DE102005060150A1

DE102005060150A1 - Vorrichtung zur Steuerung von Parabolspiegeln zur Komprimierung von Strahlen ausgehend von einem beweglichen Ursprung (z.B. Sonnenstrahlen)

Info

Publication number: DE102005060150A1
Application number: DE102005060150A
Authority: DE
Inventors: Wernfried Langer
Original assignee: Langer Wernfried Minburi
Current assignee: Langer Wernfried Minburi
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Steuerung eines Parabolspiegels zur optimalen Ausnutzung der Sonnenstrahlen und der Rückstrahlung

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung von Parabolspiegeln zur Komprimierung von Strahlen (z. B. Sonnenstrahlen).
Aus den Stand der Technik sind Anlagen zur Nutzung der Sonnenstrahlen bekannt, wobei ein Spiegelsystem einfallende Sonnenstrahlen auf einen Heliostaten oder auf einen Motor bündelt. Der Unterschied liegt in der Ausnützung der Wärmeenergie und der damit erzeugten Wärme. Der Sterling Motor hat eine Ausnutzung von ca 30 bis 40 %. Der Parabolspiegel mit den Reflektoren in Villigen, Schweiz, erbringt nur 20 % und die Spiegelanlage in Mount – Louis, Südfrankreich, liegt bei nur 8 % der Spiegelfläche im Verhältnis zur Temperatur. Bei meiner Erfindung ist durch die besondere Herstellung und die Steuerung auf ein tausendstel genau eine Umsetzung der Wärmeenergie zu mehr als 90 % gegeben. Eine Temperatur von 2.500 Grad werden bei fünf Meter Durchmesser erzielt. Für die Temperatur von 2.000 Grad werden in der Schweiz eine Spiegelfläche von 22 Quadratmeter und ein Parabolspiegel mit 8 Meter Durchmesser benötigt.
Durch den Aufbau der Steuerung können die Sonnenstrahlen maximal gebündelt werden. Gegenüber der von mir am 25. 2. 1994 unter dem Aktenzeichen DE 4406 365 A1 eingereichten Patentanmeldung wird mit dieser Anmeldung nur die Steuerung der Spiegel beantragt. Die damals angegebene paralaktische Steuerung ist ungenau und führt nicht zu dem von mir gewünschten Ergebnis.

Stand der Technik – nach meinem Wissen –

1. Parabolspiegel

a) Unterschiedliche Formen und auch Teilbereiche zur Aufnahme von Wellen zur Kommunikation, Radio, TV, Funk und anderem.
b) Meistens nur aus Blech, Draht oder Kunststoff- seltener andere Materialien –.
c) Beschichtungen: Farbe, Isoierstoffe, Lacke und kerosionsbeständige Stoffe

2. Ausnahmen durch Größe

a) PSI – Paul Scherer Institut, Villigen, Schweiz.
Die Sonnenstrahlen werden über schwenkbare Spiegel auf den Parabolspiegel (ca 8 Meter Durchmesser) – soweit mir bekannt – bestehend aus Silberplatten auf einem feststehendem Gestell, gespiegelt. Von hier auf einen Heliostaten gebündelt. Die Temperatur im Heliostaten beträgt ca 2.000 ° Celsius. – bekannt durch Zeitungsanzeigen und Berichte sowie eigene Veröffentlichungen
b) Anlagen in Frankreich z. B. Mont Louis, Südfrankreich Mehrere Spiegel (schwenkbar) spiegeln die Sonnenstrahlen auf einen Parabolspiegel (aus mehreren Spiegelteilen) und von da auf einen Heliostaten. Durch die Vielzahl der Spiegel mehr als 6 Stück (in der Schweiz nur 2) werden Temperaturen bis zu 4.000 ° Celsius erzielt.

