formmassen eignen
sich u. a. auch zur Herstellung von Hohlraumplatten, Doppelstegplatten
oder Multistegplatten, die optional auch zusätzlich mit
einer oder mehreren coextrudierten Schicht versehen sein können.
Bei einer solchen Ausführung enthält der gesamte
Formkörper das IR-absorbierende Pigment. Dies hat den Nachteil, daß die absorbierte
Wärme den gesamten Kunststoffkörper erwärmt
und die Wärme unspezifisch nach allen Seiten abgegeben
wird.
-
WO 03/013849 beschreibt
Kunststoffkörper mit niedriger Wärmeleitfähigkeit,
hoher Lichttransmission und Absorption im nahen Infrarotbereich.
Die Kunststoffkörper, bestehen aus einem Basisformkörper,
der aus einem transparentem thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial
gefertigt ist, und der aus mindestens zwei gegenüber liegenden
flächigen Schichten besteht, die durch senkrechte oder
diagonal angeordnete Stege miteinander verbunden sind, wobei eine
der flächigen Schichten mit einer zusätzlichen
Schicht aus einer Kunststoffmatrix aus transparentem Kunststoff-Basismaterial
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche
Schicht eine IR-absorbierende Schicht ist, die einen oder mehrere,
die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden
IR-Absorber enthält, der im Bereich der nahen Infrarotstrahlung
(780 nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission von weniger als
80% aufweist, der Kunststoffkörper eine Lichttransmission
(D65) von 15 bis 86%, eine Wärmedurchgangszahl von 4 W/m
2K oder kleiner und eine SK-Zahl von 1,15 oder
größer aufweist.
-
Die
DE 2904564 beschreibt einen
Sonnenenergiekollektor, dessen Flächenelemente lichtdurchlässig sind,
und dessen Wärmetauscher nur in einem Teil der von den
Flächenelementen überdeckten Fläche Strahlung
absorbiert. Der Wärmetauscher überdeckt vorzugsweise
40–70% der Fläche, da er üblicherweise
aus lichtundurchlässigem Material aufgebaut ist.
-
Aufgabe und Lösung
-
Die
DE 2904564 zeigt, dass entweder
ein lichtdurchlässiges Flächenelement oder ein
lichtundurchlässiger Wärmetauscher eingesetzt
werden können. Es sollte somit ein Kunststoffkörper
bereitgestellt werden, der lichtdurchlässig ist und eine
angenehmere Farbtönung aufweist. Zugleich sollte die Sonnenenergie
genutzt werden und zudem eine zu starke Erwärmung auf der
sonnenabgewandten Seite vermieden werden.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch einen lichtdurchlässigen
Sonnenenergiekollektor bestehend aus einer Stegdoppel- oder -mehrfachplatte
aus transparentem thermoplastischen Kunststoff, enthaltend eine
innenliegende, die Transparenz des Kunststoffkörpers nicht
beeinträchtigenden IR-Absorber-Schicht, die im Bereich der
nahen Infrarotstrahlung (780 nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission
weniger als 80% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der
Stegplatte gebildete warme Luft direkt einem Wärmetauscher
zugeführt wird
-
Es
wurde gefunden, dass durch eine innenliegende, die Transparenz des
Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigende IR-Absorber-Schicht,
die Sonnenenergie zur Erwärmung der Luft in den Hohlkammern
genutzt werden kann. Die Luft wird durch die IR-Absorber-Schicht
stark aufgewärmt. Die erwärmte Luft kann mittels eines
nachgeschalteten Wärmetauschers genutzt werden. Zudem führt
die IR-Absorber-Schicht dazu, dass nur stark reduzierte Sonnenenergie
zur wesentlich geringeren Erwärmung an der sonnenabgewandten
Seite führt.
-
Gegenüber
den bekannten Kunststoffkörpern gemäß der
WO 03/013849 unterscheidet
sich eine besondere Ausführungsform der vorliegende Erfindung
dadurch, dass zusätzlich eine Mischung aus einem Ruß und
Farbmitteln enthalten ist, so dass der Kunststoffkörper
einen ansprechenden Grauton aufweist. Obwohl die Maßnahmen
dazu führen, dass die SK-Zahl im Gegensatz zur
WO 03/013849 unter 1,15
liegt, wurde überraschender Weise in einem praxisorientierten
Test festgestellt, dass der Temperaturanstieg auf der entgegengesetzten
Seite des Kunststoffkörpers bei Lichteinstrahlung (Treibhauseffekt)
in ähnlicher Weise vermindert ist wie bei Kunststoffkörpern
gemäß der
WO
03/013849 . Der Erfindung liegt somit auch die Erkenntnis
zugrunde, dass die Selektivitätskennzahl nach
DIN
67507 (SK-Zahl) eine nur bedingt geeignete Steuergröße
zur Entwicklung von IR-Absorber-haltigen Kunststoffkörper
ist, die einen verminderten Treibhauseffekt aufweisen sollen. Eine
im Vergleich zur SK-Zahl geeignetere Leitgrösse für
die Reduktion des Treibhauseffektes mag im Gesamtenergiedurchlasskoeffizienten
g (
DIN 67507) oder dem sogenannten „Solar
Heat Gain Coefficient" (SHGC,
ISO 15099) liegen.
