DE102004061712A1 - Luftkollektor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt einen Luftkollektor 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
- Die Erfindung betrifft einen solarbetriebenen Luftkollektor aus thermoplastischem Kunststoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Luftkollektoren, auch solare Lufterhitzer genannt, sind Strahlungswärmetauscher mit denen ungebündelte solare Strahlungsenergie absorbiert und zum Teil an das Wärmeträgermedium Luft oder ein anderes Gas übertragen wird. Diese Art von 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 Grenzschichtabsaugung und perforierten Absorbern. Der Aufbau eines solchen Kollektors ist z.B. in
DE 19 820 156 A ,DE 2 943 159 A undEP 553 893 A - 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 Luftkollektor 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 Luftkollektor wenigstens bestehend aus einer Mehrfachstegplatte aus 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 perforiert ist.
- Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Luftkollektors, wobei ein Laserstrahl durch den ersten Horizontalsteg hindurch auf den zweiten Horizontalsteg gerichtet wird und der zweite Horizontalsteg mittels des Laserstrahls perforiert wird.
- Der erfindungsgemäße Luftkollektor besteht aus einer Mehrfachstegplatte. Mehrfachstegplatten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die erfindungsgemäß eingesetzte Mehrfachstegplatte weist wenigstens drei, im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete, Horizontalstege auf. Die Horizontalstege sind durch im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnete Vertikalstege miteinander verbunden. Die Vertikalstege sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Auf diese Weise entstehen wenigstens zwei übereinander liegende Schichten aus nebeneinander liegenden, quaderförmigen Kammern, welche im Betrieb des Luftkollektors 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 (Laserlochung) mit Wanddicken von vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm ausgeführt. Die Vertikalstege haben eine Höhe von 3 bis 50 nun. 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 erste Horizontalsteg ist transparent. Der Transmissionsgrad im Wellelängenbereich von 400 bis 1300 nm beträgt bevorzugt wenigstens 60% . Im Betrieb des Luftkollektors 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 Luftkollektors 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 Luftkollektor eignet sich 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 Luftkollektors 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 Luftkollektors der Sonne abgewandt. Die Kammern dieser dritten Schicht dienen als Isolationskammern.
- Die Mehrfachstegplatte ist 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
DE 10 304 536 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 Luftkollektors sind die Kammern beider Schichten mit Gas 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 -30°C) 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 Luftkollektors ist aus thermoplastischem Kunststoff. Beispiele für geeignete transparente, thermoplastische Kunststoffe, wie sie insbesondere für den ersten Horizontalsteg eingesetzt werden, sind Polycarbonate, Polymethylmetacrylat, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid. 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) oder Blends aus Polycarbonat und ABS.
- Die Herstellung von Mehrfachstegplatten durch Extrusion ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
- Nach dem erfindungsgemäßen 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 beigefügten
1 näher erläutert.1 zeigt eine Mehrfachstegplatte10 mit einem ersten, zweiten und dritten Horizontalsteg11 ,12 ,13 sowie Vertikalstegen15 , welche im Wesentlichen senkrecht zu den Horizontalstegen11 ,12 ,13 stehen. An den beiden einander gegenüber liegenden Seiten, d.h. an den beiden senkrecht zu den Horizontal- und Vertikalstegen stehenden Flächen18 ,19 , ist die Mehrfachstegplatte offen. Der erste Horizontalsteg11 ist transparent. Dadurch können Laserstrahlen20 durch den ersten Horizontalsteg11 hindurch auf den zweiten Horizontalsteg12 gerichtet werden. Die Richtung der Laserstrahlen ist in1 durch die Pfeile20 angedeutet. Die Laserstrahlen20 durchdringen den ersten Horizontalsteg11 und werden von dem zweiten Horizontalsteg12 , welcher beispielsweise mit Ruß gefärbt ist, absorbiert, wodurch Löcher (nicht dargestellt) entstehen. - Beispiel
- Es wurde eine Mehrfachstegplatte als solarbetriebener Luftkollektor eingesetzt mit einem ersten Horizontalsteg (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 (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 an der Gesamtfläche betrug 0,1%, wobei die Löcher mit einem Durchmesser von 0,3 bis 1 mm ausgeführt wurden.
Claims (9)
- Luftkollektor 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. - Luftkollektor 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. - Luftkollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalstege (
11 ,12 ,13 ) eine Dicke von 0,2 bis 2 mm aufweisen. - Luftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalstege (
15 ) eine Höhe von 3 bis 50 mm aufweisen. - Luftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff, insbesondere des ersten Horizontalstegs (
11 ), Polycarbonat, Polymethylmetacrylat, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid ist. - Luftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff des zweiten Horizontalstegs (
12 ) und/oder dritten Horizontalstegs (13 ) Polybutylenterephthalat, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Blends aus Polycarbonat und ABS ist. - Luftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Horizontalsteg (
12 ) Ruß enthält. - Verfahren zur Herstellung eines Luftkollektors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl durch den ersten Horizontalsteg (
11 ) hindurch auf den zweiten Horizontalsteg (12 ) gerichtet wird und der zweite Horizontalsteg (12 ) mittels des Laserstrahls perforiert wird. - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl im Wellenlängenbereich von 800 bis 1200 nm liegt.
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