[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sekundärkonzentrator für ein Solarkraftwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
[0002] Solarthermische Kraftwerke produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugtem Strom liegen.
[0003] In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.
[0004] Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.
[0005] Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Kon-zentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen, was diese in ihrer Konstruktion grundlegend von den Dish-Sterling- und Solarturmkraftwerken unterschiedet. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m, während die Breite 3 m, 5 m und mehr erreichen kann. In der Brennlinie verläuft eine Absorberleitung für die konzentrierte Wärme (bis gegen 400[deg.]C), welche diese zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt ein Fluid wie z.B. Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage, welches in den Absorberleitungen zirkuliert.
[0006] Obschon ein Rinnenkollektor vorzugsweise als Parabolrinnenkollektor ausgebildet ist, werden häufig Rinnenkollektoren mit sphärischem oder nur annährend parabolisch ausgebildetem Konzentrator verwendet, da ein exakt parabolischer Konzentrator mit den oben genannten Abmessungen nur mit grossem, damit wirtschaftlich kaum sinnvollen Aufwand herzustellen ist.
[0007] Die 9 SEGS-Rinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW; ein zusätzliches Kraftwerk in Nevada soll zur Zeit ans Netz gehen und über 60 MW liefern. Ein weiteres Beispiel für ein Rinnenkraftwerk ist das im Bau befindliche Andasol 1 in Andalusien, mit einer Kon-zentratorfläche von 510 000 m<2> und 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberleitungen ca. 400[deg.] C erreichen soll. Das Leitungssystem für die Zirkulation des wärmetransportierenden Fluids kann in solchen Kraftwerken eine Länge von bis zu 100 km erreichen, oder mehr, wenn die Konzepte für die künftigen Grossanlagen realisiert werden. Die Kosten für Andasol 1 werden auf mehrere hundert Millionen Euro veranschlagt.
[0008] Überschlagsmässig lässt sich festhalten, dass ein immer grösserer Anteil der Gesamtkosten, heute z.B. 65% oder mehr, bei solch einem Solarkraftwerk auf die Rinnenkollektoren und das Leitungssystem für das Wärme transportierende Fluid entfallen.
[0009] Angesichts der genannten hohen Baukosten und auch der hohen Wartungskosten für solche Rinnenkollektoren wurden schon früh Bauformen vorgeschlagen, bei welchen die Verschmutzung der spiegelnden Konzentratoroberfläche vermindert und dadurch der Wartungsaufwand, aber auch der Aufwand für den Bau des Kollektors selbst, reduziert ist.
[0010] So zeigt FR-PS 1 319 144 einen Wannen- oder Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk der oben genannten Art, der eine zylindrische Druckzelle aus einer flexiblen Membran aufweist, die einen transparenten Bereich und einen reflektierenden Bereich aufweist. Durch erhöhten Innendruck wird die zylindrische Druckzelle in ihrer Form gehalten, so dass durch den transparenten Bereich eingefallene Sonnenstrahlung auf den sphärisch gekrümmten, reflektierenden Bereich gelangt und von diesem auf eine in der Druckzelle verlaufende Absorberleitung konzentriert wird.
[0011] Mit solch einer Anordnung ist es grundsätzlich denkbar, ein durch die zylindrische Druckzelle hindurch verlaufende Absorberleitung entlang ihrer Länge aufzuheizen, wobei sie durch die Druckzelle vor Verschmutzung und Kühlung durch den Wind geschützt ist. Der so entfallende Reinigungsaufwand für die Absorberleitung und speziell der Schutz vor Kühlung sind nicht zu unterschätzende Kostenfaktoren bei der Produktion von Solarstrom im industriellen Massstab.
[0012] Eine konventionelle Absorberleitung z.Bsp., die im Freien verläuft, verliert durch Wärmeabstrahlung und Kühlung durch die Umgebungsluft bis zu 100 W/m, was bei einer Leitungslänge von bis zu 100km (oder mehr) einem Verlust von 10 MW entspricht. Jede Reduktion dieses Verlusts z.Bsp. durch Schutz vor Windkühlung, ist deshalb von Bedeutung und anzustreben.
[0013] Weiter eröffnet die Ausbildung des Konzentrators als flexible Membran, die ein geringes Gewicht besitzt, die gesamte Tragstruktur des Kollektors einfacher und damit günstiger aufzubauen, da die gegenüber den herkömmlichen, massiven Spiegeln wesentlich weniger Gewicht gelagert und (dem Sonnenstand entsprechend) verschwenkt werden muss. Schliesslich ist auch ein aus einer flexiblen Membran bestehender Konzentrator günstiger herzustellen und einfacher zur Baustelle zu bringen (die der Natur der Sache nach in abgelegenen Gebieten, z.B. einer Wüste, liegen kann), und auch einfacher zu montieren, als dies bei konventionellen Konzentratoren der Fall ist.
[0014] Die Ausbildung eines Rinnenkollektors mit einer zylindrischen Druckzelle ist jedoch bei den heute geforderten, oben erwähnten Abmessungen nicht praktikabel. Die durch den zylindrischen Membrankörper gebildete äusserst grosse Angriffsfläche für z.Bsp. Wind erfordert eine Verstärkung der zylindrischen Druckzelle durch ein massives Fachwerk, wie es bereits in der genannten FR-PS im Hinblick auf verstärkende "nervures annulaires" des zylindrischen Körpers erwähnt wird. Durch ein solches Fachwerk, welches zu der an sich leichter und einfacher zu bauenden Tragstruktur für den Zylinder hinzu tritt, verliert die offenbarte Ausführungsform die in der FR-PS eingangs erwähnten Vorteile betreffend leichter und günstiger Konstruktion im wesentlichen Mass.
[0015] Dieselbe Bauform eines Rinnenkollektors mit aufblasbarem Kollektorkörper zeigt FR-PS 2 362 347. Hier wird berücksichtigt, dass auf dem transparenten Abschnitt der Membran auftreffende Sonnenstrahlung in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel teilweise reflektiert wird; praktisch nicht, wenn die Sonnenstrahlung senkrecht auf den transparenten Abschnitt auftrifft, und mit ansteigendem Anteil, je schräger sie auf diesen gelangt.
[0016] Eine zylinderförmige Druckzelle hat entsprechend die Eigenschaft, dass (in Richtung der Sonnenstrahlung gesehen) randseitig auf ihr auftreffende Sonnenstrahlen im Wesentlichen reflektiert werden, also den Konzentrator nur noch zu einem geringen Anteil erreichen.
[0017] Entsprechend besitzt der in der FR-PS 2 363 347 dargestellte zylindrische Rinnenkollektor eine reflektierende Schicht, die sich nicht über die an sich mögliche Hälfte des Zylindermantels, sondern nur über ein Segment dieser Zylinderhälfte erstreckt.
[0018] Dadurch ergibt sich bei gleicher Konzentratorfläche ein noch grösserer Zylinderdurchmesser, als bei der Bauform nach FR-PS 1 319 144, was entsprechend ungünstig ist. Abhilfe wird gesucht, indem beim zylindrischen Körper die parallel zur Sonnenstrahlung verlaufenden Mantelbereiche gewissermassen "weggeschnitten" werden; es ergibt sich so eine bikonvexe, linsenförmige Struktur, deren Dicke bzw. Höhe gegenüber dem Durchmesser des Zylinders bei gleichbleibendem Anteil an eingefallenem bzw. nicht reflektiertem Sonnenlicht reduziert ist.