Beide Größen korrelieren relativ gut (g = 0,86 × g).
Allerdings vermag auch die Betrachtung von g oder SHGC den Gesamteindruck
nicht vollständig wiederzugeben. Bei den erfindungsgemäßen
Stegdoppel- oder -mehrfachplatten für Sonnenenergiekollektoren
ist die Transmission im Vergleich zu nicht erfindungsgemäßen
Stegdoppel- oder -mehrfachplatten deutlich, der Gesamtenergiedurchlasskoeffizient
nur geringfügig vermindert. Trotzdem erscheinen die erfindungsgemäßen
Kunststoffkörper dem unvoreingenommenen Betrachter in der
Durchsicht unerwartet hell.
-
Ausführung der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft Sonnenenergiekollektoren, die sich durch einen
besonders einfachen Aufbau auszeichnen. Es wird eine herkömmliche
Stegdoppel- oder mehrfachplatte erfindungsgemäß mit
einer innenliegenden IR-Absorber-Schicht versehen. Dadurch wird
Sonnenenergie absorbiert, was einerseits zur Minderung der Wärmeenergie
auf der sonnenabgewandten Seite der Stegplatte führt. Demnach
erfüllt der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektor
auch die Aufgabe der Wärmedämmung.
-
Andererseits
wird durch die IR-Absorber-Schicht die in der Stegdoppel- oder mehrfachplatte
befindliche Luft erheblich erwärmt. Eingestrahlte Sonnenenergie
wird durch die IR-Absorber-Schicht in Wärmeenergie umgewandelt.
Die vorbeiströmende Luft wird erwärmt. Mit einem
nachgeschalteten Wärmetauscher kann diese warme Luft beispielsweise
zur Warmwasserbereitung genutzt werden.
-
Die
Einbringung der funktionellen Schicht im Inneren der Stegdoppel-
oder – mehrfachplatte bietet zudem den Vorteil, dass diese
Schicht gegenüber der Witterung und mechanischen Einflüssen
geschützt ist.
-
Idealerweise
kann der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektor
direkt als Dachfenster oder sonstige lichtdurchlässige
Bedachung genutzt werden.
-
Die
Erfindung betrifft Stegdoppel- oder -mehrfachplatten als Sonnenenergiekollektoren
bestehend aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff,
enthaltend einen oder mehrere, die Transparenz des Kunststoffkörpers
nicht beeinträchtigenden IR-Absorber, der im Bereich der
nahen Infrarotstrahlung (780 nm bis 1100 nm) eine mittlere Transmission
von weniger als 80%, bevorzugt weniger als 75 aufweist.
-
Zusätzlich
kann eine Mischung aus einem Ruß und Farbmitteln enthalten
sein, so dass der Kunststoffkörper oder gegebenenfalls
auch nur Teilbereiche des Kunststoffkörpers einen Grauton
bezogen auf den Cie-Lab-Farbraum innerhalb von L* entsprechend dem
angegebenen Lichttransmissionsbereich, z. B. L* im bereich 10 bis
75 oder 30 bis 75, sowie
a* = +/– 5,0, bevorzugt –5,0
bis –0,5 besonders bevorzugt –3,0 bis –2,0
und
b* = +/– 5,0, bevorzugt 1,0 bis 5,0 besonders
bevorzugt 3,0 bis 4,5 aufweist.
-
Der
Kunststoffkörper weist eine SK-Zahl von kleiner 1,15, insbesondere
kleiner 1,1, z. B. 1,0 bis 1,1 oder gegebenenfalls 0,8 bis 1,1 auf.
-
In
der Chemischen Industrie werden wie auch in der Glasindustrie, vor
allem 2 Farbsysteme bzw. Farbräume genutzt, um den Eindruck
von gefärbten Kunststoffen bzw. Gläsern wiederzugeben.
Dies sind die Normfarbtafel und der Cie-Lab-Farbraum, die in der DIN
5033, Teil 2, 3 und 7, sowie in DIN 5036,
Teil 1 im Detail beschrieben sind.
-
Der
Cie-Lab Farbraum erlaubt im Gegensatz zur zweidimensionalen Normfarbtafel,
Farbvergleiche vorzunehmen und den Abstand zu Sollfarben zu messen.
Die Größe L* gibt dabei die Helligkeit (leightness) an
und korreliert in etwa mit dem Transmissionsgrad eines zu messenden
Kunststoffkörpers. L* im Bereich 10 bis 75 korreliert in
etwa mit Lichttransmission (D65) von 15 bis 70%. Die Größe
a* gibt die rot-grün-Buntheit an, die Größe
b* die gelb-blau-Buntheit. Der Farbraum L* im Bereich bzw. gleich
10 bis 75, a* = +/– 5,0 und b* = +/– 5,0 steht
daher für einen transparenten Kunststoffkörper
mit einem Grauton. Je nach Lage von a* und b* kann der Grautone
eine leichten Anklang (Stichigkeit) ins Rote, Grüne, Gelbe
oder Blaue aufweisen oder bei a* und b* = 0 auch völlig
neutral ausfallen.
