DE102004054755B4

DE102004054755B4 - Vorrichtung zur Konzentration von Licht, insbesondere von Sonnenlicht

Info

Publication number: DE102004054755B4
Application number: DE102004054755A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ansorge Frank; Dipl.-Ing. Wolter Jörg; Dipl.-Ing. Hanisch Horst; Prof. Dr. Hoffschmidt Bernhard; Dipl.-Ing. Reinl Markus
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Fachhochschule Aachen
Current assignee: Fachhochschule Aachen
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2024-11-13
Also published as: DE102004054755A1; WO2006005303A1; EP1771687A1

Abstract

Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht (7), insbesondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche (2) und jeweils einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche (2), und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes (7) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine reflektierende Oberfläche (2) einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwischen 10^–8 m² und 10^–4 m² aufweist und um mindestens 2 Achsen (3) bewegbar ist, und
dass die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche und einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche, und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes steuert.
Die vorliegende Vorrichtung kommt hauptsächlich in der Solarenergietechnik, insbesondere zur Konzentration von Sonnenlicht bei solarthermischen oder photovoltaischen Anlagen zur Energiegewinnung oder zur dezentralen solaren Kraftwärmekopplung zur Anwendung. Die Vorrichtung ermöglicht die Konzentration von Sonnenlicht auf eine beliebige Geometrie, beispielsweise einer zweidimensionalen Absorberfläche einer Solaranlage oder eines näherungsweise eindimensionalen Röhrenabsorbers, wie er von Parabolrinnenkonzentratoren bekannt ist.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vorrichtungen wurden insbesondere nach der ersten Ölkrise (1973/74) entwickelt, als weltweit Forschungsprogramme zur Energieerzeugung aus solarer Strahlung umgesetzt wurden. Die Forschung und Entwicklung konzentrierte sich dabei u. a. auf solarthermische Anlagen zur Nutzbarmachung der Energie des Sonnenlichts. Bei den dabei entwickelten Anlagen kann zwischen punkt- und linienkonzentrierenden Anlagen unterschieden werden.
Zu den linienkonzentrierenden Anlagen zählen die so genannten Parabolrinnenkonzentratoren, wie sie beispielsweise aus DE 197 44 767 C2 oder US 44 23 719 hervorgehen, bei denen die einfallende parallele Sonnenstrahlung durch eine oder mehrere parabelförmig reflektierende Oberflächen linienförmig auf ein Absorberrohr, beispielsweise beschrieben in DE 102 31 467 B4 , konzentriert wird. Parabolrinnenkonzentratoren werden in so genannten SEGS Kraftwerken (Solar Energy Generating Systems) eingesetzt, welche Leistungen in der Größenordnung von 50 MW und darüber erreichen.
Das Absorberrohr ist dabei meist mit einem evakuierten Glashüllrohr umgeben. Ein Querschnitt durch einen Parabolrinnenkonzentrator ist in der 3 dargestellt. Sie zeigt, wie einfallendes paralleles Licht 7 durch die parabelförmig geformte spiegelnde Oberfläche 2 auf das Absorberrohr 8 reflektiert wird. Das Absorberrohr 8 ist umgeben von dem evakuierten Glashüllrohr 9. Das Absorberrohr 8, bzw. das Glashüllrohr 9, wird dabei je nach Größe des Parabolrinnenkonzentrators alle 2 bis 6 Meter von einer Halterung gestützt. Gleichzeitig ist das Glashüllrohr 9 an dieser Stelle in der Regel über einen Faltenbalg mit dem Absorberrohr 8 verbunden. Dieser Bereich wird bei den heutigen Parabolrinnenkonzentratoren mit der gleichen Strahlungsdichte beaufschlagt, wie der dazwischen liegende Bereich. Dies hat den Nachteil, dass zum einen die Strahlungsenergie, da sie nicht auf das Absorberrohr trifft, so gut wie nicht genutzt wird und zum anderen die Metallverbindungen stark thermisch beansprucht werden, was zu Ausfällen (Bruch des Glashüllrohrs) gerade an diesen Stellen führt.
Ein weiterer Nachteil resultiert daraus, dass die heute bekannten Parabolrinnenkonzentratoren nur in einer Achse gemäß dem momentanen Sonnenstand geneigt oder gedreht werden. Dadurch geht an den Enden des Parabolrinnenkonzentrators durch den nicht senkrechten Einfall der Strahlung in der axialen Richtung des Parabolrinnenkonzentrators immer ein Teil der Strahlung verloren.