[0019] Der Fachmann erkennt, dass die gezeigten Ausführungsformen auch in bikonvexer, d.h. linsenförmiger Konfiguration tatsächlich immer noch erhebliche Höhe aufweisen, da der Brennlinienbereich innerhalb der Druckzelle liegt, somit der Krümmungsradius des Konzentrators entsprechend klein ist, was bei einem Rinnenkollektor von 5 oder 10m Breite zu einem beträchtlichen Volumen der Druckzelle führt. Die Angriffsfläche auch für seitlich einfallenden Wind (z.B. bei Ruhestellung für starken Wind) ist nach wie vor so gross, dass auch hier ein die Druckzelle unter Windangriff stabilisierendes, zusätzliches Fachwerk zur Tragstruktur für die Druckzelle selbst hinzukommen muss, also nicht weggelassen werden kann.
[0020] Die Tragstruktur für die Druckzelle kann im Wesentlichen aus einem einfachen, rechteckigen Rahmen bestehen, in welchem die Druckzelle ihren Längsrändern entlang aufgespannt wird.
[0021] Entsprechend besitzen die heute gebauten oder geplanten Solarkraftwerke des Typs mit Rinnenkollektoren solche herkömmlicher Art ohne Druckzelle, und realisieren damit die an sich denkbaren Vorteile (kostengünstiger Leichtbau, vereinfachte Wartung durch vor Verschmutzung geschützte Konzentratoren, keine Kühlung der Absorberleitung durch Wind, etc.) nicht.
[0022] Nun hat die Anmelderin in der noch unveröffentlichten schweizerischen Patentanmeldung 00 462/08 eine Konfiguration gemäss Fig. 1 vorgeschlagen, die ermöglicht, die Vorteile einer Druckzelle zu nutzen, indem ein Sekundärkon-zentrator in der Druckzelle vorgesehen ist: dadurch, dass der Konzentrator im Rinnenkollektor gemäss Fig. 1 die einfallende Sonnenstrahlung gegen einen ausserhalb der Druckzelle verlaufenden Brennlinienbereich konzentriert, kann er flach, d.h. mit einem grossen Krümmungsradius konzipiert werden, was die Grundlage bietet, die Höhe der Druckzelle klein zu halten;
dadurch, dass ein Sekundärkonzentrator vorgesehen ist, kann die Absorberleitung an einem geeigneten Ort innerhalb der Druckzelle angeordnet werden, jedoch ohne dass deren Höhe vergrössert werden muss, mit der Folge, dass die Druckzelle nunmehr z.B. ohne eigenes Verstärkungs-Fachwerk gebaut werden kann und damit ihre Vorteile als preisgünstige Leichtbaulösung genutzt werden können.
[0023] Die reflektierende Oberfläche des Sekundärkonzentratrors, bzw. deren Krümmung oder Kontur kann durch Versuche zwar ermittelt werden; es ist jedoch wünschenswert, über ein Herstellungsverfahren für solch einen Sekundärkon-zentrator zu verfügen, das nicht auf Versuchen aufsetzen muss und auch als Instrument für den Fachmann geeignet ist, den Sekundärkonzentrator für einen Kollektor im konkreten Fall schnell und einfach auszulegen, und damit gegebenenfalls auch vor Ort richtig, verbessert oder korrigiert ausgelegt herstellen zu können. Letzteres kann auch für Nachrüstungen konventioneller Kollektoren in Frage kommen.
[0024] Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Herstellverfahren anzugeben.
[0025] Zur Lösung der Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1, die eine nicht aufwendige Berechnung der Krümmung der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkonzentrators ermöglichen, mit der jeweils gewünschten Genauigkeit, so dass je nach Auslegung eines Rinnenkollektors im konkreten Fall der Sekundärkonzentrator ohne weiteres richtig ausgelegt und hergestellt werden kann.
[0026] Nachstehend wird das erfindungsgemässe Herstellverfahren anhand der Figuren noch etwas näher erläutert. Es zeigt:
<tb>Fig. 1 <sep>eine Ansicht eines Rinnenkollektors gemäss Stand der Technik, bei welchem das Absorberrohr ausserhalb der Druckzelle liegt
<tb>Fig. 2 <sep>einen Querschnitt durch einen Rinnenkollektor mit einem Sekundärkonzentrator,
<tb>Fig. 3 <sep>einen Quereschnitt durch eine bevorzugte Ausführung eines Rinnenkollektors mit einem Sekundärkonzentrator, hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren
<tb>Fig. 4 <sep>ein in die Anordnung von Fig. 3gelegtes Koordinatensystem mit den im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Vektoren.
[0027] Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Rinnenkollektors 1 gemäss Stand der Technik mit einer Tragstruktur 2, bestehend aus einem rechteckigen Rahmen 3, der auf einer Verschwenkeinrichtung 4 gelagert ist, welche ihrerseits auf geeigneten Stützen 5 ruht. Die Verschwenkeinrichtung 4 ermöglicht, den Rinnenkollektor 1 dem jeweiligen Sonnenstand entsprechend auszurichten.
[0028] Die Figur zeigt weiter eine Druckzelle 10 unter Betriebsdruck, d.h. im aufgeblasenen Zustand mit der durch die Hilfslinien 11 symbolisierten kissenartigen Form. Die Länge solch eines Rinnenkollektors 1 kann 250 m, die Breite 10 m übersteigen. Die Höhe der Druckzelle 10 ist abhängig von der Breite, aber auf jeden Fall kleiner als diese.
[0029] Ein Absorberrohr 12 wird durch die reflektierte Sonnenstrahlung aufgeheizt; der Konzentrator befindet sich in der Druckzelle 10 und ist deshalb in der Figur nicht sichtbar. Das Absorberrohr 12 ist an geeigneten Stützen 13 aufgehängt, so dass es sich im Brennlinienbereich des Konzentrators befindet.
[0030] In den nachfolgenden Figuren werden für gleiche Teile dieselben Bezugsnummern verwendet.
[0031] Die in der oben genannten, noch nicht veröffentlichten schweizerischen Patentanmeldung 00462/08 offenbarte Konfiguration ist in Fig. 2 dargestellt.
[0032] Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform 20 des Rinnenkollektors 1. Die Verschwenkeinrichtung 4 ist gebildet durch einen bogenförmigen Verschwenkbügel 6, der in einem Verschwenkantrieb 7 läuft, welcher über Rollen 8 den Verschwenkbügel 6 verstellt und damit den Rahmen 3 in gewünschter Stellung ausrichtet.
[0033] Im Rahmen 3 befestigt (und damit durch diesen aufgespannt) ist eine Druckzelle 25, die aus flexiblen Membranabschnitten 26,27 gebildet ist, vorliegend deren zwei, die ihren Rändern 28,29 entlang verbunden sind. Der eine, hier obere Membranabschnitt 26 ist für einfallendes Sonnenlicht, dargestellt durch die Strahlen 30, 31, mindestens teilweise transparent; der andere, untere Membranabschnitt 27 ist durch eine den Sonnenstrahlen 30,31 zugewandte reflektierende Beschichtung 32 als Konzentrator 33 ausgebildet.
