CH702469A1 - Parabol-Kollektor. - Google Patents

Abstract

Ein Parabol-Kollektor (1) für die Konzentration von Sonnenstrahlung (3) besitzt eine reflektierende, einem idealen Paraboloid angenäherte Oberfläche (7), die eine Anzahl von Einzelkollektoren (5) aufweist. Erfindungsgemäss sind Einzelkollektoren (5) eine Druckzelle mit einem aus einer flexiblen Folie gebildeten Konzentrator vorgesehen, wobei der Konzentrator unter Betriebsdruckbedingungen zur Annäherung an das ideale Paraboloid in einer ersten und in einer zweiten Richtung vorbestimmt unterschiedlich gekrümmt ist, derart, dass der Krümmungsradius in der ersten Richtung grösser ist als derjenige in der zweiten Richtung. Das Herstellverfahren für solch einen Konzentrator besteht darin, dass der Umriss der Einzelkollektoren (5) im Grundriss des Parabol-Kollektors (1) konstruiert wird, wobei die wahren Masse der Einzelkollektoren (5) aus dem Schnitt von auf dem Grundriss stehenden Zylindern mit dem Paraboloid des Parabol-Kollektors (1) bestimmt werden.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Parabol-Kollektor zur Konzentration von Sonnenstrahlung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen-Einzelkollektor nach Anspruch 11 und ein Verfahren zur Herstellung des Parabel-Kollektors nach Anspruch 13.

[0002] Parabol-Kollektoren, deren reflektierende Oberfläche eine Anzahl von Einzelkollektoren aufweist, sind bekannt. In der Regel weisen solche Parabol-Kollektoren einen Durchmesser von 5 bis 10 m auf, wobei an einem Gerüst einzelne Spiegel derart angebracht sind, dass ein ideales (d.h. geometrisch korrektes) Paraboloid so gut wie möglich angenähert ist. Zwar ergeben sich durch die zwischen den Spiegeln vorhandenen Zwischenräume Verluste, die aber durch die enormen Herstellkosten eines durchgehenden Parabolspiegels dieser Grösse ohne weiteres in Kauf genommen werden können. Zudem sind die einzelnen Spiegel häufig nur sphärisch oder gar nicht gekrümmt, im Gerüst aber auf den Brennpunkt des (idealen) Paraboloids ausgerichtet, so dass sich im Ganzen eine akzeptable Konzentration des Sonnenlichts bei vertretbaren Kosten ergibt.

[0003] Eine industrielle Verwendung solcher Parabolspiegel ist trotz dem Bau verschiedenere grösserer Solarkraftwerke heute nicht oder kaum vorhanden.

[0004] Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, die Parabol-Kollektoren der oben genannten Art verwenden, Solarturmkraftwerkssysteme, bei denen die Sonnenstrahlung ebenfalls auf einen Punkt konzentriert wird und Parabolrinnensysteme, in denen die Sonnenstrahlung auf eine Linie konzentriert wird.

[0005] Wie oben erwähnt, hat die Erzeugung von erneuerbarer Energie über Dish-Sterling-Systeme keine grosse Verbreitung gefunden. Grosse, als Solarturmsystem gebaute Anlagen, die ein Feld von Spiegeln benutzen, sind aber im Betrieb, beispielsweise die Anlagen PS10 und vor allem PS20 in Spanien, wobei PS20 eine Kapazität von 20 MW erreicht. 2013 soll neben PS20 ein drittes Solarturmsystem mit einer Kapazität von 300 MW in Betrieb gehen. Die im Solarturm erzeugten Temperaturen liegen bei 1000 °C.

[0006] Parabolrinnenkraftwerke sind heute in grösserer Anzahl in Betrieb und arbeiten bereits vergleichsweise wirtschaftlich. Parabolrinnenkraftwerke besitzen (wie die Solarturmsysteme) Kollektoren in grosser Anzahl, wobei bei Parabolrinnenkraftwerken lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung vorgesehen sind, die damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500 °C), das diese zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt z.B. Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage.

[0007] Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk «Nevada Solar One» besitzt Rinnenkollektoren mit 182 ́400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW.

[0008] Es ist mit anderen Worten so, dass heute von Solarkraftwerken (im Wesentlichen durch Parabolrinnenkraftwerke) in industriellem Massstab Strom produziert wird, wobei Rinnenkollektoren mit einer Druckzeile beispielsweise gemäss WO 2008/037 108 derselben Anmelderin vorgeschlagen worden sind, um die Kosten von Parabolrinnenkraftwerken so weit zu senken, dass Strom gleich teuer oder künftig günstiger produziert werden kann, als dies bei konventionellen Kraftwerken der Fall ist.

[0009] Mehr und mehr beschäftigt sich die Forschung mit erneuerbaren Brennstoffen wie beispielsweise Wasserstoff, der umweltneutral mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt werden kann. Umweltneutral erfolgt auch die Thermolyse, d.h. für die Produktion von Wasserstoff aus Wasser, wobei allerdings dazu Temperaturen über 2200 °C erforderlich sind. Eine breit einsetzbare Technik ist heute noch nicht vorhanden. Geringere Temperaturen, aber immer noch Temperaturen im Bereich von 1500 °C bis 2000 °C, verlangen zweistufige Wasserspaltungszyklen, die auf sogenannten Metalloxid-Redox-Systemen basieren.

