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Die
Erfindung betrifft eine Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung zur Grundeinstellung
von Nachführsystemen
bei Parabolrinnenkollektoren.
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Bekannt
sind Parabolrinnenkollektoren, die die Solarenergie einachsig auf
eine Brennlinie konzentrieren. In dieser Brennlinie verläuft ein
mit einem Glashüllrohr
umgebener Absorberrohrstrang, welcher durch ein Wärmeübertragungsmedium,
meist Thermoöl
oder Wasser, durchflossen wird. Der Absorberrohrstrang besteht aus
mehreren zusammengeschweißten
etwa 4 m lan gen Absorberrohrsegmenten. Ein Großteil der konzentrierten Solarstrahlung
wird nach dem Auftreffen auf den Absorberrohrstrang in Wärmeenergie
umgewandelt und an das Wärmeübertragungsmedium
abgegeben. Derartige Parabolrinnenkollektoren benutzen ein Nachführsystem
für die
ständige
Ausrichtung des Parabolrinnenkollektors auf den jeweiligen Sonnenstand.
Es ist bekannt, dieses Nachführen
durch Regelung mit Sonnensensoren oder auch durch Steuerung nach
einem Algorithmus zu bewirken. Alle Nachführsysteme benötigen bei
ihrer Inbetriebnahme eine Grundeinstellung auf den optimalen Sonnenwinkel,
um fehlerhafte Fokussierungen des Kollektors zu minimieren. Bereits
kleine Abweichungen bei der Sonnenwinkel-Grundeinstellung des Nachführsystems
führen
zu beträchtlichen
Wirkungsgradeinbußen.
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Ursächlich für fehlerhafte
Fokussierung können
Spiegelausrichtungsfehler, Absorberrohr-Ausrichtungsfehler und Nachführfehler
sein. Ein Spiegelausrichtungsfehler liegt vor, wenn der Parabolspiegel
von seiner Idealform abweicht und die Strahlung nicht hinreichend
punktförmig
fokussiert. Ein Absorberrohr-Ausrichtungsfehler
liegt vor, wenn das Absorberrohr relativ zu dem Parabolspiegel so
ausgerichtet ist, dass es Abweichungen von der Brennlinie hat. Bei
einem Nachführfehler
liegt die Öffnungsebene
des Parabolrinnenkollektors schräg
zu der Einfallsrichtung der Solarstrahlung, so dass keine Fokussierung
auf das Absorberrohr erfolgt. All diese Fehler können einzeln oder gemeinsam
auftreten, so dass eine wirksame Fehlerkompensation sehr schwierig
ist.
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Zur Überprüfung der
Ausrichtung des Parabolrinnenkollektornachfürsystems in Bezug auf den Sonnenstand
wurde die Absorberrohr-Schatten-Methode entwickelt. Hierbei befindet
sich entlang der Scheitellinie des Parabolspiegels in dem Parabolspiegel
ein Schlitz von etwa der Breite des Absorberrohrs. Bei korrekter
Grundausrichtung des Parabolrinnenkollektors zur Sonne schattet
das Absorberrohr den Schlitz ab, so dass der gesamte Flächenbereich
hinter dem Parabolrinnenkollektor abgeschattet wird. Im Fall einer
Fehlausrichtung entsteht hinter dem Schlitz ein Lichtstreifen. Der
Kollektor wird durch Grundjustieren des Nachführsystems so lange geschwenkt,
bis der Schatten des Absorberrohrstrangs die Schlitzbreite völlig bedeckt.
Mit dieser Methode kann zwar eine Grobeinstellung des Kollektornachführsystems
erfolgen, jedoch entstehen immer noch Wirkungsgradeinbußen bis
zu 2 %.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung
für das
Nachführsystem
von Parabolrinnenkollektoren zu schaffen, die mit einfachen Mitteln
optimal die Spiegelausrichtungsfehler, die Absorberrohr-Ausrichtungsfehler und
die Nachführfehler
kompensiert.
