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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebsmodul vorzugsweise der Fresnel-Bauart für ein Solarwärmekraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Sonnenwärmekraftwerk oder Solarwärmekraftwerk ist ein Solarkraftwerk, das die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet. Sonnenwärmekraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade und meist niedrigere spezifische Investitionen als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße.
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Es gibt verschiedene Konzepte für die Nutzung der Sonnenwärme zur Energiegewinnung, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen:
- – Kraftwerke, welche die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren auf einem linearen Absorberrohr bündeln (Parabolrinnen-Linear-Fresnel Kraftwerke)
- – Kraftwerke, welche die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren auf einen zentralen Receiver konzentrieren (Paraboloide, Solarturmkraftwerke)
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Diese Kraftwerke verwenden fokussierende Reflektorflächen, um das einfallende Sonnenlicht auf einen Absorber zu konzentrieren. Die Reflektoren oder der Absorber werden der Sonne nachgeführt. Solarfarmkraftwerke sammeln die Wärme in vielen über die Fläche verteilten Absorbern, während in Solarturmkraftwerken und Paraboloidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit Punktkonzentratoren auf einen Brennpunkt gebündelt wird.
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Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht vorzugsweise aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren, sogenannten Linienkonzentratoren. Im Kollektorfeld wird ein Wärmeträgermedium erhitzt, entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390°C erreichbar, die in einem Wärmeübertrager zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS = Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmeübertrager aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500°C möglich. Der Wasserdampf wird anschließend wie in einem Dampfkraftwerk einer zentral angeordneten Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist. Der besondere Vorteil dieses Kraftwerkstyps ist die konventionelle, relativ leicht verfügbare Technik.
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Funktionsprinzip eines Parabolrinnenkollektors
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Parabolrinnenkollektoren bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben. Die Parabolrinnen werden aus Kostengründen meist nur einachsig der Sonne nachgeführt. Sie sind deshalb in Nord-Süd-Richtung angeordnet und werden der Sonne im Tagesverlauf von Ost nach West nachgeführt.
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Schema eines Solarturmkraftwerks
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Bei einem Solarturmkraftwerk, auch Zentralreceiverkraftwerk genannt, handelt es sich zumeist um Dampfkraftwerke mit solarer Dampferzeugung. Die bislang mit Öl, Gas oder Kohle befeuerte Brennkammer wird durch eine solare „Brennkammer” auf einem Turm ersetzt. Bei Sonnenschein richten sich hunderte bis tausende automatisch positionierende Spiegel (Heliostate) so aus, dass das Sonnenlicht auf den zentralen Absorber (Receiver) reflektiert wird. Durch starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entstehen an der Spitze des Turms Temperaturen bis zu mehreren 1.000°C. Die technisch sinnvoll handhabbaren Temperaturen liegen bei rund 1.300°C. Die Temperaturwerte und der damit erreichbare thermodynamische Wirkungsgrad sind somit deutlich höher als bei Solarfarmkraftwerken. Das verwendete Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Heißluft.
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Meistens wird die im Absorber entstehende Wärme über ein Dampfturbine und Gasturbine zur Stromerzeugung genutzt. Dafür wird im Receiver das Wärmeträgermedium auf bis zu 1000°C erhitzt und anschließend zur Dampferzeugung genutzt. Dieser treibt eine Turbine an. Damit diese effizient arbeiten kann, muss der Dampf wie bei einem Solarfarmkraftwerk gekühlt werden. Zur Kühlung kann bei ausreichendem Vorhandensein Wasser eingesetzt werden. Da dies in Wüstengebieten oft nicht der Fall ist, kommen unter Herabsetzung des Wirkungsgrades auch Trockenkühlanlagen zum Einsatz. Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Neben dem Parabolrinnenkraftwerk ist das Solarturmkraftwerk inzwischen ein weiterer, gut entwickelter Anlagentyp, der Solarstrom wirtschaftlich zu Verfügung stellen kann.
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Fresnel-Kollektoranlagen
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Eine Weiterentwicklung der Parabolrinnen sind so genannte Fresnel-Spiegel-Kollektoren. Bei ihnen wird das Sonnenlicht über mehrere zu ebener Erde angeordneten parallele, ungewölbte oder leicht gewölbt Spiegelstreifen (nach dem Prinzip einer Fresnel-Linse) auf ein Absorberrohr gebündelt. Die Streifen werden einachsig nachgeführt. Ein zusätzlicher Sekundärspiegel hinter dem Rohr lenkt die Strahlung auf die Brennlinie.
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Diese Bauweise verbindet demzufolge die Funktionsprinzipien von Parabolrinnenkollektoren und Turmkraftwerken miteinander, wobei sowohl auf gewölbte Spiegel als auch auf mehrachsige Sonnenstandsnachführungen verzichtet wird und der modulare Aufbau erhalten bleibt. Von der Verwendung der einfacher herzustellenden Spiegelstreifen sind Kostenvorteile zu erwarten. Das Absorberrohr wird im Gegensatz zu den meisten Parabolrinnenkonstruktionen nicht bewegt. So können sehr lange Kollektoren gebaut werden, die durch fehlende Rohrbögen und flexible Verbindungen geringe Strömungswiderstände für das Wärmeträgermedium aufweisen.