Zu den punktkonzentrierenden Anlagen zählen beispielsweise solarthermische Kraftwerke. Sie bestehen heute meist aus einer Vielzahl von Reflexionseinheiten, den so genannten Heliostaten, die das Sonnenlicht punktförmig, d. h. auf eine kleine Fläche eines Absorbers, konzentrieren, dem Absorber selbst, welcher in erster Näherung als Wärmeübertrager (Wärmetauscher) betrachtet werden kann, der die konzentrierte Sonnenstrahlung absorbiert und die Energie einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, Luft, Salzschmelze oder Thermoöl, zuführt, und einer Steuereinheit, die die reflektierende Fläche der Heliostaten dem Sonnenstand entsprechend ausrichtet. Mit dem Wärmeträgermedium wird ein konventioneller Wärmekraftprozess betrieben. Die dabei entstehende Wärme und der Prozessdampf können gespeichert, ausgekoppelt und in Strom umgewandelt werden.
Die bekannten Heliostaten von solarthermischen Anlagen weisen zumindest eine, meistens mehrere reflektierende Oberflächen (Spiegel) mit einer Spiegelfläche von mehreren Quadratmetern bis in die Größenordnung von 100 Quadratmetern und mehr auf. Der Aufbau eines Heliostaten umfasst heute zumeist eine Stahlträgerkonstruktion, die die Wind- und Gewichtslasten aufnimmt. Daran montiert ist eine oder sind mehrere spiegelnde Oberflächen, die in der Regel aus einer rückseitig verspiegelten Glasplatte bestehen. Als weitere reflektierende Elemente sind mit Silber beschichtete Polymere und Dünnglasspiegel bekannt. Die Stahlträgerkonstruktion ist dabei mit einer Anlenkung mit entsprechendem Antrieb verbunden, die Bewegungen der Stahlträgerkonstruktion um eine oder zwei unabhängige Achsen ermöglicht. Die Steuereinheit steuert die Anlenkung der Stahlträgerkonstruktion der jeweiligen Heliostaten in Abhängigkeit des Sonnenstandes derart, dass das Sonnenlicht immer auf die Absorberfläche konzentriert wird. Die Anlenkung der Stahlträgerkonstruktion selbst ist in der Regel in der Höhe von mehreren Metern über dem Erdboden, beispielsweise an einem vertikalen Mast, montiert. Die heute verwendeten Glasspiegel weisen aus Festigkeitsgründen eine Dicke von 3 mm bis 5 mm auf. Die Dimensionierung der Stahlträgerkonstruktion ergibt sich aus der maximalen Windgeschwindigkeit, bei der die Spiegel noch zum Einsatz kommen sollen, wobei noch eine ausreichende Steifigkeit der Konstruktion zum Zweck der eindeutigen Abbildung der reflektierten Sonnenstrahlung auf die Absorberfläche gegeben sein muss. Die maximale Windgeschwindigkeit für den Betrieb der heute bekannten Heliostate liegt zwischen 40 und 50 km/h. Bei höheren Windgeschwindigkeiten müssen sie in eine die Windlast reduzierende Stellung gebracht werden.
In 4 sind fünf bekannte Formen von Heliostaten dargestellt, die zur Konzentration von Sonnenstrahlung entwickelt wurden. Die unterschiedlichen Größen der dargestellten Heliostaten geben die Größenrelationen wieder. Dabei reicht die realisierte Spiegelfläche von einigen Qudratmetern bis zu ca. 150 qm pro Heliostat.
In 5 ist das Prinzip eines an sich bekannten Solarturmkraftwerkes dargestellt. Es zeigt ein Array von auf der Erdoberfläche angeordneten Heliostaten 10, deren reflektierende Oberflächen 2 in der Kontur eines Paraboloiden angeordnet sind, der für einfallendes paralleles Sonnenlicht 7 einen Fokalpunkt 11 der reflektierten Strahlung auf der Absorberfläche besitzt.
Nachteilig an den bekannten Parabolrinnenkonzentratoren wie auch an den bekannten Heliostaten ist zudem, dass sie einen erheblichen Aufwand für die Reinigung der Anlagen erfordern, da die großen Spiegelflächen häufig nur über Hebebühnen für das Reinigungspersonal erreichbar sind.