[0010] Dabei wird beispielsweise in einem ersten Schritt bei einer Temperatur von ca. 2000 °C Zinkoxid in metallisches Zink und Sauerstoff zerlegt, wobei der Sauerstoff in die Atmosphäre abgegeben oder weiter verwertet werden kann. Im zweiten Schritt erfolgt die Reaktion von Zink mit Wasser, wobei Wasserstoff frei wird und sich das Zink zurück in Zinkoxid verwandelt. Der Wasserstoff kann dann als Energieträger, wie oben erwähnt: umweltneutral, verbrannt werden. Dazu sei verweisen auf den Artikel «Wasserstoff aus Wasser und Sonnenenergie» von Anton Meier, Christian Wieckert und Aldo Steinfels in: Alternative Energietechnik, Bulletin SEV/VSE 24/2505.

[0011] Es liegt auf der Hand, dass der Kreislauf von erneuerbaren Brennstoffen vollständig umweltneutral gehalten werden kann, wenn die Herstellung der erneuerbaren Brennstoffe durch in Solarkraftwerken erzeugte Energie erfolgt. Die erforderlichen hohen Temperaturen setzen jedoch eine hohe Konzentration des Sonnenlichts voraus, deren Obergrenze wiederum von der Geometrie Erde-Sonne, d.h. vom Öffnungswinkel der von der Erde aus beobachteten Sonnenscheibe abhängt. Aus diesem Öffnungswinkel von 0,27° folgt, dass der (in Wirklichkeit heute auch annähernd nicht erreichte) theoretisch maximal mögliche Konzentrationsfaktor für Rinnenkollektoren bei 213 und für Parabol-Kollektoren bei 45 000 liegt.

[0012] Es folgt, dass für die Bereitstellung von Sonnenenergie bei hohen Temperaturen trotz ihrer beträchtlichen Verbreitung nicht auf Rinnenkollektoren zurückgegriffen werden kann.

[0013] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kollektor mit einer Konzentration bereitzustellen, die diejenige der bekannten Rinnenkollektoren übersteigt, und der mit auch in grossen Abmessungen kostengünstig hergestellt werden kann und so auch für die Verwendung im industriellen Massstabe in Solarkraftwerken geeignet ist.

[0014] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Parabol-Kollektor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1, einem Einzelkollektor nach Anspruch 11 und einem Verfahren zur Herstellung eines Parabel-Kollektors nach Anspruch 13.

[0015] Dadurch, dass die Einzelkollektoren einen Konzentrator aus einer flexiblen, mit Druck beaufschlagbaren Folie aufweisen, ist deren Herstellung nicht nur bei kleinen, sondern auch bei grösseren Abmessungen kostengünstig in Serie möglich, so dass der Parabol-Kollektor selbst ebenfalls bei grösseren Abmessungen kostengünstig und in Serie herstellbar ist. Dadurch, dass der Konzentrator der Einzelkollektoren in verschiedenen Richtungen unterschiedlich gekrümmt ist, lässt sich ein solcher Einzelkollektor überhaupt erst in einem Parabol-Kollektor verwenden: Die Krümmung in der einen Richtung muss der Parabelform und die Krümmung in der anderen Richtung muss dem kreisbogenförmigen Umfang des Kollektors wenigstens angenähert entsprechen.

[0016] Dadurch, dass die Abmessungen der Einzelkollektoren aus dem Grundriss der Anordnung bestimmt werden können, lässt sich auf einfache Weise die Geometrie der Einzelkollektoren für einwandfreie Einpassung in der geometrisch komplizierten paraboloidförmigen reflektierenden Fläche des Kollektors festlegen.

[0017] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert.

[0018] Es zeigt: <tb>Fig. 1<sep>schematisch einen erfindungsgemässen Parabol-Kollektor, <tb>Fig. 2<sep>schematisch einen Einzelkollektor, wie er im Parabol-Kollektor gemäss Fig. 1 eingesetzt werden kann, <tb>Fig. 3<sep>einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Kollektors von Fig. 2 <tb>Fig. 4<sep>schematisch, wie ein Einzelkollektor gemäss Fig. 2 in seinen Abmessungen bestimmt werden kann, so dass er in den Parabol-Kollektor betriebsfähig eingepasst werden kann, und <tb>Fig. 5<sep>ein Muster für die Anordnung von Einzelkollektoren in einem Parabol-Kollektor gemäss Fig. 1 <tb>Fig. 6a<sep>schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Parabol-Kollektors, dessen Einzelkollektoren in ein Gerüst aus Beton integriert sind, <tb>Fig. 6b<sep>einen Schnitt entlang der Linie AA von Fig. 6a, <tb>Fig. 6b<sep>einen Schnitt entlang der Linie BB von Fig. 6a <tb>Fig. 7<sep>ein weiteres Ausführungsbeispiel mit kleineren Abmessungen, geeignet für eine Konzentration von 4000.

[0019] Fig. 1 zeigt einen Parabol-Kollektor 1, wobei an dessen Aussenseite eine Mantellinie la sowie eine Umfangslinie 1b als Hilfslinien eingezeichnet sind. Der Kollektor 1 ist auf einem schematisch dargestellten Lager 2 derart verschwenkbar gelagert, dass er laufend auf die wandernde Sonne ausgerichtet werden kann. Sonnenstrahlen 3 fallen auf das Innere des ebenfalls nur schematisch dargestellten Kollektorgerüsts 4, in welchem Einzelkollektoren 5 angeordnet sind. Die Einzelkollektoren 5 sind derart ausgebildet, dass sie die auf sie einfallenden Sonnenstrahlen 3 gegen ein Absorberelement 6 reflektieren, in dem durch die hohe Konzentration der Strahlung 3 Temperaturen im gewünschten Mass von über 1000 °C, bis hin zu 2000 °C oder 2500 °C und mehr erreicht werden können.

