DE102009037280A1

DE102009037280A1 - Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung

Info

Publication number: DE102009037280A1
Application number: DE102009037280A
Authority: DE
Inventors: Jan Peter Dipl.-Ing. Säck; Boris Dipl.-Ing. Belhomme; Peter Dipl.-Ing. Schwarzbözl; Björn Dipl.-Ing. Schiricke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2029-08-13
Also published as: US9157656B2; WO2011018367A3; WO2011018367A2; US20120132194A1; EP2464918A2; DE102009037280B4

Abstract

Die Solarstrahlung wird durch eine Reflexionseinrichtung (RE), die dem Sonnenstand nachführbar ist, auf einen Strahlungsempfänger (12) fokussiert. Die Nachführung wird mit Hilfe eines Hilfsspiegels (17) gesteuert, der einen Hilfsstrahl (18) auf ein Target (19) lenkt. Mit einer Videokamera (20) und einem Bilderfassungssystem wird die Position des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls (18) auf dem Target (19) erkannt und diese Ist-Position wird auf eine vorgegebene Soll-Position eingeregelt. Dadurch wird erreicht, dass die Hauptstrahlung stets exakt auf den Strahlungsempfänger (12) gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung entlang eines Strahlenweges auf einen Strahlungsempfänger, mit einer Reflexionseinrichtung, die eine dem Sonnenstand nachführbare Reflexionsstufe aufweist.
Einrichtungen, die Solarstrahlung einfangen und auf einen Receiver übertragen, benötigen eine Nachführung, die gewährleistet, dass die Einrichtung stets auf den sich über den Tag verändernden Sonnenstand ausgerichtet ist. Solare Energiegewinnungseinrichtungen umfassen unterschiedliche Arten von Solaranlagen. Hierzu gehören unter anderem Turmkraftwerke mit zahlreichen auf einer Ebene verteilten Heliostaten, Dishs, d. h. Hohlspiegel, die das Sonnenlicht auf einen Fokus bündeln, sowie Sonnenöfen, die mit einer zweistufigen Reflexionseinrichtung ausgestattet sind, wobei die erste Stufe eine dem Sonnenstand nachführbare Reflexionsstufe ist, während die zweite Stufe eine Fokussierungsfunktion hat. In allen Fällen geht es darum, die Solarenergie trotz wechselnder Einfallsrichtung stets auf den Strahlungsempfänger zu bündeln. In solaren Turmkraftwerken besteht die Reflexionseinrichtung aus einer Vielzahl von zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführten Heliostaten, die das Sonnenlicht auf eine Receiver-Ebene reflektieren und konzentrieren. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sowie auch aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, die Lage des Sonnenabbildes, das durch jeden einzelnen Heliostaten erzeugt wird, nämlich den Zielpunkt des Heliostaten, zu kontrollieren bzw. zu beeinflussen. Im Tagesverlauf können die vorgegebenen Zielpunkte aufgrund von Trackingfehlern nur in ungenügender Weise eingehalten werden. Trackingfehler entstehen beispielsweise durch Abweichungen in der Sonnenstandsberechnung oder nicht lotrechte Ausrichtung der Heliostat-Azimut-Achsen. Mit beträchtlichem Aufwand und mäßigem Erfolg wird versucht, die Trackingfehler durch aufwändige Kalibrierungsmaßnahmen zu minimieren.
