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Die
Erfindung betrifft eine Solaranlage mit einer Vielzahl von Spiegeln
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei
Fresnel-Solarthermie Kraftwerken wird Sonnenlicht durch ein Feld
von Langspiegeln, die um Ihre Längsachse drehbar sind auf
ein Absorberrohr konzentriert, das über dem Spiegelfeld
angeordnet ist. Die Langspiegel sind dabei auf langen Drehachsen
gelagert.
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In
der
EP 1 754 942 A1 ist
eine derartige Anordnung offenbart. Ein Antrieb zum Verstellen der Drehachse,
um die Langspiegel entsprechend dem Sonnenlicht auszurichten, greift üblicherweise
etwa in der Mitte einer jeweiligen Drehachse an, wobei die Drehachse
an der Angriffsstelle fest durch den Antrieb gehaltert ist. Die
Drehachse ist, bis auf die Angriffsstelle des Antriebs, drehbar
gelagert. Hierdurch ist diese mit den daran angeordneten Langspiegeln sehr
windempfindlich, da ein auf die Langspiegel einwirkender Wind zu
einer Torsion der Drehachse führt, wobei der Verdrehwinkel
mit dem Abstand zum Antrieb zunimmt. Die Drehachsenden, die beispielsweise
50 Meter vom Antrieb entfernt sind, weisen die größte
Torsion auf. Darüber hinaus regt der Wind die Drehachse
zur Torsionsschwingungen an, die zur Materialermüdung und
Bruch führen können. Torsion und Torsionsschwingungen
führen ferner zu einem geringeren Wirkungsgrad des Solarthermie
Kraftwerks, da Sonnenlicht durch unerwünschte Positionen
der Langspiegel nicht auf das Absorberrohr reflektiert wird.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Solaranlage zu schaffen,
die robust und weitestgehend windunempfindlich ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Solaranlage mit den Merkmalen
des Patentanspruch 1.
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Erfindungsgemäß weist
eine Solaranlage eine Vielzahl von Spiegeln auf, die zumindest auf
einer Schwenkachse gelagert sind. Die Schwenkachse ist zum Einstellen
des Spiegelwinkels mittels einer Spiegelverstellung schwenkbar.
Die Spiegelverstellung hat dabei mehrere über die Länge
der Schwenkachse verteilte, ansteuerbare Aktoren.
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Diese
Lösung hat den Vorteil, dass die Aktoren die Windkräfte
auf ganzer Länge gleichmäßig aufnehmen,
wodurch Torsion und Torsionsschwingungen der Längsachse,
im Wesentlichen vermieden werden.
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Von
Vorteil ist, wenn die Aktoren Betätigungszylinder sind,
die als einfach wirkende, kompakt aufgebaute und robuste Hydrozylinder
ausgebildet sind. Dabei sind alle Zylinder einer Schwenkachse parallel
geschaltet und werden von einer Pumpe versorgt.
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Um
eine einwandfreie Funktion der Hydrozylinder zu erreichen, können
diese vorgespannt sein. Die Vorspannung der Hydrozylinder erfolgt
dabei beispielsweise durch eine Unwucht der Schwenkachse, durch
Gegengewichte und/oder durch Federn.
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Zweckmäßig,
um eine gleichmäßige Verschwenkung der Schwenkachse
zu erreichen, sind die Hydrozylinder an einer gemeinsamen Druckleitung
angeschlossen und werden so in etwa mit dem gleichen Lastdruck beaufschlagt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Druckmittelversorgung
der Hydrozylinder über eine von einem Stellmotor in zwei
Richtungen antreibbare Pumpe. Dies kann eine Zahnradpumpe oder eine
Schlauchpumpe sein. Da die Spiegelposition im Wesentlichen durch
das Volumen der im System befindlichen Hydraulikflüssigkeit
bestimmt ist, bieten sich insbesondere Dosierpumpen an, die pro Pumpenkolbenhub
ein bestimmtes Fluidvolumen in das System hinein- oder herauspumpen,
womit die Hydraulikzylinder und somit die Positionen der Schwenkachse
praktisch digital veränderbar sind.
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Um
eine Durchbiegung der Schwenkachse zu vermeiden, ist es von Vorteil,
wenn diese durch mehrere gleichmäßig verteilte
Lager gestützt ist. Zwischen jeweils zwei Lagern ist dann
eine Spiegellamelle angeordnet.
