CH653119A5

CH653119A5 - Vorrichtung zur nutzung der sonnenenergie.

Info

Publication number: CH653119A5
Application number: CH3018/81A
Authority: CH
Inventors: Janos Tiboldi
Original assignee: Villamos Automatika Intezet
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1981-05-11
Publication date: 1985-12-13
Also published as: CA1174546A; SE8103012L; DE3117836A1; GB2079965A; GB2079965B; SU1355137A3; HU181777B; US4455833A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie, welche in eine andere verwendbare Energie, wie z. B. erlektrische Energie, umgewandelt wird.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Nutzung der Sonnenenergie bekannt, wobei eine Einheit verwendet wird, mittels welcher die 50 Sonnenenergie mit einer aus Dampfkessel, Dampfturbine (Wärmekraftmaschine) und Generator bestehende Einheit umgewandelt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, die gesammelte Sonnenenergieauf andere Weise, z. B. durch Kollektoren oder Solarzellen, nutzbar zu machen. 55

Bei den bekannten Solarkraftwerken bildet die Sammlung und Konzentrierung der Sonnenstrahlen das grösste Problem. Es ist bereits bekannt, auf einer geeigneten Bodenfläche, z. B. an einem Berghang ein Spiegelsystem anzuordnen, welches aus einzelnen Parabolspiegeln zusammengesetzt ist. Die Spiegel 60 werden um zwei Achsen mit durch Rechner gesteuerte Motoren bewegt, damit sie immer gegen die Sonne gewendet werden. Die Brennpunkte der Spiegel werden mit Hilfe von Laserstrahlen in den Brennpunkt des ganzen Systems zusammengefasst. In diesem Brennpunkt wird dann ein Strahlensammler an der Spitze einer hohen Betonsäule angeordnet. Nach diesem Prinzip wird für ein Kraftwerk von 100 MW eine Bodenfläche von 7 km2 benötigt. Der Wirkungsgrad der Ausnutzung der Bodenfläche ist

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nur 10 bis 12 %. Solche Systeme können nur angewendet werden, wo landwirtschaftlich nicht brauchbarer Boden zur Verfügung steht, z. B. in Wüsten, in der gemässigten Zone dagegen, wo die Sonnenstrahlung auch weniger intensiv ist, ist die Anwendung von solchen Sonnenkraftwerken fraglich.

Weitere Schwierigkeiten bildet die Steuerung des Systems. Jeder der Spiegel muss sowohl um eine horizontale als auch um eine vertikale Achse steuerbar sein, wozu für jeden Spiegel zwei Antriebe benötigt werden. Darüber hinaus müssen die einzelnen Spiegel so aufeinander abgestimmt sein, dass eine Konzentration in dem Brennpunkt des Sonnenkraftwerkes erfolgt. Zur Steuerung der benötigten vielen Motoren ist eine komplizierte Computersteuerung erforderlich, welche mit besonderen Schwierigkeiten und natürlich auch mit hohen Kosten verbunden ist.

Die Erhöhung der Abmessungen der einzelnen Spiegel bringt keine Vorteile mit sich, da dabei der Platzbedarf noch grösser wird. Ferner bringen die Tragkonstruktionen und die Lagerungen für die Spiegel fast unlösbare Probleme mit sich. Diese Schwierigkeiten haben eine rationelle Ausnutzung der Sonnenenergie verhindert.

Zweck der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie vorzuschlagen, welche die vorgängig erwähnten Nachteile nicht mehr aufweist und eine brauchbare Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist die im unabhängigen Anspruch 1 aufgeführten Merkmale auf. Weitere Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen Lösung sind durch die Merkmale wie in den Ansprüchen 2 bis 7 definiert, gekennzeichnet.

Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Nutzung der Sonnen- und Windenergie, welche die im Anspruch 1 und 8 aufgeführten Merkmale aufweist.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnungen näher erläuert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie;

Fig. 2 eine Vorderansicht der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, einer Anlage zur Nutzung der Sonnen- und Windenergie teilweise im Schnitt gezeichnet, und

Fig. 4 ein Aufstellungsplan von Vorrichtungen oder Anlagen in Draufsicht.

