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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage.
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Es ist bei Solarthermie-Kraftwerken bekannt, Sonnenlicht durch Spiegel auf einen Brennpunkt zu konzentrieren, wo ein Wärmeträger dies Wärmeenergie aufnimmt und an ein System zur Erzeugung elektrischer Energie oder chemischer Energie abführt.
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Unter einem Einwegspiegel, der auch als Spiegelglas, halbdurchlässiger Spiegel, Venezianische Spiegel, Spionspiegel oder Polizeispiegel bezeichnet wird, wird ein optisches Bauteil verstanden, das eintreffendes Licht auf der einen Seite reflektiert, auf der anderen Seite jedoch ungespiegelt hindurchlässt. Beispielhaft wird ein solcher Einwegspiegel hergestellt, indem eine Glasplatte metallisch beschichtet wird Im Gegensatz zu einem echten Spiegel ist diese Schicht dünn genug, um Teile des einfallenden Lichtes auch transmittieren zu lassen. Somit wird nur ein bestimmter Anteil des Lichtes reflektiert, der Rest dringt zur anderen Seite durch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einfach und kostengünstig eine Solarthermieanlage schematisch darzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung sind, dass sie mit einem Gehäuse ausgeführt ist, das an einem ersten Wandabschnitt einen Einwegespiegel aufweist,
wobei in dem Gehäuse ein von einem Antrieb drehbar angeordneter Wellenabschnitt, insbesondere mit verbundenem Parabolspiegel, angeordnet ist und
in dem Gehäuse ein in seiner Helligkeit und/oder Farbe oder Farbeverteilung steuerbares Leuchtmittel.
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Von Vorteil ist dabei, dass dem Betrachter ein Tagesablauf vom Sonnenaufgang zum Sonnenuntergang simuliert vorstellbar ist. Dabei nimmt die Helligkeit zu und dann ab, wobei der Drehwinkel kontinuierlich ansteigt. Nachts, also bei Dunkelheit, wird der Drehwinkel zurückgefahren auf die Anfangsstellung, also den Anfangswert zu Tagesbeginn.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zum ersten Wandabschnitt, insbesondere zum Einwegespiegel, parallel angeordneter Spiegel im Gehäuse angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass der Betrachter ein mehrfachgespiegeltes Bild des Wellenabschnittes und/oder des Parabolspiegels erkennt und somit den Eindruck einer großen Solarthermieanlage übermittelt bekommt. Somit eignet sich die Vorrichtung besonders als Ausstellungsvorrichtung oder Messevorrichtung oder Simulationsvorrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wellenabschnitt in Normalenrichtung zur Spiegelebene ausgerichtet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Mehrfachspiegelung aus ungefähr Normalenrichtung sichtbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei oder mehr Wellenabschnitte im Gehäuse zumindest teilweise angeordnet, parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder spielarm oder spielfrei miteinander verbunden sind, insbesondere mittels Flanschverbindung miteinander verbunden sind,
wobei jedem Wellenabschnitt ein Antrieb zugeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein hohes Drehmoment aufbringbar ist und eine winkelsynchrone Betriebsweise erreichbar ist, so dass die Verdrehung gering bleibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein übergeordneter Rechner mit einer Steuerleitung mit einem steuerbaren Leuchtmittel verbunden und zur Datenübertragung mit einem oder mehreren Antrieben verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass von der übergeordneten Steuerung nicht nur die winkelsynchrone Steuerung der Antriebe sondern auch die hierzu synchrone Ansteuerung des Leuchtmittels ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Anlage Wellenabschnitte auf, die miteinander verbunden sind, wobei jeder Wellenabschnitt drehbar gelagert angeordnet ist und von einem, dem jeweiligen Wellenabschnitt zugeordneten Antrieb drehbar ist,
wobei jedem Wellenabschnitt ein Winkelsensor zugeordnet ist,