In US 3,564,275 A ist ein automatisches Heliostat-Nachführverfahren für ein Turmkraftwerk beschrieben. Während des Betriebes wird der Heliostat so ausgerichtet, dass die einfallende Sonnenstrahlung auf einen Receiver trifft, der auf einem Turm angeordnet ist. An dem Turm ist ferner ein Target angebracht. Während eines Kalibrierschrittes wird der Betrieb der Strahlungsausnutzung unterbrochen und der Heliostat wird so ausgerichtet, dass die Solarstrahlung nunmehr auf das Target trifft und nicht mehr auf den Receiver. Eine Kamera nimmt das Target auf und erkennt die Position des Auftreffpunktes auf dem Target. In Abhängigkeit hiervon wird die Ausrichtung des Heliostaten so geregelt, dass der Auftreffpunkt an eine definierte vorgegebene Stelle des Target fällt. Ein Computer berechnet diejenige Winkelverstellung des Heliostaten, die erforderlich ist, um den Lichtstrahl, der anhand des Target ausgerichtet worden ist, zu verstellen, damit dieser Lichtstrahl bei demselben Sonnenstand nunmehr den Receiver trifft. Ein solches Kalibrierverfahren erfordert eine Unterbrechung des Arbeitsbetriebes und damit der Energiegewinnung. Außerdem ist ein zweimaliges Verschwenken des Heliostaten erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung die tatsächliche Lage des Sonnenabbildes bzw. des Zielpunktes der Reflexionseinrichtung präzise zu erfassen, um über eine Regelung die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Zielpunkt zu minimieren. Dadurch sollen bei der Errichtung der Reflexionseinrichtung Kosten eingespart und durch erzielbare Leistungssteigerungen die Wirtschaftlichkeit der Solarenergiegewinnung erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Strahlenweg letzte Reflexionsstufe der Reflexionseinrichtung einen Hilfsspiegel aufweist, dessen Spiegelfläche einen solchen Winkel mit der Reflexionsstufe bildet, dass bei Lenkung der Solarstrahlung auf den Strahlungsempfänger ein aus der Solarstrahlung abgelenkter Hilfsstrahl auf das Target fällt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird von der die Reflexionseinrichtung treffenden Solarstrahlung gewissermaßen ein kleiner Teil durch einen Hilfsspiegel abgelenkt. Dieser Hilfsstrahl wird auf das Target geleitet. Die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Hauptstrahles auf den Strahlungsempfänger und dem Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf das Target ist in Abhängigkeit von dem Typ der jeweiligen Reflexionseinrichtung entweder fest vorgegeben oder in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sonnenstand im Tagesverlauf veränderbar, jedenfalls aber berechenbar. Der Computer kann jeweils eine Soll-Position des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls auf dem Target vorgeben. Wenn der Hilfsstrahl diese Soll-Position trifft, trifft der Hauptstrahl genau den Fokus auf dem Strahlungsempfänger. Eine Regelung der Reflexionseinrichtung kann so vorgenommen werden, dass die Ist-Position des Auftreffpunktes gleich der Soll-Position gemacht wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Nachführung bzw. Regelung während des Betriebes des Strahlungsempfängers durchgeführt werden kann. Es ist also kein Verschwenken der Reflexionseinrichtung auf einen anderen Strahlungsempfänger nötig. Außerdem kann die Nachführung mit sehr hoher Präzision erfolgen und auch beliebig oft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer einstufigen oder mehrstufigen Reflexionseinrichtung ausgestattet sein. Eine einstufige Reflexionseinrichtung ist beispielsweise ein Heliostatfeld, das die Solarstrahlung nach einmaliger Reflexion auf den Receiver eines Turmes lenkt. Eine andere einstufige Reflexionseinrichtung ist der Dish, der ebenfalls nach einmaliger Reflexion die Solarstrahlung auf einen Fokus konzentriert. Eine zweistufige Reflexionseinrichtung arbeitet mit zwei im Strahlenweg hintereinander erfolgenden Reflexionen. Die im Strahlenweg erste Reflexionsstufe wird. dem Sonnenstand nachgeführt. Die zweite Reflexionsstufe ist ein Konzentrator, der die Solarstrahlung auf einen Fokus konzentriert. Der Hilfsspiegel ist in diesem Fall an der letzten Reflexionsstufe des Strahlenweges angebracht und das Target befindet sich in der Nähe des Fokus dieser letzten Reflexionsstufe, jedoch hiervon abgesetzt. Anhand des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls auf dem Target kann die Ausrichtung der ersten Reflexionsstufe kontrolliert werden.