Gemäss der Ausführung in der Fig. 1 ist zum Auffangen und Sammeln der Sonnenstrahlen ein Parabolspiegel 1 vorgesehen, in dessen Brennpunkt eine Einheit 2 angeordnet ist, mit welcher die Wärmeenergie der Sonnenstrahlen, z. B. in elektrische Energie, umgewandelt wird. Der Spiegel 1 und die Einheit 2 werden als die Sonnenenergie nutzenden Teile der Vorrichtung genannt.

Zur Aufnahme des Parabolspiegels 1 und der Einheit 2 ist eine Tragvorrichtung vorhanden, welche aus radförmigen Gebilden 3 zusammengesetzt ist. Die radförmigen Gebilde 3 sind in zueinander parallelen Vertikalebenen angeordnet, stehen miteinander in starrer Verbindung, wobei die Radspeichen mit 4 und die Distanzhalter mit 5 bezeichnet sind. Diese bilden zusammen mit Spannelementen 6 ein Gitterwerk. Da die Radspeichen 4 und die Spannelemente 6 nur auf Zug beansprucht werden, ist es nicht notwendig, diese Teile aus festem Material herzustellen, sondern sie können auch z. B. aus Drahtseil bestehen. In dieser Weise wird eine genügend feste Konstruktion mit niedrigem Selbstgewicht vorgeschlagen.

Die konkreten Abmessungen der radförmigen Gebilde werden noch später angegeben. Zur Aufnahme der radförmigen Gebilde sind in einem Gestell 8 angeordnete Tragrollen 7 vorhanden. Die Tragrollen sind so im Gestell 8 untergebracht, dass sie einen Teil des Umfanges der radförmigen Gebilde umschliessen und eine drehbare Lagerung für die radförmigen Gebilde bilden. Die radförmigen Gebilde 3 sind also in dieser Weise um eine horizontale Achse in einer vertikalen Ebene

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drehbar abgestützt. Darüber hinaus ist noch ein Antrieb vorgesehen , welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist und mittels welchem die radförmigen Gebilde um die horizontale Achse verdreht werden können.

Diese Lösung ermöglicht die Schwenkung der radförmigen 5 Gebilde mit wenig Kraft, wobei keine speziellen Lagerungen der Tragrollen 7 im Gestell 8 benötigt werden. Das Gewicht der beschriebenen Tragkonstruktion, welche aus den radförmigen Gebilden besteht, wird auf die einzelnen, radförmigen Gebilde aufgeteilt, so dass eine Tragrolle nur mit einem Bruchteil des Gesamtgewichtes belastet ist.

Der Abrollantrieb kann auf eine oder auf mehrere Tragrollen angeschlossen werden, welcher Antrieb dann eine Drehmoment übertragende Verbindung bildet.

Es ist ferner notwendig, dass der Parabolspiegel sowie die 15 Einheit 2 gemeinsam um eine vertikale Achse gedreht werden können. Zu diesem Zwecke ist das Gestell 8 auf einer Tragfläche

9 angeordnet, welche z. B. als eine runde Tischfläche ausgebildet sein kann und in einem Becken 10 Aufnahme findet. Das Becken

10 ist mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser gefüllt, wobei zwischen 20 der Wasseroberfläche und der Tragfläche 9 ein Luftkissen gebildet wird. Zur Bildung des Luftkissens weist die runde Tragfläche

9 einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei die Schenkel der U-Form nach unten gerichtet sind. Ferner kann noch an der Tragfläche 9 ein Ventil vorhanden sein, durch welches Luft eingepumpt oder ausgelassen werden kann. In dieser Weise kann die Tragfläche über dem Wasserspiegel gehoben oder gesenkt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass bei übermässiger Windbelastung der radförmigen Gebilde die ganze Tragkonstruktion tiefer ins Wasser versenkt wird, wodurch das 30 Umkippen der ganzen Konstruktion vermieden wird.