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Ein
Hydrozylinder kann einfach benachbart zu jedem Lager über
einen Hebel an die Schwenkachse angreifen.
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Um
eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung der Schwenkachse
zu ermöglichen, sind die Schwenkachsenenden von den jeweils
dort angeordneten Hydrozylindern mit einer halben Druckkraft im Verhältnis
zu den jeweiligen anderen Achsangriffspunkten der Hydrozylinder
beaufschlagt.
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Zweckmäßig
stehen eine Vielzahl von Schwenkachsen mit Spiegellamellen im Parallelabstand
zueinander in Wirkverbindung mit einem Absorberrohr. Die Spiegellamellen
können dabei auf unterschiedlichen Schwenkachsen einen
unterschiedlichen Anstellwinkel aufweisen, wobei die prinzipielle Anordnung
der Hebel und der Hydrozylinder bei allen Schwenkachsen im Wesentlichen
gleich ist.
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Den
Hydrozylindern einer jeweiligen Schwenkachse ist eine gemeinsame
Druckleitung zuordbar, an die jeweils eine Pumpvorrichtung angeschlossen
ist. Hierdurch können die Schwenkachsen vorteilhafterweise
jeweils unabhängig voneinander verschwenkt und im Schwenkwinkel
optimiert werden.
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Bei
hohen Windgeschwindigkeiten und Kräften sind die Spiegellamellen
in eine waagrechte Sicherheitsposition verfahrbar.
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Damit
die Schwenkachsen in jeder Verschieberichtung fest gelagert sind,
umgreifen die Lager die Schwenkachse jeweils über den gesamten
Umfang.
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Als
Lager eignen sich beispielsweise Wälzlager.
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Zur
einfachen Versorgung der Hydrozylinder mit Druckmittel können
die Zahnradpumpen an einem gemeinsamen Tank angeschlossen sein.
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Die
Belastungen eines jeweiligen Hydrozylinders sind gering, da der
Lastdruck auf mehrere Hydrozylinder verteilt wird, wobei der Lastdruck
in den Hydrozylindern dann beispielsweise kleiner als 10 bar sein
kann. Solche Niederdruckzylinder sind sehr kostengünstig
herstellbar.
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Die
Winkelregelung der Schwenkachsen erfolgt vorzugsweise individuell
mittels eines Reflexions- bzw. Lichtlückensensors.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Solaranlage mit mehreren Schwenkachsen
gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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2 eine
schematische Darstellung eines Antriebs einer Schwenkachse gemäß dem
Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Solaranlage 1 in
Form eines Fresnel-Solarkraftwerks gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Die Solaranlage 1 weist einen
Receiver bzw. ein Absorberrohr 2 auf, das sich in der 1 in
die Zeichenebene hinein erstreckt. In dem Absorberrohr 2 strömt ein
als Wärmespeicher wirkendes Wärmemedium, wobei
es sich beispielsweise um Wasserdampf oder ein Thermoöl
handelt. Unterhalb des Absorberrohrs 2 in 1 sind
eine Vielzahl von in Parallelabstand zueinander verlaufender Spiegellamellen 4 angeordnet. Diese
sind dabei jeweils auf einer Schwenkachse 6 befestigt,
die sich senkrecht zur Zeichenebene in 1 erstrecken
und jeweils auf mehreren Trägerschienen 8 gelagert
sind. Die Spiegellamellen 4 reflektieren Sonnenlicht 10,
was mit gestrichelten Pfeilen angedeutet ist, auf das Absorberrohr 2,
wodurch das Wärmemedium in dem Absorberrohr erwärmt wird.
Zum Verschwenken der Spiegellamellen 4, um diese beispielsweise
dem sich verändernden Sonnenlicht 10 anzupassen,
sind in 1 unterhalb der Schwenkachse 6 schwenkbare
Aktoren bzw. Betätigungszylinder 12 vorgesehen,
die über Hebel 14 an die Schwenkachsen 6 angreifen.
Die Schwenkachsen 6 sind somit zusammen mit den daran angeordneten
Spiegellamellen 4 jeweils durch die Betätigungszylinder 12 verschwenkbar.
