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Die
Erfindung betrifft einen zum Stand der Sonne ausrichtbaren Sonnenkollektor
mit einem linear fokussierenden, optischen Konzentratorsystem aus
einem parabolrinnenförmigen Spiegel und einem Empfängerelement
im Fokus des Spiegels.
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Stand der Technik
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Solarzellen
als mono- oder polykristalline Zellen können heute ca.
14–20% der eingestrahlten Sonnenenergie in Strom umwandeln.
Hocheffiziente Tandem-, Triple- und Quinto-Solarzellen erreichen
einen Wirkungsgrad von deutlich über 30%. Trotz der Einführung
industrieller Herstellungstechniken und einer Massenproduktion von
Zellen und Modulen ist fotovoltaisch gewonnener Strom mit einem
Preis von ca. 21 EURct/kWh immer noch erheblich teurer als Strom
aus fossilen Energiequellen, für den ein Erzeugungspreis
von ca. 6 EURct/kWh angegeben wird. Bekannte optische Konzentratorsysteme
bündeln das Sonnenlicht auf die Solarzellen und können
deshalb einen Beitrag für eine signifikante Absenkung der
Stromerzeugungskosten leisten. Die Konzentration des Sonnenlichts
führt jedoch zu hohen Temperaturen auf der Oberfläche
der Solarzellen, was wiederum eine deutliche Reduktion ihres Wirkungsgrads
bewirkt. Insbesondere hocheffiziente, mehrfach beschichtete Solarzellen
müssen deshalb durch besondere Maßnahmen gekühlt
werden.
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Parabolrinnenkraftwerke
nutzen einen rinnenförmigen Spiegel, um das Sonnenlicht
auf ein selektiv beschichtetes Absorberrohr zu konzentrieren. Die
Stromerzeugungskosten liegen hier zwischen 10 und 15 EURct/kWh.
Die Massenfertigung etwa 12 m langer Kollektormodule mit einer Spiegelapertur
von etwa 6 m Breite und einem biege-, schub- und torsionssteifen
Raumfachwerk aus Stahl, auf das die Glasspiegel montiert werden,
reduziert den Materialeinsatz auf ca. 18 kg Stahl und 11 kg Glas
pro Quadratmeter Aperturfläche. Bei einem derartigen Kollektormodul
besteht der Spiegel aus einzelnen gebogenen Glasscheiben, die auf
ein darunter liegendes Stahltragwerk montiert werden. Dabei übernehmen
die Glasscheiben keine Tragfunktion. Für den Bau von Parabolrinnenkraftwerken
im sog. Sonnengürtel der Erde gilt es zu bedenken, dass
die Anlagen regelmäßig gereinigt und gegen die
Auswirkungen von Sandstürmen geschützt werden
müssen. Bereits in der Patentschrift Nr. 231294 weisen
die Erfinder aus Aalen und Stuttgart auf diese Tatsache hin und
schützen den empfindlichen Metallspiegel durch eine dünne
Glasplatte.
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Die
US 2 872 915 offenbart einen
Parabolrinnenkollektor mit einer konvex gewölbten Abdeckung
aus Glas. Die Glasabdeckung hat hier die Aufgabe, sekundäre
Wärmestrahlung mittels einer teilweise verspiegelten Oberfläche
auf ein im Rinnenbodenbereich angeordnetes Absorberrohr zu bündeln.
Durch diese Anordnung ist der Gedanke einer selbsttragenden Röhre
mit zwei von der Längsmittelachse beabstandeten Gurtungen
nicht vorweggenommen. Die
DE
26 35 436 zeigt einen Sonnenkollektor, bei dem ein parabolrinnenförmiges
Spiegelelement in einen separaten Rahmen eingesetzt wird und diesen
aussteift. Das Prinzip einer selbsttragenden, starren Röhre
geht aus dieser Patentschrift ebenfalls nicht hervor.
