DE102007031289A1

DE102007031289A1 - Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle

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Publication number: DE102007031289A1
Application number: DE102007031289A
Authority: DE
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Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: DE102007031289B4

Abstract

Der Reflektor oder Absorber eines Winkel-Ausrichtungsapparates mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle wird über ein Hauptkreuzgelenk direkt an einem beliebig geformten Unterbau befestigt. Außerdem wird der Reflektor oder Absorber mit dem Unterbau verbunden über zwei längliche Hub-Zug-Antriebe, die an ihren Ende Kreuz- oder Kugel-Gelenke haben. Die Fläche zwischen jeweils drei der insgesamt fünf Kreuz- oder Kugel-Gelenke sind großflächige Dreiecke, wodurch bei geringstem Materialeinsatz hohe Stabilität entsteht und der Winkel-Ausrichtungsapparat große Schwenk-Dynamik in zwei Winkelebenen entwickeln kann. Hauptanwendungsgebiet ist die Verwendung als Heliostat in Einheit mit einer rückgekoppelten Regelung über einen einfachen, aber genauen Strahlungsrichtungsdetektor, der rein dynamisch digital funktioniert und pro Reflektor-Drehachse nur einen Strahlungssensor benötigt in Kombination mit einer Blendenkante und deren Schatten.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle.
Hauptanwendungsgebiet ist die Sonnenenergienutzung, wobei die Erfindung entweder als Heliostat oder als Absorber-Nachführung verwendet werden kann.
Ein Heliostat reflektiert die Strahlung der Sonne auf eine feststehende Zielfläche durch kontrollierte Veränderung der Winkel seines Reflektors in zwei Winkelebenen.
Die Zielfläche kann ein Fenster oder Lichtschacht sein, um Innenräume preiswert auszuleuchten, wobei das Breibandspektrum der Sonne die Augen schont im Gegensatz zum Linienspektrum von Gasentladungslampen.
Die Zielfläche kann ein Absorber sein, der vom Heliostaten immer optimal senkrecht bestrahlt wird. Um die Strahlungsdichte auf der Absorbtionsfläche zu erhöhen, sind Reflektoren parabolisch gekrümmt oder es werden mehrere plane Reflektoren auf die gleiche Zielfläche ausgerichtet. Bei Phasen-kritischen Anwendungen wie Satellitensignal-Reflektoren darf nicht facettiert werden.
Falls der Absorber ein Fotovoltaik-Modul ist, wird elektrischer Strom und Wärme erzeugt. Die Wärme eines thermischen Absorbers kann für Heizzwecke, Nutzwassererwärmung, als Prozesswärme oder nach dem Verdampferprinzip zu Kühlzwecken genutzt werden.
Eine Stirling- oder Dampfmaschine wandelt Wärme in mechanische Energie um, die einen elektrischen Generator antreiben kann.
Stand der Technik:
Die bisher bekannten Technologien der Sonnennutzung sind genauso wie andere regenerativen Energiequellen kaum konkurrenzfähig gegenüber den fossilen Energieträgern. Sonnenenergie mit ihrer niedrigen Energiedichte und nur etwa 11% zeitlicher Verfügbarkeit muss aufwändig geerntet, konzentriert und umgeformt werden.
Die früher verwendeten Drehgestelle für Heliostaten sind zu kompliziert, da sie einen linearen Zusammenhang zwischen Azimut- und Elevationswinkel des Reflektors und dem Drehwinkel des oft Zeit-gesteuerten Antriebes herstellen.
Dem Polar-Heliostaten in US 4342 501 reicht sogar kurzzeitig nur ein Winkel-linearer Antrieb. Mehrere Heliostaten werden in Ermangelung eines effektiven Einzelantriebes mechanisch gekoppelt wie in US 6440 019 oder WO 2007/049897 oder die beiden Drehachsen werden mechanisch gekoppelt wie in DE 20021890 U1 .
Um die hohen Kosten von konventionellen, angetriebenen Scharniergelenken aus der Robotertechnik zu vermeiden, werden die Hebelkräfte des Heliostaten-Gestelles grossflächig verteilt durch Drehkränze und Hub-Zug-Antriebe wie in DE 1034337 A1 oder US 4429 952 oder US 4129 360 . In US 4192 583 wird komplett auf lineare Hub-Zug-Antriebe umgestellt.
In US 2005/0279 953 A1 kommen zwei Hub-Zug-Antriebe in Kombination mit zwei Kontrollarmen und sechs Scharniergelenken mit je einem Freiheitsgrad zum Einsatz, wobei immer noch der erste Antrieb den zweiten Antrieb komplett bewegt, und wegen des nichtlinearen Zusammenhanges zwischen Reflektorwinkel und Antriebswinkel wird eine Rückkopplung zur korrekten Ausrichtung verwendet.
In US 4360 182 wird der mittig über ein Kreuzgelenk gestützte Reflektor mit vier linearen Hub-Zug-Antrieben bewegt, wobei asymetrische Antriebskräfte gegenüberliegender Linearaktuatoren den Reflektor extrem belasten. In DE 1963 0201 C1 wird der mittig über ein Kugel-Gelenk gestützte Reflektor mit vier Zugseilen bewegt, wobei ungeklärt ist, wie sich der dritte Freiheitsgrad des Kugelgelenkes auf die Stabilität und beim Seilantrieb die Missachtung des Cosinussatzes des schiefwinkligen Dreiecks auswirkt. Ein genialer Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden ist das sogenannte Agile Eye in US 5966 991 , das sich aber als Drehgestell für grosse Reflektorflächen nicht eignet.
