WO2006072369A1 - Strahlungskollektor - Google Patents

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WO2006072369A1
WO2006072369A1 PCT/EP2005/013339 EP2005013339W WO2006072369A1 WO 2006072369 A1 WO2006072369 A1 WO 2006072369A1 EP 2005013339 W EP2005013339 W EP 2005013339W WO 2006072369 A1 WO2006072369 A1 WO 2006072369A1
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WO
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horizontal web
radiation collector
horizontal
collector according
chambers
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/013339
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Opelka
Frank Krause
Constantin Schwecke
Original Assignee
Bayer Materialscience Ag
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Publication date
Application filed by Bayer Materialscience Ag filed Critical Bayer Materialscience Ag
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Priority to EP05824071A priority patent/EP1831614A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F24S10/73—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits the tubular conduits being of plastic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/50—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates
    • F24S10/501—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates having conduits of plastic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/80—Solar heat collectors using working fluids comprising porous material or permeable masses directly contacting the working fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a solar-powered radiation collector of thermoplastic material and a method for its production.
  • Air collectors also called solar air heaters are radiant heat exchanger with which z.
  • solar hot air collectors are predominantly manufactured with absorbers made of aluminum or other metals.
  • the reason for this is the good conductivity of metals, because due to the low heat transfer of air to a flat surface, the solar heat in hot air collectors must be distributed over a large surface area (e.g., fins on the rear of the absorber).
  • Absorbers with perforation and boundary layer extraction have two advantages over backflow absorbers: First, the perforation causes a significant improvement in the heat transfer from the absorber to the air; secondly, suction prevents convection in the collector, drastically reducing thermal losses from the absorber to the glazing, and eliminating the need for a well-cooled absorber (ie having high heat transfer coefficient from the absorber to the air) to achieve high efficiency , In absorbers for boundary layer extraction so the heat conduction in the absorber plays a minor role in terms of the efficiency of the collector. Extremely thin absorbers or absorbers with low thermal conductivity can therefore be used.
  • a disadvantage of the known from the prior art air collectors is the relatively high weight of the absorber, the frame and the cover, since they are made of metal.
  • the object of the invention is therefore to provide a radiation collector made of thermoplastic material, which comparatively simple, i. with little technical effort, can be produced, and a method for its production.
  • the invention relates to a radiation collector at least comprising a multi-wall sheet based on thermoplastic material comprising a first, second and third Horizontal web, which are interconnected by vertical webs, wherein the first horizontal web is transparent and the second horizontal web, which is arranged between the first and third horizontal web, radiation-absorbing and is provided with holes.
  • a radiation collector which is characterized in that the horizontal webs and the vertical webs form at least two superimposed rows of juxtaposed chambers, which are separated from each other and can flow through the heat transfer gas, in particular air.
  • the superimposed chambers are interconnected by a plurality of holes.
  • a particularly preferred radiation collector is characterized in that the chambers are closed at their ends and the chambers located above the second horizontal web have at least one inlet for a heat carrier gas and the chambers located under the second horizontal web at least one outlet for heated heat transfer gas.
  • a further preferred variant of the radiation collector is characterized in that the chambers are connected to a fan, which may be arranged in a pumping circulation, and in particular a heat exchanger is connected downstream of the outlet of the chambers.
  • the chambers preferably have a cross-sectional area of 0.25 to 3600 mm 2 .
  • the horizontal webs are also sometimes referred to simply as straps and the vertical webs simply as webs.
  • Another object of the invention is a method for producing the radiation collector according to the invention, wherein in a first step by coextrusion of a transparent and a radiation-absorbing plastic a Mehrfachstegplatte having at least a first, second and third horizontal web, which are interconnected by vertical webs, is formed, the second Horizontal web contains the radiation-absorbing plastic and in the second step, a laser beam is directed through the first horizontal bar on the second horizontal bar and the second horizontal bar is perforated by means of the laser beam and provided with a plurality of holes.
  • the new radiation collector consists z. B. from a multiple web plate.
  • Multiple web plates are well known in the art.
  • the preferably used multiple web plate has at least three, preferably arranged parallel to each other, horizontal webs.
  • the horizons zontalstege are interconnected by preferably arranged perpendicularly to vertical webs'.
  • the vertical webs are preferably arranged parallel to one another. In this way, at least two superposed layers of juxtaposed, cuboidal chambers, which are traversed by the operation of the radiation collector of air or other gas.