-
Der
Kunststoffkörper kann eine Lichttransmission (D65, DIN
67 507; Lichttransmissionsgrad für Tageslicht
(Normlichtart D65) ⎕D65 s. z. B.
auch DIN 5033/5036) von 15 bis 70, bevorzugt von
25 bis 50% aufweisen.
-
Die
erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren werden
mittels einer Hohlkammerplatte, insbesondere einer Stegdoppelplatte,
einer Stegmehrfachplatte, insbesondere einer Stegdreifachplatte
oder einer Stegvierfachplatte realisiert.
-
Die
Hohlkammerplatte kann aus mindestens zwei Schichten bestehen, die
nicht fest verbunden sind und/oder durch Coextrusion oder durch
Lamination oder durch Lackieren fest verbunden sind.
-
Hohlkammerplatten
bzw. Stegplatten bestehen aus zwei gegenüber liegenden
flächigen Schichten, den außen liegenden Gurten,
den Ober- und Untergurten, die durch senkrechte oder diagonal angeordnete Stege
miteinander verbunden sind. Die flächigen Schichten liegen
bevorzugt parallel zueinander gegenüber. Bei einer Stegdoppelplatte
z. B. liegen zwei parallel gegenüberliegende Gurtschichten,
nämlich der Obergurt und Untergurt, mit entsprechenden
Stegen vor. Eine Stegdreifachplatte weist zusätzlich einen
parallel zu Ober- und Untergurt angeordneten Zwischengurt auf. Zwischengurte
liegen im Gegensatz zu Ober- und Untergurt in Innern der Platte.
Bei einer Fachwerkstegplatte können die Stege zumindest
teilweise diagonal angeordnet sein.
-
Der
IR-Absorber befindet sich zweckmäßigerweise in
der aufgelegten, coextrudierten, laminierten und/oder auflackierten
Schicht. Diese Schicht kann, muss jedoch nicht Russ und Farbmittel
enthalten.
-
Bevorzugt
befindet sich im Falle eines mehrschichtigen Kunststoffkörpers
der IR Absorber in einer Schicht, z. B. einer innen liegenden, dünnen
coextrudierten Schicht, während sich Russ und Farbmittel
in einer anderen Schicht, insbesondere in dem darunter liegenden
Basisformkörper, befinden.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform ist eine Hohlkammerplatte,
insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Stegmehrfachplatte, insbesondere
eine Stegdreifachplatte oder eine Stegvierfachplatte, bei der ein oder
gegebenenfalls beide Gurte sowie die übrige Stegplatte
coextrudiert sind, wobei zumindest ein coextrudierter Gurt den IR-Absorber,
sowie Ruß und Farbmittel enthält. Die übrige
Stegplatte kann z. B. farblos sein oder, um einen gleichmäßigen
Farbeindruck zu gewährleisten, Ruß oder Ruß und
Farbmittel enthalten. Besonders bevorzugt besteht die Stegplatte
dabei aus schlagzähmodifiziertem Poly(meth)acrylat. Die
Coextrusion eines kompletten außen liegenden Gurtes hat
den Vorteil, daß die Schicht eine ausreichende Stärke
bzw. Dicke, z. B. von 0,5 bis 2 mm hat, die es gestattet bei guter
Verteilung im Extrusionswerkzeug eine Kunststoff-Formmasse annähernd
gleicher oder gleicher Schmelzviscosität wie für
den Basisformkörper einzusetzen. Insbesondere kann die
gleiche Kunststoffformmasse für beide Schichten verwendet
werden. Dies hat bei einer Stegplatte aus schlagzähmodifizierten
Poly(meth)acrylat den Vorteil, dass die Hagelschlagbeständigkeit der
coextrudierten Gurtschicht nicht geringer als die des Basisformkörpers
ist. Dies wäre bei sehr dünnen Coextrusionschichten,
die aus Gründen der Verteilung der Schmelze im Extrusionswerkzeug
die Verwendung einer niedrigviskosen Formmasse verlangt, zwangsläufig
der Fall.
-
Die
bevorzugte Möglichkeit, die IR-absorbierende Schicht zu
plazieren, besteht im Rahmen einer durchgehenden coextrudierten
Innenbeschichtung eines oder beider Gurte. Ein entsprechendes Extrusionswerkzeug
für die Innenbeschichtung der Gurtflächen von
Stegplatten ist aus der
EP
1 270 176 A bekannt.
-
Übliche
Abmessungen für Stegplatten sind:
Dicke der Ober-
und Untergurte bei Stegplatten: ca. 0,4 bis 3 mm
Dicke der
Zwischengurte und Stege bei Stegplatten: ca. 0,1 bis 2 mm.
Längen:
bis ca. 6000 mm oder mehr (bei Bedarf entsprechend abgelängt)
-
Materialien
-
Die
Stegplatten bestehen im wesentlichen aus einem transparenten thermoplastischen
Kunststoff-Basismaterial, das ein z. B. ein Polymethylmethacrylat-Kunststoff,
ein schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat (siehe
z. B.
EP-A 0 733 754 ),
ein Polycarbonat-Kunststoff (verzweigtes oder lineares Polycarbonat), ein
Polystyrol-Kunststoff, Styrol-Acryl-Nitril-Kunststoff, ein Polyethylentherephthalat-Kunststoff,
ein glykolmodifizierter Polyethylentherephthalat-Kunststoff, ein
Polyvinylchlorid-Kunststoff, ein transparenter Polyolefin-Kunststoff
(z. B. durch metallocen-katalysierte Polymerisation herstellbar)
oder ein Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff sein kann.