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Die
Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
ist durch den Patenanspruch 1 definiert und das erfindungsgemäße Verfahren
zum Einstellen des Nachführsystems
auf den optimalen Sonnenwinkel ist durch den Patentanspruch 8 definiert.
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Grundlage
des erfindungsgemäßen Sonnenwinkeleinstellsystems
für Solarkollektornachführsysteme
ist die Möglichkeit
der gleichzeitigen und direkten Messung der Vorbeistrahlung an allen
Absorberohrsegmenten eines Parabolrinnenkollektors, also am gesamten
Absorberstrang. Hinter den Absorberrohrsegmenten wird ein Sensorschirm
angeordnet, der die vorbeigehende Strah lung auffängt und misst, welche die Absorberrohrsegmente
nicht getroffen hat, also die Vorbeistrahlung. Der Sensorschirm
wandelt die eingestrahlte Energie in elektrische Energie um. Die
am Sensorschirm erzeugte Stromstärke
ist proportional zu der eingestrahlten Energie bzw. zu der Vorbeistrahlung.
Eine höhere
Vorbeistrahlung des Kollektors verursacht daher ein größeres Empfangssignal
und eine niedrigere Vorbeistrahlung ein geringeres Empfangssignal.
Dieser Sachverhalt wird ausgenutzt, indem der Kollektor durch Eingabe
verschiedener tracking-offsets
bei Algorithmussteuerung oder durch leichtes Verdrehen des Sonnensensors
bei Sonnensensorregelung so zur Sonne eingestellt wird, dass das
gemessene Empfangssignal minimal wird. In dieser Position ist dann
die Vorbeistrahlung ebenfalls minimal und der Kollektor befindet
sich in seinem maximalen optischen Wirkungsgrad, wodurch die optimale
Grundeinstellung des Kollektornachführsystems erreicht wird. Ausgehend
von dieser Grundeinstellung erfolgt eine Nachführung des Paraborinnenkollektors
nach dem Sonnenstand. Die Einstellvorrichtung wird vorübergehend
an den Kollektor montiert und nach Beendigung der Grundeinstellung
wieder entfernt. Dann kann der nächste
Kollektor eingestellt werden. Nach einer gewissen Betriebszeit kann
eine Überprüfung der
Einstellung vorgenommen werden.
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Da
nach der vorliegenden Erfindung keine absoluten Messwerte zu bestimmen
sind, sondern nur das relative Messverhalten untersucht wird, ist eine
Kalibrierung der Solarmodule und ein Korrigieren des Empfangssignals
nicht erforderlich. Es ist allerdings darauf zu achten, dass die
zu erwartende Vorbeistrahlung im Arbeitsbereich des Sensorschirmes
liegt. Ein Anpassen des Sensorschirms an die Strahlungsbedingungen
kann durch eine homogene Teilabschattung des Sensormoduls erreicht
werden, z. B. durch ein Drahtgitter oder durch Einsprühen mit einer
lichtdurchlässigen
dünnen
Farbüberdeckung.
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Der
Sensorschirm besteht vorzugsweise aus fotovoltaischen Solarmodulen.
Die Vorbeistrahlung trifft die Solarmodule hauptsächlich in
parallel zum Absorberrohr verlaufenden Lichtstreifen. Daher sollten
langgestreckte Sensorschirme benutzt werden, die aus mehreren längs einer
Reihe angeordneten Solarzellen bestehen. Die am geringsten bestrahlte Solarzelle
begrenzt die Ausgangsleistung des Modulstrangs. Sind die Solarmodule
sehr groß oder
besitzen sie besonders viele in Reihe geschaltete Zellen, so kann
es vorkommen, dass kleine Lichtstreifen nicht registriert werden,
was zu Messungenauigkeiten führen
kann. Besonders geeignet sind daher kleine Dünnschichtsolarmodule, die sehr
robust gegen Teilabschattung sind. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass
der Abschattungseinfluss vernachlässigbar klein wird, wenn die
Ausrichtung der in Reihe geschalteten Dünnschichtzellen gleich der
Verlaufsrichtung (Längsrichtung)
des Absorberrohrs ist.
