DE102009039499A1

DE102009039499A1 - Parabolspiegel kombiniert mit einer Optothermalflasche und Farbstoffsolarzellen zur Sonnenenergiegewinnung

Info

Publication number: DE102009039499A1
Application number: DE102009039499A
Authority: DE
Inventors: Markus Masur
Original assignee: Masur Markus Dr-Ing
Current assignee: Masur Markus Dr-Ing De
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: DE102009039499B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System in Form eines Parabolspiegels, welches dem Stand der Sonne zweiachsig nach zu führen ist. Das System, skizziert in Bild 1, kann sowohl direkte als auch winkelfehlerbehaftete sowie diffuse Sonnenstrahlung nutzen. Es besteht aus konkav gewölbten Spiegelfacetten (1), welche im Parabolspiegelbrennpunkt fokussieren, um die Sonnenstrahlung in die dahinter angeordnete Optothermalflasche (2) einzuspeisen. Das optische System (1 u. 2) ist derart konzipiert, dass es winkelfehlerbehaftete und direkte Sonnenstrahlung zum Sonnenlichtabsorber leitet und somit nutzbar macht. Die Spiegelfacetten tragen an ihrer Oberfläche zudem teiltransparente Farbstoffsolarzellen (3), welche es ermöglichen, direktes und diffuses Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die entwickelte Optothermalflasche minimiert Reflexions- und IR-Abstrahlungs- sowie konvektive Wärmeverluste am Sonnenlichtabsorber (4), welcher als Wärmetauscher für beliebige durch ihn zirkulierende Medien dient. Bei der zugehörigen Nachführmechanik (5) liegen die Stellachsen in den Kraftwirkungslinien des Systemschwerpunktes, um kleine Stellglieder bei minimalem Stellenergieverbrauch zu realisieren. Alle Sonnensammelpositionen als auch eine Schutzposition können angefahren werden. Speziell entwickelte Steuerungsalgorithmen optimieren den Energieertrag und schützen den Parabolspiegel.