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Aus ökonomischen
Gründen sind die Schwenkachsen 6 mit den daran
angeordneten Spiegellamellen 4 so lang wie möglich
ausgeführt, und haben beispielsweise eine Länge
von 100 Metern, wobei bisher im Stand der Technik in der Mitte einer jeweiligen
Schwenkachse 6 ein Verstellantrieb angreift. Hierdurch
ist die Schwenkachse 6 sehr windempfindlich, da diese bis
auf die Angriffsstelle des Verstellantriebs frei in Drehrichtung
bewegbar ist. Auf die Schwenkachse 6 einwirkender Wind
führt dabei zu einer ungewünschten Torsion, wobei
der Verdrehwinkel mit dem Abstand zum Verstellantrieb zunimmt. Die
Schwenkachsenenden, die beispielsweise je 50 Meter vom Verstellantrieb
entfernt sind, haben die größte Winkelabweichung.
Die einwandfreie Funktion der Spiegellamellen ist im Stand der Technik
somit bei Wind nicht gewährleistet; darüber hinaus
regt der Wind (z. B. mit einem Drehmoment von 120 Nm) die Schwenkachse 6 zu
Torsionsschwingungen an die funktionell problematisch sind und zu Materialermüdung
und Bruch führen können.
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Um
eine unerwünscht Torsion und Torsionsschwingungen der Schwenkachsen 6 weitestgehend zu
vermeiden, greifen an jeder Schwenkachse 6 über die
Länge nach erfindungsgemäß mehrere Betätigungszylinder 12 an.
Die Hydrozylinder 12 dienen dann zusätzlich als
Festlager und/oder als Dämpfer für die jeweilige
Schwenkachse 6, wodurch diese dann über die gesamte
Länge mehrfach gehaltert ist.
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Die 2 offenbart
in einer stark schematischen Darstellung die Verschaltung der Betätigungszylinder 12 an
einer Schwenkachse 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Die Betätigungszylinder 12 sind kostengünstige,
einfach wirkende Hydrozylinder 12 bzw. Hydraulikzylinder.
Ein Druckraum 16 eines jeweiligen Hydrozylinders 12 ist
dabei von einem Kolben 18 begrenzt. Der Kolben 18 hat
eine gelenkig mit dem Hebel 14 aus 1 verbundene
Kolbenstange 20. Die Druckräume 16 sind über
einen Arbeitsanschluss A an eine gemeinsame Druckleitung 22 angeschlossen
und werden über eine gemeinsame Zahnradpumpe 24 mit
Druckmittel aus einem Tank 26 versorgt. Die Zahnradpumpe 24 ist über
einen nicht dargestellten Stellmotor antreibbar und fördert
Fluidvolumen in zwei Richtungen, also vom Tank 26 zu den
Hydrozylinder 12 oder von den Hydrozylindern 12 zum
Tank 26, in Abhängigkeit vom benötigten Schwenkwinkel
der Schwenkachse 6.
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Jeder
Schwenkachse 6 aus 1 ist dabei eine
unabhängig antreibbare Pumpe 28 bzw. Zahnradpumpe,
siehe 2, zugeordnet, die die jeweils an der Schwenkachse 6 angreifenden
Hydrozylinder 12 über jeweils eine Druckleitung 30 mit
Druckmittel versorgt.
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Eine
Schwenkachse 6 ist über mehrere in der 2 schematisch
dargestellter Trägerschienen 8 gelagert. Beispielsweise
bei einer Schwenkachse 6 mit einer Länge von 100
m können dies siebzehn Trägerschienen 8 sein.
Zwischen jeweils zwei Trägerschienen 8 ist eine
Spiegellamelle 4 auf der Schwenkachse 6 fixiert,
wobei die Spiegellamellen 4 in 2 nur mit
einem Bezugszeichen angedeutet sind (Insgesamt sind dies dann bei
siebzehn Trägerschienen 8 sechzehn Spiegellamellen 4).
Mit einem nicht dargestellten Wälzlager ist die Schwenkachse 6 auf
einer jeweiligen Trägerschiene 8 gelagert. Denkbar
ist auch, dass die Schwenkachse 6 bei einer jeweiligen
Trägerschiene 8 auf mehreren um den Umfang verteilten
Rollen gelagert ist. Bei einer Lagerung mit Rollen kann eine Rolle
pro Trägerschiene 8 zum Ein- und Ausbau der Schwenkachsen 6 entfernbar sein.
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Benachbart
zu einer Trägerschiene 8 greift jeweils ein Hydrozylinder 12 über
den Hebel 14 zwischen der Spiegellamelle 4 und
der Trägerschiene 8 an die Schwenkachse 6 an.