[0034] Unter Betriebsdruck werden die Membranabschnitte 26,27 mit Druck beaufschlagt und dabei sphärisch gekrümmt, so dass der Konzentrator 33 im Rahmen 3 seine Rinnenform einnimmt, die dieser Gattung von Solarkollektoren den Namen gegeben hat.
[0035] Durch die sphärische Krümmung ergibt sich gegenüber einer exakten parabolischen Krümmung, dass die durch den Konzentrator 33 reflektierten Strahlen 30', 31' in einen Brennlinienbereich 34, und nicht in eine Brennlinie konzentriert werden. Der Brennlinienbereich 34 ist schematisch durch die punktierte Linie angedeutet. Die Auslegung eines zu bauenden Rinnenkollektors 20, d.h. Länge, Breite etc., also auch die Auslegung des Krümmungsradius 36, erfolgt durch den Fachmann im Hinblick auf ein konkretes Projekt.
[0036] Der Krümmungsradius 36 des Konzentrators 33 ist so gross gewählt, dass der Brennlinienbereich 34 ausserhalb der Druckzelle 25 liegt, mit dem Vorteil, dass diese flach ausgebildet ist, d.h. eine geringe Höhe besitzt. Im Fall heftiger Winde kann die Druckzelle 25 durch den Verschwenkantrieb 7 derart ausgerichtet werden, dass sie dem Windangriff nur von der Schmalseite her, mit ihrer geringen Höhe, ausgesetzt ist. Damit entfällt ein zusätzliches, die Druckzelle 25 stabilisierendes Fachwerk (oder auch andere konstruktive Massnahmen zur Stablilisierung der Druckzelle 25). Die Druckzelle 25 mit dem Konzentrator 33 besitzt gegenüber einem konventionellen, massiv gebauten Konzentrator geringes Gewicht, mit der Folge, dass der Rahmen 3, aber auch die Verschwenkeinrichtung 4 mit den Stützen 5 geringer dimensioniert werden können.
Als Folge dieses Leichtbaus ergibt sich nicht nur eine materialseitige Kostenreduktion, sondern auch eine wesentlich vereinfachte Herstellung und Montage, die besonders für abgelegene Gebiete, wie Wüstengebiete, geeignet ist.
[0037] In der Druckzelle 25 sind weiter ein Sekundärkonzentrator 40 und eine Absorberleitung 42 vorgesehen, die über ein Trägerfachwerk mit gestrichelt angedeuteten Trägern 44 an Halteplatten 45 des Rahmens 3 aufgehängt sind. Damit bleibt trotz grossem Krümmungsradius des Konzentrators 33 der Vorteil bestehen, dass die Sonnenstrahlung 30,31 nicht zweimal durch die transparente Membran 26 hindurchtreten muss; der Verlust beim einmaligen Durchtritt kann 1% der Strahlenenergie betragen (oder, mit der Alterung der Membran 26, noch grösser werden). Die Ausbildung und Dimensionierung dieses Trägerfachwerks kann durch den Fachmann leicht für einen konkret zu bauenden Rinnenkollektor 1 vorgenommen werden.
[0038] In der Absorberleitung 42 zirkuliert auf bekannte Weise ein Wärme transportierendes Fluid, das die von der einfallenden, konzentrierten Strahlung 30, 31 erzeugte Wärme abtransportiert.
[0039] Der Wartungsaufwand für den Sekundärkonzentrator 40 und die Absorberleitung 42 ist klein, da beide (wie auch der Konzentrator 33 selbst) durch die Druckzelle 25 vor Verschmutzung geschützt sind. Diese kann zudem an Stelle der Umgebungsluft mit z.B. Stickstoff gefüllt werden, was zusätzlich die Korrosion sowohl der reflektierenden Schicht des Konzentrators 33 als auch des Sekundärkonzentrators 40 (falls er z.B. aus Blech bestehen sollte, s. unten) verhindert oder verlangsamt. Alternativ dazu kann die Luft in der Druckzelle 25 entfeuchtet werden.
[0040] Dabei ist der Sekundärkonzentrator 40 im Pfad der durch den Konzentrator 33 konzentrierten Strahlung 30', 31' angeordnet und derart ausgebildet, dass die konzentrierte Strahlung 30' 31' weiter, gegen einen sekundären Brennlinienbereich 41 am Ort der Absorberleitung 42 hin, konzentriert wird. Es ergibt sich eine Anordnung, bei der der Sekundärkonzentrator 40 dem Konzentrator 33 gegenüberliegt und nahe dem transparenten Membranabschnitt 26 angeordnet ist, wobei die Absorberleitung 42 zwischen dem Konzentrator 33 und dem Sekundärkonzentrator 40 verläuft. Da die Krümmung des Konzentrators 33 bei gegebener Breite des Rinnenkollektors 1 schwach ausgeprägt ist (grosser Krümmungsradius 36), besitzt der Brennlinienbereich 34 eine nur kleine Ausdehnung, mit dem Vorteil, dass der Sekundärkonzentrator 40 schmal baut und nur wenig Schatten wirft.
[0041] Die Absorberleitung 42 ist von äusseren Einflüssen wie Wind geschützt und verliert entsprechend wenig Wärme.
[0042] Das in der Figur dargestellte Grundlayout für einen Rinnenkollektor gemäss der vorliegenden Erfindung ist symmetrisch bezüglich einer mittig längs der durch den Konzentrator 33 gebildeten Rinne verlaufenden Symmetriebene, die durch die strichpunktierte Linie 43 angedeutet ist.
[0043] Fig. 3 zeigt eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines Kollektors 1. Der Konzentrator 60 weist zwei längs verlaufende reflektierende Bereiche 61, 62 auf, die einen Mittelstreifen 63 zwischen sich einschliessen, der vorteilhafterweise zur Tragstruktur des Rinnenkollektors gehört und damit begehbar ist. Dadurch ist die über dem Mittelstreifen 63 verlaufende Absorberleitung 64 für Montage und Wartung leicht zugänglich, so wie der ebenfalls über dem Mittelstreifen 63 verlaufende und unter dem transparenten Membranabschnitt 26 angeordnete Sekundärkonzentrator 65, welcher seinerseits zwei Bereiche 66, 67 besitzt, die jeweils die Sonnenstrahlung 30', 31' aus dem ihnen zugeordneten Bereich 61, 62 des Konzentrators 60 weiter, gegen die Absorberleitung 64 hin, konzentrieren.
Diese Anordnung besitzt eine gegenüber derjenigen von Fig. 2unverändert geringe Bauhöhe, ist günstig für Montage und Wartung, aber zusätzlich unempfindlich gegen den Schattenwurf des Sekundärkonzentrators, da die beiden Bereiche 61, 62 des Konzentrators 60, weil von einander durch den Mittelstreifen 63 getrennt, nicht oder nur marginal vom Schatten erreicht werden können.
[0044] Grundsätzlich ist es wünschenswert, den Brennlinienbereich so klein wie möglich auszubilden, was zu einer hohen Temperatur und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad der thermischen Maschinen des Solarkraftwerks führt. Andererseits ist zu bedenken, dass in einem Brennlinienbereich, der sich der idealen Brennlinie nähert, Temperaturen entstehen, die eine aus Metall bestehende, konventionelle Absorberleitung lokal zum Glühen bringen. Der Fachmann kann dies bei der Auslegung des Sekundärkonzentrators 40,65 berücksichtigen, was ebenfalls unterstreicht, dass die Form der reflektierenden Oberfläche den konkreten Anforderungen entsprechend präzise bestimmt und hergestellt werden muss.
