DE102004013590A1

DE102004013590A1 - Solarkonzentrator mit mehreren Spiegeln

Info

Publication number: DE102004013590A1
Application number: DE102004013590A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl.-Phys. Reutter; Mark Dipl.-Ing. Schmitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: DE102004013590B4

Abstract

Der Solarkonzentrator weist zahlreiche Spiegel (11) auf, die in einer ebenen oder gekrümmten Fläche nebeneinander hängend angeordnet sind. Die Spiegel reflektieren Sonnenenergie auf einen gemeinsamen Receiver (14). Das Nachführen der Spiegel gegenüber dem Sonnenstand erfolgt durch Zugorgane (15, 16), an denen die Spiegel (11) aufgehängt sind. Die Spiegel können in einer horizontalen, vertikalen oder geneigten Fläche nebeneinander angeordnet sein. Die Zugorgane übernehmen sowohl die Funktion der Steuerungsmechanik als auch die Funktion der Halterung der einzelnen Spiegel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkonzentrator mit mehreren Spiegeln, die zur gemeinsamen Nachführung nach dem Sonnenstand durch Zugorgane bewegbar und miteinander gekoppelt sind.

Es ist bekannt, Sonnenstrahlung durch Heliostatfelder aus zahlreichen Spiegeln auf einen Strahlungsabsorber zu konzentrieren. Der Strahlungsabsorber kann einen Lufterhitzer enthalten oder einen fotoelektrischen Umsetzer. Die Solarenergie wird in Wärme oder elektrische Energie umgesetzt. Die dadurch gewonnene Energie kann für Wärmekraftmaschinen, Beleuchtungszwecke, chemische Prozesse oder andere Zwecke genutzt werden. Die Konzentration der Solarstrahlung dient entweder dem Erreichen höherer Temperaturen, der Ermöglichung einer Kraft-Wärmekopplung oder der Einsparung strahlungsumwandelnder Absorberflächen.

Übliche Heliostatfelder benötigen für jeden Spiegel eine Fläche von 40 bis 150 m² und umfassen mehrere hundert Spiegel. Diese Heliostaten lenken die Solarstrahlung auf einen Turm. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, jeden Spiegel mit einem eigenen Antrieb zu versehen und den Spiegel gesteuert um zwei Achsen herum anzutreiben, um ihm dem Sonnenstand nachzuführen. Ein geringerer Aufwand an Antrieben und Steuerungen ergibt sich, wenn mehrere Spiegel miteinander gekoppelt und von einem einzigen Antrieb gesteuert verstellt werden.

In US 4,425,904 ist ein Solarkonzentrator beschrieben, der zahlreiche Spiegel aufweist. Jeder Spiegel ist an einem ortsfest montierten Spiegelträger schwenkbar angebracht. Die Spiegel sind in Spiegelreihen angeordnet, wobei die Spiegel einer Reihe in paralleler Ausrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Spiegel einer Reihe sind durch Seilzüge gekoppelt. Sie können durch einen gemeinsamen Antrieb dem Sonnenstand nachgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkonzentrator zu schaffen, der einen einfachen mechanischen Aufbau hat und kostengünstig realisiert werden kann.

Der Solarkonzentrator nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach sind die Spiegel an Zugorganen aufgehängt, welche sowohl eine Tragfunktion als auch eine Verstellfunktion für jeden Spiegel ausführen. Die Grundidee besteht darin, bei einem Heliostatfeld mit gekoppelten Spiegeln eine Einheit von Steuerungsmechanik und Halterung des einzelnen Spiegels herzustellen, um ein mechanisches einfaches gekoppeltes Heliostatfeld zu erhalten. Die Zugorgane, die den Spiegel der Sonne nachführen, dienen gleichzeitig zu seiner Befestigung im Raum. Diese Zugorgane können Seile oder Stangen sein. Der Solarkonzentrator kann aus mehreren generell gleichen Modulen aufgebaut sein, wobei jedes Modul einen vorzugsweise zweiachsigen gesteuerten Antrieb hat, über den alle Spiegel dieses Moduls gemeinsam angetrieben werden. Die Kopplung erfolgt durch die Zugorgane. Sämtliche Module werden auf einen gemeinsamen Receiver ausgerichtet. Auf diese Weise ist eine Standardisierung möglich. Dadurch ist selbst bei großen Heliostatfeldern mit sehr zahlreichen Spiegeln ein hoher Konzentrationsgrad möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegel in einer ebenen oder gekrümmten Fläche nebeneinander hängend angeordnet sind. Dies ermöglicht es, Gebäudeflächen, wie Fassaden oder Dachflächen, mit einem Heliostatfeld zu versehen. Der Receiver kann auf Dachgauben, Kaminen oder angrenzenden Gebäudeteilen oder einem separaten Turm angebracht werden. Innerhalb der von den Spiegeln gebildeten Fläche können die Spiegel entweder parallel verlaufen oder mit unterschiedlichen Schrägstellungen von Spiegel zu Spiegel, um das Spiegelfeld eines Moduls parabolisch zu gestalten. Ferner besteht die Möglichkeit, die Spiegel durch eine Glasscheibe vor Windbelastungen und Witterung zu schützen. Dadurch wird eine leichte mechanische Konstruktion der Spiegel ermöglicht, die aus leichtgewichtigen und empfindlichen Materialien hergestellt werden können. Die Erfindung ermöglicht es, einen Solarkonzentrator in flächiger Ausführung auszubilden und dadurch vorhandene Flächen an Gebäuden zu nutzen. Dass die Spiegel nebeneinander angeordnet sind bedeutet, dass sie Seite an Seite positioniert sind.