Description

1.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein konzentrierendes Solarenergiesystem in Form eines Parabolspiegels, welches direkte, winkelfehlerbehaftete und diffuse Sonnenstrahlung nutzen kann. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau dieses Systems, welches sich somit auch für den Einsatz in nördlichen Breiten mit höherem Diffusanteil in der Sonnenstrahlung eignet. Zielstellung ist hier das Heizen und Erzeugen von elektrischer Energie. Zu diesem Zweck wird ein optisches System bestehend aus konkav gewölbten Spiegelfacetten (1) beschichtet mit Farbstoffsolarzellen (3) geschützt durch rückseitige Spiegelfacettenabdeckungen (8) aufgebaut und auf einer eigens dafür konzipierten Nachführmechanik (5) montiert. Dieses optische System wird zweiachsig der Sonne nachgeführt. Die optische Achse des Parabolspiegels ist dabei immer möglichst exakt auf die Sonne als Strahlungsquelle gerichtet, solange diese nicht durch Wolken verdeckt wird. Die hinter dem Brennpunkt auf der optischen Achse des Parabolspiegels angeordnete Optothermalflasche (2 + 4) ist Bestandteil des optischen Systems und ermöglicht zusammen mit den Spiegelfacetten das Sammeln der direkten und winkelfehlerbehafteten Strahlung. Die Optothermalflasche wirkt als Sonnenlichtempfänger und sorgt zudem für eine Minimierung der Reflexions-, IR-Abstrahlungs-, sowie konvektiven Wärmeverluste. In der konkreten Realisierung wird der Sonnenlichtabsorber (4) in Sandwichbauweise aus Hochtemperaturkeramik als erste Wand und einer mit ihr thermisch verbundenen Druckrohrschnecke aus hoch warmfestem Stahl aufgebaut. Bei der zugehörigen Nachführmechanik liegen die Stellachsen in den Kraftwirkungslinien des Systemschwerpunktes (Optothermalflasche und Dampfkraftmodul (7) zu Spiegelfacetten und Ausgleichsmassen (6)), um kleine Stellglieder bei minimalem Stellenergieverbrauch zu realisieren. Speziell für den genannten Parabolspiegel werden Steuerungsalgorithmen beschrieben, welche den zu erzielenden Gesamtenergieertrag optimieren und vor Verschmutzung, Blitzschlag sowie Sturm-, Hagel-, und Schneebruch schützen.
1.1 Stand der Technik
Allgemein:
Bisherige Solarenergiesystem gliedern sich in Photovoltaikanlagen, die aus Sonnenstrahlung direkt elektrischen Strom erzeugen, Solarkollektoren, die flächig das Sonnenlicht in Niedertemperaturwärme umwandeln und konzentrierende Solarenergiesysteme (Solarturmkraftwerke, Parabolspiegel, Parabolrinnen, Fresnellinsen), die das Sonnenlicht fokussieren und somit in einem Receiver oder Sonnenlichtempfänger thermische Energie gewinnen können. Das Unternehmen Concentrix Solar bietet zusätzlich Fresnellinsenkonzentratoren an, welche im Brennpunkt elektrische Energie aus einer dort befindlichen Solarzelle gewinnen. Als gemeinsames Merkmal der konzentrierenden Solarsysteme ergibt sich die Nachführung von mindestens einer Achse zur Verfolgung der Sonnenbahn zwecks Brennpunkt-, oder Brennlinienbildung. Vorteilhafterweise erzeugen thermisch arbeitende, konzentrierende Solarsysteme die Energie auf verschiedenen Temperaturniveaus, was eine kaskadenartige Energienutzung und damit einen höheren Gesamtwirkungsgrad des Systems zulässt. Ab einem Temperaturniveau von rund 800°C und höher kann z. B. Wasserstoff über thermochemische Kreisprozesse erzeugt werden. Bei rund 600°C kann elektrische Energie durch die Verwendung von Dampfmotoren, Dampfturbinen oder Stirlingmotoren erzeugt werden. Die dabei entstehende Abfallwärme kann danach in Form von heißem Wasser zum Heizen genutzt werden.
1.1.1 Stand der Technik, Parabolspiegel
Es ist der Aufbau von Parabolspiegeln aus Spiegelfacetten in ebener und konkav gewölbter Form (Glasspiegel, Acrylglasspiegel, polierte Metalle) oder aus Spiegelfolien (Hostaflon ET) in Schüsselbauweise bekannt. Heutige Parabolspiegel werden zur Erzeugung hoher Sonnenlichtverstärkungen und damit hoher Temperaturen konstruiert [ DE19744541A1 , DE20316431U1 , DE10160577A1 , DE102006048965A1 ].
Daraus entstehen die Nachteile herkömmlicher Parabolspiegel:
Es werden sehr kleine Wärmetauscherflächen im Brennpunkt realisiert und dieser wird in großem Abstand von der Spiegelfläche gebildet, was zu einer sehr schlechten Winkelfehlerstabilität (siehe Bild 2) des gesamten optischen Systems führt. Somit können nur direkten Sonnenstrahlen genutzt werden, deren Einfallswinkel zur optischen Achse des Parabolspiegels äußerst geringe Abweichungen von wenigen zehntel Graden aufweisen.
Sobald der Sonnenstrahl einen signifikanten Winkelfehler besitzt, also eine größere Abweichung von der optischen Achse des Parabolspiegels aufweist, kann er nicht mehr genutzt werden und geht für das System verloren. Damit sinkt die Effizienz des herkömmlichen Parabolspiegels in nördlichen Breiten signifikant. Denn Winkelfehler treten in der Realität immer auf, da endlich genaue Nachführmechaniken und Positionsregelungen Verwendung finden müssen und ein Anteil der Sonnenstrahlung, insbesondere in nördlichen Breiten, diese infolge verschiedener Streueffekte in der Atmosphäre generell aufweist. Schwankungen der Nachführmechanik infolge von Windeinflüssen erzeugen zusätzliche temporäre Winkelfehler.
Aufgrund hoher Sonnenlichtkonzentrationen und hoher Temperaturniveaus können bei den meisten herkömmlichen Systemen keine gläsernen Abdeckscheiben verwendet werden, welche konvektive Wärmeverluste signifikant reduzieren würden. Diese würden infolge der im Glas entstehenden Wärmespannungen bei der Durchstrahlung zerstört.
Als weiterer Nachteil einer zu hohen Sonnenlichtverstärkung ergibt sich ein schneller thermischer Verschleiß des Wärmetauschermaterials infolge lokaler Überhitzungsschäden, welcher kurze Standzeiten verursacht.
Außerdem können herkömmliche Parabolspiegel keine Diffusstrahlung nutzen.
Bild 2 beschreibt die winkelfehlerbehaftete Strahlung durch Ihre Klassifizierung in die Typen 1 und 2, welche hier in einer Einstrahlungsebene zusammen mit der Direktstrahlung (1) dargestellt sind. Der Typ 1 (2) hat einen langen Strahlungsweg (3) zur Brennebene, wobei er die optische Achse kreuzt. Der Typ 2 (4) hat einen kurzen Strahlungsweg (5) zur Brennebene, er kreuzt die optische Achse nicht. In der Betrachtung über alle Einstrahlungsebenen ergibt sich somit ein konzentrischer Ring aus Winkelfehlerstrahlung um die optische Achse. Ein Parabolspiegel sollte demnach eine möglichst hohe Winkelfehlerstabilität um die optische Achse, angegeben in ±n° in Bezug auf den ersten Quadranten der xy-Ebene, besitzen. Der Strahlungstyp 1 hat damit einen positiven Winkelfehler und Typ 2 einen negativen.
1.1.2 Stand der Technik Sonnenlichtempfänger und Absorptionsmaterialien
„Volumetric Receiver” setzen das Sonnenlicht in ihrem inneren in Wärme um. Parallel verlaufende Oberflächen oder zu Knäulen gewickelte Metalldrähte sowie Keramikstrukturen mit unterschiedlichen Porositäten werden als Absorberoberflächen eingesetzt [ DE 10257458A1 , DE19740644A1 , DE3420118C2 ]. Als primäres Wärmeträgermedium wird hier Luft bei Umgebungsdruck hineingesaugt und im Kreis geführt, um diese auf die Zieltemperatur aufzuheizen. Zum Teil lässt man auch Absorptionspartikelströme, Thermalöle oder Salz-, und Metallschmelzen im Sonnenlicht zirkulieren, um hier den Wärmeübergang stattfinden zu lassen [ DE4329643C2 ]. Dies geschieht bei den genannten Systemen ohne Innendruck. Die thermische Energie des Primärmediums muss dann in weiteren Wärmetauschern dem eigentlichen, unter hohem Innendruck stehenden, Arbeitsmedium (z. B. Wasserdampf) übergeben werden.
Derartige Systeme arbeiten mit sehr hoher Konzentration des Sonnenlichtes und deshalb ohne Glasscheiben zur Abdeckung des Strahleintritts, woraus konvektive Wärmeverluste resultieren. Zur Reduktion der konvektiven Wärmeverluste werden Wind abweisende Konstruktionen neben dem Strahlungseingang montiert. Zum Teil werden auch Luftvorhänge durch Druckluftstrahlen erzeugt und die Strahleintrittsöffnungen zum Erdboden weisend montiert [ DE69000956T2 ]. Das Teilabdecken der Strahleintrittsöffnungen durch transparente netzartige Strukturen wird ebenfalls vorgeschlagen.
Bei Parabolspiegeln mit geringeren Sonnenlichtverstärkungen kommen ebene Glasscheiben als Abdeckungen der Strahleintrittsöffnungen zum Einsatz.
Weiterhin stehen Sonnenlichtempfänger basierend auf direkt beleuchteten Stahlröhren zur Verfügung, in denen das unter Innendruck stehende Arbeitsmedium aufgeheizt wird. (Sonnenlichtempfänger speziell für Stirlingmotoren)
Nachteile der bekannten Sonnenlichtempfänger:
Sonnenlichtempfänger ohne Glasabdeckung des Strahleintritts haben große konvektive Wärmeverluste und somit reduzierte thermische Wirkungsgrade.
Sonnenlichtempfänger mit einer ebenen Glasscheibe als Abdeckung reduzieren zwar die konvektiven Wärmeverluste, erzeugen jedoch gleichzeitig hohe Reflexionsverluste an der Grenzfläche Luft-Glas und haben somit reduzierte thermische Wirkungsgrade.
Die innendruckfreien Absorbersysteme benötigen immer einen weiteren Wärmetauscher, um die Wärmeenergie an das unter Innendruck stehende Arbeitsmedium abzugeben. Zusätzlich bedarf es teurer Umwälztechnologien für den Primärwärmeträger. Dies erfordert zusätzlichen Bauraum im Brennpunkt des Parabolspiegels und erzeugt zusätzliches unerwünschtes Gewicht, wenn keine langen Wege für das Primärmedium zum Wärmetauscher in Kauf genommen werden sollen, welche infolge der hohen Temperaturen stark verlustbehaftet sind. Zusätzliche Investitionskosten sind jedoch immer die Folge.
Insbesondere bei direkt beleuchteten Stahlröhren mit Innendruckbelastung ergeben sich unrentabel kurze Standzeiten infolge lokaler Überhitzungsschäden erzeugt durch hohe Sonnenlichtverstärkungen und inhomogene Strahlungsverteilungen, welche zusätzlich durch hinzukommende thermische Materialspannungen infolge der Aufheiz- und Abkühlvorgänge verkürzt werden.
Die beschriebenen Sonnenlichtempfänger wurden nicht dafür konzipiert die entstehenden IR-Abstrahlungsverluste an den heißen Absorberoberflächen zu minimieren. Somit führen diese unweigerlich zu Wärmeenergieverlusten und somit zu reduzierten thermischen Wirkungsgraden.
1.1.3 Stand der Technik der Nachführmechaniken für Parabolspiegel