[0020] Die Einzelkollektoren 5 bilden zusammen die reflektierende Oberfläche 7 des Parabol-Kollektors 1, die einem idealen Paraboloid möglichst gut, aber nicht vollständig, angenähert ist. Entsprechend werden die reflektierten Strahlen 3 ́ nicht in einen Brennpunkt, sondern in einen Brennpunktbereich konzentriert. Die Ausdehnung des Brennpunktbereichs (die auch asymmetrisch sein kann) hängt von der Auslegung des konkreten Parabol-Kollektors ab, die der Fachmann nach den Erfordernissen vor Ort bestimmt, und ist in einem minimalen Mass durchaus gewollt, da bei zu kleinem Brennpunktbereich Temperaturspitzen auftreten würden, die noch höher sind als die oben erwähnten, gewünschten Temperaturen und deshalb das Absorberelement 6 zerstören könnten.

[0021] In der Figur ist das Absorberelement 6 an einem schematisch dargestellten Träger 8 aufgehängt, in welchem auch die Leitungen für das die Wärme transportierende Medium angeordnet sind. Alternativ kann am Ort des Absorberelements ein Reaktor vorgesehen werden, indem beispielsweise die erste Stufe eines Wasserspaltungszyklus abläuft. Es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf solche Prozesse eingeschränkt, sondern überall anwendbar ist, wo am Ort des Absorberelements 6 hohe Temperaturen erwünscht sind.

[0022] Fig. 2 zeigt schematisch eine besondere Ausführungsform eines Einzelkollektors 10, wie er in einem Parabol-Kollektor 1 (Fig. 1) verwendet werden kann. Der Einzelkollektor 10 besitzt einen Rahmen 11, in dem eine Druckzelle 12 aus flexiblen Folien aufgespannt ist. Die obere Folie 13 ist für eintretende Strahlen 3 (und natürlich für austretende Strahlen 3 ́) transparent. Die untere Folie ist als Konzentrator 14 ausgebildet und dazu mit einer reflektierenden Schicht aus vorzugsweise aufgedampftem Aluminium bedeckt, die die reflektierten Strahlen 3 ́ erzeugt.

[0023] Bevorzugt bestehen diese Folien aus Mylar<®>, das ein breit bekannter Markenname für eine biaxial orientierte Polyester-Folie, beispielsweise Polyenthylenteraphtalat ist.

[0024] Es können aber auch andere, dem Fachmann bekannte Folien oder Membrane beliebiger Art verwendet werden. Denkbar ist für die obere, transparente Folie 13 ETFE (Ethylene Tetrafluoro Ethylene) mit 20 bis 200 Mikron Dicke, während insbesondere für die untere Folie 14, wie erwähnt, ein mit Aluminium bedampftes Mylar oder aber ein PVC-, PU- oder Silikon-beschichtetes Textiles Gewebe, wie Polyestergewebe oder Fiberglasgewebe oder ein anderes geeignetes Material, das eine reflektierende Schicht besitzt, in Frage kommt. Die oben genannten Komponenten können auch geeignet kombiniert werden. Textile Gewebe der genannten Art sind z.B. unter dem Namen Precontraint<®>1002/1202/1302 von FERRARI oder ATEX 3000 von Interglass bekannt.

[0025] Druckzellen für den Einsatz in Rinnenkollektoren sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus der oben genannten WO 2008/037108.

[0026] Die in der Figur eingezeichneten Hilfslinien 15, 15 ́ und 16, 16 ́ veranschaulichen die Krümmung des Konzentrators 14 und zeigen die Krümmung der oberen Folie 13 und des Konzentrators 14 unter Betriebsdruckbedingungen der Druckzelle 12.

[0027] Dabei ist ersichtlich, dass die in einer ersten Richtung verlaufenden Hilfslinien 15, 15 ́ eine stärkere Krümmung aufweisen, als die in einer zweiten Richtung verlaufenden Hilfslinien 16, 16 ́. Diese wie nachstehend beschrieben vorbestimmt verschiedenen Krümmungen sind je annähernd sphärisch und durch die Kontur des Rahmens 11 bestimmt, in dem sie eingespannt sind (natürlich sind für die Länge der Krümmungsradien auch der Betriebsdruck in der Druckzelle 12 und die Dehnbarkeit der Konzentratorfolie bzw. Konzentratormembran relevant).

[0028] Die Krümmung einer druckbelasteten, eingespannten Folie wird durch die Henky-Funktion beschrieben. Diese Krümmung ist, wie oben erwähnt, nur annähernd sphärisch bzw. parabelförmig. Dennoch konzentriert eine erfindungsgemäss aufgespannte Folie, wie unten beschrieben, die Sonnenstrahlung verbessert und damit genügend stark, um Temperaturen im genannten Bereich zu ermöglichen.

[0029] Bevorzugt ist vorliegend eine elliptische Kontur des Rahmens 11. Dadurch sind die Krümmungsradien aller (in Richtung der Nebenachse des Rahmens 11) verlaufenden Hilfslinien 15 ́ im Wesentlichen gleich gross, aber kleiner sind als die Krümmungsradien der (in Richtung der Hauptachse des Rahmens 11 verlaufenden) Hilfslinien 16,16 ́. Vorliegend wird der Anschaulichkeit halber auf Krümmungsradien Bezug genommen, obschon wie erwähnt eine sphärische bzw. parabolische Krümmung nur angenähert ausgebildet wird.