Vorzugsweise sind die Spiegel matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei jeder Spiegel mindestens ein Zugorgan zum Kippen des Spiegels um eine Zeilenachse und mindestens ein Zugorgan zum Kippen des Spiegels um eine Spaltenachse aufweist. Dabei können sämtliche Spiegel der gesamten zweidimensionalen Matrix von zwei Antrieben gesteuert sein. Die Zugorgane mehrerer Spiegel können zum Kippen um eine Zeilenachse und/oder um eine Spaltenachse zusammengefasst zu einer Antriebseinrichtung verlaufen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass von jedem Spiegel ein Zugorgan zu einer verschiebbaren Schiene verläuft, die von einem Antrieb angetrieben ist. Die Schiene ist generell parallel zu der Fläche der Spiegel angeordnet und sie wird von dem Antrieb bewegt, um eine Gruppe von Spiegeln gemeinsam zu verstellen.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spiegel eine Querachse aufweisen, an der die Zugorgane im Abstand von der Spiegelfläche angreifen. Die Querachse ermöglicht eine einfache Verstellung des Neigungswinkels der Spiegel. Die Querachsen mehrerer übereinander angeordneter Spiegel können durch Zugorgane verbunden sein. Auf diese Weise ist eine einfache Kopplung der Spiegel möglich.

Die Spiegel können in mehreren vertikalen Spalten angeordnet sein, wobei die Schwenkbewegungen der Querachsen der obersten Spiegel der Spalten miteinander synchronisiert sind. Dies ermöglicht die Schaffung eines großflächigen Moduls, wobei sämtliche Spiegel synchron gesteuert sind.