Die Sensoren, die über eine Elektronik die Reflektor-Antriebe steuern sollen, sind kompliziert wie in US 2006/0042 624 A1 oder US 2006/0163 449 A1 oder US 2004/0094 691 A1 oder US 2005/0274 376 A1 oder US 2006/0201 498 A1 , mal ausgerichtet auf die Sonne, den Reflektor oder beides. Als optische Sensoren für zwei Achsen kommen oft zwei Paare analoger Fotodetektoren zum Einsatz, deren Signale durch analoge Differenzbildung verarbeitet werden wie in DE 196 25 204 A1 und DE 196 30 201 C1 .
Erst seit wenigen Jahren werden Schatten eingesetzt wie in DE 10 2005 041 227 A1 . US 2004/0231 660 A1 benutzt zwei Schlitzblenden parallel zu den zwei Antriebsachsen mit immer noch zwei Paaren Fotodetektoren, die auf den Reflektor zielen, wobei die mäßige Ausrichtungsgenauigkeit abhängig ist von der Schlitzbreite und dem Detektor-Abstand.
Aufgabenstellung:
Ein flächiger Reflektor oder Absorber eines Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle soll bei beliebiger Einbaulage auf beliebigem Untergrund (Unterbau) montiert werden können, wobei die mechanische Stabilität der Gesamtkonstruktion zu maximieren ist, und Raumbedarf, Materialeinsatz und Kosten zu minimieren sind.
Neuartige Lösung:
Der Reflektor oder Absorber eines Winkel-Ausrichtungsapparates mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle wird über ein Hauptkreuzgelenk direkt an einem beliebig geformten Unterbau befestigt.
Außerdem wird der Reflektor oder Absorber mit dem Unterbau verbunden über zwei längliche Hub-Zug-Antriebe, die an ihren Enden Kreuz- oder Kugel-Gelenke haben. Die Fläche zwischen jeweils drei der insgesamt fünf Kreuz- oder Kugel-Gelenke sind grossflächige Dreiecke, wodurch bei geringstem Materialeinsatz hohe Stabilität entsteht und der Winkel-Ausrichtungsapparat grosse Schwenk-Dynamik in zwei Winkelebenen entwickeln kann.
Hauptanwendungsgebiet ist die Verwendung als Heliostat in Einheit mit einer rückgekoppelten Regelung über einen einfachen, aber genauen Strahlungsrichtungsdetektor, der rein dynamisch digital funktioniert und pro Reflektor-Drehachse nur einen Strahlungssensor benötigt in Kombination mit einer Blendenkante und deren Schatten.
1 zeigt den Winkel-Ausrichtungsapparat im Heliostat-Betrieb auf einem flächigen Unterbau mit Spindel-Antrieben in Einheit mit dem Strahlungsrichtungsdetektor für reflektierte Strahlung.
2 zeigt Anwendungsmöglichkeiten des Winkel-Ausrichtungsapparates und das Augenschrauben-Kreuzgelenk.
3 zeigt den Winkel-Ausrichtungsapparat im Absorber-Betrieb auf einem flächigen Unterbau mit Spindel-Antrieben in Einheit mit dem Strahlungsrichtungsdetektor für direkte Strahlung.
Detailbeschreibung mit Ausführungsbeispielen:
Der universell verwendbare Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 benötigt als verbindende Elemente zwischen dem nimmer nötigen Reflektor oder Absorber (4 von 1) und dem überall vorhandenem flächigen oder linienförmigen Unterbau 2 nur ein Hauptkreuzgelenk 5 und zwei längliche Hub-Zug-Antriebe 8 und 9, an deren Enden Kreuz- oder Kugel-Gelenke (11, 12, 13, 14) die mechanische Verbindung zu Reflektor 4 und Unterbau 2 direkt herstellen.
Der Raum zwischen den fünf Gelenken (5, 11, 12, 13, 14) nimmt die Form eines räumliche Vierecks an, wenn die Gelenke 13 und 14 dicht zusammen montiert werden.
Der Raum zwischen den fünf Gelenken (5, 11, 12, 13, 14) nimmt die Form eines räumliche Fünfecks an, wenn die Gelenke 13 und 14 mit Abstand voneinander montiert werden.
Die Aussenflächen dieses räumlichen Vier- oder Fünfecks sind grossflächige Dreiecke und sorgen bei geringstem Material-Einsatz trotz der längenveränderlichen Hub-Zug-Antriebe für extreme Stabilität.
Um die Verbindung zum Unterbau 2 in einer Winkelebene stabil zu machen, muss das Hauptkreuzgelenk 5 genau zwei Winkel-Freiheitsgrade (6, 7) haben und darf kein Kugelgelenk mit drei Freiheitsgraden sein.