Ferner sind noch im Bereich des Randes der runden Tragfläche 9 Rollen 11 und Zentrierrollen 12 vorhanden, welche eine vertikale und horizontale Stütze für die Tragfläche 9 bilden und ein Kippen derselben verhindern. Die Achsen der Rollen 11 verlaufen also senkrecht zu den Achsen der Zentrierrollen 12.

Eine oder mehrere dieser Rollen können mit einem Antrieb versehen sein, wodurch die Steuerung der ganzen Tragkonstruktion um eine vertikale Achse sichergestellt wird.

Bei der beschriebenen Lösung wird die Anordnung einer 40 separaten Lagerung überflüssig. Die Flüssigkeit im Becken 10 ermöglicht, dass die Tragfläche 9, welche auf dem Luftkissen schwebt, mit minimaler Kraft gedreht werden kann und zwar auch bei extremen Wetterbedingungen. Bei stark aufkommendem Wind kann also die ganze Tragkonstruktion so verdreht werden, dass die radförmigen Gebilde parallel zur Windrichtung verlaufen.

In der Fig. 3 ist eine Anlage zur Nutzung der Sonnen- und Windenergie dargestellt, welche eine beschriebene Vorrichtung umfasst. Aus dieser Fig. 3 ist wiederum ein radförmiges Gebilde 50 3 ersichtlich, in welchem ein Spiegel 1 sowie eine Einheit 2 untergebracht ist. Zusätzlich sind hier in der Ebene des radförmigen Gebildes 3 Windkraftmachinen 13 angeordnet, deren Rotationsebene also parallel zur Ebene des radförmigen Gebildes verläuft.

Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die Windenergie mit solchen Windkraftmaschinen am besten ausgenutzt werden kann, deren Rotordurchmesser um 20 m ist. Es können also mehrere Windkraftmaschinen am äusseren Rad des Gebildes 3 montiert werden, welches in diesem Falle mit zusätzlichen Stabilisationsbrücken 14 ergänzt wird, wodurch die Festigkeit des radförmigen Gebildes der grösseren Beanspruchung ange-passt wird. Es ist dabei möglich, die Windkraftmaschinen 13 so

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anzuordnen, dass die am Gebilde erzeugten zusätzlichen Belastungen sich teilweise ausgleichen, so dass die zusätzliche Gesamtbelastung nicht gross wird.

Anschliessend werden die konkreten Abmessungen einer Vorrichtung oder einer Anlage anhand eines Ausführungsbeispiels angegeben. Es werden fünf radförmige Gebilde in einer Entfernung von 20 m voneinander zusammengebaut, die einen Durchmesser von 80 m haben. Die Speichen 4 sind als Rundeisen und die Distanzhalter 5 als Gitterwerk ausgeführt. Die Spannelemente 6 können aus Drahtseil gefertigt sein. Es werden 60 Radspeichen 4,60 Distanzhalter 5 und 120 Spannelemente 6 eingebaut. Die radförmigen Gebilde 3 werden je mit 100 Tragrollen 7 abgestützt.

Der Spiegel 1 ist als Parabolspiegel ausgebildet, besteht aus 16 Tafeln mit Gitterwerkkonstruktion von je 20 m x 20m, auf welchen plane Spiegelstücke von je 1 m X 1 m angeordnet sind. Die Stellung der Spiegelstücke wird bei der Fertigung eingestellt. und muss nicht mehr verändert werden. Der gebildete Spiegel 1 hat eine Nutzfläche von 5640 m2.

Bei diesen Abmessungen wird der Wind bei einer Stärke von 8,5 m/s gefährlich, so dass die Längsachse der Vorrichtung oder Anlage parallel zur Windrichtung gestellt werden muss.

Die Tragfläche 9 hat einen Durchmesser von 90 m, eine Höhe von 1,5 m und wird als Eisenbetongerippe ausgeführt, auf welchem mit Fiberglas gestärkte Kunststoffkuppeln angeordnet sind. Vorteilhafterweise können 240 Kuppeln angeordnet werden. Das Luftkissen hat einen Überdruck von 230 mmWS (mm Wassersäule), was bis zu einer Windgeschwindigkeit von 33 m/s das Umkippen der Vorrichtung oder Anlage verhindert, falls die Längsachse zur Windrichtung parallel gestellt wird.