Der erfindungsgemäße Solarkonzentrator kann auch als „Marionettenkonzentrator" bezeichnet werden, weil die einzelnen Spiegel an den Zugorganen hängen, von denen sie auch gesteuert werden, wie eine Marionettenfigur. Grundsätzliche sind zwei Varianten möglich, nämlich die Anordnung der Spiegel in einer im wesentlichen horizontalen Fläche und die Anordnung in einer im wesentlichen vertikalen Fläche.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Diese Erläuterungen sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung beschränken. Diese wird vielmehr durch die Patentansprüche bestimmt.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Solarkonzentrators mit horizontalem Spiegelfeld,
2 eine Ansicht des Solarkonzentrators von 1 aus Richtung des Pfeiles II,
3 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Spiegels,
4 eine Einzelheit der Aufhängung der Zugorgane in perspektivischer Darstellung,
5 eine Darstellung der Aufhängung aus einer anderen Perspektive,
6 eine zweite Ausführungsform des Solarkonzentrators mit senkrechter Konzentratorfläche,
7 eine vergrößerte Darstellung von Einzelheiten des Konzentrators nach 6,
8 eine Draufsicht des Konzentrators nach 6 zur Verdeutlichung der Getriebe der einzelnen vertikalen Spiegelgruppen und
9 eine Prinzipdarstellung des senkrechten Solarkonzentrators mit Abdeckung und Receiver.
In den 1 bis 5 ist eine erste Ausführungsform eines Solarkonzentrators nach der Erfindung dargestellt. Unter einer horizontalen transparenten Platte 10 hängen zahlreiche Spiegel 11, die in Spalten S und Zeilen Z nach Art einer Matrix angeordnet sind. Die Gesamtheit der Spiegel ergibt ein Spiegelfeld. Jeder Spiegel 11 weist eine Skelettstruktur 12 auf, an der die Spiegelfläche 13 befestigt ist. Die Skelettstrukturen 12 sind hier kreuzförmig und sie sind sämtlich in einer planaren Ebene angeordnet (s. 2). An den Skelettstrukturen 12 sind die Spiegelflächen 13 mit individueller Schrägstellung bzw. Krümmung angebracht. Die Schrägstellungen und Krümmungen der Spiegelflächen sind so gewählt, dass parallel einfallende Solarstrahlung auf einen gemeinsamen Receiver 14 gelenkt wird.
An den Stäben der Skelettstrukturen 12 sind Zugorgane 15, 16 befestigt. Die Zugorgane sind flexible Seile. Über jedem Spiegel 11 ist eine Seilführung 17 angebracht, die Ringe aufweist, durch welche die Seile 15, 16 hindurchgeführt sind. Diese Seilführung ist in den 4 und 5 im einzelnen dargestellt. Übereinander angeordnete Ringe der Seilführung sind um 90° gegeneinander verdreht. In der Seilführung werden die Zugorgane des betreffenden Spiegels 11 mit den Zugorganen anderer Spiegel derselben Zeile Z oder Spalte S zusammengeführt. Die Zugorgane können dort miteinander verbunden werden, um nicht zu viele Seile an den Rand führen zu müssen. An dem Rand befindet sich jeweils eine Antriebsvorrichtung 20 bzw. 21 in Form einer gesteuert angetriebenen Wickelwalze, auf die die Seile aufgewickelt werden.
Der Solarkonzentrator besteht aus Modulen, die jeweils ein Gehäuse 25 aufweisen. Das Gehäuse 25 hat eine Bodenplatte 26, Seitenwände 27 und eine strahlungsdurchlässige Deckscheibe 28. Die Seilführungen 17 sind an der Deckscheibe 28 herabhängend befestigt. Die Antriebsvorrichtungen 20, 21 befinden sich hier an der Außenseite des Gehäuses 25. Der Receiver 14 ist ebenfalls außerhalb des Gehäuses 25 angeordnet. Der Ort des Receivers ist wählbar. Er kann neben oder über der Drehscheibe 28 liegen.
Die Deckscheibe 28 muss nicht notwendigerweise horizontal verlaufen. Die Spiegel 11 bilden eine gekrümmte Fläche, die ebenfalls von der Horizontalen abweichen kann. Die Bodenplatte 26 kann ebenfalls lichtdurchlässig ausgebildet sein oder als Niedertemperaturabsorber, der die zwischen die Spiegel fallende Solarstrahlung absorbiert. Die Seitenwände 27 dienen dazu, die Windeinflüsse auf die Spiegel zu minimieren.
Zur Stabilisierung der Spiegel gegen Schwingungen ist für jeden Spiegel ein Stab 30 vorgesehen, der auf der Bodenplatte 26 montiert ist. Ebenso kann eine Halterung aus mehreren Seilen vorgesehen sein, die die Spiegel 11 auf der Bodenplatte 26 abspannen.
Ein Teil der Zugorgane 15, 16 kann feste Längen haben und nicht bewegt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, zwei Zugorgane gegenläufig zueinander anzutreiben, wobei das eine Zugorgan verkürzt wird wenn das andere verlängert wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind pro Spiegel vier Zugorgane vorhanden; es sind aber auch Ausführungsformen mit zwei oder drei Zugorganen möglich. Anstelle der Wickelwalzen können auch Antriebsvorrichtungen 20, 21 benutzt werden, in denen ein Stab, an dem die Zugorgane befestigt sind, linear verschoben wird.
Eine Betätigung der Antriebsvorrichtung 20 wirkt in Richtung der Spaltenachse S. Dadurch werden die Zugorgane 15 verstellt, so dass die Spiegel 11 um die Zeilenachse Z herum gekippt werden. Der Antriebsvorrichtung 21 wirkt dagegen in Richtung der Zeilenachse Z. Bei ihrer Betätigung werden die Spiegel 11 über die Zugorgane 16 um die Spaltenachse S geschwenkt.