[0030] Wird nun solch ein elliptischer Einzelkollektor 10 für einen vorgesehenen Einbauort an der inneren, reflektierenden Oberfläche 7 des Parabol-Kollektors 1 (Fig. 1) dimensioniert und dort eingebaut, bildet der Konzentrator 14 den parabolförmigen Wandabschnitt des Parabol-Kollektors 1 mit guter Genauigkeit ab. Die Einbaulage ist dabei so, dass die Hauptachse des Rahmens 11 entlang einer Mantellinie la ausgerichtet wird, so dass die Hilfslinie 16 ́ im Wesentlichen mit einer Mantellinie la und die Hilfslinien 15 ́ im Wesentlichen mit Umfangslinien 1b zusammenfallen.

[0031] Dabei folgt die reale Krümmung des Konzentrators 14 mit sehr guter Annäherung einerseits in der ersten Richtung (Hilfslinie 16 ́) der sich gegen aussen parabelförmig aufweitenden Form der reflektierenden Oberfläche 7 und andererseits in der zweiten Richtung (Hilfslinien 15 ́) auch dem sich gegen aussen erweiternden kreisförmigen Umfang der reflektierenden Oberfläche 7 (Fig. 1).

[0032] Damit ist die reale Krümmung eines jeweiligen Konzentrators 14 (bei richtiger Dimensionierung und Positionierung des Rahmens 11, siehe unten) der idealen parabolischen Fläche genügend gut angenähert, um die reflektierten Strahlen 3 ́ auf einen Brennpunktbereich zu konzentrieren, der die geforderten hohen Temperaturen im Absorberelement 6 erlaubt.

[0033] An dieser Stelle kann angefügt werden, dass beispielsweise unter der Bezeichnung Mylar bekannte Folien orthotropisch sind, d.h. dass deren E-Modul in der einen Richtung höher ist, z.B. um 10 bis 15%, als in der anderen Richtung. Diese Eigenschaft kann vorteilhaft genutzt werden: bevorzugt wird die Folie im elliptischen Rahmen 10, 22 so angeordnet, dass die Richtung mit dem höheren E-Modul mit der Hauptachse zusammenfällt. Dies verbessert die Krümmung in der zweiten Richtung (Hilfslinie 16 ́) und führt zu einer messbar vergrösserten Konzentration bzw. einem in der entsprechenden Richtung verkleinerten Brennpunktbereich.

[0034] Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Einzelkollektors 20, dessen Rahmen 21 ebenfalls elliptisch ausgebildet ist. Im Gegensatz zum Einzelkollektor 10 von Fig. 2besitzt der Einzelkollektor 20 eine Doppeldruckzelle 22, gebildet aus einer äusseren, transparenten Folie bzw. Membran 23, einer rückseitigen Folie bzw. Membran 24 und dem Konzentrator 25, der den Raum zwischen der transparenten Folie 23 und der rückseitigen Folie 24 in eine vordere Druckzone 26 und eine hintere Druckzone 27 teilt. Diese Konfiguration ermöglicht eine geringe Druckdifferenz Δp zwischen den Druckzonen 26 und 27 bei genügend grossem Gesamtdruck, um die Doppeldruckzelle 22 für den Einsatz betriebsfähig zu stabilisieren. Über eine Pumpe 30 wird die vordere Druckzone 26 der Doppeldruckzelle 22 unter den Druck p + Δp von vorzugsweise Umgebungsluft gesetzt, wobei Luft über einen Überströmkanal 31 von der vorderen Druckzone 26 in die hintere Druckzone 27 gelangt. Eine weitere, bevorzugt als Ventilator 32 ausgebildete Pumpe hält die notwendige, geringe Druckdifferenz Δp aufrecht, die erforderlich ist, um den Konzentrator 25 in der Doppeldruckzelle 22 betriebsfähig zu krümmen, derart, dass Strahlen 3 vorbestimmt in einen Brennpunktbereich konzentriert werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass Δp tief gehalten und entsprechend eine sehr dünne Konzentratorfolie oder Konzentratormembran mit glatter Oberfläche verwendet werden kann, was eine hohe Konzentration der Strahlung 3 unterstützt.

[0035] Ein Einzelkollektor der einen aus einer flexiblen Folie bestehenden Konzentrator besitzt, ist wesentlich kostengünstiger herzustellen, als ein konventioneller Konzentrator derselben Qualität.

[0036] Dabei kann die Druckzelle, über welche der Konzentrator mit dem Betriebsdruck beaufschlagt wird, beispielsweise als einfache Druckzelle 12, als Doppeldruckzelle 22 oder auch als (nicht dargestellte) Unterdruckzelle ausgebildet sein, wobei im Fall der Unterdruckzelle eine ihrer Aussenwände als flexibler Konzentrator ausgebildet ist, der durch den Atmosphärendruck in die Unterdruckzelle hineingedrückt wird und so seine Krümmung ausbildet. Der Fachmann kann für den konkreten Fall eine beliebige, ihm geeignet erscheinende Konstruktion einer Druckzelle bestimmen.