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Um
Investitionskosten zu sparen, kann der Sensorschirm aus mehreren
Solarmodulen bestehen, die mit gegenseitigen Abständen angeordnet sind.
Jedes Solarmodul weist zahlreiche in Reihen angeordnete Solarzellen
auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung hat der Sensorschirm eine das Absorberrohr teilweise umgebende
konkave Form. Unter einer konkaven Form ist hier eine Rinnenform
oder auch eine Dreiecksform zu verstehen. Wichtig ist, dass der
Sensorschirm die Vorbeistrahlung, die am Absorberrohr vorbei geht,
empfängt.
Der Sensorschirm kann auch aus zwei durch einen Spalt getrennten
Abschnitten bestehen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass mehrere Solarmodule an einer Tragstruktur
befestigt sind, welche sich über
die Länge
eines Absorberrohrsegments erstreckt und an Absorberrohrstützen befestigt
ist. Auf diese Weise können
mehrere Solarmodule als Einheit an einem Absorberrohrsegment befestigt
werden. Dies erleichtert die Montage und Demontage des Sensorschirms. Alle
Absorberrohrsegmente des Parabolrinnenkollektors werden mit diesen
Tragstrukturen versehen, um ein gleichzeitiges Messen der Vorbeistrahlung über den
gesamten Kollektor zu gewährleisten.
Dabei werden sowohl alle Solarmodule einer Tragstruktur als auch
die elektrischen Sammelleitungen aller Tragstrukturen parallel geschaltet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer
Grundposition des Nachführsystems
eines Parabolrinnenkollektors auf den optimalen Sonnenwinkel, mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Hiernach ist vorgesehen, dass
an dem Absorberrohr vorbeigehende Solarstrahlung gemessen und durch
Grundjustierung des Nachführsystems
der Parabolrinnenkollektor derart geschwenkt wird, dass diese Solarstrahlung ein
Minimum annimmt. Eine Überhitzung
des Sensorschirms kann beispielsweise dadurch vermieden werden,
dass eine grobe Voreinstellung des Parabolrinnenkollektor-Nachführsystems
nach der Absorberrohr-Schatten-Methode
durchgeführt
wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt dann die Feinjustierung des Nachführsystems.
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Alternativ
oder zusätzlich
besteht die Möglichkeit
des Anbringens von Kühlrippen
auf der Rückseite
des Sensorschirms.
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Die
Erfindung eignet sich zur schnellen Einstellung des Nachführsystems
sehr langer Parabolrinnenkollektoren, die geeignet sind, große Energiemengen
einzufangen, um beispielsweise damit Kraftwerke zu betreiben. Das
Einstellsystem kann auch zur routinemäßigen Überprüfung der Kollektornachführsysteme
nach mehreren Betriebsmonaten verwendet werden.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Parabolrinnenkollektors,
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2 eine
Stirnansicht des Parabolspiegels mit Abschattungszonen zur Erläuterung
der Absorberrohr-Schatten-Methode,
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3 einen
Querschnitt einer ersten Ausführungsform
der Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung,
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4 einen
Querschnitt einer zweiten Ausführungsform
der Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung,
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5 eine
perspektivische Ansicht der Befestigung des Sensorschirmes an dem
Absorberrohr, und
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6 eine
Ansicht aus Richtung des Pfeiles VI von 5.
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1 zeigt
einen Parabolrinnenkollektor 10, der einen Parabolspiegel 11 mit
einer parabolisch gekrümmten
Spiegelfläche 12 aufweist.