Während das erste Ausführungsbeispiel dazu geeignet ist, auf dem Boden aufgestellt oder in eine Dachstruktur integriert zu werden, zeigen die 6 bis 9 ein Ausführungsbeispiel, das in eine senkrechte Wand integriert werden kann. Ein Gehäuse 40, das eine plane strahlungsdurchlässige Scheibe 41 aufweist, bildet ein kastenförmiges Modul. An dem Gehäuse 40 ist aus der Receiver 42 angebracht, auf den die konzentrierte Solarstrahlung 43 gelenkt wird (9).
In dem Gehäuse 40 ist die in 6 dargestellte Spiegelkonstruktion untergebracht. Diese enthält Spiegel 45, die nach Art einer Matrix vertikalen Spalten S und horizontalen Zeilen Z angeordnet sind. Jeder Spiegel besteht aus einer generell rechteckigen Spiegelfläche, die auch gebogen sein kann. Die Spiegelfläche ist an einer Querachse 46 befestigt, die quer hindurchgeht und nach entgegengesetzten Richtungen von der Spiegelfläche absteht. An den vorderen Enden der Querachsen 46 ist ein Zugorgan 47 befestigt und an den rückwärtigen Enden ein Zugorgan 48. Die Spiegel sind an den Zugorganen 47, 48 wie Marionetten aufgehängt. Die Betätigung erfolgt durch die oberste Querachse 46a, die ebenfalls mit den Zugorganen 47, 48 verbunden ist und an der die anderen Querachsen 46 hängen. Sämtliche Querachsen 46 und 46a sind somit durch die Zugorgane 47, 48 verbunden und stets parallel zueinander ausgerichtet. Die oberste Querachse 46a ist um eine Horizontalachse 50 schwenkbar. Bei dieser Schwenkbewegung wird das vordere Ende der Querachse 46a angehoben, wenn das rückwärtige Ende abgesenkt wird, und umgekehrt. Die Querachse 46a und die Horizontalachse 50 bilden ein festes Achsenkreuz. Rechtwinklig zu diesem Achsenkreuz verläuft eine Vertikalachse 51, um die das Achsenkreuz drehbar ist. Das Achsenkreuz ist in einem Hohlzylinder 52 befestigt, der um die Vertikalachse 51 drehbar ist. Mit der Drehung des Hohlzylinders 52 erfolgt eine Drehung sämtlicher Spiegel 45 im Azimut, d. h. in einer Horizontalebene. Das Achsenkreuz aus Querachse 46a und Horizontalachse 50 ist gemäß 7 mit einem auf der Horizontalachse 50 befestigtem Rad 55 versehen. Durch Drehen des Rades 55 wird das Achsenkreuz um die Horizontalachse 50 geschwenkt. Dadurch werden alle Querachsen 46, die untereinander hängen, um den gleichen Winkel geschwenkt. Auf diese Weise kann die Elevation verändert werden, also der Winkel der Spiegelnormalen in Bezug auf eine Horizontalebene. Der Winkel zwischen dem Spiegel 45 und der Querachse 46 kann für jeden Spiegel unterschiedlich sein.
Jede Spalte von Spiegeln hat ihren eigenen Hohlzylinder 52. Die Hohlzylinder 52 sind über Zwischenrollen 57 gekoppelt, so dass sie synchron angetrieben werden. Die Hohlzylinder behalten nur ihre festen Anfangsunterschiede im Drehwinkel bei, jedoch ist der Nachführwinkel für alle gleich. Die Hohlzylinder 52 bilden zusammen mit den Zwischenrollen 57 ein Getriebe 58. Das Getriebe ermöglicht es, dass mehrere nebeneinander liegende Hohlzylinder 52 von einem einzigen Antriebsmotor 61 angetrieben werden können. Die Hohlzylinder 52 und die Zwischenrollen 57 sind an einer Tragplatte 59 gelagert. Die Drehachse eines jeden Hohlzylinders 52 geht durch den Kreuzungspunkt des Achsenkreuzes 46a, 50. Der Hohlzylinder 52 kann massiv oder aus einzelnen Speichen ausgeführt sein. Er kann außen eine Verzahnung haben, die mit einer entsprechenden Verzahnung der Zwischenrolle 57 kämmt. Der Antriebsmotor 61 dient der Verstellung der Spiegel um die Spaltenachsen S.
Die auf der Horizontalachse 50 befestigte Querachse 46a stellt für alle darunter hängenden Querachsen 46 den Azimutwinkel ein. Es ist auch möglich, an der obersten Querachse 46a einen Spiegel anzubringen.
Die Elevationsänderungen der Querachse 46a in benachbarten Hohlzylindern 52 können gekoppelt werden, indem ein Seilzug 62 verwendet wird, dessen Rohr mit dem Hohlzylinder 52 verbunden ist und dessen Seele 63 in einer Umfangsnut des Rades 55 befestigt ist. Sämtliche Seilzüge werden an der Platte 59 befestigt und gemeinsam von einem Motor 60 aus betätigt. Der Seilzug 62 ermöglicht eine Drehung der Horizontalachse 50 und damit eine Schwenkung der Querachse 46a. Dadurch werden alle Spiegel der darunter hängenden Reihe mit ihren Querachsen 46 gekippt. Um ein Zurückbewegen zu ermöglichen, kann an dem Seilzug 62 eine Rückstellvorrichtung in Form einer Feder oder eines Gewichts angreifen.
8 zeigt eine Draufsicht nach Entfernen der Tragplatte 59. Die Kopplung der Azimutwinkel erfolgt über die Getriebe 58, die beispielsweise als Zahnradgetriebe, Riementrieb oder Rollengetriebe ausgebildet sind. Alternativ können die Getriebe 58 auch oberhalb der Hohlzylinder 52 angeordnet sein, so dass sie strukturell unabhängig sind von den Hohlzylindern.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass an jeder hängenden Reihe von Spiegeln 45 ein zweiter Hohlzylinder am unteren Ende vorgesehen ist und zur Stabilisierung der Spiegel beiträgt. Erforderlichenfalls können die Spiegel 45 Einschnitte enthalten, die ihre Bewegungsfreiheit in Bezug auf die Zugorgane sicherstellen. Der Hohlzylinder 52 kann durchsichtig als Speichenkonstruktion ausgeführt werden, um einen eventuell darin enthaltenen Spiegel nicht zu verschatten.
Ferner ist es möglich, jede Horizontalachse 50 durch einen eigenen Motor anzutreiben. Alternativ hierzu können die Horizontalachsen 50 auch hydraulisch oder über Seilzüge angetrieben werden.