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Um insbesondere bei einer Fresnel-Kollektoranlage gemäß vorstehender Definition eine korrekte Ausrichtung der Spiegelstreifen zu gewährleisten, ist das Fresnel-typische einachsige Trackingsystem mit einem (elektrisch/hydraulisch) Antrieb zur Nachführung der Spiegelstreifen nach dem aktuellen Sonnenstand ausgerüstet, dem zusätzlich ein Winkelgeber beigefügt ist. In der Regel ist dieser Winkelgeber auf einer zentralen Antriebswelle für die Spiegelstreifen angeordnet und mit dem Antrieb bzw. dessen elektronischer Regelung verkabelt.
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Der Erfindung liegt angesichts dieses Stands der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Solarwärmekraftwerk und insbesondere ein Solarkraftwerk der Fresnelbauart kostengünstiger zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebsmodul des Fresnel-Wärmekraftwerks mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird folglich ein Antriebsmodul eines Fresnel-Spiegelkollektors vorgeschlagen mit einem vorzugsweise elektrischen (oder hydraulischen) Motor, der über ein Untersetzungsgetriebe mit einer Spiegelantriebswelle gekoppelt ist. Ein Winkelsensor ist im Antriebsmodul integriert. Dadurch reduzieren sich Verkabelungen zum Anschließen des Winkelsensors an den Antrieb und die Montage des Antriebs wird vereinfacht, da nur noch das Antriebsmodul mit dem jeweiligen Spiegelkollektor gekoppelt werden muss.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Winkelsensor im Untersetzungsgetriebe des Antriebsmoduls, vorzugsweise an der Ausgangswelle oder einem auf der Ausgangswelle fixierten Abtriebsritzel des Untersetzungsgetriebes platziert ist. Damit entsprechend die Winkelsignale exakt der Winkelposition des daran angeschlossenen Spiegelkollektors und müssen daher nicht mehr entsprechend dem Untersetzungsverhältnis des Getriebes umgerechnet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht die Anordnung eines Modulgehäuses vor, innerhalb dessen der Winkelsensor untergebracht ist. Damit wird ein eigenes Sensorgehäuse überflüssig und der Sensor wird vor Beschädigung nachhaltig geschützt.
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Vorteilhaft ist es hierbei, dass der Winkelsensor einen Permanentmagneten hat, der auf der Ausgangswelle oder dem Abtriebsritzel des Untersetzungsgetriebes fixiert ist sowie einen induktiven Signalaufnehmer hat, der dem Permanentmagneten gegenüberliegend vorzugsweise am Modulgehäuse platziert ist. Damit verringern sich die Montagebauteile für den Winkelsensor und der Montageaufwand wird ebenfalls kleiner.
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Ferner sieht ein weiterer Aspekt vor, dass der induktive Signalaufnehmer auf einer elektronischen Leiterplatte sitzt, die wiederum am Modulgehäuse montiert ist. Vorzugsweise hat hierbei das Modulgehäuse einen Gehäusedeckel, an dem die elektronische Leiterplatte montiert ist. Dies hat den Vorteil, dass der Winkelsensor am Gehäusedeckel außerhalb des Modulgehäuses und damit einfach und kostengünstig montiert werden kann.
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Schließlich ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein elektrischer Anschluss für die Energieversorgung des Motors und/oder der Leiterplatte sowie vorzugsweise zur Übertragung von Sensorsignalen an eine zentrale Steuerung an dem Gehäusedeckel ausgebildet bzw. angeordnet. Die elektrischen Kontakte können somit ebenfalls außerhalb des Gehäuses geschlossen werden, wodurch die hierfür erforderliche Arbeit deutlich erleichtert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Fresnel-Kollektoranlage mit Antriebsmodulen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Antriebsmoduls gemäß der Erfindung.
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Gemäß der 1 hat eine Fresnel-Kollektoranlage gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen zentralen Solarturm 1, an dem in dessen oberem Endbereich ein Absorberrohr 2 montiert ist. Das Absorberrohr 2 erstreckt sich dabei im Wesentlichen horizontal und wird von einem wärmeleitenden Fluid oder Wasser (Wasserdampf) durchströmt. Oberhalb des Absorberrohrs 2 ist ein Sekundärreflektor 4 angeordnet, der die, das Absorberrohr verfehlende, Strahlung, auf das Absorberrohr zurücklenkt.
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Des Weiteren hat die Fresnel-Kollektoranlage gemäß 1 einen Tragrahmen 6 vorzugsweise aus zusammengeschweißten, geschraubten und/oder gesteckten Profil- und/oder Fachwerkträgern 8, die sich unterhalb des Solarturms 1 in Querrichtung zum Absorberrohr 2 erstrecken und in die parallelbeabstandete Fresnel-Spiegelstreifen 10 in einem bestimmten Vertikalabstand zum Boden sowie zum Absorberrohr 2 drehbar eingehängt sind.