3. Sonnenöfen der Universitäten

Meistens sind es Platten, die die Krümmung wie bei einem Hohlspiegel bis zum Parabolspiegel aufweisen, um die Sonnenstrahlen zur Wärmeerzeugung zu verwenden. Im Brennpunkt wird ein Topf zum Kochen positioniert. Die Aufhängungsarten sind unterschiedlich. Die Idee ist deutsch. Die afrikanische Hausfrau soll damit kochen. Die afrikanische Frau ist jedoch in der Mittagszeit auf dem Feld und nicht zu Hause um zu kochen. Gekocht und gegessen wird abends, wenn die Sonne untergegangen ist.

4. Sterling Motor

Auch hier wird im Mittelpunkt (Brennpunkt) die Wärme zum Verkochen oder Erhitzen von Flüssigkeiten oder Gas genutzt. Ein grosses Modell ist vor dem Gebäude des Krick – Verlages in Würzburg-Randersacker aufgestellt. Das graue Gebäude ist von der Autobahn aus zu sehen.

Unterschiede zu meiner Entwicklung

1. Parabolspiegel

Durch den Einsatz meines Parabolspiegels werden höhere Temperaturen – im Verhältnis zur Größe – wie bei den meisten bekannten Geräten erzielt. Der Spiegel wird computergesteuert aus einer Aluminumlegierungsplatte gepreßt. Danach wird er mit Spezialmitteln hochglanz poliert. So ergibt sich ein fast optimales Ergebnis von 1,4 ° Celsius pro Quadratzentimeter Spiegelfläche.

2. Zentrierung der Sonnenstrahlen

Die weitere Zentrierung der Sonnenstrahlen wird durch eine Linse und einen Sekundärspiegel kurz hinter dem Brennpunkt des Parabolspiegels erreicht. Durch eine weitere Linse kurz vor dem Mittelpunkt des Parabolspiegels bewirkt eine weitere Konzentrierung .

Die Sonnenstrahlen werden so auf eine Fläche von zehn Quadratmillimeter komprimiert und auf ein Medium reflektiert. Das Medium gibt diese Wärme in einen Kessel. Dies ist eine Änderung der bestehenden Systeme. Durch diese Änderung in der Führung der Sonnenstrahlen und der Verkürzung des Weges wird der Verlust an Energie so gering wie möglich gehalten. Der Energieverlust kann nur noch geringfügig durch andere optische Mittel verbessert werden.

3. Steuerung nach dem Sonnenstand

Die mir bisher bekannteste und genaueste Steuerung ist die bei der Anwendung des Sterling Motors. – paralaktische Aufhängung des Spiegels. – Die photoelektrische Steuerungen sind zur Zeit noch zu ungenau. Bei der Veränderung der Sonneneinstrahlung (z. B. Wolken) wird der Spiegel meistens in die Grundstellung gefahren. Wenn die Wolken vorbeigezogen sind, ist der Spiegel wieder in die optimale Stellung zu bringen. Dies ist ein Zeit und Energieverlust Meine elektronische Steuerung ist teilweise paralaktisch und teilweise starr. Durch diese Kombination ist es möglich den Spiegel auf ein tausendstel genau zu steuern. Das heißt um die optimale Einstrahlung zu erhalten, benötigen wir bei der Aufstellung des Gerätes den Längen- und Breitengrad. Bei dem halben Erdumfang von 20.000 km ist der Aufstellungskreis auf 20 km begrenzt. Der Spiegel wird mit dieser Steuerung genau nach dem Sonnenstand geführt. Durch die genaue Festlegung des Betriebsbeginns wird auch der Sonnenaufgang und der Sonnenuntergang programmiert. Der Stabilisierungsrand des Spiegels wirft keinen Schatten – gleich welcher Tageszeit und Aufstellungsort –.

4. Wirtschaftlichkeit

Die mir bekannten Sonnenöfen sind außer den Vorführgeräten und wenigen Geräten nicht in großer Stückzahl verwendet worden. Die Einsatzziele sind zwar gut gewählt, jedoch für den stundenweisen Einsatz zu teuer.