[0045] Hier kann erwähnt werden, dass sich durch die Verwendung eines Sekundärkonzentrators 40, 54, 65 der weitere Vorteil ergibt, dass der Lichtpfad zwischen dem Konzentrator 33, 60, 65 und der Absorberleitung 42, 64 kürzer ist, als es in einer vergleichbaren Konfiguration ohne Sekundärkonzentrator 40, 54, 65 der Fall wäre; damit ist die Defokussierung kleiner und eine der theoretischen verbessert angenäherte Brennlinie erreichbar.
[0046] Vorteilhafterweise besteht der Sekundärkonzentrator 40, 65 aus einem Profil aus Blech (oder aus zwei solchen Profilen, die dann die Bereiche 55, 56 oder 66, 67 des Sekundärkonzentrators bilden), das langgestreckt, quer zu seiner Länge gekrümmt ist und auf seiner dem Konzentrator zugewendeten Seite eine reflektierende Schicht besitzt. Der Fachmann bestimmt dann (wie oben erwähnt, gegebenenfalls durch Versuche) die gewünschte Krümmung des Profils so, dass in der vorbestimmten relativen Lage von Konzentrator 33, 61, 62 und Sekundärkonzentrator 40, 65 der gewünschte Brennlinienbereich entsteht. Alternativ, je nach Ausbildung der Absorberleitung 64 kann natürlich auch eine Brennlinie an Stelle eines Brennlinienbereichs angestrebt werden.
[0047] Andererseits kann die gewünschte Profilform leicht durch Umformung eines Blechs in einer Presse hergestellt werden, was erlaubt, den Brennlinienbereich (oder die Brennlinie) genau zu definieren. Die reflektierende Schicht kann vor oder nach dem Umformvorgang auf das Blech bzw. auf die konkave Seite des erzeugten Blechprofils aufgebracht werden.
[0048] Mit anderen Worten ist es so, dass auch der Sekundärkonzentrator 40, 65 einfach und robust aufgebaut und von vergleichsweise geringem Gewicht ist; weiter ist auch er leicht transportabel und kann gegebenenfalls vor Ort hergestellt werden.
[0049] Fig. 4 zeigt nun in die Anordnung von Fig. 3gelegtes x, y-Koordinatensystem mit den im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Vektoren, wobei das Koordinatensystem in einer Querschnittsebene, hier des Sekundärkonzentrators 65, liegt. Natürlich auch in einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor 20 (Fig. 2) oder in einen Kollektor beliebiger Bauart eingelegt werden.
[0050] Zur Illustration ist in Fig. 4der Mittelstreifen 63 angedeutet, der jedoch für den nachstehend geschilderten Berechnungsgang keine Rolle spielt. Ersichtlich sind der gegebene Konzentrator 32, 62, der im dargestellten Querschnitt, vorliegend da druckbeaufschlagt, kreisbogenförmig ausgebildet ist, und für den ein Sekundärkonzentrator 40,65 bestimmt werden soll. Weiter ersichtlich ist der Sonnenstrahl 31, der am Konzentrator 32, 62 reflektierte Sonnenstrahl 31' und der am Sekundärkonzentrator wiederum reflektierte (gestrichelt dargestellte) Sonnenstrahl 31'', der auf das strichpunktiert angedeutete Absorberrohr 42,64 auftrifft und von diesem absorbiert wird. In der Figur ist das Absorberrohr 42, 64 durch den Brennpunkt bzw. einen Punkt auf der Brennlinie F(0;y[phi]) dargestellt.
Das Absorberrohr 42, 64 ist also ebenso wie der Konzentrator 32,62 vorbestimmt, d.h. für den Berechnungsgang vorgegeben.
[0051] Im den nachfolgend beschriebenen Schritten des Herstellverfahrens des Se-kundärkonzentrators 40, 65 sind Vektoren durch eine Unterstreichung als solche gekennzeichnet.
[0052] C(xc;yc) bezeichnet den Krümmungsmittelpunkt des vorgegebenen Konzentrators 32, 62. PM([phi]) bezeichnet einen allgemeinen Punkt auf dem Konzentrator 32, 62 (bzw auf der Konzentratoroberfläche); RM den Krümmungsradius des Konzentrators 32, 62, der durch den Punkt PM([phi]) läuft, wo [phi] der Winkel von RM zur y-Achse ist.
[0053] Mit anderen Worten werden über den Winkel alle Punkte auf dem Konzentrator 32,62 bezeichnet, von denen aus die Sonnenstrahlung 31 in das Asorberrochr 42, 64 reflektiert werden soll.
[0054] Die Vektoren s([phi]), s'([phi]) und s''([phi]) sind Einheitsvektoren im Pfad der jeweiligen Sonnenstrahlen (und werden nachstehend der Einfachheit halber nicht mehr jedes Mal explizit als Funktion von [phi] dargestellt): s liegt im Pfad des Sonnenstrahls 31, s' liegt im Pfad des am Konzentrator 32, 62 reflektierten Strahls 31' und s'' im Pfad des am Sekundärkonzentrator reflektierten Strahls 31''.
[0055] RM bildet als Krümmungsradius das Lot auf den Konzentrator im Punkt PM([phi]). Einfallender und reflektierter Strahl bilden denselben Strahl zum Lot, entsprechend sind die Winkel zwischen RM und dem Stahl 31 sowie RMund s' gleich gross und gleich [phi].
[0056] Der reflektierte Strahl 31' trifft den Sekundärkonzentrator 40, 65 im Punkt SM([phi],k), wobei der Wert von k als Streckungsfaktor für s' unbekannt ist.
[0057] tSM([phi]) ist Tangente an den Sekundärkonzentrator 40,65 im Punkt SM([phi],k).
[0058] Die Einheitsvektoren s' und s'' schliessen zwischen sich einen Winkel 2a ein. Da tSM Tangente an den Sekundärkonzentrator 40, 65 im Punkt SM([phi],k) ist, ist sie damit auch Winkelhalbierende zwischen s' und s'', gemäss dem oben erwähnten Grundsatz, wonach einfallender und reflektierter Strahl denselben Winkel zum Lot einnehmen. (tsMsteht als Tangente senkrecht zum Lot im Punkt SMX[phi],k)).
[0059] Wird nun der unbekannte Faktor k so bestimmt, dass s'' durch den Brennpunkt F (bzw. das Absorberrohr 42, 64 geht, ist SM([phi],k) bekannt. Damit die Form der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkonzentrators 40, 65 bekannt, da jedem Wert [phi] (d.h. jedem bestrahlten Punkt auf der Oberfläche des Konzentrators) ein korrespondierender Punkt auf der Oberfläche des Sekundärkonzentra-tors 40, 65 zugeordnet werden kann, welche korrespondierenden Punkte zusammen die Oberfläche des gesuchten Sekundärkonzentrators 40, 65 bilden.
[0060] Zusammenfassend ist die Vektorsumme der Vektoren C + CPM([phi]) + k.s' gleich dem Vektor SM([phi],k), der im Koordinatensystem den jeweiligen, einem Winkel [phi] entsprechenden, Punkt auf der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkonzentrators 40, 65 entspricht.