  • the horizontal webs and vertical webs may be the same or different thickness. They have a thickness of preferably 0.2 to 2 mm.
  • the second horizontal web is designed in the region of the perforations (eg laser perforation) with wall thicknesses of preferably 0.2 to 0.5 mm.
  • the vertical webs have a height of 3 to 50 mm.
  • the height of the vertical webs determines the height of the chambers, which can be made equal or different levels.
  • the vertical webs are preferably lower towards the center of the multiple web plate than in the edge regions of the web plate, in order to minimize their own shading in the case of lateral solar radiation.
  • the diameter of the holes of the absorbing layer of the radiation collector is preferably 0.1 to 1.2 mm, more preferably 0.2 to 0.5 mm.
  • the first horizontal bar is transparent to the radiation to be absorbed.
  • the transmittance in the wavelength range of 400 to 1300 nm is preferably at least 60%.
  • the transparent horizontal bar faces the sun.
  • the sunlight falls through the first horizontal bar on the second horizontal bar, which forms the absorber surface.
  • the second horizontal ridge which is disposed between the first and third horizontal ridge, is radiation absorbing, i. in particular it has an absorption capacity of at least 80% in the wavelength range from 400 to 2500 nm.
  • the second horizontal web with a comparatively high absorption capacity must be able to absorb as much sunlight as possible during operation of the radiation collector.
  • the second horizontal web is colored and / or coated, for example, with a black compound.
  • a black color of the second horizontal bar can be achieved, for example, by printing with black paint, coating with black chrome or black aluminum or by direct coloring of the plastic composition with suitable colorants, preferably carbon black.
  • the second horizontal web is also referred to below as the absorber surface.
  • the partial transparency of the second horizontal ridge of up to 20% in the visible wavelength range can be achieved by a compound with or without high reflectivity in the infrared wavelength range or in combination, for example in the form of an additional layer, can be achieved with such a compound.
  • the radiation collector is then also suitable as a partially transparent glazing element, e.g. in a building envelope.
  • the second horizontal ridge has a selective absorber layer on the side facing the sun during operation.
  • the second horizontal bar coated with one or more compounds which have a reflectivity of at least 70% in the infrared wavelength range. If the second horizontal bar is colored black and / or additionally carries a coating of a black compound, the compound with high reflectivity in the infrared wavelength range can be largely transparent to visible light. Examples of such compounds are indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) and tin oxide (SnO).
  • ITO indium tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • SnO tin oxide
  • the infrared wavelength range is understood to be the wavelength range above 800 nm.
  • the second horizontal bar is perforated.
  • the proportion of the hole area on the total area of the second horizontal ridge is in particular at most 3%, preferably at most 1%, particularly preferably 0, 1 to 0.4%.
  • the third horizontal web may be transparent or absorbent, for example colored and / or coated. During operation of the radiation collector, it is turned away from the sun.
  • further layers of adjacent chambers may be provided.
  • further horizontal webs are provided, which in turn are connected via vertical webs.
  • a fourth horizontal web can be arranged below the third horizontal web. This creates a third layer of adjacent chambers. This third layer faces away from the sun during operation of the radiation collector.
  • the chambers of this third layer serve as isolation chambers.
  • the multiple web plate is particularly open on two opposite sides, i. the two perpendicular to the horizontal and vertical webs surfaces are not limited. In this way it is possible to flow through the chambers of the multiple web plate with gas.
  • the two other, opposite sides complete with vertical webs and are therefore not open.
  • the multiple web plate may be provided with a groove-spring system on the two non-open sides, as described for example in DE10 304 536 A and in WO 2004/070287.
  • the chambers of the first layer between the first and the second horizontal web are facing the sun. They are also referred to below as absorption chambers.
  • the chambers of the second layer between the second and the third horizontal web are facing away from the sun. They are also referred to below as collection chambers.
  • the chambers of both layers are filled with heat carrier gas or flowed through by gas.
  • the gas is air.
  • other gases or mixtures of different gases can be used, for example, those having a higher Have heat capacity as air such as argon.
  • Cold gas (temperature in the range of -10 to -30 0 C) is introduced into the sunlit absorption chambers. From there, the gas passes through the perforations of the second horizontal bar in the voltage applied to the back of the collecting chambers. When passing through the perforations, the gas heats up. The heated gas flows out of the collection chambers.