Zu dem Parabolspiegel und seiner Steuerung gehört auch der Kessel zum Verkochen des Meerwassers und der Turbine zur Stromge winnung. Diese Anlage ist autarkt. Sie benötigt keine andere Energie. Für den Start sind Batterien, die durch die eigene Stromgewinnung immer wieder aufgeladen werden, vorhanden.

5. Größe

Die Spiegelanlage ist in unterschiedlicher Größe machbar. Geplant sind Spiegel mit folgenden Durchmessern 60 cm, 100 cm, 120 cm, 140 cm und größer. Auch kleinere Spiegel sind möglich, die jedoch die gewünschte Leistung – nach meiner Vorstellung – nicht bringen. Die Größe ist entscheidend für die gewünschte Leistung. Die Größe ist auch ein wesentlicher Faktor für die Meerwasserentsalzung. Die Minianlage ist ca 70 cm breit, ca 90 cm tief und ca 200 cm hoch. Auch ist die Minianlage – nach dem Abschrauben der Zu- und Ableitungen – transportabel. Sie kann während der Wintermonate in einem Lagerhaus oder einer Garage untergestellt werden.

Die Klein- und alle größeren Anlagen sind aufgrund ihres Gewichtes Standgeräte.

Die Großanlage (Solarkraftwerk) liegt bei der Größe eines Fußballfeldes zuzüglich der Gebäude für die Großturbine, den Generator und die Steuerung.

6. Umwelt

Die Energieerzeugung ist absolut sauber. Die Rückstände an Salz sind nach der Reinigung oder im Naturzustand zum Verkauf geeignet. Das Meersalz wird auch als Heilmittel verwendet.

In wieweit sich die Umwelt (Landschaft) durch die Bewässerung ändert, liegt an den Nutzern der Anlage. Die agrarmäßige Nutzung von vertrockneten Feldern und Wüsten wird zu einer sozialen Strukturveränderung führen. Die Stromerzeugung wird die Möglichkeiten zum Aufbau von industriellen Betrieben geben.

Das beste Ergebnis wird somit bei intensivster Einstrahlung erzielt. Dies ist auch die Zeit der größten Trockenheit. Die Gefahr von Bränden steigt erheblich. Eine intensive Bewässerung, die Anlage von Wasserresservoirs und die Füllung von Stauseen sind einige Maßnahmen zur Eindämmung dieser Gefahr. Der Verlust an Erntefrüchten, das Verdursten von Vieh und der Wiederaufbau bereits aufgegebener Flächen in der Landwirtschaft sind Wege, die durch die Meerwasserentsalzung und die Nutzung des Wassers verhindert, bzw. rückgängig gemacht werden können.

Dies führt zu einer sozialen Struktwänderung in den bewässerten Gebieten und eine Verbesserung der Lebensqualität der dortlebenden Personen. In der Dritten Welt führt es zur Schaffung von Arbeitsplätzen auch im Umfeld der Wasserversorgungsanlagen.

Unterschiede in den Zielen

1. Die Ziele bei den kleinen Geräten

Bei den Sonnenöfen der Universitäten ist die Masse des zu erwärmenden durch die Größe des Topfes vorgegeben. Beim Sterling Motor ist die Fläche bzw. das Volumen für die Erwärmung durch die Leitungen und den Durchfluß begrenzt. Im Gegensatz dazu wird bei meinem Gerät durch die Übertragung der Wärme auf ein Medium und der wesentlichen Erweiterung der Kontaktfläche im Kessel ein viel größerer Erfolg erzielt. Dies ist nur durch die optimale Steuerung des Parabolspiegels möglich.

Die mit dieser Steuerung möglichen Geräte sind auch in verschiedenen Größen herstellbar.

Das erste Ziel dieser Anlage ist die Meerwasserentsalzung zur Herstellung von Wasser für die Landwirtschaft und – nach der Sandfiltration – Trinkwasser.