[0061] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellverfahrens wird k dadurch bestimmt, dass die Skalarprodukte s' . tSM([phi]) und s'' . tSM((p) zu s' . tSM([phi]) = s'' . tSM([phi]) gleichgesetzt werden, da der je eingeschlossene Winkel a gleich gross ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform präsentiert sich die Rechnung wie folgt:
<EMI ID=2.1>
und damit ist PM([phi])
<EMI ID=3.1>
und s'
<EMI ID=4.1>
[0062] Die Gleichung des Sekundärkonzentrators 32, 62 hat, s. oben, die Form
<EMI ID=5.1>
womit die Tangente tSM([phi]) als Ableitung des Ausdrucks
<EMI ID=6.1>
wird zu
<EMI ID=7.1>
s'' ist:
<EMI ID=8.1>
[0063] Die Wurzel im Nenner der Gleichung für s'', abgekürzt
<EMI ID=9.1>
wird
[0064] Nun sind s', s'' und tSM([phi]) berechnet, können also in s' . tSM((p) = s'' . tSM([phi]) eingesetzt werden.
[0065] Es ergibt sich, dass
<EMI ID=10.1>
und dass
<EMI ID=11.1>
werden die oben erhaltenen Werte für s' . tSM([phi]) und s'' . tsm([phi]) in die Gleichung s' . tSM([phi]) = s'' . tSM([phi]) eingesetzt und diese nach dk / d[phi] aufgelöst, ergibt sich ein wegen
<EMI ID=12.1>
elliptischer Ausdruck der analytisch nur aufwendig integrierbar ist.
[0066] Einsprechend wird die oben erhaltene Funktion
<EMI ID=13.1>
in noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als K = k([phi]) numerisch bestimmt. Der Fachmann kann dies durch das Programm mathcad der Firma mathsoft ohne weiteres tun.
[0067] Die erhaltenen Werte für k([phi]) können dann in SM([phi]) eingesetzt und dadurch die Form des Sekundärkonzentrators 40,65 durch eine Linie von Punkten bestimmt werden. Z.B, die Methode der kleinsten Quadrate liefert dann eine kontinuierliche Form, die der idealen Form mit der ansteigenden Anzahl der bestimmten Punkte SM([phi]) (bzw. kleiner werdendem Intervall für [Delta][phi]) immer näher kommt.
[0068] Der Fachmann kann nun wählen, ob die oben erwähnte Linie von Punkten mit grösserem oder kleinerem [Delta][phi] bestimmt wird, d.h. ob die Punkte weniger eng oder enger zusammen liegen, so dass ein Brennlinienbereich oder eine exakte Brennlinie am Ort des Absorberrohrs 42, 64 entsteht. Dadurch kann er im konkreten Fall die oben in Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Temperaturverteilung auf dem Absorberrohr im gewünschten Sinn beeinflussen.
[0069] Wegen des Durchmessers der Sonnenscheibe gelangen die Sonnenstrahlen 31 nicht nur parallel auf den Konzentrator 32, 62, sondern mit einem Öffnungswinkel von ca. 0,5 Grad. Entsprechend kann über das oben beschriebene Verfahren z.B. die Form des Sekundärkonzentrators 40, 65 je für einen Einheitsverktor s bestimmt werden, der parallel zur y-Achse verläuft, und für einen Einheitsvektor s, der um 0,25 Grad nach links und nach rechts zur y-Achse geneigt ist. Es ergeben sich dann drei Formen für den Sekundärkonzentrator 40, 65, respektive ein Bereich, in dem dessen Oberfläche liegen soll, in welchem eine Optimierung vorgenommen werden kann.
[0070] Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Vereinfachung die einfallenden Sonnenstrahlen als parallel angenommen, wobei sie besonders bevorzugt parallel zur Mittel-Symmetrieebene des Konzentrators 32, 62 liegen.
[0071] Das oben angegebene Verfahren erlaubt, den Einheitsvektor s' auch bei nicht kreisbogenförmigem Konzentrator anzugeben, z.B. dann, wenn dieser Parabel-förmig ausgebildet ist. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch der Konzentrator 32, 62 im Querschnitt als bogenförmig angenommen.
[0072] Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäs-sen Herstellverfahrens wird der Ursprung des Koordinatensystems im Krümmungsmittelpunkt C des Konzentrators 32, 62 angenommen.
[0073] Ist die Form der reflektierenden Oberfläche Sekundärkonzentrators 40, 65 einmal bestimmt, kann sie auf den Sekundärkonzentrator übertragen werden, vorzugsweise auf einen Block aus geeignetem Schaumstoff, der den Körper des Sekundärkonzentrators bildet, worauf die dann der Kurve entsprechend bearbeitete Oberfläche des Schaumstoffs mit einer reflektierenden Folie bedeckt, und so ein in den Rinnenkollektor einbaufähiger Sekundärkonzentrator 40, 65 hergestellt wird. Besonders bevorzugt besitzten solche Schaumstoffblöcke eine einheitliche Länge von z.B. 2 m und werden dann für die zu bestückenden Rinnenkollektoren zusammengesetzt eingebaut.
[0074] Damit ergibt sich ein betriebsfähiger Sekundärkonzetrator 40, 65, der auf einen vorgegebenen Konzetratror 32, 62 sowie ein vorgegebenes Absorberrohr 42, 64 abgestimmt ist. Obschon solch ein Sekundärkonzentrator 40, 65 für den Einbau in eine Druckzelle besonders geeignet ist, kann er natürlich auch ohne Druckzelle in konventionellen Rinnenkollektoren Verwendung finden. Ebenso kann das erfindungsgemässe Verfahren z.B. in Dish-Sterling Kollektoren mit rundem (und nicht rinnenförmigem) Konzentrator eingesetzt werden, wenn die Strahlung durch ein Loch im Konzentrator auf einen Punkt konzentriert werden soll, der hinter dem Konzentrator liegt.
The present invention relates to a secondary concentrator for a solar power plant according to the preamble of claim 1.
Solarthermal power plants have been producing electricity on an industrial scale for some time at prices that - compared to the photovoltaic - are close to the current commercial prices for electricity generated in a conventional manner.
In solar thermal power plants, the radiation of the sun is mirrored by collectors with the help of the concentrator and focused targeted to a place in which thereby high temperatures. The concentrated heat can be dissipated and used to operate thermal engines such as turbines, which in turn drive the generating generators.
Today, three basic forms of solar thermal power plants are in use: Dish Sterling systems, solar tower power plant systems and parabolic trough systems.
Parabolic trough power plants have a large number of collectors having long Kon-centrators with small transverse dimension, and thus do not have a focal point, but a focal line, which fundamentally different in their construction from the Dish Sterling and solar tower power plants. These line concentrators today have a length of 20 m to 150 m, while the width can reach 3 m, 5 m and more. In the focal line runs an absorber line for the concentrated heat (up to 400 ° C), which transports them to the power plant. The transport medium is a fluid such. Thermal oil or superheated steam in question, which circulates in the absorber lines.
Although a gutter collector is preferably formed as a parabolic trough collector, trough collectors are often used with spherical or only approximately parabolic trained concentrator, since an exact parabolic concentrator with the above dimensions only with large, so economically hardly meaningful effort is.