Das Massesystem, bestehend aus Sonnenlichtempfänger, Kraftmaschine und Spiegelfläche, wird nicht in seinem Schwerpunkt bewegt. Dies führt nachteilig zu sehr groß dimensionierten Stellgliedern, welche große Kräfte zur Bedienung der entstehenden Hebelarme aufwenden müssen und aufgrund dessen viel Stellenergie benötigen, um die notwendigen Bewegungen auszuführen. Dies erfordert vermehrte Investitionskosten bei der Realisierung der Antriebssysteme sowie erhöhten Stellenergieverbrauch während des Betriebs. Häufig werden auch unter Druck stehende, mit Öl gefüllte Hydrauliksysteme zur exakten Positionierung verwendet [Fluid Markt 12/2008, S. 40–41]. Diese sind teuer in der Anschaffung und der Wartung, da ein Austreten von Hydrauliköl aus funktionalen und ökologischen Gründen unbedingt vermieden werden muss.
Des Weiteren sind die Nachführmechaniken in ihrer Vertikalachse, welche die Elevation oder Sonnenhöhe ansteuert, nur für eine Drehung zwischen 0° (Zenit der Sonne) und 90° (Sonnenauf-, Sonnenuntergangsposition) konzipiert. Nachteilig ist somit, dass eine Schutzposition gegen Unwetterschäden und Verschmutzung nicht eingenommen werden kann, da diese eine 180° Drehung (Spiegelfläche zum Erdboden) erfordert.
1.1.4 Solar Trecking Systeme, Algorithmen für Parabolspiegel
Herkömmliche Algorithmen zur Sonnennachführung von konzentrierenden Systemen berechnen die Sonnenbahn basierend auf Elevations- und Azimutkoordinaten, um nach dessen Maßgabe die Achsen zu stellen. Auf diese Weise wird die Sonnenbahn nachvollzogen. Nachteilig ist, dass weitere wesentliche Nebenfunktionen wie das Auffinden der hellsten Strahlungsquelle am Himmel bei von Wolken verdeckter Sonne und ein Schutz gegen Hagelschlag, Blitzschlag, Sturm- und Schneebruch sowie Diebstahl und Vandalismus jedoch nicht abgebildet werden.
1.2 Systembeschreibung der Erfindung
Die im Stand der Technik geschilderten Nachteile und Unzulänglichkeiten werden durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst. Insbesondere die unter Punkt 1.2.x dargestellten Details sowie die im Punkt 2 formulierten Ansprüche tragen zur Vermeidung der Nachteile bei und beschreiben außerdem ein aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem, welches weitere technische und ökonomische Vorteile bei seiner Realisierung bietet.
1.2.1 Das optisches System zur Realisierung des Parabolspiegels
Die Sonnensammelfläche wird aus quadratischen oder runden Spiegelfacetten mit gleichen Kantenlängen oder Durchmessern aufgebaut, welche zugehörig zu ihrer Position im optischen System eine definierte Brennweite (konkave Wölbung) aufweisen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Brennpunkt jeder einzelnen Spiegelfacette möglichst nahe des gemeinsamen Brennpunktes des optischen Systems gebildet wird. Die Optothermalflasche (optische Flasche + Thermalflasche, siehe 1.2.2 und Bild 5), als ein weiterer wichtiger Bestandteil des zu patentierenden optischen Systems, ist mittig auf der optischen Achse des Parabolspiegels hinter dem Brennpunkt angeordnet. Ihr vorderer Teil besteht aus der optischen Flasche, deren Optospiegel und gläserne Abdeckung (siehe Bild 4) bezüglich der Abmessungen und Montagewinkel ihrer Einzelteile exakt auf die Brennweiten der Spiegelfacetten und deren Positionen in der Sonnensammelfläche abgestimmt sein müssen. Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die Spiegelfacetten und deren Anordnung ausschließlich zusammen mit der optischen Flasche das optische System bilden, welches im Vergleich mit herkömmlichen Parabolspiegeln mit sehr hoher Winkelfehlerstabilität arbeiten kann. Auf diese Weise ergibt sich die best mögliche Ausnutzung von direkter und winkelfehlerbehafteter Sonnenstrahlung.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass die Spiegelfacetten an ihrer Oberfläche Farbstoffsolarzellen tragen, welche es ermöglichen direktes und diffuses Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Diejenigen Wellenlängen des Sonnenspektrums, welche nicht durch die teiltransparente Farbstoffsolarzelle absorbiert werden, stehen nach ihrer Reflexion an der Spiegeloberfläche dann im Brennpunkt des Parabolspiegels zur thermischen Nutzung zur Verfügung.
Als mögliche Materialien für den Aufbau der Spiegelfacetten stehen Glasspiegel, Acrylglasspiegel, Folienspiegel (Hostaflon ET) oder polierte Metalle zur Verfügung. Die Farbstoffsolarzellen des australischen Unternehmens Dyesol [www.deysol.com] werden entweder in Form eines Anstrichs aufgetragen oder als Folie aufgeklebt.
Bild 3 zeigt den detaillierten Aufbau (Frontansicht) der Sonnensammelfläche, sowie der einzelnen Spiegelfacetten mit der Kantenlänge D_Facette. Die Spiegelfacetten werden in bis zu 5 Reihen, ausgehend vom Ursprung, entlang der x- und z-Achse angeordnet, womit sich ein Parabolspiegel der Kantenlänge a_Parabol ergibt. Diese Reihen werden mit Rx1...5 und Rz1...5 benannt. Die Positionen der einzelnen Spiegelfacetten werden somit reihenorientiert mit Vorzeichen als Fxz (Position x, Position z) vergeben. Wesentlich ist, dass in der vorliegenden Architektur 88-Spiegelfacetten verbaut werden. Die ideale Fokussierung kann erreicht werden, wenn jede Spiegelfacette eines Quadranten eine eigene angepasste Brennweite f_xy hat, wobei sich die Winkelfehlerstabilität von bis zu ±3° ergibt. Dafür würden 22 verschiedene Produktionswerkzeuge für die Spiegelfacetten bei Idealfokussierung benötigt, was zu einem kostenintensiven Aufbau führt.
Deshalb ist für die Erfindung auch wesentlich, dass alle Spiegelfacetten, abhängig von ihrer Position im Parabolspiegel, der Gruppe 1 (G1) oder der der Gruppe 2 (G2) zugeordnet werden und dadurch zwei verschiedene Brennweiten f_xy1 und f_xy2 besitzen. Gruppe 1 bildet ein Kreuz aus den innen liegenden Spiegelfacetten, während die Gruppe 2 die, je Quadrant, 9 äußeren Spiegelfacetten umfasst. Somit müssen nur 2 verschiedene Produktionswerkzeuge bereitgestellt werden. Die äußeren Reihen werden räumlich entlang der y-Achse (L_FH in Bild 4) in Richtung auf den Brennpunkt verschoben. Ein Parabolspiegel darf in dieser Form mit bis zu 5 Reihen besetzt werden, um die Winkelfehlerstabilität von bis zu ±2° einzuhalten.
Eine Erweiterung durch die Montage einer Reihe 6 und 7 ist zwar möglich, erzeugt hier aber eine signifikante Reduktion der Winkelfehlerstabilität. Realisiert man das beschriebene optische System kostenoptimiert mit nur einem Produktionswerkzeug (nur eine Brennweite) für alle Spiegelfacetten, so reduziert sich die Winkelfehlerstabilität bis auf ±1°. Die äußeren Reihen müssen auch hier räumlich entlang der y-Achse (L_FH in Bild 4) in Richtung auf den Brennpunkt verschoben werden.
Weitere wesentliche Bestandteile der Erfindung zeigt die Teilansicht des Bildes 4. Die einzelnen Spiegelfacetten werden auf rechteckige, stabförmige Facettenhalter der anzupassenden Länge L_FH montiert. Am Kontaktpunkt zu den Spiegelfacetten erfolgt der Zuschnitt der Facettenhalter (z. B. durch das Verfahren des Laserstrahlschneidens) auf den zugehörigen Montagewinkeln α_MF_x (analog: α_MF_z) kombiniert in x- und z-Richtung. Die untere Schnittkante der Facettenhalter wird rechtwinklig zugeschnitten, um eine einfache und exakte Montage an den Horizontalfacettenträgern zu ermöglichen.
Die Spiegelfacetten fokussieren mit ihrem erzeugten Strahlkegel in der Brennebene (3), welche mittig zwischen der Kollektorebene (4) und der Flaschenhalsebene (2) liegt. Dadurch werden die sich ergebenen Strahlaufweitungen für die Kollektor- und Flaschenhalsebene vermittelt, woraus eine erhöhte Winkelfehlerstabilität resultiert. Der Parabolspiegel besitzt somit die Brennweite von f_Parabol. Nach der Flaschenhalsebene trifft die Sonnenstrahlung in der Absorberebene (1) auf den Absorber (7) und wird in Wärme umgesetzt.
Als Optimierungsmöglichkeit ergibt sich der Einsatz von weitaus mehr Spiegelfacetten (als 88 Stück) mit reduzierter Kantenlänge, welches die Strahlaufweitung reduzieren würde und die Winkelfehlerstabilität somit erhöht. Dies widerspricht jedoch der Zielsetzung eines einfachen und kostengünstigen Systemaufbaus und kommt daher nicht zur Anwendung.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Erfindung sind die seitlich montierten, Optospiegel (5), welche die ansonsten verloren gehende negative Winkelfehlerstrahlung (Typ 2) trichterartig sammeln. Die Optospiegel werden mit Montagewinkel zur Flaschenhalsebene angestellt und bilden so die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes beim Umrahmen derselbigen.
Des Weiteren liegt der Durchtrittspunkt der Direktstrahlung durch die Flaschenhalsebene nicht im Zentrum auf der optischen Achse, sondern seitlich in Richtung auf den Rand zur Spiegelfacette hin verschoben. Auf diese Weise kann die positive Winkelfehlerstrahlung (Typ 1), welche die gegenüberliegenden Optospiegel treffen würde und verloren ginge, noch in den Flaschenhals gelangen. Als weiterer wesentlicher Vorteil dieser Bauweise ergibt sich eine gleichmäßige Strahlungsverteilung auf der Glasabdeckung (6), wodurch ein punktuelles Durchstrahlen, und damit ein lokales Überhitzen des Glases vermieden werden.
Die Glasabdeckung wird als viereckige Pyramide oder als Kegel ausgeführt. In beiden Ausführungen ergibt sich der für die Erfindung wichtige Effekt des Hineinreflektierens der ankommenden Sonnenstrahlung aufgrund der geometrisch gegebenen Reflexionswinkel an der Grenzfläche Luft zu Glas. Wesentlich ist somit, dass diejenigen Strahlungsanteile, die nicht sofort vollständig transmittieren durch ein mehrfaches Umreflektieren weiter nach innen zur Pyramiden-, oder Kegelspitze geleitet werden. Hier gelangen sie schließlich nach innen in die Thermalflasche. Durch die gewählte Pyramiden-, oder Kegelform der Abdeckung wird zudem eine weitaus größere Glasdurchstrahlungsfläche bereitgestellt als bei einer einfachen ebenen Scheibe. Dadurch werden Energiedichten reduziert und damit die Materialspannungen, welche infolge der Erwärmung durch Transmissionsverluste entstehen. Die Materialspannungsreduktion wird außerdem durch das Mehrfachreflektieren begünstigt, da hierdurch eine homogene Erwärmung des Glases gefördert wird.
Die Verstärkung des optischen Systems berechnet sich bezogen auf die Flaschenhalsebene und ist von der Anzahl der besetzten Reihen abhängig. Lichtverstärkungsfaktoren:

Vier besetzte Reihen: V_{R4_FH} = 81

Fünf besetzte Reihen: V_{R5_FH} = 132
Durch eine Reduktion der Lichtverstärkung infolge des Vergrößerns der Flaschenhalsebene könnte eine weitere Erhöhung der Winkelfehlerstabilität erzielt werden. Zu geringe Verstärkungen erzeugen jedoch langsame Aufheizvorgänge, welche insbesondere bei schwachen Strahlungsverhältnissen zu ineffizienter Dampfkraftsystemträgheit führen. Außerdem steigen hierdurch die Wärmeverluste der Optothermalflasche. In Abhängigkeit des Standortes, der gewünschten Absorbertemperatur und der Isolationsmöglichkeiten muss hier ein Optimum für die gegenläufigen Effekte definiert werden.
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind neben der allgemeinen Konstruktion auch die gewählten Verhältnisse der Abmessungen und Montagewinkel des optischen Systems. Der Patentanspruch erstreckt sich somit auf die nachfolgend genannten Normierungswerte und ähnliche Auslegungen, da nur auf diese Weise ein optimales optisches System erzielt werden kann.

Die Verhältnisse der Abmessungen und Facettenmontagewinkel werden für das zwei Gruppensystem (G1 + G2) angegeben. Es findet eine Normierung auf die Kantenlänge der Spiegelfacetten D_Facette statt.