Falls der Unterbau 2 linienförmig ist wie ein Mast (30 in 2) oder ein Dachsparren (31), müssen die auf den Reflektor wirkenden Kräfte durch ein massives Hauptkreuzgelenk auf den Unterbau übertragen werden. Ist der Unterbau dagegen flächenförmig wie der Boden (32) oder eine Wand (33) oder eine glatte Dachfläche (34) kann es zur Materialersparnis und zur Stabilitätserhöhung sinnvoll sein, die Kräfte des flächigen Reflektors 4 über ebenfalls grossflächig auf dem Unterbau 2 verteilte, schwache Befestigungselemente (5, 13, 14) direkt zu verteilen, anstatt den teuren mechanischen Umweg über ein linienförmiges Unterbau-Zwischenstück zu gehen. Die Einzelteile des Hauptkreuzgelenkes, die für die Unbeweglichkeit in Richtung der drei Raumachsen und einer Winkelebene sorgen, und die für Beweglichkeit in zwei Winkelebenen (6, 7) sorgen, dürfen beim Winkel-Ausrichtungsapparat zwischen Reflektor und Unterbau räumlich beliebig verteilt werden (Anspruch 6 und 7). Bei grossem Reflektor kann also ein schwaches Hauptkreuzgelenk eingebaut werden, das durch zwei schwache Stützräder an den Reflektorecken, die dem flächigen Unterbau am nächsten liegen, bei der Herstellung der Unbeweglichkeit in einer Winkelebene unterstützt wird (Anspruch 17).
Beim idealen Hauptkreuzgelenk 5 in 1 stehen die beiden materiellen Drehachsen senkrecht und treffen sich in einem Punkt. Da beim Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 der lineare Zusammenhang zwischen Antrieb (8, 9) und Reflektorwinkeln (6, 7) zu Gunsten der Stabilität und preiswerten Herstellbarkeit geopfert wurde, spielt es keine Rolle mehr, die nichtlinearen Zusammenhänge zusätzlich zu verstärken durch Zulassung eines Achsversatzes in den Gelenken (5, 11, 12, 13, 14) (Anspruch 14).
Eine preiswerte, stabile und spielarme Methode zur Verbindung der Gelenk-Einzelteile ist der abwechselnde Einsatz von locker ineinander drehenden Innen- und Aussengewinden, wodurch die Gelenk-Einzelteile gleichzeitig axial fixiert werden (Anspruch 16). Die Kombination von Versatz und Gewindeteilen erlaubt den Aufbau der Kreuzgelenke aus preiswerten DIN-Massenteilen wie Augenschrauben nach DIN 444 und Langmuttern (35 in 2).
Falls die Ausrichtungsgenauigkeitsforderungen es erlauben, können die Kreuzgelenke (5, 11, 12, 13, 14) elastisch sein und durch Blatt- oder Spiralfedern gebildet werden, wodurch der Reflektor weniger leicht zerstört werden kann durch Windböen, Hagel oder Vandalismus (Anspruch 15).
Bei Aktivierung der Hub-Zug-Antriebe 8 bzw. 9 ändern sich die Abstände zwischen den Gelenken 11 und 13 bzw. 12 und 14. Dadurch bilden sich zwischen den Reflektor-Gelenken (11, 12) und dem Hauptkreuzgelenk (5) immaterielle Drehachsen (18, 19), die nicht mit den materiellen Drehachsen des Hauptkreuzgelenkes übereinstimmen. Diese immateriellen Drehachsen führen bei aktivierten Antrieben komplizierte Bewegungen im Raum aus durch die Geometrie des Winkel-Ausrichtungsapparates oder durch den Versatz oder die Elastizität der Kreuzgelenk-Einzelteile und spielen später beim Strahlungsrichtungsdetektor eine wichtige Rolle.
Zum Erreichen einer gewünschten Ausrichtung des Reflektors oder Absorbers 4, also zum Anfahren eines gewünschten Azimut- (6) und Elevationswinkels (7), werden die Antriebe (8, 9) von einem elektrischen Steuergerät (21) angesteuert, das entweder die zwar komplizierten aber eindeutigen Zusammenhänge zwischen den Winkeln (6, 7) und den Antriebsaktivitäten (8, 9) berechnet, oder das über Sensoren ein Rückkopplungssignal über die Winkel erhält, oder beides. Der intelligente Kern des Steuergerätes (21) ist zweckmäßigerweise ein preiswerter Mikrocontroller.
Die Hub-Zug-Antriebe werden gewählt abhängig von gewünschter Reflektorbreite (17), Ausrichtungsgenauigkeit, Ausrichtungsgeschwindigkeit, Antriebsenergie, Wartungsaufwand, Betriebsgeräusch und Lebensdauer. Beispiele wären bei Reflektorbreiten von 10 Metern hydraulische Teleskopzylinder, bei Reflektorbreiten von 2 Meter elektrische Hubzylinder oder Kettenantriebe, bei Reflektorbreiten von 0,50 Meter Spindelantriebe mit Schrittmotor und bei kleineren Reflektorbreiten bis in den Mikromechanikbereich Feder-/Seilzugantriebe.
Kommen teure teleskopierbare Hub-Zug-Antriebe zum Einsatz (Anspruch 18), werden die Gelenke 11 und 12 zur Minimierung der auf den Reflektor 4 wirkenden Kräfte nicht am Reflektorrand sondern auf der Reflektorrückseite befestigt, wodurch sich der Betriebsraumbedarf des Winkel-Ausrichtungsapparates reduziert.
Kommen preiswerte Spindelantriebe zum Einsatz (Anspruch 19), ragt bei flächigem Unterbau 2 die nicht genutzte Spindellänge über die Gelenke 11 und 12 hinaus, was zu Kollisionen und Verletzungen führen kann. Die zusätzliche Abschattung durch die überstehende Spindel kann vernachlässigt werden, der nötige größere Montageabstand bei Feldaufstellung dagegen nicht. Der Spindelantriebsmotor kann insbesondere bei Mastmontage statt am Unterbau am Reflektor montiert werden, wodurch sich besserer Witterungsschutz und Wegfall der Spindelüberstände über den Reflektor aber kompliziertere Kabelführungen ergeben.