[0037] Kostengünstigere Fertigung wird nicht nur bei kleinen Konzentratoren mit Abmessungen im Bereich von unter 1 m oder weniger, wie beispielsweise 0,5 m, erreicht, sondern im Besonderen auch bei grössere Einzelkollektoren mit Abmessungen des Konzentrators von 5 m, 10 m, 20 m oder mehr. Entsprechend ist ein Parabol-Kollektor, dessen innere, reflektierende Oberfläche 7 (Fig. 1) aus einer Anzahl von Einzelkollektoren der oben beschriebenen Art gebildet wird, auch in grossen Abmessungen wesentlich günstiger herzustellen als es der Fall ist, wenn konventionelle Konzentratoren verwendet werden müssten.

[0038] Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Parabol-Kollektors, dessen reflektierende Oberfläche Einzelkollektoren mit einem im Betrieb druckbeaufschlagten Konzentrator aufweist, wobei der Konzentrator der Einzelkollektoren als in verschiedenen Richtungen unterschiedlich gekrümmte Folie oder Membran ausgebildet ist. Wie in Zusammenhang mit den Fig. 2und 3beschrieben, erfüllt ein Einzelkollektor mit elliptischer Aufspannung der Konzentratorfolie (dargestellt am elliptischen Rahmen 11, 21 der Einzelkollektoren 10, 20) diese Grundbedingungen besonders gut, so dass solch eine elliptisch aufgespannte Konzentratorfolie einen entsprechenden elliptischen Wandausschnitt aus einem Paraboloid (d.h. aus der reflektierenden Oberfläche 7 des Parabol-Kollektors 1 von Fig. 1) hinreichend gut annähert, um die gewünschte Konzentration der Strahlung 3 zu ermöglichen.

[0039] Voraussetzung dazu ist, dass die Geometrie der elliptischen Aufspannung der Konzentratorfolie abgestimmt ist auf den Ort des Einbaus im Paraboloid.

[0040] Dies lässt sich wie folgt erreichen:

[0041] Zuerst wird der Parabol-Kollektor gemäss den im konkreten Fall gewünschten Eigenschaften ausgelegt und so die ein Paraboloid 40 darstellende reflektierende Oberfläche 7 des Parabol-Kollektors 1 (Fig. 1) bestimmt. In der Figur ist das Paraboloid 40 in einem xyz-Koordinatensystem dargestellt, ebenso dessen gestrichelt angedeuteter Grundriss 41 in der xy-Ebene. Die z-Achse fällt dabei mit der Symmetrieachse des Paraboloids 40 zusammen, welches somit senkrecht auf der durch die xy-Ebene gebildeten Grundrissebene steht.

[0042] Auf einen Grundrisskreis 42, der sich innerhalb des Grundrisses 41 des Paraboloids befindet, wird ein Zylinder 43 gestellt, dessen Längsachse parallel zur z-Achse des Koordinatensystems verläuft. In der Figur ersichtlich sind Mantellinien 44 des Zylinders 43.

[0043] Da der Grundrisskreis 42 innerhalb des Grundrisses 41 des Paraboloids 40 liegt, durchstösst der Zylinder 43 dieses, wobei der Schnitt der beiden Körper eine Ellipse 46 ist. Die Ellipse 46 wiederum besitzt die gesuchte Geometrie der Aufspannung einer Konzentratorfolie derart, dass diese den entsprechenden, durch die Ellipse 46 begrenzten Wandabschnitt des Paraboloids 40 hinreichend annähert: das Verhältnis von der Hauptachse der erhaltenen Ellipse 46 zu deren Nebenachse ist derart, dass die daraus folgende Krümmung der Konzentratorfolie in Richtung des Umfangs und in Richtung der Mantellinie des Paraboloids passt.

[0044] Die Ellipse 46 definiert damit den im (idealen) Paraboloid des entsprechenden Kollektors liegenden Rahmen 11,21 (Fig. 2 und 3) bzw. die Aufspannung für einen Einzelkollektor 10, 20 (Fig. 2und 3). Sie definiert zudem den mit ihrer Geometrie verbundenen Einbauort eines Einzelkollektors 5 im Parabol-Kollektor 1 (Fig. 1).

[0045] Die Ellipse 46 besitzt folgende Eigenschaften: einerseits liegt ihre Hauptachse, und damit die Hauptachse eines entsprechenden Konzentrators, in einer durch die Symmetrieachse des Parabol-Kollektors 1 gehenden Ebene. Die senkrecht auf der Hauptachse stehende Nebenachse liegt in einer zu der Symmetrieachse des Kollektors senkrecht verlaufenden Ebene.

[0046] Fig. 5 zeigt ein Verfahren, mit dem die Anordnung aller in einem Parabol-Kollektor anzuordnenden Einzelkollektoren bestimmt werden kann. Dargestellt ist eine Ansicht von oben auf die Grundrissebene xy mit dem Grundriss 41 des Paraboloids 40. Linien 50, 51 und 52 bilden ein Muster gleichseitiger Dreiecke und schneiden sich in Knoten 53, die in den Ecken dieser Dreiecke liegen. Einer der Knoten 53 liegt bevorzugt im Ursprung des Koordinatensystems xy. Die Knoten 53 sind Mittelpunkte der Grundrisskreise 55, deren Radien vorzugsweise so gewählt werden, dass die Kreise an einander angrenzen. Für alle vollständig innerhalb des Grundrisses 41 des Paraboloids 40 liegenden Grundrisskreise lässt sich der Schnitt der darauf stehenden Zylinder mit dem Paraboloid bestimmen und damit die Geometrie eines zugeordneten Einzelkollektors.

[0047] Im Ergebnis sind so die Geometrie und Anordnung aller Einzelkollektoren 5 des Parabol-Kollektors 1 (Fig. 1) definiert.