Von der Sonne S fällt
auf den Parabolspiegel 11 Solarstrahlung 13. Die
parallel einfallende Solarstrahlung wird von der Spiegelfläche 12 auf
die Absorberrohrsegmente 14 reflektiert, welche entlang
der Fokallinie des Parabolspiegels verlaufen und den Absorberrohrstrang 34 bilden.
Die durch Sonne und Absorberrohrstrang 34 verlaufende Ebene
sollte senkrecht zur Aperturebene des Kollektors verlaufen. Da der
Sonnenstand sich im Laufe des Tages ständig ändert, ist eine Nachführung des
Parabolrinnenkollektors 10 erforderlich. Der Parabolrinnenkollektor 10 ist
auf Stützen 15 montiert,
die zu beiden Enden eines Längenabschnitts
des Parabolrinnenkollektors angeordnet sind und sowohl den Parabolspiegel 11 als
auch den Absorberrohrstrang 34 mit den Absorberrohrsegmenten 14 tragen.
Die Einheit aus Parabolspiegel 11 und Absorberrohrstrang 34 ist
um eine Längsachse 16 herum
schwenkbar. Hierzu ist ein (nicht dargestellter) Schwenkantrieb
vorgesehen.
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Der
mit einem Schwenkantrieb versehene Parabolrinnenkollektor kann eine
Länge von
beispielsweise 100 m bis 150 m haben.
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2 zeigt
die in der Praxis verwendete Absorberrohr-Schatten-Methode zur Einstellung des Nachführsystems.
Hinter dem Parabolspiegel 11 befindet sich ein Boden 18 und
in dem Parabolspiegel ist ein längslaufender
zentraler Spalt 19 vorgesehen, der etwa dieselbe Breite
hat wie der Durchmesser des Absorberrohrsegements 14. Bei
korrekter Justierung des Parabolspiegels füllt der Schatten 20 des Absorberrohrsegments 14 den
Spalt 19 genau aus, so dass sich die Schatten 21 und 22 der
beiden Spiegelhälften
und der Schatten 20 des Absorber rohrs ergänzen und
am Boden 18 kein Lichtstreifen entsteht. In 2 ist
der Zustand dargestellt, dass der Schatten 20 des Absorberrohrs
nicht exakt mittig im Spalt 19 angeordnet ist. Daher fällt Solarstrahlung 23 durch den
Spalt 19 ein und erzeugt am Boden einen Streifen 24.
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In 3 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Auf der der Sonne zugewandten Seite des Absorberrohrsegments 14 befindet
sich ein Sensorschirm 25, der hier aus einer dachförmigen Struktur
besteht, welche das Absorberrohrsegment 14 teilweise umschließt. Auf
der dem Sensorschirm 25 gegenüberliegenden Seite des Absorberrohrsegments 14 befindet
sich der Parabolspiegel 11. Die vom Parabolspiegel 11 reflektierte Strahlung
trifft das Absorberrohrsegment 14. Die Vorbeistrahlung,
die am Absorberrohrsegment 14 vorbeiläuft, trifft den Sensorschirm 25.
Dieser weist an seiner Vorderseite, die dem Absorberrohrsegement 14 und
dem Parabolspiegel 11 zugewandt ist, zahlreiche photovoltaische
Zellen auf. Der von dem Sensorschirm erzeugte Strom bildet ein Empfangssignal, dessen
Größe von der
Menge der empfangenen Strahlung abhängt.
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Als
Sensorschirm für
den Einsatz in der Sonnenwinkel-Einstellvorrichtung
hat sich das Dünnschichtsolarmodul
Siemens ST-5 oder das Dünnschichtsolarmodul
FLX-11 der Fa. UNI-Solar als geeignet erwiesen.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem der Sensorschirm 25a gebogen ist, so dass die dem
Parabolspiegel 11 zugewandte Vorderseite eine konkave Fläche bildet,
die das Absorberrohrsegment 14 teilweise umschließt. Der
Sensorschirm ist bei diesem Ausführungsbeispiel
bogenförmig
gestaltet.