Falls man die Spindel mit Kreuzgelenken ausstattet, können beide Antriebsmotore unbeweglich relativ zum Unterbau oder zum Reflektor befestigt werden (Anspruch 20).
Im Gegensatz zu herkömmlichen Heliostat-Antrieben verbrauchen die direkt wirkenden Hub-Zug-Antriebe mit Spindel wenig Antriebsenergie, da sie wenig Eigenmasse beschleunigen müssen und keine Reibung durch Getriebe oder Dichtungen überwinden müssen. Ein becherförmiger Wetterschutz des Motors wird fest mit der Spindel verbunden und dreht sich mit. Die Spindel kann eine handelsübliche Edelstahl-Gewindestande sein und erfüllt gleichzeitig die Funktion der mechanischen Stütze, eines Untersetzungsgetriebes 6000:1 und einer Bremse bei stromlosen Antriebsmotoren. Das Verhältnis von geernteter Sonnenenergie zu Energieverbrauch des Antriebes sollte besser als 100 sein.
Die Mechanik des Winkel-Ausrichtungsapparates nach Anspruch 1 kann auf vielen Gebieten eingesetzt werden, wie zum Beispiel Antennentechnik, Lichttechnik, Sonnenschutztechnik, Projektionstechnik, Materialflusstechnik, Manipulatortechnik, Spielzeugtechnik und Waffentechnik (Ansprüche 4, 5, 27). Ihr geplantes Hauptanwendungsgebiet ist die Nutzung als Heliostat (Ansprüche 6, 7, 8, 9, 10, 12) oder als Solar-Absorber (Ansprüche 6, 7, 11, 13).
Beim Heliostaten ist hohe Ausrichtungsgenauigkeit nötig, weshalb die Verwendung der neuartigen Ausrichtungsmechanik nach Anspruch 1 besonders vorteilhaft ist in Einheit mit der rückgekoppelten Regelung über den neuartigen Strahlungsrichtungsdetektor gemäß dem unabhängigen Nebenanspruch 2.
Der Strahlungsrichtungsdetektor 20 besteht aus einer Blende 22 und den beiden Strahlungssensoren 27, 28. Da der Heliostat Strahlung auf die Zielfläche 3 reflektieren soll, muß der Strahlungsrichtungsdetektor zwischen Reflektor 4 und Zielfläche 3 montiert sein und dem Steuergerät 21 Signale liefern, ob und wie der Winkel der reflektierten Strahlung 15 vom Soll-Wert abweicht. Bisher wurden für diese Zwecke zwei Strahlungssensoren pro Reflektor-Drehachse mit oder ohne Schlitzblende verwendet. Hier wird nur ein Strahlungssensor pro Reflektor-Drehachse eingesetzt in Zusammenspiel mit der Kante einer Blende 22.
Dadurch spart man sich die halbe Anzahl Strahlungssensoren, die fehlerträchtige Differenzbildung der Sensorsignale, die fehlerträchtige Fertigung und Ausrichtung einer Schlitzblende und die aufwendige Signalverarbeitung der herkömmlichen Sensoranordnung im Steuergerät.
Der neuartige Strahlungsrichtungsdetektor nach Anspruch 2 arbeitet im Gegensatz zur bisherigen analogen Technik optisch als auch elektronisch rein digital und im Gegensatz zur bisherigen statischen Technik optisch als auch elektronisch rein dynamisch.
Während die bisherigen statischen Sensoren beste Messergebnisse liefern bei Antriebsstillstand, liefert der dynamische Strahlungsrichtungsdetektor nur Nutzsignale (Flanken), wenn der Antrieb aktiv ist oder sich die Strahlungsquelle bewegt. Da sich die Sonne ständig bewegt, und da ein Heliostat ohnehin seinen Antrieb mit Zeitabständen von wenigen Sekunden aktivieren muß, stellt die Dynamisierung des Strahlungsrichtungsdetektors keinen Nachteil dar.
Wenn sich der Reflektor dreht, wandert der Kantenschatten der Blende 22 über den zugehörigen Strahlungssensor, dieser starke und schnelle Helligkeitswechsel (Lichtflanke) wird vom Strahlungssensor (27 oder 28) in ein elektrisches digitales Ein-Bit-Signal übersetzt (Spannungsflanke), das vom Steuergerät 21 direkt digital weiterverarbeitet wird zur Ansteuerung der Antriebe (Stop, Hub 8, Zug 8, Hub 9 oder Zug 9).
Als Strahlungssensoren 27, 28 eignen sich prinzipiell alle Halbleiterbauteile mit strahlungsdurchlässigem Gehäuse. Bei Glasdioden wirft der Anschlussdraht unerwünschte Schatten, Fotodioden und Fototransistoren sind teuer und zu lichtempfindlich, LDRs sind teuer, zu lichtempfindlich, zu großflächig und zu langsam.
Obwohl eine LED (Light Emitting Diode) als Lichtsender produziert wird, sind viele LED-Typen auch geeignet als Lichtsensor. Sie sind sehr preiswert, haben ein optisch geeignetes Gehäuse, sind schnell genug, haben eine geeignete schlechte Lichtempfindlichkeit und liefern bei Bestrahlung aktiv Spannung, wodurch keine Ruhestrom-Versorgung nötig ist, und die LED elektrisch direkt an einen Digitaleingang eines CMOS-Mikrocontrollers angeschlossen werden kann (Anspruch 26).