Neben den angegebenen Nachteilen weisen die beschriebenen, heute in der Solarenergietechnik eingesetzten Konzentratoren für Sonnenlicht, insbesondere die verwendeten Heliostate, hohe Material- und Herstellungskosten sowie ein hohes Gewicht auf. Betrachtet man das spezifische Gewicht in Bezug auf die Spiegeloberfläche der heute üblichen Heliostate, dann liegt dieses zwischen 25 kg/m² und 60 kg/m² Spiegeloberfläche. Dieses Gewicht basiert auf der notwendigen Steifigkeit der Heliostate und kann bei gleichen oder ähnlichen Ausführungsformen aus statischen Gründen kaum gesenkt werden. Versuche mit Leichtbaumaterialien erbrachten wegen der damit einhergehenden höheren Materialkosten keine signifikanten Vorteile.
Aus DE 296 17 111 U1 geht ein justierbarer Reflektor hervor, der aus zwei planparallelen Platten besteht, zwischen denen eine Vielzahl von kugelförmigen Reflektorelementen durch Haftreibung gehalten wird. Durch Verschieben der Platten gegeneinander, ohne Änderung des Abstands der Platten, werden die Kugeln, und damit ihre Reflektorebene, verschwenkt.
Aus DE 27 22 992 A1 ist ein Sonnenstrahlungskollektor bekannt, der aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche, einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche und einer Steuereinheit besteht. Die reflektierenden Oberflächen haben einen Durchmesser von 1,02 m. Als Antriebeinheiten dienen digital gesteuerte Schrittmotoren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht derart auszubilden, dass die aufgeführten, sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vermieden werden und die Vorrichtung ein geringeres, auf die reflektierende Fläche bezogenes, spezifisches Gewicht aufweist und kostengünstiger herstellbar ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche und jeweils einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche, und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes steuert. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine reflektierende Oberfläche einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwischen 10^–8 m² und 0,5 m², insbesondere zwischen 10^–8 m² und 10^–4 m², aufweist und um mindestens 2 Achsen bewegbar ist, und dass die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.
Durch den Einsatz von Mikroaktuatoren zur Bewegung der mindestens einen reflektierenden Oberfläche einer Reflektoreinheit in mindestens zwei unabhängigen Achsen und die Verwendung von kleinen reflektierenden Flächen zwischen 10^–8 m² und 0,5 m², sind die Reflektoreinheiten der vorliegenden Vorrichtung mit geringen Bauhöhen von wenigen Millimetern bis zu einigen Dezimetern herstellbar.
Als Mikroaktuatoren können bspw. an sich bekannte hydraulische, insbesondere mikrofluidische Stellelemente zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann der Mikroaktuator auch ein piezoelektrischer Wandler sein oder zumindest einen piezoelektrischen Wandler enthalten. Die Mikroaktuatoren sind mit einer Steuereinheit verbunden und werden von dieser gesteuert. Die Mikroaktuatoren bewegen nach einem entsprechenden Signal der Steuereinheit die reflektierende Oberfläche einer Reflektoreinheit in eine gewünschte Stellung. Durch die damit einhergehende Änderung des Winkels zwischen der Einfallsrichtung des einfallenden Lichts und der reflektierenden Oberfläche kann die Richtung der reflektierten Strahlung direkt beeinflusst und gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Mikroaktuatoren derart ausgebildet und angeordnet, dass sie bei Stromausfall die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten in eine Ausgangslage bringen, in der keine konzentrierende Wirkung für einfallende Licht auftritt. Diese Ausgangslage kann eine horizontale Lage sein. Dies verhindert ein Überhitzen der Absorberfläche.
Die reflektierende Oberfläche einer Reflektoreinheit ist dabei in der bevorzugten Ausführungsform eben ausgebildet und besteht aus einem Einzelspiegel, insbesondere aus einem eloxierten Aluminiumspiegel, einem Membranspiegel oder einem silberbeschichteten Polymerspiegel. In weiteren Ausführungsformen kann die spiegelnde Oberfläche unterschiedlich zwei- oder dreidimensionale geformt sein, bspw. konkav gekrümmt oder gewölbt sein. Im letztgenannten Fall tritt durch die Reflexion an der reflektierenden Oberfläche eine zusätzliche Konzentration des einfallenden Lichtes auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Reflektoreinheiten. Die Reflektoreinheiten sind dabei vorzugsweise in einem oder mehreren Arrays horizontal oder ebenerdig bzw. nur leicht geneigt angeordnet und fest montiert. Die Steuereinheit ist derart ausgeführt, dass sie die zu Arrays zusammengefassten Reflektoreinheiten, d. h. die jeweiligen Antriebseinheiten individuell oder in Gruppen in mindestens zwei unabhängigen Bewegungsachsen steuert. Damit die Vorrichtung erfindungsgemäß als Konzentrator für Licht einsetzbar ist, müssen die einzelnen reflektierenden Oberflächen gemäß der bestehenden, festen Anordnungsgeometrie der Reflektoreinheiten und der Projektionsfläche abhängig von einer ggf. variablen Position der Lichtquelle, bspw. der Sonne, gesteuert werden. Die Steuereinheit ist daher in einer Ausführungsform zur Kompensation des variablen Sonnenstandes derart ausgebildet, dass sie die Mikroaktuatoren und damit die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten nach einem Sonnenstandsalgorithmus steuert. In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der aktuelle Sonnenstand von der Steuereinheit mittels eines oder mehrerer dafür geeigneter Strahlungssensoren ermittelt und zur Steuerung der Mikroaktuatoren verwendet.