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Aus
der
DE 103 35 214 geht
ein Parabolrinnenkollektor hervor, dessen Tragstruktur als zweischaliger Torsionskasten
ausgeführt ist. Die Reflektorschale ist bei diesem Ausführungsbeispiel
zur Sonneneinstrahlung offen, während sich das Schalentragwerk
auf der Rückseite des Spiegels befindet.
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Aus
der
AT 505 075 geht ein
aufblasbarer Sonnenkollektor hervor, bei dem der Reflektor als Membran in
einen zylindrischen, aufblasbaren Schlauch mit zwei Kammern integriert
ist. Ein pneumatisch stabilisierter Schlauch aus Kunststoff erreicht
insbesondere bei größeren Durchmessern nicht die
nötige Präzision, um das Sonnenlicht möglichst
konzentriert auf ein Empfängerelement zu bündeln.
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Aufgabenstellung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor mit einem linear
fokussierenden, optischen Konzentratorsystem, das ein Tragwerk,
einen parabolrinnenförmigen Hohlspiegel und ein Empfängerelement umfasst,
zu finden, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und
die Vorteile bekannter Kollektorsysteme vereint und dabei einfach
und kostengünstig herzustellen ist.
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Es
ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung, das optische Konzentratorsystem
so weiter zu entwickeln, dass es mit minimalem Materialaufwand für
das Tragwerk möglichst viel Sonnenlicht präzise
auf ein im Fokus des Hohlspiegels angeordnetes Empfängerelement
bündelt. Diese Aufgabe wird durch einen Sonnenkollektor
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßer Sonnenkollektor kann ein oder
mehrere Kollektormodule umfassen, die in Reihe hintereinander oder
in einem Register parallel nebeneinander angeordnet werden können.
Das optische Konzentratorsystem besteht aus einer lichtdurchlässigen,
in Richtung der Sonneneinstrahlung konvex gewölbten Schale,
die das Empfängerelement trägt, und aus einer
verspiegelten, konkav gewölbten Reflektorschale. Erfindungsgemäß bilden
beide Schalen eine biege-, schub- und torsionssteife Röhre,
sodass ein weitspannendes und selbsttragendes Kollektormodul hergestellt
werden kann.
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Die
Erfindung bezieht sich dabei auf spiegelsymmetrisch ausgebildete
Röhren mit einer oder zwei Symmetrieachsen, wobei die lichtdurchlässige
Schale und die Reflektorschale formgleich ausgebildet sein können
oder jeweils eine voneinander abweichende Form mit unterschiedlichen
Krümmungen aufweisen können. Bei einem fotovoltaischen
Sonnenkollektor wird das Empfängerelement von fotovoltaischen
Zellen oder von einer fotovoltaisch wirksamen Beschichtung gebildet.
Bei einem solarthermischen Sonnenkollektor besteht das Empfängerelement
aus einem selektiv beschichteten Absorberrohr. Ein mit der lichtdurchlässigen Schale
verbundener Sekundärspiegel kann dabei der vollständigen
Bündelung der Sonnenstrahlen auf das Absorberrohr dienen.
Ein erfindungsgemäßer, röhrenförmiger
Sonnenkollektor kann in unterschiedlichsten Größen
hergestellt werden, wobei die kleinsten Ausführungsvarianten
als Glas- oder Kunststoffröhren eine Aperturbreite von
0,2–1,0 m aufweisen. Mittlere Größen
betreffen Röhren als Ganzglaskonstruktion mit einer Aperturbreite
von 1–6 m, die freispannend und selbsttragend 6–12
m überspannen können.