Sie kann auch aus Kombinationen oder Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer
Kunststoffe bestehen.
-
Ein
transparentes thermoplastisches Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffbasismaterial
hat, ohne IR-Absorber, Russ und Farbmittel, z. B. eine Lichttransmission
(D65) von 15 bis 92, bevorzugt 65 bis 90%.
-
Bei
bestimmten Anwendungen, z. B. wenn eine Blendung durch sehr intensive
Sonnenstrahlung vermeiden werden soll, kann dem transparenten thermoplastischen
Kunststoff-Basismaterial auch ein Streumittel, z. B. BaSO4, z. B. in Mengen von 0,5 bis 5 Gew.-%,
oder ein anderes Lichtstreumittel, z. B. Lichtstreuperlen zugesetzt
werden, wodurch der ursprünglich transparente Kunststoff
lichtstreuend, transluzent wird.
-
Lichtstreuperlen
können z. B. in Konzentrationen von 0,1 bis 30 Gew.-%,
bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% zugesetzt werden. Vernetzte Lichtstreuperlen
aus Copolymeren aus Methymethacrylat und Styrol oder Benzylmethacrylat,
die insbesondere für Basisformkörper aus Polymethylmethacrylat
geeignet sind, sind z. B. bekannt z. B. aus
DE 35 28 165 C2 ,
EP 570 782 B1 oder
EP 656 548 A2 .
-
Die IR-absorbierende Schicht
-
Die
Schichtdicke der innen liegenden, dünnen Schicht liegt
z. B. im Bereich von 2 bis 250 μm.
-
Die
Schichtdicken coextrudierter Schichten liegen bevorzugt im Bereich
von 5 bis 250, bevorzugt von 20 bis 150, insbesondere 50 bis 125 μm.
-
Die
Schichtdicken laminierter Schichten liegen bevorzugt im Bereich
von 10 bis 250, bevorzugt von 10 bis 100 μm.
-
Die
Schichtdicken lackierter Schichten liegen nach der Trocknung bevorzugt
im Bereich von 2 bis 50, bevorzugt von 5 bis 25 μm.
-
Die
IR-absorbierende Schicht kann zusätzlich einen UV-Absorber
in üblichen Konzentrationen, z. B. 0,1 bis 15 Gew.-%, enthalten,
um den IR-Absorber und die Kunststoff-Matrix vor Abbau durch UV-Strahlung
zu schützen. Der UV Absorber kann ein flüchtiger,
niedermolekularer, ein wenig flüchtiger, hochmolekularer
oder ein einpolymerisierbarer UV-Absorber sein (s. z. B.
EP 0 359 622 B1 ).
-
Die
Kunststoffmatrix der IR absorbierenden Schicht besteht aus transparentem
Kunststoff-Basismaterial, das thermoplastisch, thermoelastisch oder
vernetzt sein kann. Bevorzugt besteht das Kunststoff-Basismaterial
der IR absorbierenden Schicht aus demselben Typ von transparenten,
thermoplastischen Kunststoff-Basismaterial, aus dem auch der Basisformkörper
besteht, also z. B. aus einem Polymethylmethacrylat-Kunststoff,
einem schlagzäh modifizierten Polymethylmethacrylat-Kunststoff,
einem Polycarbonat-Kunststoff (verzweigtes oder lineares Polycarbonat),
einem Polystyrol-Kunststoff, einem Polyethylentherephthalat-Kunststoff oder
einem Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff.
-
Dabei
kann der Basisformkörper z. B. aus einer höher
viskoseren Variante eines Kunststoff-Typs bestehen, z. B. Polymethylmethacrylat,
und die Kunststoffmatrix aus einer niedriger viskosen Variante des
gleichen Typs, z. B. einem niedrigviskoseren Polymethylmethacrylat,
das sich z. B. besonders gut für die Coextrusion eignet.
-
Durch
die Anwesenheit des IR-Absorbers erscheint die äußere
Schicht und dadurch der gesamte Kunststoffkörper, je nach
eingesetztem IR-Absorber grünlich bis bläulich
türkis. In Fällen, in denen man dieser Farbeindruck
vermeiden oder mildern möchte, kann man ein lichtstreuendes
Pigment, z. B. ein Weißpigment, z. B. Bariumsulfat, in
Mengen von 0,5 bis 5 Gew.-% zusetzen. Die hat den technischen Vorteil,
daß der Blendeffekt bei durchscheinender Sonne gemildert
wird, indem das Licht gestreut wird. Gegebenenfalls kann durch Zugabe
von Farbstoffen eine Kompensation des Farbeindrucks erreicht werden.
-
Bei
bestimmten Anwendungen, z. B. wenn eine Blendung durch sehr intensive
Sonnenstrahlung vermeiden werden soll, kann dem transparenten Kunststoff-Basismaterial
der zusätzlichen Schicht auch ein Streumittel, z. B. BaSO4 oder ein anderes Lichtstreumittel, z. B.