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Im konkreten sind an dem Tragrahmen 6 eine Mehrzahl von nicht weiter dargestellten Anlenkstellen angeordnet, in denen parallelbeabstandete Drehwellen 12 rotatorisch gelagert sind. An den Drehwellen 12 sind flügelförmig die Fresnel-Spiegelstreifen oder einfach Linearspiegel 10 fixiert, derart, dass sie eine gemeinsame Ebene aufspannen. Der Parallelabstand der Drehwellen 12 ist so gewählt, dass sich die Spiegel 10 bei einer Rotation um die Drehwelle 12 gerade nicht berühren können.
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An jeder Drehwelle 12 ist stirnseitig ein Antriebsmodul 14 angeordnet, die jeweils am Tragrahmen 6 fixiert sind und deren jeweilige Ausgangs-/Abtriebswelle 16 mit der zugehörigen Drehwelle 12 gekoppelt ist. Jedes Antriebsmodul 14 besteht im Wesentlichen aus einem Antriebsmotor 18 vorzugsweise ein Elektromotor (Gleichstrommotor) oder ein Hydraulikmotor, dessen Abtriebswelle 20 mit einem Untersetzungsgetriebe 22 (von großer Untersetzung) gekoppelt ist. Gemäß der 2 ist das Getriebe 22 als ein Stirnradgetriebe ausgebildet – es kann jedoch auch ein Planeten- oder Cycloidengetriebe sein.
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Das Getriebe 22 und vorzugsweise auch der Antriebsmotor 18 sind in einem gemeinsamen Modulgehäuse 24 untergebracht, das vorliegend aus einem Aluminiumdruckguss gefertigt ist. Das Gehäuse 24 bildet dabei eine Art Aufnahmewanne, die durch einen Gehäusedeckel 26 verschlossen ist, wobei an einer Seite der Aufnahmewanne vorzugsweise gegenüber dem Gehäusedeckel 26 die Ausgangswelle 16 des jeweiligen Antriebsmoduls 14 aus dem Gehäuse 24 herausragt.
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An der Ausgangswelle 16 oder einem an der Ausgangswelle 16 drehfest montierten Zahnrad des Untersetzungsgetriebes 22 ist ein Permanentmagnet 28 montiert, derart, dass er dem Gehäusedeckel 26 zugewandt ist.
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An dem Gehäusedeckel 26, d. h. an dessen Innenseite ist ein induktiver Winkelsensor 30 platziert. Im konkreten sitzt an der Innenseite des Gehäusedeckels 26 eine elektrische Platine oder Leiterplatte 32, auf der ein Induktionselement 34 aufgelötet ist, das bei Überstreichen durch den Permanentmagneten 28 einen elektrischen Impuls abgibt. Die Leiterplatte 32 wie auch der Motor 18 ist über elektrische Kabel 36 mit einem am Gehäusedeckel 28 ausgeformten oder angeordneten Stecker 38 oder Kontaktpins verbunden, die in einen Aufnahmeschacht am Gehäusedeckel 28 ragen. Hierüber wird der Motor 18 wie auch der Winkelsensor 30 mit elektrischer Energie versorgt und es werden elektrische Erfassungs- und Steuersignale zwischen dem Modul 14 und einer nicht weiter dargestellten Steuerung übertragen.
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Durch den unmittelbar an der Ausgangswelle 16 innerhalb des Modulgehäuses 24 angeordneten Winkelsensors 30 kann die Drehlage (Ausrichtung) jedes einzelnen Linearspiegels 10 bzw. der zugehörigen Drehwelle 12 exakt bestimmt und somit der Spiegel 10 dem Sonnenverlauf nachgeführt werden. Da sich der Winkelsensor 30 innerhalb des Modulgehäuses 24 befindet, ist dieser auch während der Montage an der Anlage vor Beschädigung geschützt. Er muss nicht zusätzlich verkabelt werden, da er zusammen mit dem Antriebsmotor 18 und dem Getriebe 22 im Modulgehäuse 24 vollständig vormontiert ist. D. h. nach der Fixierung des Antriebsmoduls 14 am Tragrahmen 6 sowie nach der Ankupplung der Ausgangswelle 16 an der jeweiligen Drehwelle 12 muss nur noch der elektrische Anschluss des Moduls 14 mittels eines entsprechenden Steckers (nicht weiter gezeigt) hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Solarturm
- 2
- Absorberrohr
- 4
- Reflektor
- 6
- Tragrahmen
- 8
- Fachwerkträger
- 10
- Spiegelstreifen
- 12
- Drehwelle
- 14
- Antriebsmodul
- 16
- Ausgangswelle
- 18
- Antriebsmotor
- 20
- Abtriebswelle
- 22
- Getriebe
- 24
- Modulgehäuse
- 26
- Deckel
- 28
- Permanentmagnet
- 30
- Winkelsensor
- 32
- Leiterplatte
- 34
- Induktionselement
- 36
- Verkabelung
- 38
- Stecker/Steckdose