Durch die gegenüber den bekannten Heliostaten vergleichsweise geringe Bauhöhe, verlieren die von den Reflektoreinheiten bei Installation in freier Umgebung aufzunehmenden Windlasten ihren wesentlichen Einfluss auf die Dimensionierung der Reflektoreinheiten hinsichtlich Materialauswahl und Strukturfestigkeit. Hierdurch werden vor allem Gewichtseinsparungen und damit erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung erzielt.
Aufgrund der bevorzugten ebenen Anordnung der Reflektoreinheiten kann oberhalb der Reflektoreinheiten zum zusätzlichen Schutz gegen Windeinfluss, Verschmutzung oder andere Umwelteinflüsse eine lichttransparente Abdeckung installiert werden. Zudem können seitliche Einfassungen vorgesehen werden, die zum besseren Schutz der Vorrichtung mit der transparenten Abdeckung verfügt werden können. Die transparente Abdeckung sollte vorteilhafterweise ein- oder beidseitig verspiegelt sein.
Darüber hinaus ist es möglich, die Vorrichtung als komplette Baueinheit aufzubauen. Dabei sind die Reflektoreinheiten auf einer Bodenplatte montiert und diese bildet zusammen mit daran fest verfügten seitlichen Einfassungen und der transparenten Abdeckung eine Baueinheit mit einer Bauhöhe von wenigen Millimetern bis einigen Dezimetern.
Zur Reinigung der transparenten Abdeckung könnte in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ein automatisches oder halbautomatsiches Reinigungssystem vorgesehen werden.
Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung ist die Solarenergietechnik. Darüber hinaus ist sie auch für optische Anlagen zur Bildprojektion, bspw. für Werbezwecke oder zur Tageslicht-Leitung und Tageslicht-Lenkung in Gebäuden einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik zusammenfassend folgende Vorteile auf:

– Bei Solarturmanlagen hängt heute die Variabilität der Strahlungsflussverteilung auf der Absorberfläche von der Größe des Strahlungsbildes eines einzelnen Heliostaten auf der Absorberfläche ab. Je kleiner das Bild ist, umso besser können gewünschte meist möglichst homogene Strahlungsflussverteilungen unter extremen Einstrahlungsbedingungen erzielt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt die Bedingung eines kleinen Strahlungsbildes im besonderen Maße durch die sehr kleinen und flachen Einzelspiegel.
– Durch eine ebenerdige bzw. nur leicht geneigte aber feste Montage der Refektoreinheiten verlieren die Windlasten ihren wesentlichen Einfluss auf die Dimensionierung der Refektoreinheit, wodurch die Refektoreinheiten auch bei höheren Windgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen können und die Effizienz von Solaranlagen erheblich gesteigert wird.
– Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Reduktion des Gewichts und damit des Materialaufwands auf wenige kg/qm Spiegeloberfläche und bietet dadurch ein hohes Kostenreduktionspotential.
– Bei einem Stromausfall fahren die einzelnen reflektierenden Oberflächen bspw. in eine horizontale Ausrichtung zurück und defokussieren die Abbildung (Strahlung auf der Absorberfläche). Hierdurch verringern sich die Anlagenkosten bspw. eines Solar-thermischen Kraftwerks, da auf eine schnelle Notstromversorgung für die Reflektoreinheiten verzichtet werden kann. Die schnelle Notstromversorgung ist bei den heutigen Heliostaten erforderlich, da diese bei Stromausfall in ihrer Position verharren, was zur Zerstörung des dann ungekühlten Absorbers führen kann. Zusätzlich werden bauliche Maßnahmen ergriffen, um den Absorber zu kühlen.