Es entfallt die Paarung der Sensoren, die Ruhestromschaltung und ihr Energieverbrauch, die analoge oder digitale Differenzbildung, der Analog-Digital-Konverter, die Referenzspannungsquellen, Verstärkerschaltungen, die Abgleicharbeit, Probleme mit Temperaturdrift der analogen Bauteile und die Software, um all das zu verwalten.
Die Software im Programmspeicher des Mikrocontrollers im Steuergerät 21 kann um so einfacher beschaffen sein, je größer die Eindeutigkeit der Zusammenhänge zwischen Drehbewegung des Reflektors, Umdrehungen der Antriebsmotore und Signale der Strahlungssensoren ist. Nichtlinearität und gegenseitige Beeinflussung fördern die Instabilität des Gesamtsystems, reduzieren die Ausrichtungsgenauigkeit und -geschwindigkeit und erfordern mehr und schnellere Software-Routinen zur Kompensation.
Zur Schaffung möglichst großer Eindeutigkeit der Zusammenhänge aus Sicht der Software sollten die Kanten-Tangenten 24, 25 parallel verlaufen zu den Drehachsen 18, 19 des Reflektors, und die Kanten-Tangenten 24, 25 sowie die Drehachsen 18, 19 sollten einen rechten Winkel bilden. Systembedingte und fertigungstechnische und absichtliche Abweichungen können und müssen mittels Software kompensiert werden, was wegen der hohen Rechenleistung moderner Mikrocontroller preiswert möglich ist. Optimierungskriterium für den rückgekoppelten Regelkreis ist das direkte und schnelle Anfahren der optimalen Reflektorwinkel (z. B. alle 10 Sekunden) ohne überflüssige Aktivierung der Antriebe durch Einschwingvorgänge oder ungenügende Entkoppelung der Drehachsen-Regelschleifen. Dies schont die Mechanik und spart Antriebsenergie.
Besonders bei gewünschten hohen Ausrichtungsgenauigkeiten von besser als 0,1 Grad, was einer Abweichung von 0,1 Meter auf eine Zielflächen-Distanz von 60 Meter entspricht, kann es vorteilhaft sein, den Strahlungsrichtungsdetektor mit optischen Linsen auszustatten (Anspruch 25).
Das Anfahren der Soll-Winkel aus immer der gleichen Richtung verbessert ebenfalls die Ausrichtungsgenauigkeit, erfordert aber mehr Antriebsaktivität (Anspruch 24).
Die Vorgabe der Zielfläche bei Inbetriebnahme des Heliostaten erfolgt durch mechanische Veränderung der Winkel zwischen Zielfläche 3 und Blende 22 oder den Strahlungssensoren 27, 28 bei aktiver Rückkopplung rein visuell, wodurch Justierhilfen oder Zubehörteile unnötig sind (Anspruch 21).
Bei kleinen oder mobilen Heliostaten kann es vorteilhaft sein, den Strahlungsrichtungsdetektor fest mit dem Unterbau zu verbinden und die Winkelstellung des ganzen Unterbaus relativ zur Zielfläche zu verändern (Anspruch 22). Falls man mehrere Strahlungsrichtungsdetektoren auf verschiedene Zielflächen einjustiert und einem Reflektor zuordnet durch elektrisches Umschalten im Steuergerät, läßt sich die Zielfläche schnell und einfach wechseln (Anspruch 23).
Absorberbetrieb: Für den Betrieb des Winkelausrichtsapparates als Absorber gemäß Anspruch 3 wird der Strahlungsrichtungsdetektor (120 = 122 + 127 + 128 in 3) mit der Absorberfläche 104 verbunden und so eingestellt, daß die einfallende Strahlung 10 senkrecht auf den Absorber 104 trifft. Durch diese Nachführung des Absorbers steigt dessen geerntete Strahlungsenergiemenge um etwa 30% gegenüber einem unbeweglichen Absorber. Die neuartigen Lösungen der technischen Probleme wurden bereits in der Beschreibung des Heliostatenbetriebes erörtert und führen zu den Ansprüchen 6, 11, 13, 24, 25, 26.
Prototyp: Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt den Prototypen des Winkelausrichtungsapparates als Heliostaten für flächigen Unterbau 2, wobei der Reflektor 4 zur besseren Übersicht verkleinert dargestellt ist. Der Glas-Metall-Reflektor auf Aluminiumrahmen des Prototypen ist 0,6 Meter breit. Die Kreuzgelenke 5, 11, 12, 13, 14 sind aus Aluminium und Edelstahl gefertigt und alle Achsen sind Gewindestangen, die sich in Innengewinden drehen. Die Antriebsspindeln der Hub-Zug-Antriebe 8, 9 sind 1 Meter lange M6-Gewindestangen und werden direkt angetrieben von zwei Schrittmotoren, die in die Kreuzgelenke 13, 14 integriert sind.
Um Azimut-Winkelveränderungen der Sonne von 180 Grad zu folgen, beträgt der Azimut-Winkel-Schwenkbereich (Änderung von 6) des Reflektors über 90 Grad.
Um Elevationswinkelveränderungen der Sonne von 90 Grad zu folgen, beträgt der Elevationswinkel-Schwenkbereich (Änderung von 7) des Reflektors über 45 Grad.
Im Nachführbetrieb wird ein Watt Antriebsleistung benötigt, und ein kompletter Reflektorschwenk dauert etwa zehn Minuten. Die Strahlungssensoren sind grüne 3 mm LEDs und der Mikrocontroller im Steuergerät 21 ist ein MSP430 von Texas Instruments. Die Vorgabe der Zielfläche erfolgt durch Winkelveränderung des gesamten Unterbaus (Chassisplatte).