  • the multiple web plate of the radiation collector according to the invention is made of thermoplastic material.
  • suitable transparent, thermoplastic plastics are polycarbonates, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride and thermoplastic polyurethane.
  • suitable transparent, thermoplastic plastics are polycarbonates, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride and thermoplastic polyurethane.
  • suitable transparent, thermoplastic plastics are polycarbonates, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride and thermoplastic polyurethane.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • thermoplastic polyurethane or Blends of polycarbonate and ABS.
  • a laser beam is directed through the first horizontal web on the second horizontal web, which is perforated by means of the laser beam.
  • the wavelength of the laser beam is preferably in the range of 800 to 1200 nm.
  • Suitable lasers are, for example, diode lasers or Nd: Yag lasers. Accordingly, the transparency of the first horizontal ridge must be so large that the laser beam penetrates it substantially unhindered.
  • the laser beam is first absorbed by the second horizontal bar.
  • the energy of the laser locally burns the material of the second horizontal bar, creating a hole.
  • the laser energy is preferably 10 to 100 W.
  • a plurality of holes can be produced in the second horizontal bar. This can be done serially or sequentially.
  • the upper layer of the chambers between the first and second horizontal web is acted upon by compressed air from one of the two open sides of the multiple web plate.
  • the resulting gas flow through the chambers, the combustion residues are blown out in the laser irradiation, so that they can not settle on the walls of the multi-wall plate.
  • the method according to the invention is preferably carried out directly after the extrusion of the multiple web plate, so that the extrusion and the perforation of the multi-web plate take place in one operation.
  • a series of laser beams is arranged behind the extrusion die in such a way that the laser beams are directed through the first horizontal web to the second horizontal web when the multiple web plate exits the extrusion die.
  • Fig. 1 is a side view with a cross section through a collector according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the operation of the collector of FIG. 1 with
  • FIG. 1 shows a multiple web plate 10 with a first, second and third horizontal web 11,
  • the first horizontal web 11 is transparent. As a result, laser beams 20 through the first
  • Horizontal web 11 are directed through the second horizontal web 12. The direction of the
  • Laser beams are indicated in Fig. 1 by the arrows 20.
  • the laser beams 20 penetrate the first horizontal web 11 and are absorbed by the second horizontal web 12, which is colored with soot, for example, whereby holes 1 are formed.
  • Such a multiple web plate was used as a solar-powered radiation collector with a first horizontal web 11 (ie, a sun facing, transparent horizontal web) made of polycarbonate (Makrolon DP 1-1853 Fa. Bayer MaterialScience AG, Germany), which with an outer UV protective layer Makrolon DP 1-1816 (Bayer MaterialScience AG, Germany), a second horizontal bar 12 (ie an absorber surface) of non-transparent Makrolon 9415 (Bayer MaterialScience AG, Germany). The absorber surface was colored with carbon black.
  • the perforation of the absorber surface was carried out with a Nd: Yag laser at a wavelength of 1064 nm.
  • the proportion of the holes 1 in the total area was 0.1%, wherein the holes 1 were made with a diameter of 0.3 to 1 mm.
  • Fig. 2 demonstrates the use of the radiation collector of FIG. 1 as a solar collector with the heat carrier air.
  • the solar radiation 2 passes through the transparent first horizontal web 11 on the second horizontal web 12, which serves as an absorber. This creates heat.
  • air is transported through the inlet 3 into the collector via a suction device 5 and passed through the collector so as to be passed through the laser perforation (holes 1) and transported to the outlet 4.
  • the chambers 8, 8a must be closed at the terminals 9 and 9a.
  • an air-pumping circuit 6, which may be open or closed, and which supplies heated air to a heat user 7, is created.

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Strahlungskollektor wenigstens bestehend aus einer Mehrfachstegplatte (10) aus thermoplastischem Kunststoff, umfassend einen ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg (11, 12, 13), welche durch Vertikalstege (15) miteinander verbunden sind, wobei der erste Horizontalsteg (11) transparent ist und der zweite Horizontalsteg (12), welcher zwischen dem ersten und dritten (11, 13) Horizontalsteg angeordnet ist, strahlungsabsorbierend und perforiert ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Strahlungskollektor
Die Erfindung betrifft einen solarbetriebenen Strahlungskollektor aus thermoplastischem Kunststoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Luftkollektoren, auch solare Lufterhitzer genannt, sind Strahlungswärmetauscher mit denen z. B. ungebündelte solare Strahlungsenergie absorbiert und zum Teil an das Wärmeträgermedium Luft oder ein anderes Gas übertragen wird. Diese Art von Strahlungs- oder Solarkollektoren wird beispielsweise im Niedertemperaturbereich eingesetzt.