D_Facette	f_xy1	f_xy2	f_Parabol	a_Parabol	y_KL	y_FH	y_AS
1	7,15	7,84	6,43	10,24	6,15	6,7	7,5

d_KL	d_FH	d_AS	Fxz(1, 1)	Fxz(2, 1)	Fxz(3, 1)	Fxz(4, 1)	Fxz(5, 1)
2	0,92	1,26	keine	1,53/0,5	2,56/0,5	3,59/0,5	4,62/0,5

Tabelle 1: Normierte Hauptabmessungen

Die Montagepositionen der Reihen –Rx1 bis –Rx5 ergeben sich gespiegelt an der z-Achse analog zu den explizit angegebenen Spiegelfacetten Fxz(1...5, 1).
In Analogie ist mit den Variationen der z-Achse zu Verfahren. Es gilt der durch Bild 3 beschriebene Aufbau der Spiegelfacettenbesetzung des Parabolspiegels.
Die Längen der Facettenhalter werden durch das Intervall: L_FH(|Rx1|...|Rx5|) = 0,15...0,92 beschrieben. In Analogie dazu ergibt sich das Intervall: L_FH(|Rz1|...|Rz5|) = 0,15...0,92
Die absoluten Montagewinkel der Spiegelfacetten auf der x-Achse werden durch das Intervall: α_MF_x(|Rx1|...|Rx5|) = 2°...19° beschrieben, wobei die Spiegelfacetten immer in Richtung auf die optische Achse gekippt werden. Die Montagewinkel α_MF_z der Spiegelfacetten auf der z-Achse werden in Analogie zu den genannten α_MF_x abgeleitet.
Die Optospiegel werden mit dem Montagewinkel α_Optospiegel = 46° (siehe Bild 5) zur Flaschenhalsebene angestellt. Ein Montagewinkelintervall von α_Optospiegel = 44...48° wäre je nach gewählter Flaschenhalsebene denkbar.
Die Glasabdeckung wird mit dem Montagewinkel α_Glasabdeckung = 60° (siehe Bild 5) zur Absorberebene ausgeführt. Ein Montagewinkelintervall von α_Optospiegel = 45...70° wäre je nach definierter Tiefe der optischen Flasche denkbar.
1.2.2 Die Optothermalflasche als Sonnenlichtempfänger
Der Aufbau der Optothermalflasche wird in Bild 5 skizziert. Sie besteht aus der optischen Flasche (1 + 2) und der Thermalflasche (2 + 3 + 4), welche durch eine Wärmeisolierung (5) umgeben sind. Die Optothermalflasche wird primär für Parabolspiegel mit Brennpunktbildung mit quadratischer oder kreisförmiger Grundfläche ausgeführt. Bei Verwendung von Spiegelrinnen kann der skizzierte Aufbau jedoch ebenfalls innerhalb eines Brennstrichs Verwendung finden. Hier wird eine angepasste Linienstruktur verwendet bei der alle „3D-Pyramidenformen” in „2D-Keilformen” übergehen.
Wesentlich ist, dass die optische Flasche die negative Winkelfehlerstrahlung (Typ 2) mit Hilfe der Optospiegel (2) sammelt und diese durch den Flaschenhals zur Glasabdeckung (3) reflektiert. Hier transmittiert sie zusammen mit der direkten Sonnenstrahlung und der positiven Winkelfehlerstrahlung (Typ 1) in die Thermalflasche hinein und wird an der Keramikoberfläche (4) des Absorbers in Wärme umgesetzt.
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Formgebung der Glasabdeckung als Grenze zwischen optischer Flasche und der Thermalflasche, welche aus Hochtemperaturglas in Form einer Pyramide oder eines Kegels realisiert wird. Sie reduziert sowohl konvektive Wärmeverluste als auch Reflexionsverluste durch den Effekt des Hineinreflektierens der ankommenden Sonnenstrahlung aufgrund der geometrisch gegebenen Reflexionswinkel an der Grenzfläche Luft zu Glas. Die Mehrfachreflexion und Teiltransmission wirkt zudem homogenisierend bezüglich der Glaserwärmung infolge verteilter Transmissionsverluste und reduziert somit Wärmespannungen im Glas.
Die einzelnen Glasscheiben der Glaspyramide stoßen dabei sehr eng aneinander wodurch kleine Spalte zum Zwecke der Wärmedehnung der Einzelscheiben entstehen. Durch diese Spalte entweicht zudem der thermisch entstehende Innendruck während des Aufheizvorganges. Während des Abkühlvorganges wird eine Unterdruckentstehung vermieden. Sollte ein Kegel verwendet werden, so ist dieser aus den genannten Gründen in mindestens zwei Teile zu zerteilen. Die Thermalflasche darf nicht hermetisch verschlossen werden.
Durch die notwendige Luftzirkulation ergibt sich das Problem der Kondenswasserbildung und einer eventuellen Verschmutzung der Optospiegel und Glasabdeckung infolge der anschließenden Staubablagerungen nach dem Trocknen. Daher wird die Schutzabdeckung (6) montiert, welche einen kühlen Punkt als Kondensationsbereich (7) enthält, um die Optospiegel und Glasabdeckung vor Beschlag zu schützen. Die Schutzabdeckung ist somit während des Betriebs mit Sonnenstrahlung geöffnet und ansonsten geschlossen. Sie realisiert zudem einen Schutz gegen Vandalismus und andere Verschmutzungen durch äußere Einflüsse. Sie dient weiterhin der Isolation im Winter, da das wasserbefüllte Dampfkraftsystem kein Frostschutzmittel enthält und somit nicht gefrieren darf. Es muss bei Minusgeraden beheizt werden. Sollte der Absorber mit Gas oder Öl befeuert werden, um den Dampfkraftprozess auch ohne Sonnenstrahlung aufrecht zu erhalten, so ist die Isolation wesentlich, um die Wärmeverluste durch die optische Flasche zu minimieren.
Ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Thermalflasche, welche durch ihren speziellen Aufbau Reflexionsverluste und IR-Strahlungsverluste minimiert. Zu diesem Zweck ist die keramische Absorberoberfläche aus Wärmeleitkeramik (4) mit Pyramiden (15) des Fußwinkels α_Keramik = 60° besetzt, was zur Folge hat, dass die an der Oberfläche entstehende IR-Strahlung und reflektierte Sonnenstrahlung nicht direkt in Richtung des Flaschenhalses gerichtet ist und verloren geht. Die Strahlungsanteile sind seitlich auf die dort montierten Thermalspiegel (3) mit dem Montagewinkel α_Thermalspiegel von rund 74° ausgerichtet, wodurch sie nach dem dortigen Auftreffen direkt zur Absorberoberfläche oder zum gegenüberliegenden Thermalspiegel reflektiert werden, um von dort wieder zur Absorberoberfläche zu gelangen. Alle relevanten Strahlungen werden somit im „Kreis” reflektiert und sind somit in einer Flasche eingeschlossen, aus welcher sie nicht entweichen können. Ein Montagewinkelintervall von α_Thermalspiegel = 45...75° wäre denkbar.
Die Absorberoberfläche aus Wärmeleitkeramik (temperaturstabil bis 1400°C) ist die erste Wand zur konzentrierten Sonnenstrahlung. Hier kommt es infolge inhomogener Intensitätsverteilungen zu lokalen Überhitzungen und zu permanenten Temperaturschwankungen, welche Wärmedehnungen verursachen. Damit ist ein langfristiger Materialabtrag unvermeidlich. Da das Material jedoch keinem Innendruck standhalten muss, ist dennoch eine hohe Standzeit gewährleistet, welche primär von der Oberflächentemperatur beeinflusst wird. Wesentlich bei der beschrieben Thermalflasche ist deshalb, dass die lokalen Überhitzungen durch eine verminderte Verstärkung homogenisiert und reduziert werden. Dies geschieht infolge der Fokuspunktaufweitung und Flächenzunahme hinter dem Flaschenhals.
Für die Materialbelastung an der Keramikoberfläche ergeben sich die reduzierten Lichtverstärkungsfaktoren:

Vier besetzte Reihen: V_{R4_AS} = 28

Fünf besetzte Reihen: V_{R5_AS} = 46
Wesentlich für die Erfindung ist außerdem, dass der Absorber in Sandwichbauweise konstruiert ist. Als erste Wand wird die beschriebene Wärmeleitkeramik montiert. Danach folgt eine Wärmeleitpaste (8), welche die thermische Verbindung zur Druckrohrschnecke (9) herstellt. Die gesamte Strahlungsenergie, welche an der Absorberoberfläche in Wärme umgewandelt wird, muss demnach durch Wärmeleitung über die Wärmeleitpaste (bis 1200°C) auf die Druckrohrschnecke übertragen werden. Innerhalb dieser Druckrohrschnecke aus hoch warmfesten Stahl (bis 610°C) wird das Arbeitsmedium (Wasser) erhitzt und verdampft. Die Einspeisung geschieht im Zentrum der Druckrohrschnecke (Bereich höchster Strahlungsintensität) über den Wasserzufuhrstutzen (10).
Hier entsteht am meisten Wärmebedarf infolge der Wassererwärmung und Wasserverdampfung bei hohem Wärmeübergangskoeffizienten. Die Dampfentnahme, des trockenen überhitzten Dampfes, geschieht am Ausgang der Druckrohrschnecke am Dampfabfuhrstutzen (11). Auf diese Weise erfolgt ein direktes Generieren von Innendruck im Primärwärmeträger. Damit entfallen weitere Wärmetauscher was zu einem kompakten, an Gewicht sparenden und somit kostengünstigen Aufbau führt.
Wesentlich ist ebenfalls, dass der Absorber über die Brennstoffzufuhr (12) mit Brennstoffen und Luft versorgt werden kann. Der Brenner (13) dient dann als Zusatz-, oder Hauptwärmequelle. Auch hier wird zuerst eine Wärmeleitkeramikwand (rückseitig) beheizt, die durch Wärmeleitung entlang der Wärmeleitpaste die Wärmeenergie auf die Druckrohrschnecke überträgt. Das Abgas entweicht über die Abgasauslässe (14). Auf diese Weise wird ein Hybridsystem realisiert, welches auch unabhängig von Sonnenstrahlung elektrische Energie und Wärme bereitstellen kann. Außerdem wird die gleichzeitige Kombination von Sonnenenergie und fossilen Brennstoffen ermöglicht. Dadurch ist ein zuverlässiger Betrieb als Hausheizung oder „Off-Grid”-System gegeben.
1.2.3 Mechanisches Nachführsystem:
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Nachführmechanik, welche in Bild 6 durch ihre Frontansicht dargestellt ist. Die Nachführmechanik steht auf einem Pfahl (1) oder Dreibein, an dessen oberen Ende das Haupthorizontaldrehlager (3) montiert ist. Es trägt das gesamte Gewicht des Parabolspiegels. Dieses Lager ist über die Horizontalwelle (2) mit dem Antikipphorizontaldrehlager (4) mechanisch verbunden. Sämtliche durch Winddruck und Massenungleichgewichte entstehenden Biegemomente werden somit beiden Drehlagern in definierbarem Verhältnis aufgeprägt. Die Biegemomente verteilen sich dabei je nach Lagerabstand und in Abhängigkeit der einwirkenden Kräfte und deren Hebelarme auf die montierten Drehlager. Dadurch ergibt sich eine hohe Biegesteifigkeit der Konstruktion und eine signifikante Verringerung des durch Lagerspiel induzierten Kippwinkels der Horizontalwelle, woraus eine möglichst hohe Winkelfehlerstabilität der Nachführmechanik entlang der Horizontalachse resultiert. Die beschriebene Horizontaldrehlagerkonstruktion ermöglicht demnach, dass der obere Teil der Nachführung parallel zum Erdboden drehbar gelagert ist, was als Horizontalstellung bezeichnet wird. Auf diese Weise wird der vom Längengrad abhängige Azimutwinkel der Sonne nachvollzogen. Der Horizontalstellmotor (5) wirkt schließlich auf die Horizontalwelle und ermöglicht so das horizontale Stellen.
Auf der Horizontaldrehlagerkonstruktion ist die Gabel (6) fest montiert. Sie trägt an ihren oberen Gabelenden die Vertikaldrehlager (7) und den Vertikalstellmotor (8). Auf diese Weise wird der vom Breitengrad abhängige Elevationswinkel der Sonne nachvollzogen. Alle Stellmotoren werden elektromechanisch realisiert. Der obere Teil der Nachführung ist um 180° schwenkbar, um die für die Erfindung wichtige Schutzposition einnehmen zu können. Details hierzu beschreibt Bild 7. Ebenfalls von wesentlicher Bedeutung ist, dass der Schwerpunkt des Massesystems bestehend aus den Spiegelfacetten, den Ausgleichsmassen (15), der Optothermalflasche und der Dampfkrafteinheit, unterhalb der Vertikalachse des in Schutzposition befindlichen Parabolspiegels liegt. Somit geht die Kraftwirkungslinie direkt durch die Vertikal-, und Horizontalachse. Das Massesystem wird von der Wippe (9) getragen und per Vertikalwelle mit der Gabel verbunden.
Während des vertikalen Stellvorgangs verschiebt sich der Schwerpunkt zwar, dennoch können bei dieser Konstruktion die notwendigen Stelldrehmomente im Vergleich zu herkömmlichen Parabolspiegeln deutlich reduziert werden. Somit lässt sich der Vertikalstellmotor verkleinern, was zur Minimierung der Investitionskosten und des Stellenergieverbrauchs führt. Die Horizontallager und Horizontalwelle dürfen ebenfalls kleiner ausfallen, da sie auf diese Weise weniger massebedingte Biegemomente aufnehmen müssen.
Weiterhin ist von wesentlicher Bedeutung, dass die Wippe und Gabel aus Doppelträgern bestehen, um eine verbesserte Seitenwindstabilität zu erzeugen und ein Blockieren des Vertikaldrehlagers durch Verkannten zu verhindern. Auch hier verteilen sich die Biegemomente dabei je nach Lagerabstand und in Abhängigkeit der einwirkenden Kräfte und deren Hebelarme auf die beiden montierten Drehlager. Dadurch ergibt sich eine hohe Biegesteifigkeit der Konstruktion und eine signifikante Verringerung des durch Lagerspiel induzierten Kippwinkels der Vertikalwelle, woraus eine möglichst hohe Winkelfehlerstabilität der Nachführmechanik entlang der Vertikalachse resultiert.
Die mittleren Vertikalträger (12) werden mit der Wippe fest verbunden. An diese werden die Horizontalträger (13) montiert, welche zusammen mit den seitlichen Vertikalträgern die Sonnensammelfläche unterstützen. Die Horizontalfacettenträger (14) spannen schließlich die Sonnensammelfläche auf, indem sie die Basis für die Montage der Spiegelfacettenhalter und somit der Spiegelfacetten bilden. Zur Entlastung der Wippe wird die Zugstange (11) mit dem oberen Horizontalträger verbunden. Die Zugstange überträgt die entstehenden Kräfte auf die Verbindungsstangen (10) und somit wieder auf die Wippe. Diese Konstruktion reduziert das Durchbiegen der Wippe und erhöht somit die Steifigkeit der Konstruktion.
Bild 7 zeigt die Seitenansicht der Nachführmechanik für Parabolspiegel und die drei wichtigen Hauptpositionen, welche die Sonnensammelfläche, durch Vertikalachsenstellung, gegenüber dem Erdboden einnehmen kann.
Die Elevation der Sonne erfordert, in Abhängigkeit des Breitengrades, das Einnehmen der Sonnenaufgangs- bzw. Sonnenuntergangsposition bishin zur Zenitposition. Hinzu kommt die Schutzposition, bei welcher die Sonnensammelfläche parallel zu Erdboden steht, um die Windangriffsfläche zu minimieren. Auf diese Weise wird Sturmbruch verhindert und die Gesamthöhe des Parabolspiegels wird reduziert. Außerdem werden die Vertikal- und Horizontalträger zum Himmel ausgerichtet. Dadurch entsteht eine quasi ebene Metallfläche zur Homogenisierung des elektrischen Feldes zwischen einer geladenen Gewitterwolke und der Nachführung. Die Blitzeinschlagswahrscheinlichkeit wird somit reduziert und zusätzliche Blitzschutzeinrichtungen können flacher und somit kostengünstiger bauen.
Als weiterer Vorteil der Schutzposition ergibt sich, dass die Spiegelfacetten mit den empfindlichen aktiven Flächen (Farbstoffsolarzelle, Spiegel) zum Erdboden gewandt sind. Auf diese Weise können sie nicht durch Hagelschlag zerstört und durch sich anlagernden Schnee oder Schmutz abgedeckt werden. Gerade auch bei ruhigen, kälteren Wetterlagen kann auf diese Weise ein Kondensieren und eine anschließende Raureifbildung auf den Spiegelfacetten verhindert werden, da die aktive Fläche im Strahlungsaustausch mit dem Erdboden steht und somit nicht kälter als die Umgebungsluft wird. Da sich in der Schutzposition die empfindlichen Spiegelfacetten möglichst hoch über dem Erdboden befinden, wird Vandalismus zusätzlich erschwert.
Durch geringfügige Anpassungen kann die zuvor beschriebene Nachführmechanik ebenfalls für Solarmodule mit V-Trogbespiegelung zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Die Module können auch als Kombinationssolarmodule zur Erzeugung von elektrischer Energie und Warmwasser ausgeführt werden. Die Kombination von Farbstoffsolarzellen oder teiltransparenten CIS-Modulen und herkömmlichen Sonnenkollektoren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Warmwasser ist ebenfalls denkbar. Der Vorteil der V-Trogbespiegelung liegt dabei insbesondere darin, dass durch die Verdoppelung der Strahlungsintensität auf der Kollektoroberfläche auch bei schwachen Strahlungsverhältnissen noch Warmwasser auf ausreichendem Temperaturniveau produziert werden kann, wo es bei unbespiegelten Kollektoren bereits nicht mehr möglich ist. Bild 8 zeigt die Seitenansicht dieser Anwendung in den Hauptpositionen. Bei dieser Anwendung können die Zugstange und die Verbindungsstangen entfallen. Die Wippe wird stark verkürzt. Die Vertikalachse wird mittig in der Wippe montiert. Die mittleren Vertikalträger werden halbiert und je Vorn und Hinten an der Wippe montiert. Auf diese Weise entsteht eine geteilte Fläche deren vom Wind induzierter Staudruck signifikant reduziert wird. Zur weiteren Zerteilung der Gesamtfläche können die Solarmodule mit V-Trogspiegeln an Haltern verschiedener Längen montiert werden, wobei seitliche Spalte entstehen, die einen Abbau des Staudrucks ermöglichen ohne die Sonnensammelfläche zu verringern.
1.2.4 Algorithmen zur Sonnenpositionsfindung mit überlagerten Regelkreisen
Die Erfindung, ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgend beschriebene Sonnenpositionsfindung, sowie die zugehörigen überlagerten Regelkreise an den Parabolspiegel als Komplettsystem gebunden sind und dieser ausschließlich hiermit in geschilderter Form betrieben werden kann.
Betrieb bei Direktstrahlung, Normalbetrieb 1:
Ein Computer berechnet zum Zwecke der Sonnenpositionsfindung, basierend auf den Standortkoordinaten, kalendarisch die Sonnenbahn und steuert somit den Sollwert der Stellachsen vor. Getrieben durch die Stellmotoren folgen die Achsen dem Sollwert mit dem Ziel die optische Achse parallel der Direktsonnenstrahlung, daher direkt zum Sonnenstand, auszurichten. Dies ist Stand der Technik. Einige Minuten nach Sonnenuntergang wird der Parabolspiegel in die Schutzposition gestellt und verbleibt dort bis zum Sonnenaufgang.
Aufgrund der Kombination von Fertigungstoleranzen, Montageungenauigkeiten und Sensortoleranzen kann es dazu kommen, dass die optische Achse mit Winkelfehlern zum Sonnenstand ausgerichtet wird, obwohl die Sollwertberechnung mit den richtigen Standortkoordinaten vorgenommen wird. Diese Winkelfehler sind spezifisch für jeden Parabolspiegel und entstehen durch verschiedenste Einflüsse und Kombinationen von Toleranzen. Sie können gemäß dem Stand der Technik durch eine Offsetbildung je Stellachse kompensiert werden.
Inbetriebnahmehilfe:
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist deshalb das schnelle, einfache Berechnen der notwendigen Offsetwerte der Stellachsen durch ein Kalibrierverfahren. Dies geschieht indem der Parabolspiegel bei Sonne in seine optimale Brennpunktposition gefahren wird, um in dieser Position zum Zeitpunkt Tk einen Kalibrierlauf mit dem Ziel des Ermittelns der Ist-Achsstellungen durchzuführen. Mit den realen Standortkoordinaten (Per GPS) des Parabolspiegels werden danach die Sollachsstellungen berechnet und als Sollwert für den Zeitpunkt Tk vorgegeben.
Das System ermittelt nun automatisch die Ist-Abweichungen der Vertikalachse und der Horizontalachse von der Sollachsstellung und fügt diese Korrektur als Offset in die Vertikalstellung und Horizontalstellung ein. Das System ist nun einmalig manuell kalibriert worden und wird ab diesem Zeitpunkt alle Sonnenpositionen optimal finden. Optimierung des Energieertrags bei Diffusstrahlung,
Normalbetrieb 2:
Eine weitere wichtige Eigenschaft der Erfindung ist der Bewölkungssensor kombiniert mit Regelalgorithmen, welcher die berechnete Sollbahn der Vertikalstellung bei Bedarf übersteuert, um die Farbstoffsolarzellen zur hellsten Strahlungsquelle am Himmel auszurichten. Der Bewölkungssensor regelt also die Vertikalachsenausrichtung mit der Himmelstrahlung als Führungsgröße. Dies kann bei Verdeckung der Sonne durch Wolken ein blauer Himmelsabschnitt sein, welcher sich hinter der vertikal angestellten Sonnensammelfläche befindet und einen hohen Anteil an Diffusstrahlung emittiert. An trüben Tagen wird generell eine parallel dem Erdboden ausgerichtete Fläche mit höherer Intensität beleuchtet als eine vertikal angestellte. Die Diffusstrahlung kann also nur optimal in den Farbstoffsolarzellen umgesetzt werden, wenn diese, teilweise bis zur Zenitposition, abgesenkt werden. Durch das Absenken der Sonnensammelfläche wird eine Brennpunktbildung verhindert und die Optothermalflasche wird wirkungslos. Bei reiner Diffusstrahlung ist sie dies jedoch ohnehin, so dass der optimale Ertrag der Farbstoffsolarzellen in den Vordergrund rückt. Es gilt somit die Steuerungskaskade: Normalbetrieb 2 übersteuert Normalbetrieb 1.
Die Horizontalstellung bleibt durch die Vertikalstellsignale des Bewölkungssensors unbeeinflusst und folgt immer der berechneten Sollbahn.
Bild 9 zeigt den patentrelevanten mechanischen Aufbau des Bewölkungssensors bestehend aus dem Abschatter (1) kombiniert mit Fotodioden oder LDR (2). Der Bewölkungssensor wird mit den Montagehaltern (3) derartig auf den oberen Horizontalträger (4) montiert, dass der Abschatter parallel zur optischen Achse verläuft und die Frontansicht des Bewölkungssensors in Richtung Sonne zeigt, sobald der Parabolspiegel in der berechneten Sollposition steht. In der Sonnenaufgangsposition ist somit der obere LDR in Richtung Himmel ausgerichtet und der untere zum Erdboden.
Bei exakt rechtwinkliger Montage und Direktstrahlungsbeleuchtung in Sollposition fällt der Schatten des Abschatters nicht auf die LDR, weshalb diese somit gleichmäßig beleuchtet werden und die Spannung über dem Abgleichwiderstand (5) Null ist. Die Abgleichbrücke ist dann im Gleichgewicht. Über den beiden Brückenwiderständen (6) fällt dann dieselbe Spannung ab. Der Abschatter hat also die Aufgabe, eine Fehlposition zur Haupteinstrahlungsquelle durch Abschattung des LDR in der „Dunkelrichtung” signifikant zu verstärken, um die Abgleichbrücke aus dem Gleichgewicht zu bringen. Die Operationsverstärker (7) detektieren das Ungleichgewicht und melden die Richtung der größten Lichtintensität als digitales Signal an den Computer. Der Computer generiert dann, basierend auf diesen Signalen: „Richtung Sollwert oder Richtung Zenitposition” unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, die Stellsignale für den Vertikalstellmotor und übersteuert damit den berechneten Sollwert. Da die berechnete Sollwertposition bevorzugt angefahren werden soll, wird der Abschatter mit einem kleinen Kippwinkel zum oberen LDR hin montiert, so dass dieser bei exakter Ausrichtung des Parabolspiegels zur Sonne immer knapp abgeschattet ist, während der untere LDR beleuchtet wird.
Dadurch wird das Signal „Richtung Sollwert” bevorzugt erzeugt. Der Parabolspiegel wird somit auch bei Schleierwolken möglichst am berechneten Sollwert als obere zulässige Stellgrenze gehalten, um die Optothermalflasche solange es geht nutzen zu können. Sobald jedoch die Winkelfehlerstrahlung und die Direktstrahlung vernachlässigbar klein werden, entsteht das Signal: „Richtung Zenitposition”. Es wird durch den oberen LDR ausgelöst. Der Computer wartet nun einige Minuten, um kurzfristigem Wolkendurchzug nicht zu folgen und stellt dann in Richtung Zenitposition als maximale untere Stellgrenze.
Das Nachstellen erfolgt nun solange, bis entweder die Abgleichbrücke das Signal „Richtung Zenitposition” wegnimmt, weil sie sich im Gleichgewicht befindet und deshalb die Richtung der größten Strahlungsintensität gefunden hat oder das Signal: „Richtung Sollwert” ausgelöst wird oder die Zenitposition erreicht wurde. Der Computer wartet erneut wenige Minuten bevor er den neuen Stellbefehl umsetzt. Im Normalbetrieb entsteht also bei wechselnden Strahlungsverhältnissen ein langsames, permanentes Pendeln zwischen dem Sollwert und der Vertikalachsstellung bei der sich die Abgleichbrücke im Gleichgewicht befindet.
Schutz des Parabolspiegels gegen Gewitter, Schutzbetrieb 1:
Durch den Bewölkungssensor wird eine wichtige, patentrelevante Schutzfunktion realisiert, die Strahlungsintensitätsmessung des Himmels. Sie wird vorgenommen, um das plötzliche Verdunkeln des Taghimmels messen zu können, da dies auf ein nahendes Gewitter mit potentiellem Blitz-, und Hagelschlag hindeutet. Bild 9 skizziert die Auswertung eines analogen Spannungssignals (8) über demjenigen Brückenwiderstand, welcher dem oberen LDR zugeordnet ist. Sobald im Normalbetrieb 1, 2 des Parabolspiegels die Strahlungsintensität abfällt sinkt das Spannungssignal ebenfalls. Per Computerauswertung ist es nun möglich, die Steigung der Messkurve (Änderung der Strahlungsintensität) und ihre Absolutwerte zu ermitteln. Der Vergleich der aktuellen Werte mit empirisch gewonnenen Tagesprofilen von Strahlungsintensitäten lassen somit kalendarische Unterschiede in die Signalauswertung mit einfließen und erlauben damit eine sichere Vorhersage für die Aktivierung und Desaktivierung des Schutzbetriebes 1.
Der Parabolspiegel verbleibt in der Schutzposition bis die Strahlungsintensitätsmessung eine Aufhellung des Himmels erkennt. Der Computer folgt dieser Auswertung mit wenigen Minuten Zeitverzögerung und beendet den Schutzbetrieb wenn kein Sturmalarm vorliegt. Das System kehrt somit in den Normalbetrieb zurück. Es gilt somit die Steuerungskaskade: Schutzbetrieb 1 übersteuert Normalbetrieb 1, 2.
Der Schneealarm als Schutz des Parabolspiegels gegen Schneebruch, Schutzbetrieb 2:
An der Rückseite der Vertikalträger wird ein Schneesensor montiert. Diese melden die aktuelle Schneelast in der Schutzposition als überschrittenen Schwellwert (Schneealarm) digital an den Computer zurück. Bei Auslösen des Schneealarms in der Schutzposition richtet sich der Parabolspiegel für einige Minuten bis auf 90° auf, um den angelagerten Schnee abrutschen zu lassen. Danach kehrt er in die Schutzposition zurück. Dieses Signal übersteuert den Schutzbetrieb 1, jedoch nicht bei Sturmalarm. Bei Sturm lagert sich ohnehin kein Schnee auf der Rückseite der Spiegelfacettenverkleidung ab. Es gilt somit die Steuerungskaskade: Schutzbetrieb 2 übersteuert Schutzbetrieb 1 und Normalbetrieb 1, 2.
Der Sturmalarm als Schutz des Parabolspiegels gegen Sturmbruch, Schutzbetrieb 3:
Ein Windsensor wird nahe dem Parabolspiegel montiert. Er misst die aktuelle Windgeschwindigkeit und gibt sie entweder als analoges Signal oder als überschrittene Schwellwerte (Sturmvoralarm < Sturmalarm) digital an den Computer weiter.
Sobald der Computer den Sturmalarm detektiert, übersteuert er den Normalbetrieb 1, 2 und fährt die Nachführung in die Schutzposition. Der Schutzbetrieb wird solange beibehalten bis der definierte Sturmvoralarm eine definierte Minutenanzahl lang unterschritten wurde. Danach wird der Normalbetrieb wieder freigegeben. Es gilt somit die Steuerungskaskade: Schutzbetrieb 3 übersteuert Schutzbetrieb 1, 2 und Normalbetrieb 1, 2.
Der Diebstahl- und Vandalismusalarm basierend auf den Farbstoffsolarzellen als weitere Schutzfunktionen des Parabolspiegels, Schutzbetrieb 4:
Die Farbstoffsolarzellen der Spiegelfacetten bilden den Vandalismus- und Diebstahlsensor der Sonnensammelfläche. Dieser Verbund aller Farbstoffsolarzellen wird permanent von einem eingeprägten Messstrom durchflossen. Sobald hier eine Unterbrechung des geschlossenen Stromkreises, durch Entnahme oder Zerstörung, stattfindet, wird der Diebstahlalarm ausgelöst. Der Computer fährt infolge dessen den Parabolspiegel sofort in die Schutzposition, um eine möglichst große Distanz der Spiegelfacetten zum Erdboden zu erzeugen und informiert einen Sicherheitsdienst. Die Optothermalflasche wird sofort verschlossen und gegen unautorisiertes Öffnen gesichert. Es gilt somit die Steuerungskaskade: Schutzbetrieb 4 übersteuert Schutzbetrieb 1, 2, 3 und Normalbetrieb 1, 2.
Die beschriebenen Steuerungsverfahren können ebenfalls für Nachführungen verwendet werden, welche Solarmodule mit V-Trogbespiegelung tragen.
Bezugszeichenliste
Legende Bild 1:

1: Konkav gewölbte Spiegelfacetten
2: Optothermalflasche
3: Farbstoffsolarzellen [australischen Unternehmen: Dyesol, www.dyesol.com]
4: Sonnenlichtabsorber
5: Nachführmechanik
6: Ausgleichsmassen
7: Dampfkraftmodul
8: Spiegelfacettenabdeckungen
a: Optische Achse

1: Exakt parallele, direkte Sonnenstrahlung (0° zur optischen Achse)
2: Typ 1: Winkelfehlerbehaftete Strahlung mit langem Strahlungsweg
3: Strahlungsweg Typ 1 zur Brennebene
4: Typ 2: Winkelfehlerbehaftete Strahlung mit kurzem Strahlungsweg
5: Strahlungsweg Typ 2 zur Brennebene
a: Optische Achse
b: Brennebene der Parabolspiegels
c: Sonnenlichtabsorber
f: Brennweite des Parabolspiegels

1: Ansichten einer Spiegelfacette
2: Frontansicht des Parabolspiegels
a: Frontansicht einer Spiegelfacette
b: Seitenansicht 1 einer Spiegelfacette mit der Brennweite f_xy1
c: Seitenansicht 2 einer Spiegelfacette mit der Brennweite f_xy2
|Rx1...5|: Besetzung der Reihen des optischen Systems entlang der x-Achse
|Rz1...5|: Besetzung der Reihen des optischen Systems entlang der x-Achse
Fxz(x, z): Benennung der Position der Spiegelfacetten im optischen System

1: Absorberebene
2: Flaschenhalsebene
3: Brennebene
4: Kollektorebene
5: Optospiegel
6: Glasabdeckung
7: Sonnenlichtabsorber
a: Optische Achse
b: Optothermalflasche
|Rx1...5|: Besetzung der Reihen des optischen Systems entlang der x-Achse
L_FH: Länge eines Spiegelfacettenhalters
α_MF_x: Montagewinkel einer Spiegelfacette im Bezug auf die x-Achse
d_AS: Durchmesser des Sonnenlichtabsorbers
d_FH: Durchmesser des Flaschenhalses
d_KL: Durchmesser der optischen Flasche in der Kollektorebene
y_AS: Abstand der Absorberebene zum Koordinatenursprung
y_FH: Abstand der Flaschenhalsebene zum Koordinatenursprung
fParabol: Abstand der Brennebene zum Koordinatenursprung
y_KL: Abstand der Kollektorebene zum Koordinatenursprung

1: Optospiegel (Montagewinkel α_Optospiegel)
2: Glasabdeckung (Montagewinkel α_Glasabdeckung)
3: Thermalspiegel (Montagewinkel α_Thermalspiegel)
4: Wärmeleitkeramik (60°-Pyramiden an der Oberfläche)
5: Außenisolierung
6: Schutzabdeckung
7: Kondensationsrohr
8: Wärmeleitpaste
9: Druckrohrschnecke aus hoch warmfestem Stahl
10: Wasserzufuhr vom Kondensator
11: Dampfabfuhr zum Dampfmotor
12: Brennstoffzufuhr
13: Brenner
14: Abgasauslässe
15: Einzelheit: Pyramide an der Keramikoberfläche
a: Montagewinkel: α_Optospiegel
b: Montagewinkel: α_Glasabdeckung
c: Montagewinkel: α_Thermalspiegel
d: Pyramidenwinkel: α_Keramik

1: Pfahl
2: Horizontalwelle
3: Haupthorizontaldrehlager
4: Antikipphorizontaldrehlager
5: Horizontalstellmotor
6: Gabel
7: Vertikaldrehlager und Vertikalwelle
8: Vertikalstellmotor
9: Wippe
10: Verbindungsstangen als T-Stück
11: Zugstange
12: Vertikalträger
13: Horizontalträger
14: Horizontalfacettenträger mit Facettenhalterfußpunkten
15: Ausgleichsmassen
|Rx1...5|: Reihen des optischen Systems entlang der x-Achse
|Rz1...5|: Reihen des optischen Systems entlang der z-Achse

1: Sonnenaufgangs- und Untergangsposition (90°)
2: Zenitposition (0°)
3: Schutzposition (180°)

I: Mechanischer Aufbau
II: Signalauswertung
1: Abschatter
2: Fotodiode oder lichtabhängiger Widerstand (LDR)
3: Montagehalter der Länge D_Facette
4: Horizontalträger der Nachführung (Bild 6: (11))
5: Abgleichwiderstand
6: Brückenwiderstände
7: Stellrichtungsoperationsverstärker
8: Spannungsmessung zur Strahlungsintensitätsmessung
9: Zenitrichtung
10: Sollwertrichtung
a: Vertikalwinkel
b: Seitenansicht
c: Frontansicht
c: Draufsicht

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

DE 19744541 A1 [0003]
DE 20316431 U1 [0003]
DE 10160577 A1 [0003]
DE 102006048965 A1 [0003]
DE 10257458 A1 [0006]
DE 19740644 A1 [0006]
DE 3420118 C2 [0006]
DE 4329643 C2 [0006]
DE 69000956 T2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fluid Markt 12/2008, S. 40–41 [0011]
www.deysol.com [0017]
www.dyesol.com [0074]