Lichtstreuperlen zugesetzt werden, wodurch der ursprünglich
transparente Kunststoff lichtstreuend, transluzent, wird.
-
Gegebenenfalls
kann sich auf der zusätzlichen Schicht aus transparentem
Kunststoff, die eine IR-absorbierende Schicht enthält,
noch eine oder mehrere weitere z. B. coextrudierte, lackierte oder
laminierte Schicht aus Kunststoff, bevorzugt transparentem Kunststoff
befinden. In diesem Fall liegt die IR-absorbierende Schicht nicht
außen sondern innerhalb der äußeren Schicht
des Kunststoffkörpers. Die weitere oder die weiteren Schichten
können verschiedene Funktionen haben, z. B. mechanischer
Schutz der IR-absorbierenden Schicht, z. B. als kratzfeste Beschichtung,
Anti-Graffity-Beschichtung, UV-Absorber-Schicht, Pigment-haltige Schicht,
um einen Farbeindruck zu bewirken etc.. bevorzugt liegen die Schichtdicken
der weiteren Schichten im Bereich von 2 bis 200, bevorzugt von 5
bis 60 μm.
-
Es
kann z. B. sinnvoll sein im Falle einer Stegplatte aus Polycarbonat
auf die IR-Absorber-Schicht noch eine zusätzliche z. B.
coextrudierte Schicht aufzubringen, die einen UV-Absorber enthält
und das Polycarbonat vor vorzeitiger Verwitterung schützt
(Stegplatten aus Polycarbonat mit zusätzlicher UV-Absorber-Schicht
sind z. B. aus
EP 0
359 622 B1 bekannt). Der UV Absorber kann ein flüchtiger,
niedermolekularer, ein wenig flüchtiger, hochmolekularer
oder ein einpolymerisierbarer UV-Absorber sein und in einer Schicht
mit einer Schichtdicke z. B. im Bereich 2 bis 100 μm in
einer Konzentration von z. B. 0,01 bis 15 Gew.-% enthalten sein.
-
Der IR-Absorber
-
Die
Verwendung der zur Ausführung der Erfindung geeigneten
IR-absorbierenden Verbindungen als Zusatz zu verschiedenen thermoplastischen
Kunststoffen ist im Prinzip bekannt (siehe Stand der Technik).
-
Die
zusätzliche Schicht enthält einen die Transparenz
des Kunststoffkörpers nicht beeinträchtigenden IR-Absorber.
Dies bedeutet, daß der Kunststoffkörper in Gegenwart
des enthaltenen IR-Absorbers klar durchsichtig bleibt. Dies ist
möglich, da der IR-Absorber in der Kunststoffmatrix der
zusätzlichen Schicht quasi löslich oder mit einpolymerisiert
ist. Da lösliche IR-Absorber relativ hochmolekular sind,
kommt es in der Regel nicht zu einer Migration in darunter oder
gegebenenfalls darüber liegende Kunststoffschichten.
-
Der
IR-Absorber kann eine organische Cu(II)-Phosphat-Verbindung sein.
Bevorzugt ist z. B. eine organische Cu(II)-Phosphat-Verbindungen,
die aus 4 Gewichts-Teilen Phosphorsäuremethacryloyloxyethylester (PMOE)
und einem Gewichts-Teil Kupfer-(II)-carbonat (KCB) erhalten werden
kann.
-
Geeignet
sind weiterhin z. B. organische Cu(II)-phosphat-Komplexe, wie z.
B. in
JP 56129243 oder
EP 19097 beschrieben. Diese
Verbindungen können z. B. als Co-Monomere in polymerisierenden
Lackschichten aus Polymethylmethacrylat-Kunststoff eingesetzt werden.
Durch ihre vernetzende Wirkung vermitteln sie zugleich eine erhöhte
Kratzfestigkeit der Kunststoff-Oberfläche.
-
Der
IR-Absorber kann ein Phthalocyaninderivat sein. Bevorzugt sind Phthalocyaninderivate
wie z. B. wie in den Patenten
EP
607 031 und
JP 06240146 beschrieben.
-
Der
IR-Absorber kann ein Perylen-Derivat sein oder z. B. eine Quaterrylentetracarbonsäureimid-Verbindung
sein, wie z. B. in
EP 596 292 beschrieben.
-
Bevorzugt
sind die nicht vernetzenden Verbindungen, da sich diese z. B. für
das Coextrusionsverfahren oder für das Aufbringen in nicht
polymerisierenden Lacken eignen, die nach dem Abdampfen eines Lösungsmittels
von selbst aushärten. Der Auftrag einer IR-absorbierenden
Schicht durch Laminieren mit vorgefertigten Folien hat den Vorteil,
dass die Folienherstellung in der Regel eine gleichmäßigere
Schichtdickenverteilung erlaubt. Auflaminierte Folienschichten,
die den IR-Absorber enthalten sind meist gleichmäßiger
als entsprechende coextrudierte Schichten. IR-Absorber mit hohem
Molekulargewicht oder einpolymerisierend IR-Absorber haben den Vorteil
besonders migrationsstabil zu sein, d. h. sie wandern bei hohen
Herstellungs- oder Gebrauchstemperaturen oder in Zuge der Nutzungsdauer
praktisch nicht in die darunter oder gegebenenfalls darüber
liegenden Kunststoff-Schichten.