Das Becken 10 hat einen Innendurchmesser von 90,2 m und eine Seitenhöhe von 1 m. Die Wände sind als ein mit Steifbalken versehenes Eisenbetongerippe ausgeführt und der Boden besteht aus einem Beton-Kunststoff-Sandbett.

Im Brennpunkt des Spiegels 1 ist eine Einheit 2 angeordnet, die aus einer, mit einem Kohlenstaub-Lufterhitzer verbundenen Warmluftturbine und einem Generator besteht. Die abgegebene Leistung beträgt 2,5 MW. An einem äusseren radförmigen Gebilde 3 sind 13 Windkraftmaschinen 13 angeordnet, die je Windkraftmaschine eine Durchschnittsleistung von 100 kW haben.

Bei der Annahme von 1000 nutzbaren Sonnenstunden pro Jahr und in einer Höhe von 20 m bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 3,6 m/s wird eine Energie von 2,5 Millionen kWh vom Sonnenkraftwerk und 2,5 Millionen kWh vom Windkraftwerk in einem Jahr erzeugt. Die totale Energiemenge beträgt ca. 5 Millionen kWh pro Jahr. Eine der wichtigsten Vorteile der beschriebenen Vorrichtung und der Anlage ist bei der Anwendung in der gemässigten Zone, dass eine Flächennutzung von 85 % erreicht werden kann. Das bedeutet, dass die nützliche Spiegelfläche 85 % der besetzten Erdfläche ist. Die mit den Vorrichtungen oder Anlagen besetzte Station muss aus der landwirtschaftlichen Produktion nicht ausgeschlossen werden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, beträgt die Entfernung zwischen den Reihen der Vorrichtungen oder Anlagen etwa400 m. Dieser Abstand ist notwendig, um das gegenseitige Schattenwerfen zu vermeiden. Der Zwischenbereich ist für eine industrielle Ausnutzung in der Landwirtschaft gut brauchbar.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anlage besteht darin, dass die Windenergieausnutzung ohne komplizierte Mechanik mit der gleichen Konstruktion verwirklicht werden kann, so dass die Energieerzeugung unter Wetterbedingungen der gemässigten Zone verdoppelt werden kann.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, dass Sonnenenergie nutzende Teile (1,2) an eine Tragvorrichtung angeordnet sind, die sowohl um eine 5 horizontale als auch um eine vertikale Achse drehbar angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Tragvorrichtung aus parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordneten und starr miteinander gekoppelten, 10 radförmigen Gebilden (3) besteht, welche auf Tragrollen (7)

ruhen, die in einem Gestell (8) gelagert sind und einen Teil der Umfangsfläche der radförmigen Gebilde (3) umschliessen.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur drehbaren Lagerung der Tragvorrichtung um 15 eine vertikale Achse eine Tragplatte (9) vorhanden ist, die in einem mit Flüssigkeit gefüllten Becken (10) auf einem variablen Luftkissen ruht.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragplatte rund ist und am Rand mit Zentrier- 20 rollen (12) und mit ein Umkippen der Tragplatte verhindernden Rollen (11) ausgerüstet ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein, die Tragplatte (9) bezüglich des Beckens (10) bewegender ein- und ausschaltbarer Antrieb vorhanden ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Sonnenenergie nutzenden Teile einen Sonnenkollektor und/oder eine Solarzelle umfassen.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Sonnenenergie nutzenden Teile einen Spiegel (1) und eine Energie umwandelnde Einrichtung (2) umfassen, wobei der Spiegel als ein aus Einzelstücken zusammengesetzter parabolischer Spiegel ausgebildet ist, und die Einrichtung (2) im Brennpunkt des Spiegels angeordnet ist.
8. Anlage zur Nutzung der Sonnen-und Windenergie, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Tragvorrichtung mindestens eine die Windenergie ausnutzende Windkraftmaschine (13) aufweist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftmaschine (13) an einem äusseren radförmigen Gebilde (3) montiert ist und einen Durchmesser kleiner als 50 m, vorzugsweise zwischen 18 und 22 m, aufweist.

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