Derzeit werden Warmluftkollektoren für Solarstrahlung überwiegend mit Absorbern aus Aluminium oder anderen Metallen hergestellt. Der Grund dafür liegt in der guten Leitfähigkeit von Metallen, denn aufgrund des geringen Wärmeübergangs von Luft an eine ebene Fläche muss die solare Wärme bei Warmluftkollektoren auf eine große Oberfläche verteilt werden (z.B. auf Finnen auf der Rückseite des Absorbers).
Ein grundsätzlich anderes Konzept verfolgt man bei Warmluftkollektoren mit Grenzschicht- absaugung und perforierten Absorbern. Der Aufbau eines solchen Kollektors ist z.B. in DE 19 820 156 A, DE 2 943 159 A und EP 553 893 A beschrieben.
Absorber mit Perforierung und Grenzschichtabsaugung haben zweierlei Vorteile gegenüber hinterströmten Absorbern: Erstens bewirkt die Lochung eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs vom Absorber zur Luft; zweitens wird durch die Absaugung die Konvektion im Kollektor verhindert, wodurch die thermischen Verluste vom Absorber an die Verglasung drastisch sinken und ein gut gekühlter Absorber (d.h. mit hohem Wärmeübergangskoeffizienten vom Absorber an die Luft) nicht mehr zwingend erforderlich ist, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei Absorbern zur Grenzschichtabsaugung spielt also die Wärmeleitung im Absorber eine geringe Rolle in Bezug auf den Wirkungsgrad des Kollektors. Extrem dünne Absorber oder Absorber mit geringer Wärmeleitfähigkeit können daher verwendet werden.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Luftkollektoren ist das verhältnismäßig hohe Gewicht des Absorbers, des Rahmens und der Abdeckung, da sie aus Metall gefertigt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Strahlungskollektor aus thermoplastischem Kunststoff bereitzustellen, welcher vergleichsweise einfach, d.h. mit geringem technischem Aufwand, herstellbar ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Strahlungskollektor wenigstens umfassend eine Mehrfachstegplatte auf Basis von thermoplastischem Kunststoff, umfassend einen ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg, welche durch Vertikalstege miteinander verbunden sind, wobei der erste Horizontalsteg transparent ist und der zweite Horizontalsteg, welcher zwischen dem ersten und dritten Horizontalsteg angeordnet ist, strahlungsabsorbierend und mit Löchern versehen ist.
Bevorzugt ist ein Strahlungskollektor, der dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalstege und die Vertikalstege mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen von nebeneinander angeordneten Kammern bilden, die von einander separiert sind und durch die Wärmeträgergas, insbesondere Luft strömen kann.
In einer bevorzugten Form sind die übereinander liegenden Kammern durch eine Vielzahl von Löchern miteinander verbunden.
Ein besonders bevorzugter Strahlungskollektor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern an ihren Enden geschlossen sind und die über dem zweiten Horizontalsteg befindlichen Kammern mindestens einen Einlass für ein Wärmeträgergas und die unter dem zweiten Horizontalsteg befindlichen Kammern mindestens einen Auslass für erwärmtes Wärmeträgergas aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Variante des Strahlungskollektor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern mit einem ggf. in einem Umpumpkreislauf angeordneten Gebläse verbunden sind und insbesondere dem Auslass der Kammern ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
Die Kammern weisen bevorzugt eine Querschnittfläche von 0,25 bis 3600 mm2 auf.
Bei Mehrfachstegplatten aus Extrusion werden die Horizontalstege auch gelegentlich einfach als Gurte und die Vertikalstege einfach als Stege bezeichnet. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors, wobei in einem ersten Schritt mittels Coextrusion eines transparenten und eines strahlungsabsorbierenden Kunststoffs eine Mehrfachstegplatte mit mindestens einem ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg, welche durch Vertikalstege miteinander verbunden sind, geformt wird, deren zweiter Horizontalsteg den strahlungsabsorbierenden Kunststoff enthält und im zweiten Schritt ein Laserstrahl durch den ersten Horizontalsteg hindurch auf den zweiten Horizontalsteg gerichtet wird und der zweite Horizontalsteg mittels des Laserstrahls perforiert und mit einer Vielzahl von Löchern versehen wird.