– Durch die erzielbare flache Bauweise wird eine Integration des Konzentrators als Fassadenelement oder Dachelement ermöglicht. Hierdurch ergeben sich völlig neue Anwendungen z. B. bei der Tageslichtnutzung über Light-Pipes.
– Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bereits in kleinen Baugrößen von wenigen Quadratmetern in der Lage, hohe Konzentrationen von Licht (> 1000 kW/m) in variablen Brennpunkten zu erzeugen. Hierdurch wird es erstmalig möglich, kleine dezentrale Kraftwerkseinheiten (z. B. mit Sterling Motor) zu schaffen, die auf Schräg- und Flachdächern zur Kraftwärmekopplung eingesetzt werden können.
– Wegen der nahezu horizontalen Anordnung der Reflektoreinheiten und der beschriebenen Verkapselung lassen sich diese einfach mit einem automatischen Reinigungssystem reinigen.
– Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht wie schon ausgeführt eine nahezu beliebige Ausleuchtung einer Bildfläche. Hierdurch eignet sie sich besonders für die Kombination mit Solarzellen zur fotoelektrischen Stromerzeugung aus konzentrierter Solarstrahlung, da sie hinsichtlich der Strahlungsdichte eine nahezu homogene Ausleuchtung der Solarzellen garantiert. Lässt sich der Energieeintrag pro Zelle oder einer Anzahl von Zellen erfassen, z. B. durch Widerstandsmessung, dann kann die Strahlungsflussverteilung auf die Zellen über die Ansteuerung der einzelnen Reflektoreinheiten gemäß einer optimalen energetischen Nutzung der Strahlung gesteuert werden.
– Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch zur Erzeugung einer linienförmigen Abbildung der einfallenden Strahlung, wie dies in Parabolrinnenkonzentratoren der Fall ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Strahlung zu jeder Zeit so gelenkt werden, dass alle Strahlung ausschließlich auf das Absorberrohr fällt und die Faltenbalgverbindungen von der Bestrahlung ausgenommen werden. Der heutige Verlust durch die Bestrahlung der Faltenbälge entspricht etwa 5% der konzentrierten Strahlung eines Parabolrinnenkraftwerks.
– Da heute bekannte Parabolrinnenkonzentratoren nur in einer Achse gemäß dem momentanen Sonnenstand geneigt/gedreht werden, geht an den Enden des Paraborinnenkonzentrators durch den nicht senkrechten Einfall der Strahlung in der axialen Richtung des Parabolrinnenkonzentrators immer ein Teil der Strahlung verloren. Auch dies lässt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Steuerung der einzelnen reflektierenden Oberflächen vermeiden.
– Auf Grund der planar ausgerichteten Bauweise und der kleinen Spiegelflächen ergibt sich eine Gewichtsreduzierung, wodurch sich völlig neue Anwendungsgebiete erschließen. Die Nutzung im häuslichen Bereich zur dezentralen Energie- und Wärmeversorgung wird möglich, da die Reflektoreinheiten platzsparend und ohne die Notwendigkeit einer massiven Unterkonstruktion auf Dachflächen montiert werden können.
– Durch die Fähigkeit, das reflektierte Licht besser konzentrieren und leiten zu können, wird eine Effizienzsteigerung erreicht. Dadurch kann Spiegelfläche eingespart werden bzw. mit der gleichen Spiegelfläche eine höhere Lichtausbeute erzielt werden.
– Die Reflektoreinheiten können durch die erheblich reduzierten Windlasten auch bei höheren Windgeschwindigkeiten betrieben werden, wodurch sich Möglichkeiten des Einsatzes an der Küste oder im Offshore-Bereich ergeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des durch die Ansprüche vorgegebenen Schutzbereichs anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Dabei zeigt
1a arrayförmige Anordnung von Reflektoreinheiten mit quadratischen reflektierenden Oberflächen,
1b, c Querschnitte durch das Array der 1a entlang der Schnittlinien A-A (1b) und B-B (1c),
2 schematische Darstellung des Strahlengangs bei der Konzentration von einfallendem parallelem Licht nach Reflexion an den reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten,
3 schematische Querschnittsdarstellung eines Parabolrinnenkonzentrators mit Strahlengang (Stand der Technik),
4 schematische Darstellung bekannter Heliostaten (Stand der Technik), und
5 schematische Darstellung eines solarthermischen Kraftwerks mit angeordneten Heliostaten und einer erhoben angebrachten Absorberfläche (Stand der Technik).