Claims

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung darstellt, welche aus speziell aufeinander abgestimmten Einzelvorrichtungen wie dem optischen System bestehend aus der Sonnensammelfläche und der Optothermalflasche mit Sonnenlichtabsorber und der Nachführmechanik besteht, welche nur im Verbund miteinander in nutzbringender Weise funktionieren können. Das optische System ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass es neben der direkten Sonnenstrahlung auch winkelfehlerbehaftete Sonnenstrahlung und Diffusstrahlung sammeln kann. Die Sonnensammelfläche besteht aus konkav gewölbten quadratischen oder runden Spiegelfacetten kombiniert mit Farbstoffsolarzellen, welche gemäß einer Reihensystematik (Bild 3) in bis zu 5 Reihen derartig montiert werden, dass die Brennpunktbildung jeder einzelnen Spiegelfacette näherungsweise in der Brennebene stattfindet. Entweder alle Spiegelfacetten oder zwei Gruppen von Facetten haben dabei angepasste Brennweiten und reflektieren die Sonnenstrahlung in die Optothermalflasche (Bild 4), welche aus der optischen Flasche, der Thermalflasche und dem Sonnenlichtabsorber besteht. Die Erfindung ist ebenfalls durch ihre Formgebung (Bild 3 und 4) sowie die genannten Größenverhältnisse der Tabelle 1 gekennzeichnet. Hinzu kommen die Längen der Facettenhalter und die genannten Montagewinkel. Wesentlich ist, dass nur durch die Kombination dieser oder sehr ähnlicher Größenverhältnisse die hohe Winkelfehlerstabilität realisiert werden kann. Hinzu kommen die speziell für dieses System entwickelten Steuerungsverfahren sowie der Bewölkungssensor.
Die optische Flasche, als vorderer Teil der Optothermalflasche, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus den Optospiegeln und einer pyramidenförmigen oder kegelförmigen (Für Spiegelrinnen: keilförmigen) Glasabdeckung (Bild 5) besteht, in welche die Sonnenstrahlung durch Mehrfachreflexion einkoppelt. Somit gelangt die Sonnenstrahlung durch den Flaschenhals in die Thermalflasche. Konvektive Wärmeverluste werden hingegen signifikant reduziert. Wesentlich ist hier, dass die Glasabdeckung aus mehreren Glasteilen besteht, um schmale Spalte für den Druckausgleich zwischen der optischen Flasche und der Thermalflasche zu realisieren. Die optische Flasche wird bei Bedarf durch eine Schutzabdeckung verschlossen.
Die Thermalflasche, als hinterer Teil der Optothermalflasche, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus der Glasabdeckung, den Thermalspiegeln sowie der mit 60°-Pyramiden strukturierten, wärmeleitfähigen Hochtemperaturkeramik besteht (Bild 5). Wesentlich hierbei ist, dass die an der Keramikoberfläche emittierte IR-Strahlung sowie die reflektierte Sonnenstrahlung durch die aufeinander abgestimmte Formgebung aller Komponenten größtenteils im Kreis reflektiert wird und somit nicht durch den Flaschenhals verloren geht. Des Weiteren ist es wesentlich, dass eine Reduktion der Verstärkung in der Absorberebene aufgrund der Fokusaufweitung durch die Form der Thermalflasche als Pyramiden- oder Kegelstumpf der erreicht wird.
Der Sonnenlichtabsorber ist dadurch gekennzeichnet, dass er in Sandwichbauweise bestehend aus einer wärmeleitfähigen Hochtemperaturkeramik an der Vorder-, und Rückseite und einer Druckrohrschnecke im Inneren (Bild 5) realisiert wird. Die konstruktionsbedingten Zwischenräume werden dabei mit Wärmeleitpaste ausgefüllt, um die Druckrohrschnecke thermisch mit der keramischen Vorder-, und Rückseite zu verbinden. Die Einspeisung des Arbeitsmediums Wasser geschieht im Zentrum der Druckrohrschnecke, die Dampfabnahme exzentrisch. Ein weiteres wesentliches Merkmal des Absorbers ist seine Eignung rückseitig beheizt zu werden, wodurch ein Hybridsystem realisiert wird, welches gleichzeitig Sonnenstrahlung und fossile Brennstoffe als Wärmequellen nutzen kann.
Die Nachführmechanik ist dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Vertikalachse um 180° schwenkbar ist, um beliebige Sonnensammelpositionen als auch eine Schutzposition anfahren zu können (Bild 7, 8). Ein weiteres wichtiges Merkmal sind die Ausgleichsmassen, welche derartig montiert werden, dass der Schwerpunkt des Massesystems bestehend aus den Spiegelfacetten, den Ausgleichsmassen, der Optothermalflasche und der Dampfkrafteinheit, unterhalb der Vertikalachse des in Schutzposition befindlichen Parabolspiegels liegt. Wesentlich dabei ist, dass die Kraftwirkungslinie direkt durch die Vertikal-, und Horizontalachse geht und die Wippe alle Apparaturen und Massen trägt. Die Nachführmechanik (Bild 6) ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass die Wippe und die Gabel aus Doppelträgern bestehen, um eine verbesserte Biegesteifigkeit durch Biegemomentverteilung entlang der Vertikalachse zu erzeugen. Des Weiteren besteht auch die Horizontallagerung aus dem Haupthorizontaldrehlager und dem Antikipphorizontaldrehlager, welche über die Horizontalwelle mechanisch verbunden sind, um eine verbesserte Biegesteifigkeit durch Biegemomentverteilung entlang der Horizontalachse zu erzeugen.
Das manuell durchführbare Kalibrierverfahren zur schnellen, einfachen Berechnung der notwendigen Offsetwerte der Stellachsen zur Anpassung der Sonnenpositionsberechnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Parabolspiegel im Handbetrieb bis zur Position der optimalen Brennpunktbildung gefahren wird, um dort die Offsetwerte automatisch zu berechnen. Wesentlich dabei ist, dass auf diese Weise eine präzise Kompensation von Fertigungs-, Montage,- und Sensortoleranzen, während der Inbetriebnahme erfolgen kann.
Der Bewölkungssensor (Bild 9) ist durch seinen mechanischen und elektrischen Aufbau, sowie seine Montageposition am Parabolspiegel gekennzeichnet. Mechanisch besteht er aus zwei LDR, welche durch einen Abschatter voneinander getrennt sind. Elektrisch gehören diese LDR zu einer Abgleichbrücke, dessen Brückenwiderstand durch Operationsverstärker abgetastet wird, um die notwendigen digitalen Steuersignale zu erzeugen. Ein wesentliches Merkmal ist dabei die Kombination aus Ungleichgewichtsverstärkung durch Abschattung eines LDR und dem Verfahren der Abgleichbrückenauswertung, um die Richtung der hellsten Strahlungsquelle am Himmel zu ermitteln. Weiterhin ist der Bewölkungssensor dadurch gekennzeichnet, dass er eine Intensitätsmessung der aktuellen Himmelsstrahlung ermöglicht.
Weitere Ansprüche beziehen sich auf speziell entwickelte Steuerungsverfahren, die als Steuerungskaskaden zur Optimierung des zu erzielenden Gesamtenergieertrags und zum Schutz des Parabolspiegels vor Verschmutzung, Hagel-, Blitzschlag sowie Sturm-, und Schneebruch. Diese sind zum Einen dadurch gekennzeichnet, dass der Bewölkungssensor im Normalbetrieb 2 (von Wolken verdeckte Sonne) die Sonnenpositionsfindung des Normalbetriebs 1 (Ausrichtung auf die direkte Sonne) übersteuert und auf diese Weise die Sonnensammelfläche auf die Quelle höchster Strahlungsintensität ausrichtet, um den Energieertrag der Farbstoffsolarzellen bei reiner Diffusstrahlung zu optimieren. Sie sind zum Anderen dadurch gekennzeichnet, dass die Normalbetriebsarten immer durch die vier Schutzbetriebsarten übersteuert werden. Die Schutzbetriebsarten übersteuern sich ebenfalls gegenseitig mit steigender Priorität bei zunehmender Schutzbetriebskennzahl. Ein wesentliches Verfahren ist die Realisierung des Schutzbetriebs 1 zur Gewittererkennung mit Hilfe des aktuell gemessenen analogen Spannungssignals am Bewölkungssensor kombiniert mit kalendarisch geordneten, empirischen gewonnenen Strahlungsintensitätsprofilen. Ein weiteres wesentliches Verfahren ist die Realisierung des Schutzbetriebs 2 zur Vermeidung von Schneebruch in der Schutzposition, wobei hier insbesondere der rückseitig montierte Schneesensor kombiniert mit der Aufrichtfunktion zu nennen ist. Hinzu kommt das wichtige Verfahren zur Realisierung des Schutzbetriebs 3 zur Vermeidung von Sturmbruch, bei dem der Parabolspiegel bei Sturmalarm in die Schutzposition fährt, um dort solange zu verbleiben bis der Sturmvoralarm einen definierten Zeitraum lang unterschritten wurde. Ein weiteres wesentliches Verfahren ist die Realisierung des Schutzbetriebs 4 zur Vandalismus- und Diebstahlerkennung, wobei der Verbund aller Farbstoffsolarzellen (Messstrom) als Sensor wirkt.
Ein weiterer Anspruch bezieht sich auf die V-Trogbespiegelung eines flächig aufgebauten Farbstoffsolarzellenmoduls oder herkömmlichen CIS-Moduls mit unterlagertem herkömmlichem Sonnenkollektor. Die Teiltransparenz der Farbstoffsolarzelle oder des CIS-Moduls erlaubt dabei das Transmittieren der nicht in elektrische Energie umgesetzten Strahlungsanteile des Sonnenspektrums. Der mit rund 1 cm bis 2 cm Abstand darunter befindliche Kollektor darf sich dabei bis auf 80°C erwärmen ohne den Wirkungsgrad der räumlich abgesetzten Farbstoff-, oder CIS-Solarzelle zu beeinflussen. Für die Kühlung der Zellen sorgt der entstehende Luftstrom, welcher auf natürlicher Konvektion zwischen den beiden Flächen (Modulunterseite und Kollektoroberseite) beruht. Auf diese Weise wird Brauwasser erzeugt, welches nicht per Wärmepumpe auf ein nutzbares Niveau angehoben werden muss.