Claims

Solarkonzentrator mit mehreren Spiegeln (11; 45), die zur gemeinsamen Nachführung nach dem Sonnenstand durch Zugorgane (15; 16) bewegbar und miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (11; 45) an den Zugorganen (15, 16, 47, 48) aufgehängt sind, wobei Zugorgane sowohl eine Tragfunktion als auch eine Verstellfunktion für jeden Spiegel ausführen.
Solarkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (11; 45) in einer ebenen oder gekrümmten Fläche nebeneinander hängend angeordnet sind.
Solarkonzentrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (11; 45) matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind und jeder Spiegel Zugorgane zum Kippen des Spiegels um eine Zeilenachse Z und zum Kippen des Spiegels um eine Spaltenachse S aufweist.
Solarkonzentrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugorgane (15, 16) zum Kippen um eine Spaltenachse zusammengefasst zu einer Antriebseinrichtung (20) verlaufen.
Solarkonzentrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugorgane (15; 16) mehrerer Spiegel (11) zum Kippen um eine Zeilenachse zusammengefasst zu einer Antriebseinrichtung (21) verlaufen.
Solarkonzentrator nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (11) eine einheitliche Skelettstruktur (12) aufweisen, an der individuelle Spiegelflächen (13) montiert sind, wobei die Zugorgane (15, 16) an der Skelettstruktur (12) anreißen.
Solarkonzentrator nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei an entgegengesetzten Rändern eines Spiegels angreifende Zugorgane (15, 16) derart gesteuert sind, dass das eine Zugorgan verlängert wird, wenn das andere verkürzt wird.
Solarkonzentrator nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Spiegel (11) ein eigenes Zugorgan (15, 16) zu einer Antriebsvorrichtung (20, 21) verläuft, die eine Zugvorrichtung für zahlreiche Zugorgane aufweist.
Solarkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (45) eine Querachse (46) aufweisen, an der die Zugorgane (47, 48) im Abstand von der Spiegelfläche angreifen.
Solarkonzentrator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querachsen (46) mehrerer übereinander angeordneter Spiegel (45) durch Zugorgane (47, 48) verbunden sind.
Solarkonzentrator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Querachse (46a) um eine Vertikalachse (51) schwenkbar ist und die darunter angeordneten Querachsen (46) mitnimmt.
Solarkonzentrator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (45) in mehreren vertikalen Spalten angeordnet sind und dass die Schwenkbewegungen der Querachsen (46) miteinander synchronisiert sind.
Solarkonzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegungen der Spiegel in den Spalten durch Getriebe (58) gekoppelt sind und von dem gemeinsamen Antrieb (60) erzeugt werden.
Solarkonzentrator nach einem der Ansprüche 9 – 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querachsen (46) der Spiegel (45) jeweils um eine Horizontalachse (50) schwenkbar sind.
Solarkonzentrator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegungen in unterschiedlichen Spalten von Spiegeln (45) miteinander gekoppelt sind.