Der neue Strahlungskollektor besteht z. B. aus einer Mehrfachstegplatte. Mehrfachstegplatten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die bevorzugt eingesetzte Mehrfachstegplatte weist wenigstens drei, bevorzugt parallel zueinander angeordnete, Horizontalstege auf. Die Hori- zontalstege sind durch bevorzugt senkrecht dazu angeordnete Vertikalstege' miteinander verbunden. Die Vertikalstege sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Auf diese Weise entstehen wenigstens zwei übereinander liegende Schichten aus nebeneinander liegenden, quaderförmigen Kammern, welche im Betrieb des Strahlungskollektors von Luft oder einem anderen Gas durchströmt werden. Die Horizontalstege und Vertikalstege können gleich oder verschieden dick sein. Sie weisen eine Dicke von vorzugsweise 0,2 bis 2 mm auf. Der zweite Horizontalsteg ist im Bereich der Perforationen (z. B. Laserlochung) mit Wanddicken von vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm ausgeführt. Die Vertikalstege haben eine Höhe von 3 bis 50 mm. Die Höhe der Vertikalstege bestimmt die Höhe der Kammern, welche gleich oder unterschiedlich hoch ausgeführt sein können. Vorzugsweise sind die Vertikalstege zur Mitte der Mehrfachstegplatte hin niedriger als in den Randbereichen der Stegplatte, um bei seitlicher Sonneneinstrahlung die eigene Beschattung zu minimieren.
Der Durchmesser der Löcher der absorbierenden Schicht des Strahlungskollektors beträgt bevorzugt 0,1 bis 1,2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm.
Der erste Horizontalsteg ist transparent für die zu absorbierende Strahlung. Der Transmissionsgrad im Wellenlängenbereich von 400 bis 1300 nm beträgt bevorzugt wenigstens 60% . Im Betrieb des Strahlungskollektors ist der transparente Horizontalsteg der Sonne zugewandt. Das Sonnenlicht fällt durch den ersten Horizontalsteg auf den zweiten Horizontalsteg, welcher die Absorberfläche bildet.
Der zweite Horizontalsteg, welcher zwischen dem ersten und dritten Horizontalsteg angeordnet ist, ist strahlungsabsorbierend, d.h. er weist insbesondere ein Absorptionsvermögen von mindestens 80% im Wellenlängenbereich von 400 bis 2500 nm auf. Der zweite Horizontalsteg mit vergleichsweise hohem Absorptionsvermögen muss im Betrieb des Strahlungskollektors möglichst viel Sonnenlicht absorbieren können. Dazu ist der zweite Horizontalsteg beispielsweise mit einer schwarzen Verbindung gefärbt und/oder beschichtet. Eine schwarze Färbung des zweiten Horizontalstegs kann beispielsweise durch Bedrucken mit schwarzer Farbe, Beschichten mit Schwarzchrom oder Schwarzaluminium oder durch direkte Einfärbung der Kunststoffmasse mit geeigneten Farbmitteln, vorzugsweise Ruß, erreicht werden. Der zweite Horizontalsteg wird nachfolgend auch als Absorberfläche bezeichnet.
Die Teiltransparenz des zweiten Horizontalstegs von bis zu 20% im sichtbaren Wellenlängenbereich kann durch eine Verbindung mit oder ohne hohem Reflexionsvermögen im infraroten Wellenlängenbereich erzielt werden oder in Kombination, beispielsweise in Form einer zusätzlichen Schicht, mit einer solchen Verbindung erreicht werden. Der Strahlungskollektor eignet sich dann auch als teiltransparentes Verscheibungselement, z.B. in einer Gebäudehülle.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der zweite Horizontalsteg auf der im Betrieb der Sonne zuzuwendenden Seite eine selektive Absorberschicht. Dabei ist der zweite Horizontalsteg mit einer oder mehreren Verbindungen beschichtet, welche im infraroten Wellenlängenbereich ein Reflexionsvermögen von mindestens 70% aufweisen. Ist der zweite Horizontalsteg schwarz gefärbt und/oder trägt zusätzlich eine Beschichtung aus einer schwarzen Verbindung, kann die Verbindung mit hohem Reflexionsvermögen im infraroten Wellenlängenbereich für sichtbares Licht weitgehend durchlässig sein. Beispiele für solche Verbindungen sind Indium-Zinnoxid (ITO), Zinkoxid (ZnO) und Zinnoxid (SnO). Unter dem infraroten Wellenlängenbereich wird der Wellenlängenbereich oberhalb von 800 nm verstanden.