Dagegen nimmt bei einer einstufigen Reflexionseinrichtung die einzige Reflexionsstufe sowohl die Funktion des Einfangens der Solarstrahlung als auch diejenige der Fokussierung wahr. In diesem Fall befindet sich der Hilfsspiegel starr an der gesteuert beweglichen Reflexionsstufe.
Im Falle eines Turmkraftwerks sind zahlreiche Heliostaten auf den Strahlungsempfänger gerichtet, wobei mindestens einige Heliostaten eine eigene Nachführung haben. Es können mehrere Heliostaten einen gemeinsamen Hilfsspiegel haen.
Um nicht für jeden Heliostaten ein eigenes Target vorsehen zu müssen, sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Lichtabsperrvorrichtungen vorgesehen, die zu einem Zeitpunkt nur das Licht eines von mehreren Hilfsspiegeln auf das Target treffen lassen. Damit ist eine zeitselektive Regelung jedes einzelnen Heliostaten möglich, gewissermaßen im Zeitmultiplexbetrieb. Die Regelungen der einzelnen Heliostaten beeinflussen sich nicht gegenseitig. Die Lichtabsperrvorrichtungen können Verschlüsse (Shutter) sein oder einfach Hindernisse, die vorübergehend in den Weg des Hilfsstrahls eingeführt werden.
Die Auswertung der Auftreffpunkte auf dem Target geschieht vorzugsweise mit einer Kamera, die ein Abbild des Target mit dem darauf sichtbaren Auftreffpunkt des Hilfsstrahls erzeugt. Ein Computer wertet die Position des Auftreffpunktes als Ist-Position aus. Ein Speicher enthält die zugehörige Soll-Position. Der Computer kann dann die Ist-Position der Soll-Position angleichen, um so eine exakte Ausrichtung zu erhalten.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Turmkraftwerks mit Heliostatfeld unter Verdeutlichung der Nachführung eines Heliostaten in Abhängigkeit vom Sonnenstand,
2 eine schematische Darstellung eines Dish-Konzentrators mit Hilfsspiegel und
3 eine Darstellung einer mehrstufigen Reflexionseinrichtung mit Heliostat und Konzentrator.
In 1 ist ein Turmkraftwerk 10 dargestellt, das auf einem Turm 11 einen ortsfesten Strahlungsempfänger 12 aufweist. Der Strahlungsempfänger ist ein Receiver, der die konzentriert auftreffende Solarstrahlung absorbiert, in Wärme umsetzt und an ein Wärmeträgermedium abgibt.
Die von der Sonne 13 ausgesandte Solarstrahlung trifft auf eine Reflexionseinrichtung RE, die hier ein Heliostatfeld ist, von dem in 1 nur ein Heliostat 14 dargestellt ist. Die Heliostaten sind plane oder leicht gekrümmte Spiegel, die das Sonnenlicht auf den Strahlungsempfänger 12 lenken. Jeder Heliostat 14 ist auf einem Ständer 15 angebracht und gesteuert um eine vertikale Achse schwenkbar, um den Azimutwinkel zu verändern, und um eine horizontale Achse, um den Höhenwinkel zu verändern. Der Antrieb ist in 1 nicht dargestellt. Er wird von einem zentralen Computer 16 gesteuert.