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Um
den Stromerzeugungspreis in einer Parabolrinnenanlage weiter abzusenken,
kann es sinnvoll sein, Spannweite und Apertur eines Moduls weiter
zu erhöhen. Deshalb werden im Rahmen der Erfindung auch
Fachwerkröhren aus Stahl vorgeschlagen, bei denen die einander
gegenüber liegenden Schalen z. B. als konvex bzw. konkav
gebogene Gitterschalen ausgebildet sind. Durch den kraftschlüssigen
Verbund der beiden gegensinnig gekrümmten Schalen entsteht
eine biege-, schub- und torsionssteife Fachwerkröhre, die mit
minimalem Materialaufwand Spannweiten bis zu 30 m überbrücken
kann und eine exakte Spiegelgeometrie mit einer Aperturbreite von
6–15 m ermöglicht. Die Gurtungen einer Fachwerkröhre
bestehen aus Stahlhohlprofilen, die untereinander zu Dreiecken zusammengeschlossen
sind oder deren viereckige Felder durch ein Seilnetz ausgesteift
werden. Die hohe Steifigkeit und Stabilität einer Fachwerkröhre
ermöglicht nicht nur die Ausbildung weitspannender Kollektormodule,
sondern erlaubt auch die Konstruktion eines 100–150 m hohen
Turms als Sonnenkollektor mit einer Aperturbreite von z. B. 20 m,
der ggf. auch die Maschinengondel einer Windkraftanlage tragen kann
und dabei über ein Azimutlager an der Basis dem Stand der
Sonne folgt. Der Nachteil einer Verschattung der Apertur durch die
Stahlfachwerkkonstruktion um ca. 10–20% wird durch den Leichtbauvorteil
mehr als kompensiert.
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Eine
Röhre als Ganzglaskonstruktion besteht z. B. aus zwei gegensinnig
gebogenen, parabolischen Halbschalen aus ESG, die jeweils an ihren
Längskanten durch ein Randprofil, z. B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff,
kraftschlüssig untereinander verbunden werden. Randprofile
aus gebogenem Glas ermöglichen die Herstellung einer mehrlagigen
Verbundglasröhre, bei der die lichtdurchlässige
Schale und die Reflektorschale jeweils aus gebogenen, etwa 4 mm
dicken Glaslamellen bestehen, die über Zwischenschichten
aus transparenter Kunststofffolie kraftschlüssig untereinander
verbunden werden. Liegt die Brennlinie der Reflektorschale außerhalb
des von der Röhre umschlossenen Hohlraums, können
mono- oder polykristalline PV-Zellen als Empfängerelement
innerhalb des Glasverbunds der lichtdurchlässigen Schale
in einem streifenförmigen Fokusbereich angeordnet werden.
Eine derartige Glasröhre ist korrosionsbeständig,
kratzfest, windschlüpfrig und formschön, wobei
der Hohlraum gegenüber der Umgebung staubdicht abgeschlossen
werden kann, sodass die Konstruktion leicht gereinigt werden kann
und sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
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Liegt
die Brennlinie innerhalb des von der Röhre umschlossenen
Hohlraums, ist in einer weiteren Ausführungsvariante der
Erfindung vorgesehen, Tandem-, Triple- oder Quinto-Solarzellen als
Empfängerelement auf der Oberfläche eines mediendurchströmten
Kühlrohrs anzuordnen.
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Erfindungsgemäße
Glasröhren, deren Spiegelapertur eine Breite von 2–6
m aufweisen kann, werden aus Querabschnitten vorgefertigt, die im
Randbereich mittels eines innerhalb des Randprofils geführten
Zugglieds untereinander verspannt und an den Glasfugen über
punktförmig angeordnete, geschraubte Verbindungsplatten
oder linienförmige Klemmschienen kraftschlüssig
verbunden werden. Durch Verklebung der einzelnen Querabschnitte
einer Glasröhre kann ebenfalls ein schubsteifen Verbund
der Fertigteile hergestellt werden. Ein in regelmäßigen
Abständen quer zur Brennlinie angeordneter Zug-Druckstab
gewährleistet die Formstabilität einer Glasröhre
in den unterschiedlichen Betriebsstellungen eines Kollektormoduls,
das über einen Verschwenkmechanismus dem jeweiligen Stand
der Sonne folgt.