[0048] Der Fachmann kann nun Geometrie und Anordnung der Einzelkollektoren in einem gegebenen Parabol-Kollektor nach den Anforderungen im konkreten Fall bestimmen.

[0049] Einmal führ die Anordnung eines Knotens 53 im Ursprung des Koordinatensystems xy dazu, dass der im Ursprung des Paraboloids 40 (Fig. 4) mögliche Einzelkollektor weggelassen werden kann, da er sich notwendigerweise im Schatten des Absorberelements 6 (Fig. 1) befinden würde. Dann kann der Abstand der Einzelkollektoren vom Ursprung derart gewählt werden, dass nur der Ort des Schattenwurfs durch das Absorberelement 6 (Fig. 1) ohne Einzelkollektor vorgesehen wird. Schliesslich werden, wie erwähnt, die Radien der Grundrisskreise 55 bevorzugt so bestimmt, dass die Kreise 55 an einander angrenzen, womit der Flächenanteil der Grundrisskreise 55 und der Gesamtfläche des Grundrisses 41 so gross wie möglich wird. Dies gilt dann ebenfalls für die im Parabol-Kollektor verbauten Einzelkollektoren, deren Flächenanteil an der Fläche des durch den Parabol-Kollektor gebildeten Paraboloids 40 (Fig. 4) ebenfalls so gross wie möglich wird.

[0050] Schliesslich kann der Fachmann die Anordnung der Grundrisskreise 55 nicht auf den Ecken eines (gleichseitigen) Dreiecks vorsehen, sondern ein anderes (symmetrisches oder nicht symmetrisches) Muster wählen, das der Optimierung eines bestimmenden Parameters in der Auslegung des Parabol-Kollektors dient, wie es im konkreten Fall angezeigt erscheint. Dazu gehört auch, dass die Radien der Grundrisskreise verschieden gross sind, um Lücken zwischen benachbarten Grundrisskreisen optimal zu füllen oder um die Bereiche am Rand des Parabol-Kollektors 1 noch mit Einzelkollektoren zu besetzen.

[0051] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gitter derart gewählt, dass eine erste Gruppe von Einzelkollektoren mit gleichem Abstand voneinander und vom Ursprung des idealen Paraboloids, also ringförmig um diesen herum, angeordnet sind. Eine zweite Gruppe ist wiederum in der gleichen Art angeordnet, aber mit grösserem Abstand zum Ursprung, und derart, dass die Einzelkollektoren der zweiten Gruppe mit ihren sich gegen innen erstreckenden Enden zwischen den Einzelkollektoren der ersten Gruppe platziert sind, und so der Parabol-Kollektor mit Einzelkollektoren dicht besetzt ist.

[0052] Fig. 6a zeigt eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Parabol-Kollektors 60, dessen Einzelkollektoren 61 in eine Trägerstruktur 62 aus Beton integriert sind. Solche Bauart erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigung einer Trägerstruktur für auch grosse Parabol-Kollektoren mit den oben erwähnten Durchmessern bis zu 30 m, 50 m oder mehr, während gleichzeitig Einzelkollektoren 61 in einer nach dem konkreten Fall vom Fachmann als geeignet angesehener Grösse verwendet werden können. Es wird erwartet, dass ein Durchmesser von 15 bis 20 m bereits genügt, um sowohl die geforderten hohen Temperaturen als auch eine Leistung von 100 kW (15 m) bzw. 200 kW (20 m) bereitzustellen.

[0053] Beispielsweise kann die Breite der Konzentratoren (d.h. die Abmessung der Nebenachse, zweite Richtung) von der zur Verfügung stehenden Folie bestimmt sein. Geeignete Folien stehen heute im Wesentlichen bis zu einer Breite von 2 m zur Verfügung, was (heute) die Breite der Konzentratoren auf 2 m beschränkt, wenn nicht eine Verschweissung von mehreren Folienbahnen vorgesehen wird. Eine Verschweissung ist fertigungstechnisch anspruchsvoll, wenn keine Verschlechterung der Konzentration des so hergestellten Konzentrators in Kauf genommen werden kann.

[0054] Dem Fachmann für Betonkonstruktionen ist bekannt, dass grossflächige, präzise und komplizierte Betonstrukturen beispielsweise mit Aluminiumverschalungen einfach hergestellt werden können.

[0055] Das erfindungsgemässe Konzept lässt Einzelkonzentratoren 61 verschiedenster Grösse zu. Gleichzeitig können durch grosse Parabol-Kollektoren 60 bei den erfindungsgemäss erreichbaren hohen Temperaturen auch hohe Leistungen erzielt werden.

[0056] In der Figur sind gestrichelte Grundrisskreise 69 eingezeichnet, die den Grundrisskreisen 42 von Fig. 4entsprechen.

[0057] Fig. 6b zeigt den Parabol-Kollektor 60 von oben, so dass die Figur gleichzeitig dessen Grundriss entspricht. Verschiedene Einzelkollektoren sind mit 61, 61 ́ bis 61 ́ ́ ́ ́ und 61* bezeichnet.