Das zweite Ziel ist die Reinigung von verschmutztem Wasser. Durch den Energieüberschuß bei der Erwärmung des Wassers ist die Stromproduktion in nicht unerheblichen Maße möglich.

2. Die Ziele bei den großen Anlagen

Die Ziele des Paul Scherer Instituts sind die Stromgewinnung, um daraus die anschließende Wasserstoffgewinnung durch zu führen. Das mir so dargestellte Verfahren ist – meiner Meinung nach – für die Forschung sehr interessant, jedoch für die Wasserstoffproduktion – im größerem Stil – zu teuer und zu umständlich. Die Ziele der französischen Anlagen sind mir nicht bekannt. Sie dürften jedoch ähnlich sein.

Bei einer Vergrößerung des von mir vorgesehenen Parabolspiegels auf fast fünf Meter Durchmesser ergibt sich eine Temperatur von ca 2.500 ° Celsius. Ab der Temperatur von ca 2.000 ° Celsius spaltet sich der Wasserdampf in Wasser- und Sauerstoff. Somit ist diese Energiegewinnung leichter und kostengünstiger zu erreichen, wie es bei den derzeitigen Verfahren möglich ist.

Einige Zahlen des Spiegels und des Gerätes

1. Parabolspiegel

Das Ergebnis meiner Messungen beträgt durch die computergesteuerte Pressung des Parabolspiegels und die Polierung der Aluminiumlegierung fast 1,4 ° Celsius Erwärmung pro Quadratzentimeter der Spiegelfläche. Bei dem verwendeten Spiegel von 60 cm im Durchmesser (Fläche 282,743 Quadratzentimeter) ergibt dies eine rechnerische Temperatur von 395,8 Grad Celsius im Brennpunkt. Gemessene Temperatur bei nicht optimaler Einstrahlung am Medium 362 ° Celsius.

2. Temperatur im Medium

Der Wärmeverlust bei der Übermittlung dieser Wärme in den Kessel beträgt ca 30 %. Genaue Messungen sind bei dem derzeitigen Versuchsgerät technisch nicht möglich.

Die maximale Temperatur des Mediums bei diesem 60 cm Spiegel liegt bei 390 ° Celsius an der Spitze, bei ca 270 ° am oberen Kesselrand und ca 200 ° im Wasser.

Bei diesen Temperaturen verdampft das Wasser.

3. Turbine

Um den Überdruck auszugleichen, wird der Dampf über eine Turbine abgeleitet. Damit das Meerwasser nicht zurückfließt, wird es mit zwei bar Druck in den Kessel gepumpt. Dies ergibt den Ausstoß von ca 2.000 Liter destilliertem Wasser.

Die vorgesehene Miniturbine (Durchmesser des Turbinenrades ca 100 mm) bringt durch den hohen Druck des Dampfes voraussichtlich 220 Volt.

Der Strom wird für die Eigenversorguing benötigt. Überschüssiger Strom wird in den Batterien, die zum Gerät gehören, gespeichert.

4, Größere Geräte

Durch die Vergrößerung des Spiegels werden die Temperaturen gesteigert. Die Vergrößerung der Kessel und der Pumpen ergeben einen größeren Durchfluß. Bei der Kombination von mehreren Geräten ist es möglich ein Solarkraftwerk zu erstellen. Bei der Größe eines Fußballfeldes sind Ergebnisse von 200 Megawatt möglich. Wasserausstoß 100.00 Liter Wasser pro Stunde. 350 Kilogramm Salz pro Stunde.

Problematik der Sonneneinstrahlung – Aufgabe –

1. Die Änderung des Standes der Sonne im Winter (21.12.) und im Sommer (21.6.).
2. die tägliche Veränderung bei der Einstrahlung zwischen dem südlichem und dem nördlichem Wendekreis. (Die Einstrahlung bei einem Winkel von 90 Grad verschiebt sich pro Tag um ca 30 km.)
3. der tägliche Ablauf von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang.