The nine SEGS trough power plants in Southern California together produce an output of about 350 MW; An additional power plant in Nevada is currently scheduled to go online and deliver over 60 MW. Another example of a trough power plant is Andasol 1, which is under construction in Andalusia, with a con centration area of 510,000 m <2> and 50 MW output, whereby the temperature in the absorber lines should reach about 400 ° C. The circulation system for the circulation of the heat-transporting fluid can reach a length of up to 100 km in such power plants, or more, when the concepts for the future large-scale plants are realized. The cost of Andasol 1 is estimated at several hundred million euros.
To summarize, it can be stated that an ever greater proportion of the total costs, today e.g. 65% or more, account for such a solar power plant on the trough collectors and the conduit system for the heat-transporting fluid.
In view of the high construction costs mentioned and also the high maintenance costs for such gutter collectors designs have been proposed early, in which reduces the pollution of the specular Konzentratoroberfläche and thereby the maintenance, but also the cost of the construction of the collector itself is reduced.
Thus, FR-PS 1 319 144 shows a trough or trough collector for a solar power plant of the above type, which has a cylindrical pressure cell of a flexible membrane having a transparent region and a reflective region. Due to increased internal pressure, the cylindrical pressure cell is held in its shape, so that solar radiation sunken through the transparent region reaches the spherically curved, reflecting region and is concentrated by the latter onto an absorber line extending in the pressure cell.
With such an arrangement, it is generally conceivable to heat up an extending through the cylindrical pressure cell absorber line along its length, being protected by the pressure cell from contamination and cooling by the wind. The cleaning costs associated with the absorber line and especially the protection against cooling are not to be underestimated cost factors in the production of solar power on an industrial scale.
A conventional Absorberleitung z.Bsp. Which runs outdoors, loses by heat radiation and cooling by the ambient air up to 100 W / m, which corresponds to a loss of 10 MW with a line length of up to 100km (or more). Any reduction of this loss z.Bsp. by protection against wind cooling, is therefore important and desirable.
Next opens the training of the concentrator as a flexible membrane, which has a low weight, the entire support structure of the collector simpler and thus cheaper to build, as compared to the conventional, massive mirrors stored much less weight and (according to the position of the sun) to be pivoted got to. Finally, a concentrator consisting of a flexible membrane is cheaper to manufacture and easier to get to the construction site (which may naturally be in remote areas, eg, a desert), and also easier to assemble than conventional concentrators is.
However, the formation of a trough collector with a cylindrical pressure cell is not practicable at the required today, the above-mentioned dimensions. The formed by the cylindrical membrane body extremely large attack surface for z.Bsp. Wind requires a reinforcement of the cylindrical pressure cell by a solid framework, as already mentioned in the cited FR-PS with regard to reinforcing "nervures annulaires" of the cylindrical body. By such a framework, which adds to the lighter and easier to be built support structure for the cylinder, the disclosed embodiment loses in the FR-PS initially mentioned advantages regarding lighter and cheaper construction substantially Mass.
The same design of a trough collector with inflatable collector body shows FR-PS 2 362 347. Here, it is considered that on the transparent portion of the membrane incident solar radiation is partially reflected as a function of the angle of incidence; practically not when the solar radiation strikes the transparent portion perpendicular, and with increasing proportion, the more oblique it gets to this.
A cylindrical pressure cell accordingly has the property that (seen in the direction of solar radiation) are reflected edge of their incident solar rays substantially, so reach the concentrator only to a small extent.
Accordingly, the cylindrical trough collector shown in FR-PS 2 363 347 has a reflective layer that does not extend beyond the per se possible half of the cylinder jacket, but only over a segment of this cylinder half.
This results in the same concentrator an even larger cylinder diameter, as in the design according to FR-PS 1 319 144, which is correspondingly unfavorable. Remedy is sought by the cylindrical body parallel to the solar radiation extending cladding areas are "cut away" so to speak; This results in a biconvex, lenticular structure whose thickness or height is reduced compared to the diameter of the cylinder with a constant proportion of sunken or non-reflected sunlight.
Those skilled in the art will recognize that the embodiments shown are also in biconvex, i. lenticular configuration actually still have considerable height, since the focal line area is within the pressure cell, thus the radius of curvature of the concentrator is correspondingly small, resulting in a trough collector of 5 or 10m width to a considerable volume of the pressure cell. The attack surface also for laterally incident wind (for example at rest for strong wind) is still so great that here a pressure cell under wind attack stabilizing, additional framework to support structure for the pressure cell itself must be added, so can not be omitted.
The support structure for the pressure cell may consist essentially of a simple, rectangular frame in which the pressure cell is stretched along its longitudinal edges.
Accordingly, today built or planned solar power plants of the type with trough collectors such conventional type without pressure cell, and thus realize the per se conceivable benefits (cost-effective lightweight, simplified maintenance by pollution protected concentrators, no cooling of the absorber line by wind, etc. ) Not.
Now, the applicant has in the unpublished Swiss patent application 00 462/08 proposed a configuration according to FIG. 1, which allows to take advantage of a pressure cell by a secondary concentrator is provided in the pressure cell: in that the Concentrator in the trough collector according to FIG. 1, the incident solar radiation concentrated against a running outside the pressure cell focal line area, he can flat, ie be designed with a large radius of curvature, which provides the basis to keep the height of the pressure cell small;
the fact that a secondary concentrator is provided, the absorber line can be arranged at a suitable location within the pressure cell, but without their height must be increased, with the result that the pressure cell is now e.g. can be built without its own reinforcement truss and thus their advantages can be used as a low-cost lightweight construction solution.
The reflective surface of the Sekundärkonzentratrors, or their curvature or contour can indeed be determined by experiments; However, it is desirable to have a manufacturing process for such a Sekundärkon- centrator, which does not have to rely on experiments and is also suitable as a tool for a person skilled in the secondary concentrator for a collector in a specific case quickly and easily interpreted, and thus possibly also to be able to manufacture locally correctly, improved or corrected. The latter can also be used for retrofitting conventional collectors.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide such a manufacturing method.
To achieve the object, the characterizing features of claim 1, which allow a non-complicated calculation of the curvature of the reflective surface of the Sekundärkonzentrators, with the particular desired accuracy, so that depending on the design of a trough collector in the concrete case of the secondary concentrator right can be designed and manufactured.
Hereinafter, the manufacturing method according to the invention will be explained in more detail with reference to the figures. It shows:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a view of a trough collector according to the prior art, in which the absorber tube is outside the pressure cell
<Tb> FIG. 2 <sep> a cross section through a trough collector with a secondary concentrator,
<Tb> FIG. 3 <sep> a cross-section through a preferred embodiment of a trough collector with a secondary concentrator, prepared according to the inventive method
<Tb> FIG. 4 <3> a coordinate system with the vectors used in the method according to the invention.
Fig. 1 shows a view of a trough collector 1 according to the prior art with a support structure 2, consisting of a rectangular frame 3 which is mounted on a pivoting device 4, which in turn rests on suitable supports 5. The pivoting device 4 allows the trough collector 1 to align the respective position of the sun accordingly.
The figure further shows a pressure cell 10 under operating pressure, i. in the inflated state with the symbolized by the auxiliary lines 11 pillow-like shape. The length of such a trough collector 1 can exceed 250 m, the width 10 m. The height of the pressure cell 10 is dependent on the width, but in any case smaller than this.