Vorteile:
Durch konsequente Minimierung des Aufwandes für Reflektor-Stützkonstruktion und -Antrieb und für den Strahlungsrichtungsdetektor ermöglicht die Erfindung gemäß der Ansprüche 1 bis 27 insbesondere als Winkelausrichtungsapparat für Heliostaten das Ernten solarer Strahlungsenergie zu Preisen, die mit denen fossiler Energieträger konkurrieren können. Die Trag- und Antriebskonstruktion kann in jeder Grösse, in jeder Lage, an jedem Ort einfach montiert werden, basiert auf hochstabilen Dreiecken, verbraucht minimale Antriebsenergie, toleriert Witterungseinflüsse, unsaubere Fertigung, billige Komponenten und deren Wärmeausdehnungskoeffizienten, kann aus Baumarktware zusammengebaut werden, und benötigt keine teuren Punktlastfundamente, keine Hebelarme, keine Schienen-Drehkränze, keine Getriebe, keine Schleppkabel für mitfahrende Antriebe, keine teuren Lager und deren Schmiersysteme. Durch die Möglichkeit des spiegelsymetrischen Aufbaus entsteht trotz grossem Schwenkbereich eine ansprechende Bewegungsästhetik.
Der rein digital-dynamische Strahlungsrichtungsdetektor liefert zu einem Bruchteil der Kosten bisher verwendeter Detektoren eine erheblich höhere Ausrichtungsgenauigkeit und eliminiert vollständig die Probleme mit analogen Komponenten.
Die starke Reduzierung der Teile-Anzahl und damit der Ausfall-Wahrscheinlichkeit des Gesamtsystems ermöglicht jahrelangen unbeaufsichtigten bewitterten Dauerbetrieb.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4342501 [0010]
- US 6440019 [0010]
- WO 2007/049897 [0010]
- DE 20021890 U1 [0010]
- DE 1034337 A1 [0011]
- US 4429952 [0011]
- US 4129360 [0011]
- US 4192583 [0011]
- US 2005/0279953 A1 [0012]
- US 4360182 [0013]
- DE 19630201 C1 [0013, 0014]
- US 5966991 [0013]
- US 2006/0042624 A1 [0014]
- US 2006/0163449 A1 [0014]
- US 2004/0094691 A1 [0014]
- US 2005/0274376 A1 [0014]
- US 2006/0201498 A1 [0014]
- DE 19625204 A1 [0014]
- DE 102005041227 A1 [0015]
- US 2004/0231660 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 444 [0030]

Claims

Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion oder Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflektor- oder Absorber-Vorrichtung (4) über ein Hauptkreuzgelenk (5) mit zwei Freiheitsgraden mit einem Unterbau (2) beweglich verbunden ist, und dass die Reflektor- oder Absorber-Vorrichtung (4) über ein erstes Kreuz- oder Kugel-Gelenk (11) mit dem ersten Ende eines ersten Hub-Zug-Antriebes (8) und über ein zweites Kreuz- oder Kugel-Gelenk (12) mit dem ersten Ende eines zweiten Hub-Zug-Antriebes (9) verbunden ist, und dass der Unterbau (2) über ein drittes Kreuz- oder Kugel-Gelenk (13) mit dem zweiten Ende des ersten Hub-Zug-Antriebes (8) und über ein viertes Kreuz- oder Kugel-Gelenk (14) mit dem zweiten Ende des zweiten Hub-Zug-Antriebes (9) verbunden ist, und dass die Fläche zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) und dem ersten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (11) und dem zweiten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (12) ein Dreieck ist, und dass der Abstand zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) und dem dritten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (13) nicht Null Meter ist, und dass der Abstand zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) und dem vierten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (14) nicht Null Meter ist, und dass sich bei Längenänderung des zweiten Hub-Zug-Antriebes (9) bei gleichzeitiger Längenstabilität des ersten Hub-Zug-Antriebes (8) zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) und dem ersten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (11) eine erste immaterielle Drehachse (18) bildet, die zur Geraden zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) dem zweiten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (12) einen Winkel von 90 Grad bildet mit einer Abweichung von maximal 50 Grad, und dass sich bei Längenänderung des ersten Hub-Zug-Antriebes (8) bei gleichzeitiger Längenstabilität des zweiten Hub-Zug-Antriebes (9) zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) und dem zweiten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (12) eine zweite immaterielle Drehachse (19) bildet, die zur Geraden zwischen dem Hauptkreuzgelenk (5) dem ersten Kreuz- oder Kugel-Gelenk (11) einen Winkel von 90 Grad bildet mit einer Abweichung von maximal 50 Grad.
Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Reflektion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass durch rückgekoppelte Regelung über einen ersten Strahlungsrichtungsdetektor (20) ein durch Antrieb relativ zum Unterbau (2) beweglicher Reflektor (4) automatisch so ausgerichtet wird, dass die reflektierte Strahlung (15) eine Zielfläche (3) trifft, und dass zur Gewinnung eines Rückkopplungssignales ein Teil der reflektierten Strahlung (15) durch eine ein- oder mehrteilige erste strahlungsundurchlässige Blende (22) abgeschattet wird, und dass die erste Blende (22) eine erste Kante hat mit einer ersten Kanten-Tangente (23), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der reflektierten Strahlung (15) einen Winkel von 90 Grad bildet, und dass die erste Blende (22) eine zweite Kante hat mit einer zweiten Kanten-Tangente (24), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der reflektierten Strahlung (15) einen Winkel von 90 Grad bildet, und dass die erste Kanten-Tangente (23) zur zweiten Kanten-Tangente (24) einen Winkel (29) von 90 Grad bildet mit einer maximalen Abweichung von 50 Grad, und dass die zweite Kanten-Tangente (24) parallel verläuft zu einer ersten Drehachse (18) des Reflektors (4) mit einer maximalen Abweichung von 30 Grad, und dass die erste Kanten-Tangente (23) parallel verläuft zu einer zweiten Drehachse (19) des Reflektors (4) mit einer maximalen Abweichung von 30 Grad, und dass sich auf einer vom Reflektor (4) zur Zielfläche (3) verlaufenden ersten Geraden (25), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der reflektierten Strahlung (15) parallel ist, und die die erste Kanten-Tangente (23) an der ersten Kante schneidet, ein erster Strahlungssensor (27) zwischen erster Blende (22) und Zielfläche (3) befindet, der ein erstes elektrisches Ein-Bit-Signal liefert, dessen Signalflanke bei Erreichen der Abschattungsgrenze einem ersten elektrischen Steuergerät (21) ermöglicht, den Reflektor-Antrieb so zu steuern, dass die reflektierte Strahlung (15) die Zielfläche (3) trifft, und dass sich auf einer vom Reflektor (4) zur Zielfläche (3) verlaufenden zweiten Geraden (26), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der reflektierten Strahlung (15) parallel ist, und die die zweite Kanten-Tangente (24) an der zweiten Kante schneidet, ein zweiter Strahlungssensor (28) zwischen erster Blende (22) und Zielfläche (3) befindet, der ein zweites elektrisches Ein-Bit-Signal liefert, dessen Signalflanke bei Erreichen der Abschattungsgrenze einem ersten elektrischen Steuergerät (21) ermöglicht, den Reflektor-Antrieb so zu steuern, dass die reflektierte Strahlung (15) die Zielfläche (3) trifft, und dass erste Blende (22) und erster Strahlungssensor (27) und zweiter Strahlungssensor (28) über den Unterbau (2) so mit der Zielfläche (3) verbunden sind, dass erste Gerade (25) und zweite Gerade (26) relativ zur Zielfläche (3) positionsstabil und winkelstabil sind, und dass erste Blende (22) und erster Strahlungssensor (27) und zweiter Strahlungssensor (28) einen ersten Strahlungsrichtungsdetektor (20) bilden, und dass der erste und der zweite Strahlungssensor durch Bauart oder durch Abschirmung nur Strahlung aus Richtung des Reflektors detektieren kann mit einer maximalen Abweichung von 90 Grad.
Winkel-Ausrichtungsapparat mit zwei Freiheitsgraden zur kontrollierten Absorbtion von Strahlung einer beweglichen Strahlungsquelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass durch rückgekoppelte Regelung über einen zweiten Strahlungsrichtungsdetektor (120) ein durch Antrieb relativ zum Unterbau (2) beweglicher Absorber (104) automatisch so ausgerichtet wird, dass die einfallende Strahlung (10) der Strahlungsquelle (1) senkrecht auf den Absorber (104) trifft, und dass zur Gewinnung eines Rückkopplungssignales ein Teil der einfallenden Strahlung (10) durch eine zweite ein- oder mehrteilige strahlungsundurchlässige Blende (122) abgeschattet wird, wobei die zweite Blende (122) während des Betriebes positionsstabil und winkelstabil mit dem Absorber (104) verbunden ist, und dass die zweite Blende (122) eine dritte Kante hat mit einer dritten Kanten-Tangente (123), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der einfallenden Strahlung (10) einen Winkel von 90 Grad bildet, und dass die zweite Blende (122) eine vierte Kante hat mit einer vierten Kanten-Tangente (124), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der einfallenden Strahlung (10) einen Winkel von 90 Grad bildet, und dass die dritte Kanten-Tangente (123) zur vierten Kanten-Tangente (124) einen zweiten Winkel (129) von 90 Grad bildet mit einer maximalen Abweichung von 50 Grad, und dass die vierte Kanten-Tangente (124) parallel verläuft zu einer dritten Drehachse (118) des Absorbers (104) mit einer maximalen Abweichung von 30 Grad, und dass die dritte Kanten-Tangente (123) parallel verläuft zu einer vierten Drehachse (119) des Absorbers (104) mit einer maximalen Abweichung von 30 Grad, und dass sich auf einer von der Strahlungsquelle (1) zum Absorber (104) verlaufenden dritten Geraden (125), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der einfallenden Strahlung (10) parallel ist, und die die dritte Kanten-Tangente (123) an der dritten Kante schneidet, ein dritter Strahlungssensor (127) zwischen zweiter Blende (122) und Absorber (104) befindet, der während des Betriebes kraftschlüssig und drehsteif mit der Absorber (104) verbunden ist, und der ein drittes elektrisches Ein-Bit-Signal liefert, dessen Signalflanke bei Erreichen der Abschattungsgrenze einem zweiten elektrischen Steuergerät (121) ermöglicht, den Absorber-Antrieb so zu steuern, dass die einfallende Strahlung (10) den Absorber (104) senkrecht trifft, und dass sich auf einer von der Strahlungsquelle (1) zum Absorber (104) verlaufenden