Der zweite Horizontalsteg ist perforiert. Der Anteil der Lochfläche an der Gesamtfläche des zweiten Horizontalstegs beträgt insbesondere maximal 3%, bevorzugt maximal 1%, besonders bevorzugt 0, 1 bis 0,4%.
Der dritte Horizontalsteg kann transparent oder absorbierend, beispielsweise gefärbt und/oder beschichtet, sein. Im Betrieb des Strahlungskollektors ist dieser der Sonne abgewandt.
Zusätzlich können weitere Schichten von nebeneinander liegenden Kammern vorgesehen sein. Dazu sind weitere Horizontalstege vorgesehen, die wiederum über Vertikalstege verbunden sind. Beispielsweise kann ein vierter Horizontalsteg unterhalb des dritten Horizontalstegs angeordnet sein. Dadurch entsteht eine dritte Schicht nebeneinander liegender Kammern. Diese dritte Schicht ist im Betrieb des Strahlungskollektors der Sonne abgewandt. Die Kammern dieser dritten Schicht dienen als Isolationskammern.
Die Mehrfachstegplatte ist insbesondere an zwei einander gegenüberliegenden Seiten offen, d.h. die beiden senkrecht zu den Horizontal- und Vertikalstegen stehenden Flächen sind nicht begrenzt. Auf diese Weise ist es möglich, die Kammern der Mehrfachstegplatte mit Gas zu durchströmen.
Die beiden übrigen, einander gegenüberliegenden Seiten schließen mit Vertikalstegen ab und sind somit nicht offen. Die Mehrfachstegplatte kann mit einem Nut-Federsystem an den beiden nicht offen Seiten versehen sein, wie beispielsweise in DElO 304 536 A und in WO 2004/070287 beschrieben.
Die Kammern der ersten Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Horizontalsteg sind der Sonne zugewandt. Sie werden nachfolgend auch als Absorptionskammern bezeichnet. Die Kammern der zweiten Schicht zwischen dem zweiten und dem dritten Horizontalsteg sind der Sonne abgewandt. Sie werden nachfolgend auch als Sammelkammern bezeichnet. Im Betrieb des Strahlungskollektors sind die Kammern beider Schichten mit Wärmeträgergas gefüllt oder von Gas durchströmt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gas um Luft. Daneben können auch andere Gase oder Gemische verschiedener Gase eingesetzt werden, beispielsweise solche, die eine höhere Wärmekapazität als Luft besitzen wie z.B. Argon. Kaltes Gas (Temperatur im Bereich von -10 bis -300C) wird in die sonnenbeschienenen Absorptionskammern eingeleitet. Von dort tritt das Gas durch die Perforationen des zweiten Horizontalstegs in die an dessen Rückseite anliegenden Sammelkammern. Beim Durchtritt durch die Perforationen erwärmt sich das Gas. Das erwärmte Gas strömt aus den Sammelkammern aus.
Die Mehrfachstegplatte des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors ist aus thermoplastischem Kunststoff. Beispiele für geeignete transparente, thermoplastische Kunststoffe, wie sie insbesondere für den ersten Horizontalsteg eingesetzt werden, sind Polycarbonate, Polymethyl- methacrylat, Polystyrol, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und thermo- plastisches Polyurethan. Alternativ können durch Mehrschichtextrusionsverfahren für den zweiten Horizontalsteg (Absorberfläche) und/oder den dritten Horizontalsteg (d.h. die der Sonne abgewandten Fläche) andere als transparente Kunststoffe eingesetzt werden, wie beispielsweise Polybutylenterephthalat, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und thermoplastisches Polyurethan oder Blends aus Polycarbonat und ABS.