An absorber tube 12 is heated by the reflected solar radiation; the concentrator is located in the pressure cell 10 and is therefore not visible in the figure. The absorber tube 12 is suspended on suitable supports 13, so that it is located in the focal line region of the concentrator.
In the following figures, the same reference numerals are used for the same parts.
The configuration disclosed in the aforementioned unpublished Swiss Patent Application 00462/08 is shown in FIG.
Fig. 2 shows schematically a cross section through an embodiment 20 of the trough collector 1. The pivoting device 4 is formed by an arcuate swivel bracket 6, which runs in a pivoting drive 7, which adjusts the swivel bracket 6 via rollers 8 and thus the frame 3 in aligns desired position.
In the frame 3 attached (and thus spanned by this) is a pressure cell 25, which is formed from flexible membrane sections 26,27, in the present case two, which are connected along their edges 28,29. The one, here upper membrane portion 26 is at least partially transparent to incident sunlight, represented by the beams 30, 31; the other, lower membrane portion 27 is formed as a concentrator 33 by a reflective coating 32 facing the solar rays 30,31.
Under operating pressure, the membrane sections 26,27 pressurized and thereby curved spherically, so that the concentrator 33 assumes its channel shape in the frame 3, which gave this type of solar collectors the name.
Due to the spherical curvature is compared to an exact parabolic curvature that reflected by the concentrator 33 rays 30 ', 31' are concentrated in a focal line region 34, and not in a focal line. The focal line region 34 is indicated schematically by the dotted line. The design of a trough collector 20 to be built, i. Length, width, etc., including the design of the radius of curvature 36, carried out by the expert in terms of a specific project.
The radius of curvature 36 of the concentrator 33 is chosen so large that the focal line region 34 is outside the pressure cell 25, with the advantage that it is formed flat, i. E. has a low height. In the case of heavy winds, the pressure cell 25 can be aligned by the pivoting drive 7 such that it is exposed to the wind attack only from the narrow side, with their low height. This eliminates an additional, the pressure cell 25 stabilizing framework (or other design measures for stabilization of the pressure cell 25). The pressure cell 25 with the concentrator 33 has compared to a conventional solid mass concentrator light weight, with the result that the frame 3, but also the pivoting device 4 with the supports 5 can be made smaller.
As a result of this lightweight construction results not only a material-side cost reduction, but also a much simplified production and assembly, which is particularly suitable for remote areas, such as desert areas.
In the pressure cell 25, a secondary concentrator 40 and an absorber line 42 are further provided, which are suspended via a support framework with dashed lines indicated carriers 44 to retaining plates 45 of the frame 3. Thus, despite the large radius of curvature of the concentrator 33, the advantage remains that the solar radiation 30, 31 does not have to pass through the transparent membrane 26 twice; the single-pass loss can be 1% of the beam energy (or, with the aging of the membrane 26, even greater). The training and dimensioning of this support framework can be easily made by a person skilled in the art for a trough collector 1 to be built specifically.
In the absorber line 42 circulates in a known manner, a heat-transporting fluid, which removes the heat generated by the incident, concentrated radiation 30, 31.
The maintenance of the secondary concentrator 40 and the absorber 42 is small, since both (as well as the concentrator 33 itself) are protected by the pressure cell 25 from contamination. This may also be substituted for ambient air with e.g. Nitrogen, which in addition prevents or slows down the corrosion of both the reflective layer of the concentrator 33 and the secondary concentrator 40 (if, for example, it should be made of sheet metal, see below). Alternatively, the air in the pressure cell 25 can be dehumidified.
In this case, the secondary concentrator 40 in the path of concentrated by the concentrator 33 radiation 30 ', 31' is arranged and formed such that the concentrated radiation 30 '31' further, against a secondary focal line region 41 at the location of the absorber 42 out concentrated becomes. The result is an arrangement in which the secondary concentrator 40 is opposite to the concentrator 33 and disposed near the transparent membrane portion 26, wherein the absorber line 42 extends between the concentrator 33 and the secondary concentrator 40. Since the curvature of the concentrator 33 is slightly pronounced for a given width of the trough collector 1 (large radius of curvature 36), the focal line region 34 has only a small extension, with the advantage that the secondary concentrator 40 builds narrow and casts little shadow.
The absorber line 42 is protected from external influences such as wind and loses correspondingly little heat.
The basic layout shown in the figure for a trough collector according to the present invention is symmetrical with respect to a centrally along the groove formed by the concentrator 33 Symmetriebene, which is indicated by the dashed line 43.
Fig. 3 shows a further preferred embodiment of a collector 1. The concentrator 60 has two longitudinal reflective portions 61, 62 which enclose a median strip 63 between them, which advantageously belongs to the support structure of the trough collector and thus walkable. As a result, the absorber line 64 running above the median strip 63 is easily accessible for installation and maintenance, as is the secondary concentrator 65, which likewise extends above the median strip 63 and is arranged below the transparent membrane section 26, which in turn has two regions 66, 67 which respectively irradiate the solar radiation 30 ', 31' from their assigned area 61, 62 of the concentrator 60 further, against the absorber line 64 out concentrate.
This arrangement has a low overall height compared to that of FIG. 2, is favorable for installation and maintenance, but additionally insensitive to the shadow of the secondary concentrator, since the two areas 61, 62 of the concentrator 60, because separated from each other by the median strip 63, not or can be reached only marginally from the shade.
In principle, it is desirable to make the focal line region as small as possible, which leads to a high temperature and thus to an improved efficiency of the thermal machines of the solar power plant. On the other hand, it should be remembered that in a focal region approaching the ideal focal line, temperatures arise that locally anneal a conventional metal absorber line. The person skilled in the art can take this into consideration when designing the secondary concentrator 40, 65, which also emphasizes that the shape of the reflective surface must be precisely determined and manufactured in accordance with the specific requirements.
Here it can be mentioned that the use of a secondary concentrator 40, 54, 65 results in the further advantage that the light path between the concentrator 33, 60, 65 and the absorber line 42, 64 is shorter than in a comparable one Configuration without secondary concentrator 40, 54, 65 would be the case; so that the defocusing is smaller and one of the theoretical improved approaching focal line achievable.
Advantageously, the secondary concentrator 40, 65 consists of a profile of sheet metal (or of two such profiles, which then form the areas 55, 56 or 66, 67 of the secondary concentrator), which is elongated, curved transversely to its length and on its the concentrator facing side has a reflective layer. The expert then determines (as mentioned above, if appropriate by experiments) the desired curvature of the profile so that in the predetermined relative position of concentrator 33, 61, 62 and secondary concentrator 40, 65, the desired focal line region is formed. Alternatively, depending on the design of the absorber line 64, of course, a focal line instead of a focal line region can be sought.
On the other hand, the desired profile shape can be easily produced by forming a sheet in a press, which allows to define the focal line area (or the focal line) accurately. The reflective layer can be applied before or after the forming process on the sheet or on the concave side of the sheet metal profile produced.
In other words, it is so that the secondary concentrator 40, 65 constructed simple and robust and of relatively low weight; Furthermore, it is easy to transport and can be made on site if necessary.
Fig. 4 shows now in the arrangement of Fig. 3 laid x, y coordinate system with the vectors used in the inventive method, wherein the coordinate system is in a cross-sectional plane, here the secondary concentrator 65. Of course, also be inserted into a cross section through the trough collector 20 (Fig. 2) or in a collector of any design.