-
Die
oben genannten IR-Absorber-Typen können z. B. in einer
coextrudierten oder laminierten Kunststoff-Matrix in einer Konzentration
von 0,01 bis 5, bevorzugt von 0,05 bis 2, insbesondere 0,1 bis 0,5
Gew.-% vorliegen.
-
In
polymerisierenden Lacksystemen kann die Konzentration z. B. 0,1
bis 5 Gew.-% bezogen auf die Lacktrockensubstanz betragen.
-
In
nicht polymerisierenden Lacksystemen kann die Konzentration z. B.
0,2 bis 5 Gew.-% bezogen auf die Lacktrockensubstanz betragen.
-
Ein
bevorzugter der IR-Absorber ist Lanthan-Hexaborid (LaB6)
ist. Dieser IR-Absorber ist bereits in sehr niedrigen Konzentrationen
wirksam.
-
Lanthan-Hexaborid
(LaB6) kann in einer z. B. Konzentration
von 0,0005 bis 0,1, bevorzugt 0,005 bis 0,08 Gew.-% vorliegen. Handelsübliche
Lanthan-Hexaborid Präparationen, die aus ca. 10–30
Gew.-% Lanthan-Hexaborid, 15 bis 35 Gew.-% Zirconiumoxid und 40
bis 60 Gew.-% an organischen dispergierenden Agenzien enthalten
können sind für die Zwecke der Erfindung geeignet.
-
Selektivitätskennzahl (SK-Zahl,
T/g nach DIN 67 507)
-
Das
Verhältnis zwischen Lichttransmissionsgrad (T) und Gesamtenergiedurchlassgrad
(g) ist kleiner 1,15, insbesondere kleiner 1,1, z. B. 1,0 bis 1,1
oder gegebenenfalls 0,8 bis 1,1. Der Gesamtenergiedurchlassgrad
(g) beschreibt den Anteil der Energie der Sonnenstrahlung, der durch
den Körper hindurchgeht. Er setzt sich zusammen aus direkt
transmittierter Strahlung und einen durch Absorption erzeugten Wärmeanteil.
Eine hohe Wärmedämmung kann dadurch erreicht,
dass der Körper aus mindestens zwei massiven Schichten
besteht, die jeweils durch Luftkammern thermisch entkoppelt sind.
Die Schichten sind bei Stegplatten durch dünne Stege miteinander
verbunden. Die IR-absorbierende Schicht besteht bevorzugt aus einer
auf dem Basismaterial haftenden Überzugsschicht aus einem
transparenten Kunststoff, die eine oder mehrere IR-absorbierende
Verbindungen enthält. Konzentration der IR-absorbierenden
Verbindung und Schichtdicke der Überzugsschicht sind bevorzugt
z. B. so zu wählen, dass das Maximum der Absorption im
Bereich zwischen 780 und 1100 nm mindestens 25%, insbesondere mindestens
50% beträgt. Die mittlere Absorption im Bereich zwischen
780 und 1100 nm kann z. B. bevorzugt mindestens 10, besonders bevorzugt
mindestens 20, insbesondere mindestens 25% betragen. Bei einer Mehrfachstegplatte kann
die Wärmedurchgangszahl nach DIN 52612 kleiner
oder gleich 4, bevorzugt 3 bis 1,5 W/m2 K
sein.
-
Verwendung
-
Der
erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen
Sonnenenergiekollektoren können als Verglasungs-, Überdachungs-
oder Wärmedämmelement verwendet werden. Durch
einfache Kombination mit einem herkömmlichen Wärmetauscher
kann die in den Sonnenenergiekollektoren erzeugte Wärmeenergie
zur Erwärmung von Wasser oder Raumluft oder direkt zur
Energiegewinnung verwendet werden.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der
Energieanteil des Lichts an der Sonnenstrahlung beträgt
ca. 50%, der UV-Strahlungsanteil beträgt ca. 5% und ca.
45% entfällt auf die NIR-Strahlung. Alle drei Strahlungsarten
tragen zur Aufheizung von verglasten Räumen bei. Wärmeschutzverglasungen
nach dem Stand der Technik basieren entweder auf Reflexion oder
auf Absorption der Sonnenstrahlung.
-
Einfache
Systeme reduzieren den Gesamtenergiedurchlassgrad durch Reduktion
der Strahlungstransmission im gesamten Bereich der Sonnenstrahlung
(von 300 nm bis 2500 nm). Rußpigmente absorbieren in diesem
Bereich die Strahlung und reduzieren so je nach Schichtdicke bzw.
Konzentration den Gesamtenergiedurchlassgrad. Dadurch wird die Lichttransmission
jedoch ebenfalls reduziert. Die Selektivitätskennzahl,
die das Verhältnis der Lichttransmission zum Gesamtenergiedurchlassgrad
beschreibt, ist in diesen Systemen daher nicht größer
als bei Standardverglasungen, oder im Fall von Rußpigmenten
sogar noch schlechter. Es gibt jedoch Anwendungen wie z. B. Gewächshäuser,
bei denen eine hohe Selektivitätskennzahl von Vorteil ist.