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Prismen,
die auf der lichtdurchlässigen Schale quer zur Brennlinie
angeordnet sind, lenken flach einfallende Sonnenstrahlen, insbesondere
bei einer Ost-West-Ausrichtung der Kollektormodule in einem steilen Winkel
auf die Reflektorschale. Wird etwa ein Drittel bis ein Viertel der
Aperturfläche eines ost-west-orientierten Kollektors mit
lichtlenkenden Prismen ausgestattet, verlängert sich die
Betriebsphase der Anlage, wobei die Betriebstemperatur morgens früher
erreicht wird und abends länger aufrechterhalten werden
kann.
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Mit
einer Spannweite von 12–15 m zwischen den verschwenkbaren
Tragarmen des Tragwerks und einer Aperturweite von ca. 6 m erreicht
eine erfindungsgemäße Röhre als Ganzglaskonstruktion
eine strukturelle Obergrenze.
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Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
fotovoltaischer und solarthermischer Kollektoren unter Bezugnahme
zu beiliegenden Figuren beschrieben.
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In
diesen zeigt:
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1 eine
einschalige Glasröhre als Sonnenkollektor im schematischen
Querschnitt
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2 eine
zweischalige Verbundglasröhre als Sonnenkollektor im schematischen
Querschnitt
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3 eine
dreischalige Verbundglasröhre als Sonnenkollektor im schematischen
Querschnitt
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4 einen
Sonnenkollektor mit einer Glasröhre in der isometrischen Übersicht
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5 einen
Sonnenkollektor mit einer Glasröhre und Randprofilen im
schematischen Querschnitt
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6 ein
Scharnier als Randprofil für einen Sonnenkollektor im schematischen
Querschnitt
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7 ein
Fertigteil für ein solarthermisches Kollektormodul in der
isometrischen Übersicht
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8 ein
Fertigteil für ein solarthermisches Kollektormodul mit
Prismen auf der lichtdurchlässigen Schale in der isometrischen Übersicht
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9 das
Modul eines solarthermischen Kollektors mit verschwenkbarer Tragkonstruktion
in der perspektivischen Übersicht
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10 den
Ausschnitt einer Fachwerkröhre als solarthermischen Kollektor
in der isometrischen Übersicht
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11 den
Ausschnitt einer vertikal angeordneten Fachwerkröhre als
fotovoltaischer Kollektor in der isometrischen Übersicht
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1 zeigt
eine Glasröhre 300 mit einer lichtdurchlässigen
Schale 1, einer Reflektorschale 2 und einem den
Oberflächen I, II zugeordneten Empfängerelement 11.
Die Reflektorschale 2 mit den Oberflächen III, IV trägt
auf der Oberfläche IV einen Hohlspiegel 21,
der das Sonnenlicht bei einer nicht näher dargestellten einachsigen
Nachführung auf eine außerhalb der Röhre 30 liegende
Brennlinie f fokussiert. Das Empfängerelement 11 liegt
im Fokusbereich des Hohlspiegels 21 und besteht aus fotovoltaischen
Zellen 110 oder aus einer fotovoltaisch wirksamen Beschichtung,
die jeweils in einer streifenförmigen Anordnung auf der
dem Hohlraum zugewandten Oberfläche II der lichtdurchlässigen
Schale 1 angeordnet sind. Die Außenoberfläche I trägt ebenfalls
streifenförmig angeordnete PV-Zellen 110, die
von der Sonne unmittelbar belichtet werden. Jeweils mit einem Abstand
zur Längsmittelachse x der Glasröhre 300 angeordnet,
wirken die lichtdurchlässige Schale 1 und die
Reflektorschale 2 als Gurtungen 10, 20 der
biege-, schub- und torsionssteifen Röhre 30. Eine
derartige Röhre 30 kann aus Acrylglas, Polycarbonat,
Kalknatronglas oder Borosilicatglas in einem Strang oder durch Verschweißen
der beiden symmetrisch ausgebildeten Schalen 1, 2 hergestellt
werden.
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2 zeigt
eine Verbundglasröhre 300, die in ihrem Aufbau
weitgehend dem in 1 beschriebenen Beispiel gleicht.