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Um
eine Schwenkachse 6 aus 1 im Uhrzeigersinn
zu verschwenken fördert die Zahnradpumpe 24 aus 2 vom
Tank 26 Druckmittel in die Druckräume 16 der
Hydrozylinder 12, wobei der Kolben 18 mit der
Kolbenstange 20 ausfährt und über den
Hebel 14 die Schwenkachse 6 verdreht. Zum Halten
der Position wird die Zahnradpumpe 24 gestoppt. Bei einem
Verschwenken entgegen dem Uhrzeigersinn in 1 fördert
die Zahnradpumpe 24 Druckmittel von den Druckräumen 16 zu
dem Tank 26. Die notwendige Vorspannung der Kolben 18 der Hydrozylinder 12 erfolgt
beispielsweise durch eine Unwucht der Schwenkachse 6, durch
Gegengewichte und/oder Federn (jeweils nicht dargestellt). Die Vorspannung
sollte dabei größer als zu erwartende Windkräfte
sein, um zum Einen einen Unterdruck in den Hydrozylinder 12 zu
vermeiden und zum Anderen Spielfreiheit der Schwenkachsen 6 zu
gewährleisten.
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Die
Hydrozylinder 12, die jeweils einem Achsende der Schwenkachse 6 zugeordnet
sind, benötigen nur die halbe Schwenkkraft, da diese nur
einer Spiegellamellenhälfte der Spiegellamellen zugeordnet
sind, womit auch die auf diese Hydrozylinder 12 wirkende
Windkraft nur halb so groß ist. Die Kolben 18 der
Hydrozylinder 12 an den Achsenden weisen somit beispielsweise
nur die halbe Kolbenfläche im Vergleich zu den anderen
Hydrozylindern 12 auf, oder der diesen Hydrozylinder 12 zugeordneten
Hebel 14 haben nur die halbe Länge. Alternativ
ist auch möglich, dass pro Trägerschiene 8 zwei
und an den Achsenden nur ein Hydrozylinder 12 an die Schwenkachse 6 angreifen.
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Bei
einer weiteren Erfindungsmeldung der Anmelderin wird ein Lichtlückensensor
bzw. ein Reflexionssensor beansprucht, mit dem eine Winkelregelung
der Schwenkachsen 6 erfolgt. Hierfür ist ein Lichtlückensensor
pro Schwenkachse 6 erforderlich. Die Schwenkachse 6 sollte
dabei in der Spiegelebene der Spiegellamellen 4 liegen.
Wegen des notwendigen Spiegelträgers bzw. der Schwenkachse 6 hinter
den Spiegellamellen kann die Anordnung nicht ausgewuchtet sein.
Mit dieser Unwucht werden nur die erfindungsgemäßen
verteilten Aktoren fertig, da sie die sonst auftretende statische
Torsion verhindern. Die Spiegel würden sich ohne Führung
immer in eine waagrechte Position in 1 drehen.
Bei einem bestimmten Schwenkwinkel der Schwenkachse 6 ändert
sich die von einer Unwucht der Schwenkachse 6 stammende
Vorspannkraft für die Hydrozylinder 12 also in
eine Zugkraft, weshalb eine zusätzliche Vorspannart notwendig
sein kann, wie die beispielsweise vorstehend genannten Federn. Die
Vorspannung über Federn oder Gewichte hat den Vorteil,
dass die Anordnung spielfrei wird, auch wenn spielbehaftete Gelenke
verwendet werden. Der zu vermeidende Unterdruck in der Hydraulikflüssigkeit kann
dadurch vermieden werden, dass statt der einfach wirkenden Zylinder
doppelt wirkende eingesetzt werden, wobei auf der zweiten Seite über
ein weiteres System konstanter Gegendruck von beispielsweise 5 bar
bereitgestellt wird.
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Die
Lichtlückensensoren dienen zum Steuern der Stellmotoren.
Angeordnet werden die Lichtlückensensoren vorzugsweise
am südlichen Endbereich der Solaranlage 1, da
hier die geringsten Abschattungen vorherrschen.
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Die
Hydrozylinder 12 sind sehr kostengünstig und wartungsarm
mit einem Lastdruck unter 10 bar. Als Druckmittel kann z. B. Wasser
oder Glykol dienen. Die Zahnradpumpen 24 sich ebenfalls
sehr einfach aufgebaut und kostengünstig, wodurch der gesamte
Verstellantrieb der Schwenkachsen 6 weniger oder weitestgehend
gleich hohe Kosten als bisher aus dem Stand der Technik bekannte
Antriebe verursacht.