For illustration, the median strip 63 is indicated in Fig. 4, but which plays no role for the below-described calculation process. As can be seen, the given concentrator 32, 62, which in the illustrated cross-section, in this case pressurized, is circular-arc-shaped, and for which a secondary concentrator 40, 65 is to be determined. Also visible is the sun's ray 31, the sun's ray 31 'reflected at the concentrator 32, 62, and the sun's ray 31' ', reflected in dashed lines at the secondary concentrator, which impinges on and is absorbed by the absorber tube 42, 64 indicated by dot-dash lines. In the figure, the absorber pipe 42, 64 is represented by the focal point and a point on the focal line F (0; y [phi]), respectively.
The absorber tube 42, 64 is therefore as well as the concentrator 32,62 predetermined, i. specified for the calculation process.
In the steps of the manufacturing method of the secondary concentrator 40, 65 described below, vectors are identified by an underline as such.
C (xc; yc) denotes the center of curvature of the given concentrator 32, 62. PM ([phi]) denotes a general point on the concentrator 32, 62 (or on the concentrator surface); RM is the radius of curvature of the concentrator 32, 62 passing through the point PM ([phi]), where [phi] is the angle of RM to the y-axis.
In other words, all points on the concentrator 32, 62 are designated by the angle, from which the solar radiation 31 is to be reflected in the asorber rust 42, 64.
The vectors s ([phi]), s' ([phi]) and s' '([phi]) are unit vectors in the path of the respective sun's rays (and will not be used explicitly as a function of [phi]: s lies in the path of the sun's ray 31, s 'lies in the path of the beam 31' reflected at the concentrator 32, 62 and s '' in the path of the beam 31 '' reflected at the secondary concentrator.
RM forms as the radius of curvature the solder on the concentrator at point PM ([phi]). Incident and reflected beam form the same beam to the solder, accordingly, the angles between RM and steel 31 and RM and s' are equal and equal to [phi].
The reflected beam 31 'hits the secondary concentrator 40, 65 at the point SM ([phi], k), the value of k being unknown as the stretching factor for s'.
TSM ([phi]) is a tangent to the secondary concentrator 40, 65 at point SM ([phi], k).
The unit vectors s' and s' 'enclose an angle 2a between them. Since tSM is tangent to the secondary concentrator 40, 65 at the point SM ([phi], k), it is also bisector between s' and s' ', according to the above-mentioned principle, that incident and reflected beam occupy the same angle to the solder , (tsM is a tangent perpendicular to the perpendicular at point SMX [phi], k)).
If the unknown factor k is determined such that s '' passes through the focal point F (or the absorber tube 42, 64, then SM ([phi], k) is known.) Thus, the shape of the reflective surface of the secondary concentrator 40 , 65, since each value [phi] (ie, each irradiated point on the surface of the concentrator) can be assigned a corresponding point on the surface of the secondary concentrator 40, 65, which corresponding points together form the surface of the sought secondary concentrator 40, 65 form.
In summary, the vector sum of the vectors C + CPM ([phi]) + ks' is equal to the vector SM ([phi], k), which in the coordinate system is the respective point on the reflecting surface corresponding to an angle [phi] of the secondary concentrator 40, 65 corresponds.
In a preferred embodiment of the production method according to the invention, k is determined by the fact that the scalar products s'. tSM ([phi]) and s ''. tSM ((p) to s'. tSM ([phi]) = s' '. tSM ([phi])) since the included angle a is equal to 1. In this preferred embodiment, the calculation presents itself as follows:
<EMI ID = 2.1>
and with that is PM ([phi])
<EMI ID = 3.1>
and s'
<EMI ID = 4.1>
The equation of the secondary concentrator 32, 62 has, s. above, the form
<EMI ID = 5.1>
where the tangent tSM ([phi]) is the derivative of the expression
<EMI ID = 6.1>
becomes
<EMI ID = 7.1>
s is:
<EMI ID = 8.1>
The root in the denominator of the equation for s '', abbreviated
<EMI ID = 9.1>
becomes
Now s ', s' 'and tSM ([phi]) are calculated, so can in s'. tSM ((p) = s ", tSM ([phi])).
It turns out that
<EMI ID = 10.1>
and that
<EMI ID = 11.1>
the values obtained above for s'. tSM ([phi]) and s ''. tsm ([phi]) into the equation s'. tSM ([phi]) = s ''. tSM ([phi]) is used and these are resolved to dk / d [phi], the result is a
<EMI ID = 12.1>
elliptical expression that can only be analytically integrated.
The function obtained above becomes appealing
<EMI ID = 13.1>
in still another preferred embodiment, numerically determined as K = k ([phi]). The skilled person can do this by the program mathcad mathsoft easily.
The values obtained for k ([phi]) can then be used in SM ([phi]), thereby determining the shape of the secondary concentrator 40, 65 by a line of points. For example, the method of least squares then yields a continuous form, which comes closer and closer to the ideal shape with the increasing number of certain points SM ([phi]) (or decreasing interval for [Delta] [phi]).
The person skilled in the art can now choose whether the above-mentioned line is determined by points of greater or smaller [Delta] [phi], i. E. whether the points are less close or closer together, so that a focal line area or an exact focal line at the location of the absorber tube 42, 64 is formed. As a result, in the specific case, he can influence the temperature distribution on the absorber tube described above in connection with FIG. 3 in the desired sense.
Because of the diameter of the solar disk, the sun's rays 31 reach not only parallel to the concentrator 32, 62, but with an opening angle of about 0.5 degrees. Accordingly, via the method described above, e.g. the shape of the secondary concentrator 40, 65 is determined each for a unit vector s which is parallel to the y-axis, and for a unit vector s inclined 0.25 degrees to the left and to the right of the y-axis. This results in three forms for the secondary concentrator 40, 65, respectively, an area in which the surface should lie, in which an optimization can be made.
In a preferred embodiment, for simplicity, the incident sunbeams are assumed to be parallel, with particular preference being parallel to the central plane of symmetry of the concentrator 32, 62.
The above-mentioned method allows to specify the unit vector s' even in non-circular concentrator, e.g. if this is parabolic-shaped. In a further preferred embodiment, however, the concentrator 32, 62 is assumed to be arcuate in cross-section.
In yet another preferred embodiment of the manufacturing method according to the invention, the origin of the coordinate system in the center of curvature C of the concentrator 32, 62 is assumed.
Once the shape of the reflective surface secondary concentrator 40, 65 is determined, it may be transferred to the secondary concentrator, preferably to a block of suitable foam forming the body of the secondary concentrator, whereupon the surface of the foam then processed according to the curve covered with a reflective film, and thus a built-in the trough collector secondary concentrator 40, 65 is produced. Most preferably, such foam blocks have a uniform length of e.g. 2 m and are then assembled for the assembled trough collectors.
This results in an operable secondary condenser 40, 65, which is tuned to a predetermined Konzetratror 32, 62 and a predetermined absorber tube 42, 64. Although such a secondary concentrator 40, 65 is particularly suitable for installation in a pressure cell, it can of course also be used without a pressure cell in conventional trough collectors. Likewise, the process of the invention may be e.g. in Dish-Sterling collectors with a round (and not gutter-shaped) concentrator, if the radiation is to be concentrated through a hole in the concentrator to a point behind the concentrator.