[0058] Fig. 6c zeigt den Parabol-Kollektor 60 im Schnitt AA von Fig. 6b. Die aus Beton bestehende Trägerstruktur 62 ist schraffiert dargestellt. Ersichtlich sind durch die Betonstruktur 62 gebildete Unterdruckkammern 63 und 64, die durch die Konzentratoren 61 ́ und 61 ́ ́ verschlossen sind. Geeignete Mittel zur Herstellung von Unterdruck, wie etwa Schlauchverbindungen zu einer zentralen Unterdruckpumpe (die der Fachmann wiederum im konkreten Fall geeignet auswählt und dimensioniert) sind zur Entlastung der Figur weggelassen. Durch den Unterdruck in den Unterdruckkammern 63,64 wird der jeweilige Konzentrator 61 ́, 61 ́ ́ über den Atmosphärendruck druckbelastet, so dass sich die vorbestimmte Krümmung der Konzentratoren 61 ́,61 ́ ́ ausbildet.

[0059] Fig. 6d zeigt den Parabol-Kollektor 60 im Schnitt BB von Fig. 6b. Ersichtlich sind nun die Unterdruckkammern 65 bis 68 für die ihnen jeweils zugeordneten Konzentratoren.

[0060] Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Parabol-Kollektor 70 mit Einzelkollektoren 71,72 die eine Länge der Hauptachse im Bereich von 500 mm aufweisen. Die Einzelkollektoren 71,72 sind auf einem einfachen Metallgestell 75 angeordnet. Ein weiteres Gestell 76 trägt ein zur Entlastung der Figur nicht dargestelltes Absorberelement.

[0061] Am Beispiel des Einzelkonzentrators 71 zeigt sich der Aufbau der im Parabol-Kollektor 70 verwendeten Einzelkonzentratoren 71, 72 wie folgt:

[0062] Eine Konzentratorfolie 76 ist in einen Rahmen 77 eingespannt, der aus einem oberen Ring 78 und einem nicht ersichtlichen unteren Ring besteht, wobei die Ringe die Konzentratorfolie 76 zwischen sich einklemmen und miteinander verschraubt sind. Der untere Ring wiederum trägt ein ebenfalls nicht ersichtliches Bodenblech, das zusammen mit dem unteren Ring eine Unterdruckkammer bildet. Geeignete Mittel zur Herstellung des Unterdrucks wie Unterdruckschläuche und eine zentrale Unterdruckpumpe sind ebenfalls zur Entlastung der Figur weggelassen.

[0063] Zudem sind die Konzentratorfolie 76 und das Bodenblech durchscheinend dargestellt, so dass die Befestigung des Einzelkollektors 71 am Metallgestell 75 ersichtlich wird: an einem Träger 79 des Metallgestells 75 sind vertikal abstehende Trägerelemente 80 angeordnet, an denen wiederum um eine Achse 81 verschwenkbar ein T-förmiger Aufsatz 82 angelenkt ist, der seinerseits das Bodenblech des Einzelkollektors 71 trägt.

[0064] Durch diese Anordnung können die Einzelkollektoren 71, 72 leicht, beispielsweise mit einer Lehre, ausgerichtet werden. Die äusserst einfache Konstruktion erlaubt eine günstige Fertigung unter einfachen Verhältnissen.

[0065] Die Rahmen 77 der Einzelkollektoren 71, 72 sind elliptisch ausgebildet, wie es oben in Verbindung mit dem Herstellverfahren insbesondere zu Fig. 4beschrieben ist. Bei der vorliegend kleinen Anordnung mit Einzelkollektoren 71,72 im «Bodenbereich» des Paraboloids ist die Abweichung der Länge der Hauptachse von der Nebenachse in der massstäblich ausgeführten Figur nicht ersichtlich. Entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Nebenachse im Verhältnis zur Hauptachse kürzer, je weiter der betroffene Konzentrator vom Ursprung des Paraboloids entfernt ist.

[0066] Der Parabol-Kollektor 70 besitzt ein Verhältnis von Brennweite zum Durchmesser von ca. 1 (aufgrund der auf einem Gitter angeordneten Einzelkollektoren 71, 72 ist ein fester Durchmesser im Sinn eines Kreisdurchmessers nicht gegeben). Dadurch liegt der Konzentrationsfaktor in der vorliegenden Anordnung bei ca. 4000.

[0067] Wird das Verhältnis von Brennweite zum Durchmesser von ca. 0,5 gewählt, beträgt die zum Zeitpunkt der Anmeldung rechnerisch erfasste Konzentration ca. 6000, mit einer erwarteten Temperatur von 2200 bis 2700 °C.

Claims (18)

1. Parabol-Kollektor für die Konzentration von Sonnenstrahlung, dessen reflektierende, einem idealen Paraboloid angenäherte Oberfläche eine Anzahl von Einzelkollektoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkollektoren einen aus einer flexiblen, im Betrieb von Druck beaufschlagten Folie gebildeten Konzentrator aufweisen, der unter Betriebsdruckbedingungen zur Annäherung an das ideale Paraboloid jeweils über seine entsprechende Ausdehnung in einer ersten und in einer zweiten Richtung vorbestimmt unterschiedlich gekrümmt ist, derart, dass die Krümmung in der ersten Richtung stärker ausgeprägt ist als derjenige in der zweiten Richtung.

2. Parabol-Kollektor nach Anspruch 1, wobei die Einzelkollektoren einen Konzentrator mit ellipsenförmigem Umriss aufweisen, dessen Hauptachse in einer durch die Symmetrieachse des Kollektors gehenden Ebene liegt, und wobei die erste und die zweite Richtung zu einander senkrecht verlaufenden.

3. Parabol-Kollektor nach Anspruch 2, wobei die Nebenachse des Konzentrators in einer zur Symmetrieachse des Kollektors senkrecht verlaufenden Ebene liegt.