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Zum
Dämpfen des Hydrauliksystems in Verbindung mit den Torsionsmomenten
der Welle sind einstellbare Strom- bzw. Drosselventile in den Druckleitungen 22 einsetzbar.
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Die
Schwenkachse 6 wiegt beispielsweise 700 kg und hat einen
Durchmesser von 15 cm. Der Hebel 14 kann ca. 30 cm lang
sein. Die Kolbenfläche der Kolben 18 kann 2 cm2 betragen und der Lastdruck im Druckraum 16 7,5
bar. Alternativ können auch doppelt wirkende Hydrozylinder 12 eingesetzt werden,
damit eine Vorspannkraft durch einen zweiten Druckraum auf den Kolben 18 wirkt,
die beispielsweise 5 bar beträgt, wodurch der Lastdruck
entsprechend angepasst werden muss.
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In
der 1 sind die Spiegellamellen 4 der Solaranlage 1 etwa
mittig der jeweiligen Schwenkachse 6 angeordnet und weisen
jeweils einen unterschiedlichen Schwenkwinkel auf. Dieser ist bei
der in 1 linken Schwenkachse 6 am größten
(nahezu 90°) und bei der rechten am geringsten (nahezu
0°). Die Spiegellamellen 4 haben einen aktiven
Schwenkbereich von etwa 90°, wobei der Hub der Hydrozylinder
bei einer 90° Verstellung und einem Hebel 14 mit einer
Länge von 30 cm etwa 42 cm beträgt.
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Der
nicht dargestellte Stellmotor für die Zahnradpumpen 24, 28 aus 2 sollte
so dimensioniert sein, dass eine Sicherheitsposition, bei der alle Spiegellamellen
in 1 in etwa waagrecht verlaufen, in höchstens
einer Minute erreicht wird, wobei die Maximalverschwenkung einer
Schwenkachse 6 90° betragen soll. Zum Anfahren
der Sicherheitsposition wird ein weiterer Winkelsensor oder Schalter
benötigt.
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Die
Stellmotorleistung beträgt ohne Reibung beispielsweise
20 W. Konstruktiv sind keine hohen Anforderungen an den Stellmotor
gestellt, wobei kompakte Stellmotoren mit einem Getriebe eingesetzt
werden können. Damit die Stellmotoren nicht ständig
bestromt werden müssen, wäre eine Selbsthemmung
der Zahnradpumpen 24 sinnvoll, womit sich auch die Position
der Spiegellamellen 4 bei Stromausfall nicht ändern
würde.
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Eine
normale Schwenkgeschwindigkeit der Schwenkachsen 6 aus 1 ist
etwa 90°/12 h und somit bei einem Maximalhub des Hydrozylinders 12 von
42 cm sind dies 0,6 mm/min. Bei einer Kolbenfläche von
2 cm2 eines Kolbens 18 wären
dies etwa 1,9 cm3/min an Druckmittelvolumen
je Hydrozylinder 12, die von der Zahnradpumpe 24 geleistet
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Solaranlage mit hydraulisch verstellbaren Spiegellamellen 4 ist,
dass die Pumpen 24 zentral und geschützt vor Umwelteinflüssen
angeordnet werden können.
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Offenbart
ist eine Solaranlage mit einer Vielzahl von Spiegeln, die auf einer
Schwenkachse gelagert sind. Zum Einstellen eines Spiegelwinkels
ist die Schwenkachse mittels einer Spiegelverstellung verschwenkbar.
Mehrere über die Länge der Schwenkachse verteilte
Betätigungszylinder sind dabei zum Verschwenken der Schwenkachse
ansteuerbar.
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- 1
- Solaranlage
- 2
- Absorberrohr
- 4
- Spiegellamelle
- 6
- Schwenkachse
- 8
- Trägerschiene
- 10
- Sonnenlicht
- 12
- Betätigungszylinder
bzw. Hydrozylinder
- 14
- Hebel
- 16
- Druckraum
- 18
- Kolben
- 20
- Kolbenstange
- 22
- Druckleitung
- 24
- Zahnradpumpe
- 26
- Tank
- 28
- Zahnradpumpe
- 30
- Druckleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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