Wege zur Ausführung der Erfindung
In 1a ist eine erfindungsgemäße arrayförmige Anordnung von Reflektoreinheiten 1 mit einzelnen quadratischen, reflektierenden Oberflächen 2 schematisch dargestellt. Die reflektierenden Oberflächen 2 der einzelnen Reflektoreinheiten 1 sind um zwei unabhängige Bewegungsachsen 3 bewegbar.
In den 1b und 1c sind die Stellungen der einzelnen reflektierenden Oberflächen 2 entlang der Schnittlinien A-A und B-B durch das Array der Reflektoreinheiten 1 für den Fall einer nahezu punktförmigen Konzentration des einfallenden parallelen Lichts dargestellt. Die Reflektoreinheiten 1 sind auf einer Bodenplatte 4 montiert. Das Array der Reflektoreinheiten 1 ist von einer seitlichen Umrandung 5 und einer transparenten Abdeckplatte 6 umfasst, die miteinander und mit der Bodenplatte 4 fest verfügt sind. Die 2 zeigt schematisch den gemäß der und auftretenden Strahlengang.
Die Reflektoreinheiten können bei weiteren, nicht dargestellten Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit einzeln oder in Gruppen so angesteuert werden, das aus beliebigen Strahlungsquellen wie Punktstrahlern (Glühbirne) Röhrenstrahlern (Leuchtstoffröhre) oder parallelem Licht (Sonne) Abbildungen mit nahezu beliebiger Geometrie (punktförmig, rechteckig, linienförmig, unterbrochene Linien etc.) erzeugt wird.
Die 3 bis 5 stellen Vorrichtungen des Standes der Technik dar und wurden bereits in der Beschreibungseinleitung näher erläutert.
Bezugszeichenliste

1: Array von Reflektoreinheiten
2: Reflektierende Oberfläche
3: Unabhängige Bewegungsachsen
4: Bodenplatte
5: Seitliche Umrandung/Einfassung
6: Abdeckplatte
7: Einfallendes (paralleles) Licht
8: Absorberrohr
9: Glashüllrohr
10: Array von Heliostaten
11: Fokalpunkt

Claims

Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht (7), insbesondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche (2) und jeweils einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche (2), und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes (7) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine reflektierende Oberfläche (2) einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwischen 10^–8 m² und 10^–4 m² aufweist und um mindestens 2 Achsen (3) bewegbar ist, und dass die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die Reflektoreinheiten nach einem Sonnenstandsalgorithmus steuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mit mindestens einem Strahlungssensor verbindbar ist, dass die Steuereinheit und der Strahlungssensor derart ausgebildet sind, dass sie die Ermittlung des Sonnenstandes ermöglichen, und dass die Steuereinheit die Antriebseinheiten und damit die reflektierenden Oberflächen (2) abhängig von dem mit dem Strahlungssensor erfassten Sonnenstand steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren hydraulische, insbesondere mikrofluidische Stellelemente sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren piezoelektrische Wandler sind oder zumindest einen piezoelektrischen Wandler enthalten.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Reflektoreinheiten eine transparente Abdeckung (6), insbesondere aus Glas oder Plexiglas, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitliche Einfassung (5) und eine transparente Abdeckung (6) vorgesehen sind, die miteinander zum Schutz der Reflektoreinheiten verfügt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten auf einer Bodenplatte (4) aufgebracht sind und zusammen mit der seitlichen Einfassung (5) und der daran angefügten transparenten Abdeckung (6) eine Baueinheit mit einer Bauhöhe von wenigen Millimetern bis einigen Dezimetern bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung (6) ein- oder beidseitig entspiegelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten in einer Ebene oder annähernd eben angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten in einem Array (1) oder in mehreren Arrays angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche aus einem Einzelspiegel besteht, insbesondere aus einem eloxierten Aluminiumspiegel, einem Membranspiegel oder einem silberbeschichteten Polymerspiegel, wobei der Einzelspiegel eben, zwei- oder dreidimensional geformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgeführt ist, dass die Reflektoreinheiten individuell oder in Gruppen in mindestens zwei Achsen steuerbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie bei einem Stromausfall die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten in eine Ausgangslage bringen, in der keine konzentrierende Wirkung für das einfallende Licht auftritt.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Konzentration von Sonnenlicht bei Solaranlagen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Konzentration von Licht aus Punktquellen, Linienquellen, oder Parallelstrahlungsquellen auf eine beliebige Geometrie.