Beschreibung des Aufbaus der Steuerung und des Spiegels – Lösung –
1. Ebene
Auf der feststehenden waagerechten Grundplatte (1) wird eine drehbare Platte (2) aufgesetzt. Die drehbare Platte hat am Außenrand einen Zahnkranz (3). Zur Sicherung dieser Platte werden an drei Positionen (im Winkel von je 90 Grad) Sicherungszahnräder (4) (frei drehbar) angebracht. Die vierte Position wird mit einem Schrittmotor (5) besetzt. Der Schrittmotor betreibt ein Zahnrad (6) zur Drehung der Platte. Die Grundplatte ist in Nord – Süd Richtung aufzustellen. (Bei einer Aufstellung nördlich des Äquators.) Die Südrichtung ist vorne. Der Motor sollte auf die Position Nordwest oder Nordost angebracht werden.
2. Ebene
Auf dieser Platte (2) ist eine weitere Platte (7) im hinteren Bereich anzubringen. Diese Platte (7) sollte die Länge von 1/2 bis 2/3 des Durchmessers der Platte (2) haben und quadratisch sein. Zur Befestigung können kurze Winkel verwendet werden. Diese Platte ist je nach Einsatzort in unterschiedlichen Winkeln anzubringen. An dieser Platte (7) sind zwei schrägverzahnte Kitzel (9) am äußeren Achtel anzubringen. Im Winkel von 90 Grad sind zwei Kugelringe (10) auf der Platte zu fixieren (11). Die Kugelringe (10) sind wie folgt zu fertigen: Der Durchmesser dieser Kugelringe ist mindestens derselbe wie der Druchmesser des verwendeten Parabolspiegels für den sie verwendet werden. (Bei einem Einsatz zwischen dem nördlichen und dem südlichen Breitengrad.) Bei Aufstellungen außerhalb dieses Bereiches sind die Kugelringe länger. Die Kugelringe sind innen und an den beiden Außenseiten geschlossen.
Im Innern sind die Kugeln (12) in einem kurzen Abstand eingelagert. Sie sind drehbar nach allen Richtungen und stehen mit drei Millimeter aus dem Kugelring hervor und somit eine Beweglichkeit der Ringe zu ermöglichen. An der äußeren Seite dieser Kugelringe sind schrägverzahnte Ritzel (13) anzubringen. An der Platte (7) sind je Kugelring (10) ein Schrittmotor (14) mit Kegelkopf (15) anzubringen.
In der Rundung dieser Kugelringe (10) ist eine Querverstrebung (16) anzubringen. Im Ruhezustand ist diese Querverstrebung waagerecht. Die Querverstrebung (16) hat die Länge von (1/3) des Spiegeldurchmessers.
3. Ebene
Auf dieser Querverstrebung sind an den äußeren Enden je zwei Stangen (17) anzubringen. Diese Stangen sind in einem Winkel von 66,5 Grad gegeneinander aufzustellen. In der Spitze sind die Stangen (17) abzurunden und zu verbinden. Die obere Hälfte zwischen den Stangen (17) ist mit einer Platte (18) auszufüllen. In diese Platten ist jeweils ein Loch für die Spiegelachse (14) zu bohren. Neben dieser Platte ist jeweils ein Zahnrad (20) fest mit der Achse zu verbinden. Die Größe des Zahnrades (20) sollte 10 % der Spiegelgröße sein. Seitlich des Zahnrades (20) ist ein Ritzel (21) und ein Schrittmotor (22) mit einer Kegelsteuerung (23) anzubringen (Gum Drehen der Spiegel-Achse 19). Die Achse hat im Ruhezustand die Nord – Süd – Richtung. Die Achse (14) erstreckt sich von den beiden Sicherungsrändern des Parabolspiegels (24) bis zu den Sicherungsblöcken (25) fast bis zum Mittelpunkt des Parabolspiegels (26). Die Achse ist in einem geringen Abstand zum Mittelpunkt des Parabolspiegels zu positionieren. In der Mitte ist die Achse für das Medium unterbrochen. Die Sicherungsblöcke (25) sind auf der Unterseite des Parabolspiegels angebracht. Die Befestigungsschrauben hallen auf der oberen Seite des Parabolspiegels die Stangen für die Linsen und den Sekundärspiegel. Die Sicherungsblöcke sind ebenfalls fest mit der Spiegelachse (19) verbunden. Durch die Steuerung über das Zahnrad (21), das Ritzel (22), den Kegelkopf (24) und den Schrittmotor ist der tägliche Ablauf von morgens nach abends geregelt. Über die Kugelringe (10) mit ihrer Steuerung und die Platte (2) wird der unterschiedliche Sonnenstand nachgeführt. Die Öffnung im Mittelpunkt des Spiegels sollte in der Kegel zwischen 6 und 10 Zentimeter sein. Der Abstand zwischen Der Öffnung im Mittelpunkt des Parabolspiegels und der Spiegelachse (19) sollte ca 8 cm sein.
4. Ebene
Im Innenraum des Spiegels sind mittels zweier Stäbe der Sekundärspiegel und die Linsen zur weiteren Komprimierung der Strahlen angebracht. Bei zu hohen "Temperaturen sind die Linsen durch andere Materialien zu ersetzen.
Duch die computergesteuerten Schrittmotoren und die Schrägverzahnung ist die Einstellung auf ein Tausendstel genau möglich. Die Software wird auf den Sonnenaufgang und Sonnenuntergang des jeweiligen Aufstellungsortes programmiert. Bei richtiger Programmierung des Aufstellungsortes ergeben sich keine Schatten am Stabilitätsrand des Spiegels (in Richtung der Sonne). Der Sicherungsrand ist die Verlängerung dieses Stabilitätsrandes nach unten.