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Das
Absorberrohrsegment 14 ist mit einem Hüllrohr 30 aus Glas
umgeben, das in den 3 und 4 nicht
dargestellt ist.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines zwischen zwei Stützen 31 gehaltenen
Absorberrohrsegments 14, das mit einem Sensorschirm 25 ausgestattet
ist. Der Sensorschirm besteht aus einzelnen blattförmigen gebogenen
Sensormodulen 35, die mit gegenseitigen Abständen angeordnet
sind. Alle Sensormodule 35 sind an einer gemeinsamen Tragstruktur 36 befestigt,
die ihrerseits an den Enden der Stützen 31 angebracht
ist und sich in Längsrichtung
des Absorberrohrsegments 14 erstreckt. Ein Parabolrinnenkollektor
besitzt zahlreiche Absorberrohrsegmente 14, die in der
in 5 gezeigten Art hintereinander positioniert sind
und den Absorberrohrstrang 34 bilden. Die einzelnen Abschnitte
des Sensorschirms 25, die jeweils eine Tragstruktur 36 aufweisen,
können
von der Ladefläche
eines Lastwagens aus an dem Parabolrinnenkollektor montiert werden,
wobei der Lastwagen langsam an dem Parabolrinnenkollektor entlang
fährt.
Auf diese Weise kann die Montage der Tragstrukturen an allen Absorberrohrsegmenten
des Kollektors auf einfache Weise mit wenig Personal durchgeführt werden.
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Wie 5 zeigt,
sind die einzelnen Sensormodule 35 an ein Leitungspaar 38 angeschlossen, wobei
die Solarmodule parallel geschaltet sind. Die Leitungspaare 38 aller
am Absorberrohrstrang installierten Tragstrukturen werden über eine
Steckverbindung 39 mit einem zuvor am Boden verlegten Hauptkabel 40 verbunden,
welches an ein Strommessgerät 41 angeschlossen
ist. Das Strommessgerät
liefert das gemeinsame Empfangssignal sämtlicher Sensormodule 35 bzw.
sämtlicher
angeschlossener Sensor schirme 25 aller am Absorberrohrstrang 34 installierten
Tragstrukturen.
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6 zeigt
eine Ansicht eines Sensormoduls 35 aus Richtung des Pfeiles
VI von 5, also aus der Einfallsrichtung der Solarstrahlung.
Man erkennt zahlreiche Solarzellen 42, die in einer Reihe (einem
String) angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch
die Streifen 45,46 und 47 ist die Vorbeistrahlung
bezeichnet, die auf das Sensormodul 35 trifft. Diese Vorbeistrahlung
hat durch Deformierungen der Spiegelfläche variierende Breite und Stärke. Das
Solarmodul mit den zahlreichen in Reihe geschalteten Solarzellen 42 erzeugt
einen Strom, der proportional zu der in seinem Bereich einfallenden Vorbeistrahlung
ist. Erste Bedenken, dass sich die Solarmodule beim kurzzeitigen
Durchfahren des Focus überhitzen
könnten,
haben sich als unbegründet gezeigt.
Es kann jedoch zweckmäßig sein,
auf der Rückseite
des Sensorschirms Kühlrippen
vorzusehen. Eine wirksame Maßnahme
zur Verhinderung von Überhitzung
der Solarzellen besteht darin, eine Voreinstellung des Kollektornachführsystems
nach der Absorberrohr-Schatten-Methode vorzunehmen, die anhand von 2 erläutert wurde.
Diese Maßnahme
verhindert die Gefahr der Überhitzung
der Solarmodule durch ungewöhnlich
starke Vorbeistrahlung bei einer anfangs vollständig falsch eingestellten Kollektornachführung.
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Der
elektrische Antrieb zum Schwenken des Parabolspiegels sowie der
Regelmechanismus zum Nachführen
des Parabolrinnenkollektors nach dem Sonnenstand sind in den Zeichnungen
nicht dargestellt.