Der Heliostat 14 enthält einen fest daran angebrachten Hilfsspiegel 17, dessen Spiegelebene gegenüber derjenigen des Heliostaten 14 leicht gekippt ist. Der Hilfsspiegel 17 lenkt einen aus der Solarstrahlung erzeugten Hilfsstrahl 18 auf ein Target 19, das in der Nähe des Receivers 12, jedoch von diesem abgesetzt, am Turm 11 angebracht ist. Das Target 19 ist eine Platte, die diffus reflektierend ausgebildet ist, so dass der Auftreffpunkt des Hilfsstrahls 18 optisch deutlich sichtbar ist. Das Target 19 ist wie eine Projektionswand. Es ist nicht absorbierend, so dass es eine Flussdichteerkennung des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls ermöglicht. Ein Bild des Target 19 wird von einer Videokamera 20 aufgenommen, die zur Bildauswertung mit dem Computer 16 verbunden ist. Mit der Kamera wird der Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf dem Target erkannt und mit einer Bildverarbeitungssoftware anhand eines Koordinatensystems in Bezug auf das Target lokalisiert.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung ist die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf dem Target und dem Auftreffpunkt des Hauptstrahls auf dem Strahlungsempfänger 12 nicht konstant. Vielmehr ändert sie sich in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Sonnenlichts, die sich über den Tag verändert. Diese Abhängigkeit ist im Computer 16 gespeichert. In 1 ist eine Linie 21 auf dem Target dargestellt, die die jeweilige Soll-Position 22 des Zielpunktes des Hilfsstrahls zu unterschiedlichen Tageszeiten angibt. Wenn der Auftreffpunkt zu der betreffenden Tageszeit die Soll-Position erreicht, ist der Hauptstrahl exakt auf den Strahlungsempfänger 12 ausgerichtet. Die Soll-Position ist bei diesem Ausführungsbeispiel also kein fest vorgegebener Punkt auf dem Target 19.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 besteht die Reflexionseinrichtung RE aus nur einer einzigen Reflexionsstufe, nämlich dem Heliostaten 14.
Mehrere Heliostaten 14 des Heliostatfeldes arbeiten mit demselben Target 19 zusammen. Damit die Hilfsstrahlen der einzelnen Heliostaten sich nicht überlagern und stören, sind (nicht dargestellte) Lichtabsperrvorrichtungen vorgesehen, die jeden Hilfsstrahl selektiv unterbrechen können, so dass nur der Hilfsstrahl eines einzigen Heliostaten zu jedem Zeitpunkt durchgelassen wird. Auf diese Weise erfolgt ein Zeitmultiplexbetrieb der Positionsnachführung der einzelnen Heliostaten.
2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Reflexionseinheit RE, die als Dish-Konzentrator 25 ausgebildet ist, der die einfallende Solarstrahlung auf einen Fokus 26 konzentriert. Der Dish-Konzentrator 25 wird mit einer Nachführvorrichtung stets so auf die Sonne ausgerichtet, dass er im Wesentlichen frontal der Sonne zugewandt ist. Der Fokus 6 ist stets auf einen Strahlungsempfänger 12 gerichtet. Mit diesem Strahlungsempfänger 12 ist ein Target 19 starr verbunden, dessen Position gegenüber derjenigen des Strahlungsempfängers 12 abgesetzt ist.
Mit dem Dish-Konzentrator 25 ist ein Hilfsspiegel 17 mittels einer starren Verbindung 27 verbunden, so dass der Hilfsspiegel 17 beim Verschwenken des Dish-Konzentrators mit bewegt wird. Der Hilfsspiegel 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel leicht konkav gekrümmt, so dass er den Hilfsstrahl auf die Ebene des Target fokussiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Fokus 26 auf dem Strahlungsempfänger 12 und dem Auftreffpunkt 28 des Hilfsstrahls 18 auf dem Target 19 fest. Daher ist die Soll-Position 22 auf dem Target 19 fest. Der Auftreffpunkt 28 wird auf die Soll-Position 22 eingeregelt. Dann befindet sich der Auftreffpunkt der Hauptstrahlung an der richtigen Stelle des Strahlungsempfängers 12.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Reflexionseinrichtung RE mit einer ersten Reflexionsstufe RE1 und einer zweiten Reflexionsstufe RE2, die im Strahlengang des Sonnenlichts hintereinander angeordnet sind. Die erste Reflexionsstufe RE1 besteht aus einem Heliostaten 30, der der Sonne nachgeführt wird und die Solarstrahlung auf einen stationären Konzentrator 31 lenkt, welcher zahlreiche gekrümmte Spiegelflächen 32 aufweist. Die parallel auf den Konzentrator 31 auftreffende Strahlung wird auf einen Fokus 33 konzentriert und in einem ortsfesten Strahlungsempfänger 12 umgesetzt.