Claims

Steuerung eines Parabolspiegels zur optimalen Ausnutzung der Sonnenstrahlen und der Rückstrahlung
Vorrichtung zur Komprimierung der Sonnenstrahlen auf einen Brennpunkt/Brennfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem polierten Parabolspiegel mit einem Sekundärspiegel und/oder Linsen die Sonnenstrahlen gebündelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parabolspiegel auf einer mit verschiedenen Achsen und Ebenen und computergesteuerten Schrittmotoren versehenen Apparatur aufgebaut ist
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Komprimierung und Steuerung auf einen Mediumskopf oder Mediumsfläche gebrachte Wärme zur weiteren Nutzung und Wärmeumwandlung weitergeleitet werden kann.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch hohe Temperaturen von bis zu mehreren tausend Grad Celsius über geänderte Sekundärspiegel auf Medien übertragen werden. Die Weiterleitung dieser Wärme zu physikalischen und chemischen Reaktionen in anderen Behältnissen und Räumen führen kann.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Apparatur bei verschiedenen Einheiten transportabel ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der computergesteuert gepreßte Parabolspiegel aus einer Aluminium/Aluminiumlegierung und/oder Messing/Messinglegierung oder anderen Materialien anschließend hochglanz poliert wurde.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Parabolspiegel durch die Steuerung ein Maximum der einfallenden Sonnenstrahlen komprimiert und gezielt weiter gibt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Spiegelvergrößerung neue technische Möglichkeiten für den Einsatz mit hohen Temperaturen gegeben werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch andere Strahlen von einem beweglichen Ausgangspunkt durch diese Steuerung komprimiert werden können. Der Parabolspiegel kann für diese Fälle auch aus anderen Materialien bestehen. (UV-Strahlen, Infrarot – und andere Strahlen).
Vorrichtung zum Verteilen von Strahlen auf ein begrenztes Feld oder Gebiet außerhalb des Umkreises des Spiegels, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlen vom Mittelpunkt des Mediums über den Sekundärspiegel und den Parabolspiegel nach außen gestrahlt werden.