vierten Geraden (126), die im ausgerichteten Zustand zur Richtung der einfallenden Strahlung (10) parallel ist, und die die vierte Kanten-Tangente (124) an der vierten Kante schneidet, ein vierter Strahlungssensor (128) zwischen zweiter Blende (122) und Absorber (104) befindet, der während des Betriebes kraftschlüssig und drehsteif mit dem Absorber (104) verbunden ist, und der ein viertes elektrisches Ein-Bit-Signal liefert, dessen Signalflanke bei Erreichen der Abschattungsgrenze einem zweiten elektrischen Steuergerät (121) ermöglicht, den Absorber-Antrieb so zu steuern, dass die einfallende Strahlung (10) den Absorber (104) senkrecht trifft, und dass zweite Blende (122) und dritter Strahlungssensor (127) und vierter Strahlungssensor (128) einen zweiten Strahlungsrichtungsdetektor (120) bilden, und dass der dritte und der vierte Strahlungssensor durch Bauart oder durch Abschirmung nur Strahlung aus Richtung der Strahlungsquelle detektieren kann mit einer maximalen Abweichung von 90 Grad.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Unterbau (2) und Zielfläche (3) nur während einer Betriebszeit kraftschlüssig und drehsteif miteinander verbunden sind, die mindestens so lang ist wie die Einstellzeit des Reflektorantriebes zum Erreichen der Soll-Ausrichtung.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Position des Unterbaus (2) während der Betriebszeit relativ zur Zielfläche (3) verändert oder der Unterbau (2) ein Fahrzeug ist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (2) relativ zur Wirkungsrichtung der Schwerkraft beliebige Winkelstellungen einnimmt.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (2) eine beliebige Form aufweist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2 ein Heliostat ist, falls die Strahlungsquelle (1) die Sonne ist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlung konzentriert wird durch Ausrichtung mehrerer Winkel-Ausrichtungsapparate nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Zielfläche (3).
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) aus mehreren reflektierenden Teilen zusammengesetzt ist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (104) aus mehreren absorbierenden Teilen zusammengesetzt ist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) eine plane oder eine nicht-plane Oberfläche und eine beliebige Form hat.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (104) eine plane oder eine nicht-plane Oberfläche und eine beliebige Form hat.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder drei Drehachsen des Hauptkreuzgelenkes (5) oder eines oder mehrerer Kreuz- oder Kugel-Gelenke(s) (11, 12, 13, 14) nicht aufeinander senkrecht stehen oder sich nicht in einem Punkt treffen oder einen Versatz von maximal 30% der Reflektorbreite aufweisen.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkreuzgelenk (5) oder eines oder mehrerer Kreuz- oder Kugel-Gelenke(s) (11, 12, 13, 14) elastisch sind oder eine Blatt- oder Spiral-Feder sind.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Gelenk-Einzelteil-Verbindung(en) des Hauptkreuzgelenkes (5) oder eines oder mehrerer Kreuz- oder Kugel-Gelenke(s) (11, 12, 13, 14) gebildet werden durch ein Einzelteil mit Aussengewinde, das sich in einem anderen Einzelteil mit Innengewinde dreht.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkreuzgelenk (5) aus mehreren Hauptkreuzgelenk-Teilen besteht, die mit einer oder mehreren oder ohne gemeinsame(n) materielle(n) Achsen zwischen den Hauptkreuzgelenk-Teilen verbunden sind oder ein oder mehrere Stützräder hat.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder beide Hub-Zug-Antriebe (8, 9) ihre Gesamtlänge ändern oder teleskopierbare Hubzylinder sind.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder beide Hub-Zug-Antriebe (8, 9) ihre Länge zwischen den Kreuz- oder Kugel-Gelenken an ihren Enden ändern aber ihre Gesamtlänge nicht ändern oder offene oder geschlossene Spindelantriebe sind.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotore einer oder beider Hub-Zug-Antriebe (8, 9) kraftschlüssig und drehsteif mit dem Unterbau (2) oder mit der Reflektor- oder Absorber-Vorrichtung verbunden sind.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe einer Zielfläche (3) durch manuelle oder motorische Veränderung der Winkel zwischen dem Unterbau (2) und dem Strahlungsrichtungsdetektor (20) oder der ersten Blende (22) oder einem oder beiden Strahlungssensoren (27, 28) geschieht.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe einer Zielfläche durch manuelle oder motorische Veränderung der Winkel zwischen dem Unterbau (2) und der Zielfläche (3) geschieht.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlungsrichtungsdetektoren auf mehrere Zielflächen ausgerichtet sind oder die Vorgabe der Zielfläche durch elektrisches Umschalten zwischen mehreren Strahlungsrichtungsdetektoren geändert wird.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausrichtungsgenauigkeit schädliche Hysterese-Effekte durch Lagerspiel oder nicht-punktförmige Strahlungsquelle oder Strahlungssensoren dadurch minimiert werden, dass das elektrische Steuergerät die Reflektor- oder Absorber-Antriebe so steuert, dass die optimale Ausrichtung immer bei gleicher Signalflanke (steigend oder fallend) des Ein-Bit-Signals erreicht wird.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsrichtungsdetektor zur Verbesserung der Ausrichtungsgenauigkeit mit einer oder mehreren optischen Linse(n) versehen ist,
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (27, 28, 127, 128) eine LED (= light emitting diode) ist.
Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel-Ausrichtungsapparat nach Anspruch 1 zur statischen oder dynamischen Führung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen verwendet wird.