Der schematische Querschnitt durch die Röhre 30 zeigt
eine zweilagig ausgebildete Verbundglasröhre 300.
Sowohl der Hohlspiegel 21 als auch die PV-Zellen 110 sind
jeweils in eine Zwischenschicht zwischen den Oberflächen I, II bzw. III, IV integriert,
die dem schubsteifen Verbund der konzentrisch ausgebildeten Glasschalen 100, 200 dient.
Die beiden Schichten der konvex bzw. konkav ausgebildeten Glasschalen 100, 200 werden
z. B. mit einer sog. SGP-Folie (SentryGlas Plus der Firma Dupont)
in einem Klebe-Schmelz-Verfahren in einem Autoklaven kraftschlüssig
untereinander verbunden. Im Unterschied zu einer PVB-Folie, die ebenfalls
als Zwischenschicht in Frage kommt, ermöglicht die SGP-Folie
den statischen Verbund der einzelnen Glasschichten, wobei die Steifigkeit
der Klebeverbindung erst ab einer Temperatur von ca. 40°C
allmählich nachlässt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
liegt die Brennlinie f deutlich außerhalb des von der Röhre 30 definierten
Hohlraums, sodass für die Anordnung der PV-Zellen 110 ein
entsprechend breiterer Streifen zur Verfügung steht. Die
PV-Zellen 110 empfangen gebündeltes Licht aus
dem Hohlspiegel 21 und werden auf ihrer Rückseite
direkt von der Sonne bestrahlt, wobei sie entweder als beidseitig
wirksame PV-Zellen 110 oder als zweilagig angeordnete PV-Zellen 110 ausgebildet
sind.
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3 zeigt
eine dreilagig aufgebaute Verbundglasröhre 300,
bei der die konvexe Glasschale 100 mit der konkaven Glasschale 200 über
zwei Randprofile 22 als Glasprofile 222 verbunden
ist. Bei dieser Röhre 30 liegt die Brennlinie
f innerhalb des von der Glasröhre 300 umschlossenen
Hohlraums. Das Empfängerelement 11 besteht aus
mehrschichtig aufgebauten Solarzellen 110, sog. Tandem-,
Triple- oder Quinto-Solarzellen, deren Wirkungsgrad deutlich über
30% liegt. Diese hocheffizienten Solarzellen sind jeweils nur wenige
Millimeter groß und werden in modularer Anordnung auf eine
Kupfer-Keramik-Platte aufgebracht und mit einem Kühlrohr 111 aus
Kupfer wärmeleitend verbunden. Die bei einer 500- bis 1000-fachen
Konzentration des Sonnenlichts entstehenden, hohen Temperaturen werden
von einer Wärmeträgerflüssigkeit im Kühlrohr 111 abgeleitet.
Zugunsten einer möglichst übersichtlichen Prinzipdarstellung
der Funktionselemente eines Sonnenkollektors 3 wurde in
den 1–3 auf eine
maßstäbliche Wiedergabe verzichtet.
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4 zeigt
einen Sonnenkollektor 3 in der isometrischen Übersicht.
Eine fotovoltaisch wirksame Beschichtung 112 ist auf die
Innenseite der lichtdurchlässigen Schale 1 aufgebracht
und liegt im Fokusbereich des Hohlspiegels 21 der Reflektorschale 2.
Die Schalen 1, 2 bilden eine einstückige
Glasröhre, die jeweils an ihren Enden durch eine Stirnplatte
mit Gelenkbolzen verschlossen ist. Bei dieser symmetrisch ausgebildeten und
vertikal angeordneten Glasröhre 300 fällt
die Längsmittelachse x des Sonnenkollektors 3 mit
der Drehachse x' zusammen und folgt über ein Azimutlager 34 dem
jeweiligen Stand der Sonne. Als erste Gurtung 10 bildet die
konvexe Glasschale 100 mit der konkaven Glasschale 200 als
zweite Gurtung eine einstückig ausgebildete Glasröhre 300,
die in der Lage ist, Biege-, Zug-, Druck- und Torsionskräfte
aufzunehmen und sich deshalb besonders als Fertigteil 32 für
eine Sonnenschutzkonstruktion eignet. Dabei können mehrere
Fertigteile 32 in einem Register zusammengefasst und vertikal
oder horizontal vor einer Gebäudehülle angeordnet
werden.