4. Parabol-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der ellipsenförmig ausgebildete Rand des Konzentrators der Einzelkollektoren im Wesentlichen auf der dem idealen Paraboloid entsprechenden Oberfläche des Kollektors liegt.

5. Parabol-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Einzelkollektoren als Kollektoren mit einer Druckzelle vorgesehen sind, in der vorzugsweise der Konzentrator aufgespannt ist und die Druckzelle in zwei Zonen teilt, zwischen denen unter Betriebsdruckbedingungen eine Druckdifferenz herrscht, durch welche der Konzentrator betriebsfähig beaufschlagt wird.

6. Parabol-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Einzelkollektoren als Kollektoren mit einer Unterdruckzelle vorgesehen sind, in der vorzugsweise der Konzentrator aufgespannt ist und unter Betriebsdruckbedingungen über den Aussendruck einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, durch die er betriebsfähig beaufschlagt wird.

7. Parabol-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in diesem eine erste Gruppe von Einzelkollektoren mit gleichem Abstand zu einander, vorzugsweise an einander angrenzend, und mit je gleichem Abstand zum Ursprung des idealen Paraboloids angeordnet sind, und mindestens eine weitere Gruppe von Einzelkollektoren mit gleichem Abstand zu einander und gleichem Abstand zum Ursprung vorgesehen ist, deren Einzelkollektoren Stück für Stück in einen der Zwischenräume, gebildet durch benachbarte Einzelkollektoren der ersten Gruppe, hineinragen, derart, dass der Kollektor mit Einzelkollektoren dicht besetzt ist.

8. Parabol-Kollektor nach Anspruch 7, wobei eine noch weitere Gruppe von Einzelkollektoren vorgesehen ist, die im Wesentlichen die Zwischenräume einer anderen Gruppe von Einzelkollektoren belegt, derart, dass der Kollektor mit Einzelkollektoren dicht besetzt ist.

9. Parabol-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Einzelkollektoren in einer Trägerstruktur aus Beton integriert sind.

10. Parabol-Kollektor nach Anspruch 9, wobei die Trägerstruktur die Einzelkollektoren gegen aussen abdeckt, vorzugsweise derart, dass dadurch eine Unterdruckzelle für die Einzelkollektoren gebildet wird.

11. Einzelkollektor für einen Parabol-Kollektor eines Solarkraftwerks, der einen aus einer flexiblen Folie gebildeten Konzentrator aufweist, der seinerseits im Betrieb durch Druck beaufschlagt wird und unter Betriebsdruckbedingungen Sonnenstrahlung zu einem Absorberelement reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator unter Betriebsdruckbedingungen jeweils über seine entsprechende Ausdehnung in einer ersten Richtung vorbestimmt gekrümmt ist, derart, dass reflektierte Sonnenstrahlung durch diese Krümmung in einen Brennlinienbereich reflektiert wird, und dass der Konzentrator in einer zweiten Richtung ebenfalls, aber unterschiedlich gekrümmt ist, derart, dass sich durch diese Krümmung der Brennlinienbereich dieses Abschnitts mindestens verkürzt.

12. Einzelkollektor nach Anspruch 11, wobei der Konzentrator in der zweiten Richtung derart gekrümmt ist, dass sich sein Brennlinienbereich zu einem Brennpunktbereich verkürzt und wobei der Konzentrator elliptisch aufgespannt ist.

13. Einzelkollektor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Konzentrator aus einer orthotropen Folie mit in verschiedenen Richtungen unterschiedlichem E-Modul besteht, und wobei der Konzentrator derart ausgerichtet und aufgespannt ist, dass die Richtung mit dem höheren E-Modul parallel zur Richtung seiner längeren Ausdehnung liegt.

14. Verfahren zur Herstellung eines Parabol-Kollektors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundriss des senkrecht zur seiner Grundrissebene ausgerichteten Kollektors dessen Einzelkollektoren über deren Grundrisskreise angeordnet und daraus die wahren Abmessungen der Einzelkollektoren aus dem Schnitt bestimmt werden, der sich beim Durchstossen eines auf dem jeweiligen Grundrisskreis stehenden Zylinders mit dem idealen Paraboloid des Kollektors ergibt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Grundriss die Mittelpunkte der Grundrisskreise der Einzelkollektoren in den Knoten eines Gitters angeordnet werden, das in den Grundriss des Kollektors gelegt ist, und wobei das Gitter und die Radien der Grundrisskreise derart bestimmt sind, der Flächenanteil der Grundrisskreise an der Fläche des Grundrisses maximiert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei Gitter das aus gleichseitigen Dreiecken gebildet ist, wobei ein Knoten im Ursprung des Paraboloids liegt, und die Radien der Grundrisskreise vorzugsweise derart gewählt werden, dass die im Kollektor angeordneten Einzelkollektoren an einander angrenzen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Verhältnis Brennweite zu Durchmesser zu 1 bestimmt wird, und vorzugsweise weniger als 1 beträgt, besonders bevorzugt im Bereich von 0,75 bis 0,4 liegt, speziell bevorzugt gleich 0,5 ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Einzelkollektors nach Anspruch 11, der einen Konzentrator mit einer orthotropen Folie aufweist, deren E-Modul in einer Richtung höher ist als in einer anderen, zu dieser im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung, und wobei die orthotrope Folie im Einzelkollektor derart ausgerichtet wird, dass die Richtung mit dem höheren E-Modul mit der Richtung der grössten Abmessung des Konzentrators, bei einer elliptischen Ausbildung mit der Hauptachse des aufgespannten Konzentrators, zusammenfällt.