Die Herstellung von Mehrfachstegplatten durch Extrusion ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren wird ein Laserstrahl durch den ersten Horizontalsteg hindurch auf den zweiten Horizontalsteg gerichtet, welcher mittels des Laserstrahls perforiert wird. Die Wellenlänge des Laserstrahls liegt bevorzugt im Bereich von 800 bis 1200 nm. Als Laser eignen sich beispielsweise Diodenlaser oder Nd:Yag Laser. Demnach muss die Transparenz des ersten Horizontalstegs so groß sein, dass der Laserstrahl diesen im Wesentlichen ungehindert durchdringt. Der Laserstrahl wird erst von dem zweiten Horizontalsteg absorbiert. Durch die Energie des Lasers wird das Material des zweiten Horizontalstegs lokal verbrannt, sodass ein Loch entsteht. Die Laserenergie beträgt bevorzugt 10 bis 100 W.
Mittels des Lasers können eine Vielzahl von Löchern in dem zweiten Horizontalsteg produziert werden. Dies kann seriell oder sequentiell erfolgen.
Vorzugsweise wird während der Perforierung mittels Laserbestrahlung die obere Schicht der Kammern zwischen dem ersten und zweiten Horizontalsteg von einer der beiden offenen Seiten der Mehrfachstegplatte mit Druckluft beaufschlagt. Durch die entstehende Gasströmung durch die Kammern werden die Verbrennungsrückstände bei der Laserbestrahlung ausgeblasen, sodass diese sich nicht an den Wänden der Mehrfachstegplatte absetzen können. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt direkt nach der Extrusion der Mehrfachstegplatte durchgeführt, so dass die Extrusion und die Perforierung der Mehrfachstegplatte in einem Arbeitsgang erfolgen. Dazu wird beispielsweise eine Reihe von Laserstrahlen derart hinter der Extrusionsdüse angeordnet, dass beim Austritt der Mehrfachstegplatte aus der Extrusionsdüse die Laserstrahlen durch den ersten Horizontalsteg hindurch auf den zweiten Horizontalsteg gerichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend schematisch anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine seitliche Ansicht mit Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kollektors
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Betriebs des Kollektors nach Fig. 1 mit
Umpumpkreislauf
Beispiel
Figur 1 zeigt eine Mehrfachstegplatte 10 mit einem ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg 11,
12, 13 sowie Vertikalstegen 15, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Horizontalstegen 11,
12, 13 stehen. An den beiden einander gegenüber liegenden Seiten, d.h. an den beiden senkrecht zu den Horizontal- und Vertikalstegen stehenden Flächen 18, 19, ist die Mehrfachstegplatte offen.
Der erste Horizontalsteg 11 ist transparent. Dadurch können Laserstrahlen 20 durch den ersten
Horizontalsteg 11 hindurch auf den zweiten Horizontalsteg 12 gerichtet werden. Die Richtung der
Laserstrahlen ist in Fig. 1 durch die Pfeile 20 angedeutet. Die Laserstrahlen 20 durchdringen den ersten Horizontalsteg 11 und werden von dem zweiten Horizontalsteg 12, welcher beispielsweise mit Ruß gefärbt ist, absorbiert, wodurch Löcher 1 entstehen.
Es wurde eine solche Mehrfachstegplatte als solarbetriebener Strahlungskollektor eingesetzt mit einem ersten Horizontalsteg 11 (d.h. einem der Sonne zugewandten, transparenten Horizontalsteg) aus Polycarbonat (Makrolon DP 1-1853 der Fa. Bayer MaterialScience AG, Deutschland), welcher mit einer äußeren UV-Schutzschicht aus Makrolon DP 1-1816 (Fa. Bayer MaterialScience AG, Deutschland), einem zweiten Horizontalsteg 12 (d.h. einer Absorberfläche) aus nicht transparentem Makrolon 9415 (Fa. Bayer MaterialScience AG, Deutschland). Die Absorberfläche war mit Ruß eingefärbt.
Die Lochung der Absorberfläche erfolgte mit einem Nd:Yag Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm. Der Anteil der Löcher 1 an der Gesamtfläche betrug 0,1%, wobei die Löcher 1 mit einem Durchmesser von 0,3 bis 1 mm ausgeführt wurden.