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5 zeigt
einen solarthermischen Kollektor 36, bei dem die lichtdurchlässige
Schale 1 und die Reflektorschale 2 jeweils aus
parabelförmig gebogenen ESG-Scheiben 100, 200 bestehen.
Die beiden ESG-Scheiben 100, 200 werden jeweils
an ihren geraden Längskanten mit zwei Randprofilen 22 verklebt
oder verschraubt. Die Randprofile 22 sind als GFK-Profil 223 ausgebildet
und nehmen einen quer zur Längsmittelachse x der Glasröhre 300 angeordneten
Zug-Druck-Stab als Aussteifungselement 31 auf. Das Absorberrohr 113 wird
von der lichtdurchlässigen Schale 1 getragen und
ist koaxial und konzentrisch zur Brennlinie f des Hohlspiegels 21 der
Reflektorschale 2 angeordnet. Das Absorberrohr 113 besteht
aus einem selektiv beschichteten Stahlrohr, durch das eine Wärmeträgerflüssigkeit
geleitet wird und wird von einem gläsernen Hüllrohr
umschlossen. Ein Vakuum zwischen Hüllrohr und Metallrohr
begrenzt Verluste der aufgenommenen Wärme auf ein Minimum.
Der einschalige Aufbau der Glasröhre 300 mit einer
ersten Gurtung 10 und einer zweiten Gurtung 20,
jeweils aus eisenarmem, thermisch vorgespanntem ESG-Glas begrenzt
den an jeder Glasoberfläche verursachten Verlust der nutzbaren
Lichtenergie auf maximal 10%. Dabei ist es sinnvoll, die Oberflächen I und III zu
entspiegeln, kratzfest zu beschichten und den Hohlspiegel 21 auf
der Oberfläche IV anzuordnen.
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6 zeigt
die alternative Ausbildung eines Randprofils 22. Während
die konvexe Glasschale 100 und die konkave Glasschale 200 in 5 biegesteif
mit dem Randprofil 22 verbunden sind, zeigt 6 den
Detailschnitt durch ein Scharnier 221, bei dem die lichtdurchlässige
Schale 1 und die Reflektorschale 2 gelenkig untereinander
verbunden sind. Ein Zug-Druck-Stab, der in regelmäßigen
Längsabständen die einander gegenüberliegenden
Randprofile 22 verbindet, dient als Aussteifungselement 31 der
Glasröhre 300. Mittels einer nicht näher
bezeichneten Stellschraube an dem Zug-Druck-Stab 31 wird
die Apertur des Hohlspiegels 21 justiert.
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7 zeigt
einen Sonnenkollektor 3, dessen funktionaler Aufbau dem
in 5 beschriebenen solarthermischen Kollektor 36 entspricht.
Die Zeichnung zeigt ein Fertigteil 32 als Bestandteil einer
weitspannenden, selbsttragenden Glasröhre 300.
Verbindungsplatten 321 stellen jeweils am Querstoß zweier
aneinandergrenzender Fertigteile 32 eine schubsteife Verbindung
sowohl der konvexen Glasschale 100 als oberer Gurtung 10,
als auch der konkaven Schale 200 als unterer Gurtung 20 der
Glasröhre 300 her. Für die kraftschlüssige
Verbindung der Fertigteile 32 untereinander kommen neben
den gezeigten, punktförmig angeordneten, geschraubten Verbindungsplatten 321 auch
linienförmig wirksame Klemmleisten oder aber auch stirnseitige Verklebungen
der Glasschalen 100, 200 in Frage. Im Bereich
der Randprofile 22 werden die Fertigteile 32 durch
in Leerrohren geführte Spannglieder 320 zusammengeschlossen.