Eine hohe Selektivitätskennzahl erreicht man durch selektive,
hohe Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen
380 nm und 780 nm und Abschirmung gegen IR- Strahlung (> 780 nm) als auch UV-Strahlung (< 380 nm). Diese
Selektivität wird bei reflektierenden Systemen durch Interferenz
erzeugt. Entweder man bedampft die Oberflächen mit Schichten
unterschiedlicher Brechungsindizes bei Schichtdicken im Submikrometerbereich,
oder man verwendet Pigmente, die solche Interferenzschichten bereits
enthalten. Die Bedampfung der Oberfläche ist technisch
sehr aufwendig und der Einsatz der Pigmente führt zu einer
starken Streuung der Strahlung, wodurch die Transparenz verloren
geht. Absorbierende Systeme verwenden Substanzen, die im sichtbaren
Bereich eine nur geringe und im NIR-Bereich eine hohe Absorption
aufweisen.
-
Ein
Nachteil dieser Systeme liegt darin, dass die absorbierte Strahlung
zu einer Erwärmung des Verglasungskörpers führt.
Die Sonnenstrahlung, bestehend aus UV-, VIS- und NIR-Strahlung trifft
auf die Verglasung. Der wesentliche Teil der Strahlung im sichtbaren
Bereich wird transmittiert. Der Anteil der Strahlung, der durch
die Verglasung absorbiert wird, wird als langwellige Wärmestrahlung
nach außen (qa) und in geringem Maße
nach innen (qi) abgegeben. Durch das erfindungsgemäße
Ausnutzen der Konvektionsverhältnisse wird wesentlich mehr
Wärme nach außen als nach innen abgegeben.
-
Der
Teil der langwelligen Wärmestrahlung, der nach innen in
den Raum abgegeben wird, trägt zum Gesamtenergiedurchlassgrad
bei. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der leichten Herstellbarkeit
der Kunststoffkörper. Im Coextrusionsverfahren können
in einem kontinuierlichen Prozess Mehrfachstegplatten mit niedrigem
k-Wert direkt mit einer Deckschicht, die den IR-Absorber enthält,
ausgestattet werden.
-
Die
erfindungsgemäße Nutzung der Sonnenenergiekollektoren
verbindet den herkömmlichen Einsatz als Bedachung oder
Fenster mit der Energiegewinnung. Zudem wird das Raumklima des hinter
den erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren
gelegenen Räume positiv beeinflusst. Die direkte Sonnen-
und Wärmeeinstrahlung wird reduziert und gleichzeitig Energie
gewonnen.
-
Lichttransmissionsgrad, Gesamtenergiedurchlassgrad
und Selektivitätskennzahl
-
Der
Lichtransmissionsgrad und der Gesamtenergiedurchlassgrad sind abhängig
von der Art, Konzentration und Schichtdicke des IR-Absorbers in
der Deckschicht, als auch von dem Basiskörper. Der geeignete Lichttransmissionsgrad
ist abhängig von der Anwendung. In Gewächshäusern
sollte er sehr hoch sein, da er direkt Einfluss auf den Ertrag hat.
Bei Überdachungen von Fußgängerpassagen
oder großflächigen Verglasungen in klimatisierten
Gebäuden ist eher ein sehr niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad
wichtig. Durch weiteren Zusatz von Rußpigmenten oder anderen
Farbmitteln in die Deckschicht, die sowohl im sichtbaren als auch im
NIR-Bereich absorbieren, kann die Lichttransmission und gleichermaßen
der Gesamtenergiedurchlassgrad noch weiter reduziert werden. Die
Mindestlichttransmission sollte ungefähr mindestens 30%
betragen. Bei nicht eingefärbten Stegdoppelplatten als
Basiskörper kann die max. Lichttransmission bis zu 86%
betragen. Bei unbeschichteten Stegplatten beträgt die Selektivitätskennzahl
ca. 1, an einseitig im Sinne der Erfindung beschichteten Systemen
wurden SK-Zahlen in ähnlicher Größe ermittelt.
-
Der
Kunststoffkörper hat z. B. die Gestalt einer Stegmehrfachplatte,
bestehend aus mindestens zwei parallelen Kunststoffschichten, die
durch senkrecht oder diagonal angeordnete Stege miteinander verbunden sind.
Typische Dicken für die beiden äußeren
Platten liegen zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5
mm und 3 mm. Typische Dicken für eventuell vorhandene innere
Platten liegen zwischen 0.05 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1
mm und 1 mm. Um eine effektive Wärmedämmung zu
erreichen, sollte der Abstand zwischen den Platten mindestens 1
mm, vorzugsweise mehr als 4 mm betragen. Die Stegdicke sollte zwischen
0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.5 mm und 3 mm liegen. Der
geeignete Stegabstand liegt zwischen 5 mm und 150 mm, vorzugsweise
zwischen 10 mm und 80 mm. Der Körper sollte in seiner Gesamtheit
so gestaltet sein, dass die Wärmedurchgangszahl k nach
DIN
52619 kleiner als 4 W/m
2K, vorzugsweise
kleiner als 3 W/m
2K ist. Das Basismaterial
besteht aus einem transparenten Kunststoff, geeignet sind hierfür
z. B. ein Polymethylmethacrylat-Kunststoff, ein schlagzäh
modifiziertes Polymethylmethacrylat (siehe z. B.