Fig. 2 demonstriert die Verwendung des Strahlungskollektors nach Fig. 1 als Sonnenkollektor mit dem Wärmeträger Luft. In diesem Fall tritt die Sonnenstrahlung 2 durch den transparenten ersten Horizontalsteg 11 auf den zweiten Horizontalsteg 12, der als Absorber dient. Hier entsteht Wärme. Gleichzeitig wird durch den Einlass 3 Luft in den Kollektor über eine Saugvorrichtung 5 transportiert und so durch den Kollektor geführt, dass sie durch die Laserperforierung (Löcher 1) durchgeführt wird und zum Auslass 4 transportiert wird. Hierzu müssen die Kammern 8, 8a, an den Endstellen 9 und 9a verschlossen sein. Insgesamt entsteht ein Luft-Pumpkreislauf 6, der offen oder geschlossen ausgeführt sein kann und die erwärmte Luft einem Wärmenutzer 7 zuführt.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungskollektor wenigstens umfassend eine Mehrfachstegplatte (10) auf Basis von thermoplastischem Kunststoff, mit mindestens einem ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg (11, 12, 13), welche durch Vertikalstege (15) miteinander verbunden sind, wobei der erste Horizontalsteg (11) transparent ist und der zweite Horizontalsteg (12), welcher zwischen dem ersten und dritten (11, 13) Horizontalsteg angeordnet ist, strahlungsabsorbierend und mit Löchern (1) versehen ist.
2. Strahlungskollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Lochfläche an der Gesamtfläche des zweiten Horizontalstegs (12) maximal 3%, bevorzugt maximal 1%, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,4%, beträgt.
3. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalstege (11, 12, 13) und die Vertikalstege (15) mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen von nebeneinander angeordneten Kammern bilden, die von einander separiert sind und durch die Wärmeträgergas, insbesondere Luft strömen kann.
4. Strahlungskollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander liegenden Kammern (8; 8a) durch eine Vielzahl von Löchern (1) verbunden sind.
5. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (8; 8a) an ihren Enden geschlossen sind und die über dem zweiten Horizontalsteg (12) befindlichen Kammern (8) mindestens einen Einlass (3) für ein Wärmeträgergas und die unter dem zweiten Horizontalsteg (12) befindlichen Kammern (8a) mindestens einen Auslass (4) für erwärmtes Wärmeträgergas aufweisen.
6. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (8; 8a) mit einem ggf. in einem Umpumpkreislauf (6) angeordneten Gebläse (5) verbunden sind und insbesondere dem Auslass (4) der Kammern (8; 8a) ein Wärmetauscher (7) nachgeschaltet ist.
7. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalstege (11, 12, 13) eine Dicke von 0,2 bis 2 mm aufweisen.
8. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalstege (15) eine Höhe von 3 bis 50 mm aufweisen.
9. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff, insbesondere des ersten Horizontalstegs (11), ein Kunststoff ausgewählt aus der Reihe: Polycarbonat, Polymethylmetacrylat, Polystyrol, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und thermoplastisches Polyurethan ist.
10. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff des zweiten Horizontalstegs (12) und/oder dritten Horizontalstegs (13) ein Kunststoff ausgewählt aus der Reihe: Polybutylenterephthalat, Polystyrol, Acrykiitril-Butadien-Styrol (ABS) Copolymer, thermoplastisches Polyurethan oder Blends aus Polycarbonat und ABS ist.
11. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Horizontalsteg (12) Ruß enthält.
12. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Löcher 0,1 bis 1,2 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm beträgt.
13. Strahlungskollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Seiten des Kollektors in Ausrichtung zu den Längskammern (8; 8a) Nut- und
Federelemente vorgesehen sind, die ein seitliches Zusammenfügen von zwei oder mehr Kollektoren ermöglichen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskollektors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mittels Coextrusion eines transparenten und eines strahlungsabsorbierenden Kunststoffs eine Mehrfachstegplatte mit mindestens einem ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg (11, 12, 13), welche durch Vertikalstege (15) miteinander verbunden sind, geformt wird deren zweiter Horizontalsteg (12) den strahlungsabsorbierenden Kunststoff enthält und im zweiten Schritt ein Laserstrahl durch den ersten Horizontalsteg (11) hindurch auf den zweiten Horizontalsteg (12) gerichtet wird und der zweite Horizontalsteg (12) mittels des Laserstrahls perforiert und mit einer Vielzahl von Löchern (1) versehen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich von 800 bis 1200 nm aufweist.
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