Die nötige Formstabilität für die exakte
Fokussierung des Sonnenlichts auf die Brennlinie f wird durch ein
justierbares Aussteifungselement 31, das als Zug-Druck-Stab
die einander gegenüber liegenden Randprofilen 22 verbindet,
gewährleistet.
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8 zeigt
ein Fertigteil 32 zum Aufbau eines solarthermischen Kollektors 36,
das in seinem funktionalen Aufbau dem in den 5 und 7 beschriebenen
Ausführungsbeispiel entspricht. Quer zur Längsmittelachse
x angeordnete Prismen 12 auf der Oberfläche I der
lichtdurchlässigen Schale 1 lenken flach einfallendes
Licht so ab, dass es in einem steilen Winkel auf den Hohlspiegel 21 auf
der Oberfläche IV der Reflektorschale 2 trifft.
Insbesondere bei einem ost-west ausgerichteten solarthermischen
Kraftwerk wird der Wirkungsgrad verbessert, indem die Arbeitstemperatur
der Wärmeträgerflüssigkeit in den Morgenstunden
früher erreicht wird und in den Abendstunden länger
erhalten bleibt. Dafür genügt es, nur etwa jedes
dritte oder vierte Fertigteil 32 mit Prismen 12 zu
versehen. Diese Prismen können auch bei einem wie z. B.
in 4 beschriebenen fotovoltaischen Kollektor zum
Einsatz kommen, wobei sie bei einer senkrechten Anordnung der Fertigteile
steil einfallende Sonnenstrahlen günstig ablenken.
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9 zeigt
ein solarthermisches Kollektormodul 36 mit Verschwenkmechanismus.
Das Modul ist aus insgesamt vier der in 7 beschriebenen
Fertigteile 32 aufgebaut. In den Randprofilen 22 geführte
Spannglieder 320 und eine kraftschlüssige Verbindung
an den Längsstößen der Fertigteile 32 schließen
die lichtdurchlässige Schale 1 und die Reflektorschale 2 zu
einer weitgespannten und selbsttragenden Glasröhre 300 zusammen.
Als Aussteifungselemente 31 der Röhre 30 dienen
quer zur Längsmittelachse x angeordnete Koppelstäbe,
die die Randprofile 22 zug- und drucksteif untereinander
verbinden, sowie stirnseitig angeordnete Schotte 31 aus Glas,
die die Glasröhre 300 an beiden Enden staubdicht
abschließen. Da die beiden Schalen 1, 2 eine
selbsttragende Glasröhre 300 bilden, ist die Konstruktion
sehr wirtschaftlich und kommt mit einem Minimum an Stahl aus. Zudem
reduziert die aerodynamische Form die Windbelastung erheblich und
lässt sich aufgrund der glatten Oberfläche vergleichsweise
leicht reinigen. Durch Verschwenken um die Drehachse x' kann der
Sonnenkollektor 3 in einem Radius von 180 Grad dem Stand
der Sonne folgen.
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10 zeigt
eine Röhre 30 mit einer lichtdurchlässigen
Schale 1 und einer Reflektorschale 2, die als konvexe
und konkave Gitterschalen 101, 201 aufgebaut sind.