EP-A 0 733 754 ), ein Polycarbonat-Kunststoff
(verzweigtes oder lineares Polycarbonat), ein Polystyrol-Kunststoff,
Styrol-Acryl-Nitril-Kunststoff, ein Polyethylentherephthalat-Kunststoff,
ein glykolmodifizierter Polyethylentherephthalat-Kunststoff, ein
Polyvinylchlorid-Kunststoff, ein transparenter Polyolefin-Kunststoff
(z. B. durch metallocen-katalysierte Polymerisation herstellbar)
oder ein Acrylnitril-Butadien Stryrol(ABS)-Kunststoff. Es kann auch
aus Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe
bestehen. Unter Polymethylmethacrylat werden im Sinne der Erfindung
steife amorphe Kunststoffe verstanden, die zu wenigstens 60 Gew.-%,
vorzugsweise zu wenigstens 80 Gew.-% aus Methylmethacrylat aufgebaut
sind. Die Polycarbonat-Kunststoffe sind vorwiegend aromatische Polycarbonate
von Bisphenolen, insbesondere von Bisphenol A.
-
Ruß und Farbmittel
-
Bevorzugt
wird Ruß, besonders bevorzugt ein Farbruß, mit
einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 10
bis 20 μm einsetzt.
-
Dem
Russ werden bevorzugt Farbmittel hinzufügt, die im Wellenlängenbereich
von 650 bis 750 nm eine geringeres Absorptionsmaximum als im Wellenlängenbereich
von 250 bis < 650
nm aufweisen.
-
Die
Farbmittel sind vom eingesetzten IR-Absorber verschieden und in
der Regel selbst nicht IR-absorbierend. Es kommen alle Farbmittel
allein oder in Mischung in Betracht, mit deren Hilfe zusammen mit
dem IR-Absorber und dem Russ eine entsprechende grautönige
Einfärbung des Kunststoffkörpers, bzw. des eingefärbten
Teils des Kunststoffkörpers, im Cie-Lab-Farbraum von L*
= 10 bis 75, a* = +/– 5,0 und b* = +/– 5,0 erreicht
werden kann. Es können z. B. Farbmittel aus den handelsüblichen
Farbstoffreihen Thermoplast® (BASF),
Macrolex® (Bayer), Sandoplast® (Clariant) oder Oracet® (Ciba)
-
Als
Farbmittel können bevorzugt Macrolexgrün® 5B (Grünes Farbmittel
auf Basis Anthrachinon mit dem Color Index Solvent Green 3) und
Plast Red® 8350 (Rotes Farbmittel
auf Basis Anthrachinon mit dem Color Index Disperse Red 22) hinzugefügt
werden.
-
Der
Gehalt an Ruß und Farbmitteln zusammen kann 0,001 bis 0,15,
bevorzugt 0,05 bis 0,1 Gew.-%.-%, bezogen auf die damit eingefärbte
Schicht des Kunststoffkörpers, betragen.
-
BEISPIELE
-
Beispiel 1
-
Testsystem:
-
Der
Versuchsaufbau umfasst einen Auflagetisch für die zu untersuchenden
Platten, ein Auflicht in einem Abstand von 100 mm, einen geschützten
Datenlogger und eine Rohacell Box mit einem Volumen von 2,2 l.
-
Die
Beleuchtungsdauer beträgt 45 min.
-
Die
Bestrahlung der Kammer erfolgte bei einer Globalstrahlung von 827
W/m2 und einer max. Lufttemperatur von 35,1°C
-
Die
Ergebnisse werden in Tabelle 1 zusammengestellt:
| | S4P
ohne IR-Absorber | S4P
mit IR-Absorber |
| Äußere
Meßstelle 3 | 50°C | 69°C |
| Mittlere
Meßstelle 4 | 50°C | 67°C |
| Innere
Meßstelle 5 | 49°C | 60°C |
-
Die
mit IR-Absorber ausgestattete Stegvierfachplatte zeigt ein verändertes
Erwärmungsverhalten. Die Temperaur wird stark erhöht,
die Ausnutzung der Wärmeenergie durch Sonneneinstrahlung
wesentlich verbessert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 927741 [0002]
- - JP 10157023 [0003]
- - EP 607031 [0004, 0051]
- - JP 06240146 [0004, 0051]
- - JP 61008113 [0005]
- - JP 56129243 [0006, 0050]
- - EP 19097 [0006, 0050]
- - WO 01/18101 [0007]
- - WO 03/013849 [0008, 0013, 0013, 0013]
- - DE 2904564 [0009, 0010]
- - EP 1270176 A [0030]
- - EP 0733754 A [0032, 0067]
- - DE 3528165 C2 [0035]
- - EP 570782 B1 [0035]
- - EP 656548 A2 [0035]
- - EP 0359622 B1 [0040, 0046]
- - EP 596292 [0052]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 67507 [0013]
- - DIN 67507 [0013]
- - ISO 15099 [0013]
- - DIN 5033 [0021]
- - DIN 5036 [0021]
- - DIN 67 507 [0023]
- - DIN 5033/5036 [0023]
- - DIN 52612 [0059]
- - DIN 52619 [0067]