An dem Konzentrator 31 ist ein Hilfsspiegel 17 befestigt, der einen Hilfsstrahl 18 auf ein Target 19 lenkt. Wenn der Hilfsstrahl auf eine Soll-Position 22 am Target 19 trifft, befindet sich der Fokus 33 an der hierfür vorgesehenen Stelle des Strahlungsempfängers 12.
Eine Videokamera 20 mit Bildverarbeitungssystem erkennt den Auftreffpunkt des Hilfsstrahls 18 auf dem Target 19. Ein angeschlossener Computer führt eine Regelung des Heliostaten 30 in der Weise durch, dass die Ist-Position des Auftreffpunktes am Target 19 auf die Soll-Position 22 eingeregelt wird.
Der Aufbau von 3 eignet sich insbesondere für den Betrieb eines Sonnenofens, beispielsweise zum Schmelzen von Materialien.
Generell ist die Erfindung nicht nur für die Energiegewinnung anwendbar, sondern beispielsweise auch zum Lenken von Solarstrahlung, beispielsweise auch für die Tageslichtbeleuchtung von Bauwerken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3564275 A [0003]

Claims

Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung entlang eines Strahlenweges auf einen Strahlungsempfänger (12), mit einer ein- oder mehrstufigen Reflexionseinrichtung (RE), die eine dem Sonnenstand nachführbare, im Strahlenweg erste Reflexionsstufe aufweist, und mit einem fest mit dem Strahlungsempfänger (12) verbundenen, räumlich von diesem abgesetzten Target (19), dadurch gekennzeichnet, dass die im Strahlenweg letzte Reflexionsstufe der Reflexionseinrichtung einen Hilfsspiegel (17) aufweist, dessen Spiegelfläche einen solchen Winkel mit der Reflexionsstufe bildet, dass bei Lenkung der Solarstrahlung auf den Strahlungsempfänger (12) ein aus der Solarstrahlung abgelenkter Hilfsstrahl (18) auf das Target (19) fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsspiegel (17) an einer letzten Reflexionsstufe (RE2) der Reflexionseinrichtung (RE) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die letzte Reflexionsstufe aus ein und derselben Reflexionsstufe bestehen.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (RE) mehrere einzeln dem Sonnenstand nachführbare Heliostaten (14) enthält, von denen mindestens einige einen Hilfsspiegel (17) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtabsperrvorrichtungen für die Hilfsspiegel (17) vorgesehen sind, die zu einem Zeitpunkt nur das Licht eines von mehreren Hilfsspiegeln (17) auf das Target (19) treffen lassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (RE) mindestens einen, dem Sonnenstand nachführbaren Heliostaten (14) enthält, und dass ein Computer (16) vorgesehen ist, der für verschiedene Tageszeiten unterschiedliche Soll-Positionen (22) auf dem Target (19) vorgibt und die Nachführung des Heliostaten entsprechend der jeweiligen Soll-Position regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Videokamera (20) ein Abbild des Target (19) mit dem darauf sichtbaren Auftreffpunkt des Hilfsstrahles (18) erzeugt und ein Computer (16) die Position des Auftreffpunktes als Ist-Position auswertet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (RE) einen Dish-Konzentrator (25) als nachführbare Reflexionsstufe aufweist, wobei der Hilfsspiegel (17) an dem Dish-Konzentrator befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computer (16) eine feste Position auf dem Target (19) als Soll-Position vorgibt und die Nachführung des sichtbaren Auftreffpunktes des Hilfsstrahls (18) auf dem Target (19) entsprechend der Soll-Position vornimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Reflexionsstufe (RE1) mindestens einen nachführbaren Heliostaten (30) und eine zweite Reflexionsstufe (RE2) einen stationären Konzentrator (31) enthält, wobei der Hilfsspiegel (17) an dem Konzentrator (31) angebracht ist.