Die Felder der lichtdurchlässigen Schale 1 werden
von längs und quer angeordneten Stahlprofilen gleicher
Länge gebildet und sind mittels aussteifender Verbände
aus diagonal angeordneten, jeweils über mehrere Felder
durchlaufenden Seilen ausgesteift. Die Felder der Reflektorschale 2 werden
durch modulare Hohlspiegel 21 aus Glas ausgesteift. Bezüglich
der Längsmittelachse x weisen die beiden Schalen 1, 2 einen
Abstand auf und bilden die obere und die untere Gurtung 10, 20 einer
weitspannenden Fachwerkröhre 301. Beide Gitterschalen 101, 201 werden
jeweils über ein Randprofil 22, das als Rahmenecke 220 ausgebildet
ist, biegesteif untereinander verbunden. Als Aussteifungselemente 31 sind
Zugglieder vorgesehen, mit denen die Gitterschalen 101, 201 in
regelmäßigen Querabständen untereinander
verspannt werden. Da ein derartiger Sonnenkollektor 3 eine
wesentlich größere Apertur als bisherige Konstruktionen
aufweist und dabei mit einem Minimum an effizient eingesetzten Konstruktionsteilen
auskommt, können mit dieser Konstruktion große
Kollektorfelder wirtschaftlich hergestellt werden. Zur Bündelung der
einfallenden Sonnenstrahlen auf das Absorberrohr 113 trägt
die lichtdurchlässige Schale 1 auf der Oberfläche II einen
Sekundärspiegel s. Ein entsprechendes Kollektormodul spannt
z. B. freitragend über 20–30 m, wobei die Apertur
eine Breite von 6–18 m aufweisen kann. Damit wird ein Beitrag
zur Senkung der Stromerzeugungskosten in einem solarthermischen
Kraftwerk geleistet.
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11 zeigt
einen Sonnenkollektor
3, der als fotovoltaischer Kollektor
35 ausgebildet
ist und aus einer senkrecht aufgestellten Fachwerkröhre
301 besteht.
Eine lichtdurchlässige konvexe Gitterschale
101 bildet
die erste Gurtung
10 der Fachwerkröhre
301,
während eine konkave Gitterschale
201 als zweite
Gurtung
20 modulare Hohlspiegel
21 trägt.
Der Hohlspiegel
21 als Ganzes fokussiert das Sonnenlicht
auf ein streifenförmiges Empfängerelement
11,
das auf beiden Oberflächen mit PV-Zellen
110 bestückt
ist. Während die auf der Oberfläche
I angeordneten
PV-Zellen das Licht direkt aus der Sonnenstrahlung empfangen, fokussiert
der Hohlspiegel
21 auf der Oberfläche
III der
Reflektorschale
2 das Licht auf PV-Zellen, die auf der
Oberfläche
II, also auf der dem Hohlraum zugewandten
Seite der Röhre
30 angeordnet sind. Über
ein Azimutlager
34 erfolgt die einachsige Nachführung
zum Stand der Sonne, wobei die Drehachse x' bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit der Längsmittelachse x zusammenfällt.
Das Konstruktionsprinzip eignet sich auch für den Bau eines
100–150 m hohen Turms, der die Maschinengondel einer Windkraftanlage
tragen kann. Bezugszeichenübersicht
| Lichtdurchlässige Schale | 1 | Reflektorschale | 2 | Sonnenkollektor | 3 |
| Oberflächen | I II | Oberflächen | III IV | Längsmittelachse | x |
| Sekundärspiegel | s | Brennlinie | f | Drehachse | x' |
| Gurtung | 10 | Gurtung | 20 | Röhre | 30 |
| Konvexe
Glasschale | 100 | Konkave
Glasschale | 200 | Glasröhre | 300 |
| Konvexe Gitterschale | 101 | Konkave Gitterschale | 201 | Fachwerkröhre | 301 |
| Empfängerelement | 11 | Hohlspiegel | 21 | Aussteifungselement | 31 |
| PV-Zellen | 110 | Randprofil | 22 | Fertigteil | 32 |
| Kühlrohr | 111 | Rahmenecke | 220 | Spannglied | 320 |
| PV-Beschichtung | 112 | Scharnier | 221 | Verbindungsplatte | 321 |
| Absorberrohr | 113 | Glasprofil | 222 | Gelenk | 33 |
| Prismen | 12 | GFK-Profil | 223 | Azimutlager | 34 |
| | | Hohlprofil | 224 | PV-Kollektor | 35 |
| | | | | Solarthermischer Kollektor | 36 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2872915 [0004]
- - DE 2635436 [0004]
- - DE 10335214 [0005]
- - AT 505075 [0006]