wobei ein Verdrehwinkelsensor zwischen jeweils zwei benachbarten Wellenabschnitten angeordnet ist, insbesondere zur Erfassung des jeweils zwischen den beiden Wellenabschnitten vorhandenen Verdrehwinkels.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Antriebe die Wellenabschnitte winkelsynchron drehen können. Dabei sind als Winkelsensoren den Winkel absolut erfassende Sensoren oder auch nur den Winkel relativ zum Anfangswinkel bei Inbetriebnahme des Sensors erfassende Sensoren verwendbar. Somit sind die Wellenabschnitte auf einen gemeinsamen Sollwinkelwert oder um eine für alle Antriebe gleich vorgebbare Sollwinkeldifferenz verdrehbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jedem Antrieb über Versorgungsleitungen elektrische Energie als Wechselstrom mit einer ersten Frequenz zugeführt, wobei zur Datenübertragung Stromanteile mit einer höheren Frequenz als die erste Frequenz aufmoduliert sind, insbesondere entsprechende Mittel mit den Versorgungsleitungen innerhalb des Antriebs verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass für die Datenübertragung keine weiteren Leitungen notwendig sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur winkelsynchronen Drehbewegung der Antriebe vorgesehen, insbesondere ein erster Antrieb als Master und die weiteren Antriebe jeweils als Slave einer Master-Slave-Regelung fungieren oder von einem übergeordneten Rechner ein Winkelsollwert beziehungsweise Sollwinkeldifferenz bei Verwendung von nicht absolut erfassenden Winkelsensoren vorgegeben wird, auf den die Antriebe jeweils hinregeln. Von Vorteil ist dabei, dass die gegenseitige Verdrehung der Wellenabschnitte verhinderbar ist, indem die Wellenabschnitte langsam und mit gleicher Winkelgeschwindigkeit verdreht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wellenabschnitte miteinander spielarm oder spielfrei verbunden, insbesondere mittels einer Flanschverbindung, welche axial ausgerichtete Schrauben oder Stifte aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass Verdrehwinkelunterschiede zwischen den von verschiedenen Antrieben angetriebenen Wellenabschnitten minimal haltbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als Verdrehwinkelsensor ein Dehnungsmessstreifen oder ein Torsionssensitiver Sensor verwendet, der zwischen einer auf einem Radialabstand sich befindenden Position auf einem Wellenabschnitt und einer auf einem Radialabstand sich befindenden Position auf einem hierzu benachbart angeordnete Wellenabschnitt angeordnet ist,
oder der Verdrehwinkelsensor ist durch ein Mittel zur Differenzbestimmung realisiert, dem die erfassten Winkelwerte der beiden benachbarten Winkelsensoren zugeführt werden zur Bestimmung der Differenz. Von Vorteil ist dabei, dass eine Überwachung auf Überschreiten eines kritischen Wertes unabhängig von den Winkelsensoren und/oder auf einem größeren Radialabstand als die Erfassung der Winkelwerte ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an jedem Wellenabschnitt ein Spiegel befestigt, insbesondere drehfest verbunden ist, und ein Gestänge, welches einen dem jeweiligen Wellenabschnitt zugeordnete Röhrenabschnitt hält. Von Vorteil ist dabei, dass das von dem Spiegel reflektierte und gebündelte Licht auf den Röhrenabschnitt leitbar ist und somit dort durch Absorption in Wärme umwandelbar ist. Ein im Inneren des Röhrenabschnittes durchgeleiteter Wärmeträger ist somit erhitzbar und transportiert dann die Wärme weiter zu einem thermoelektrischen Wandler.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind direkt benachbarte Röhrenabschnitte miteinander dicht verbunden sind, so dass ein Wärmeträger zwischen den Hohlräumen der Röhrenabschnitte durchleitbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein die Röhrenabschnitte dicht nebeneinander anordenbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmeträger flüssig oder gasförmig. Von Vorteil ist dabei, dass ein schneller Durchfluss ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Weiterleitung des Wärmeträgers von den dicht verbundenen Röhrenabschnitten zu einem System zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere zu einer thermo-elektrischer Wandlereinheit, vorgesehen,
insbesondere wobei aus dem im Brennpunkt der mit den Wellenabschnitten drehfest verbundenen Spiegel erwärmten Wärmeträger thermische Energie entnommen und in elektrische Energie umgewandelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass vom aufgewärmten Wärmeträger eine Turbine und von dieser wiederum ein Generator antreibbar ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage sind, dass miteinander verbundene Wellenabschnitte von Antrieben gedreht werden, wobei jeder Antrieb einen Winkelsensor aufweist, insbesondere zur Erfassung des Winkelwertes der Rotorwelle des Elektromotors des Antriebs oder einer Welle des vom Elektromotor angetriebenen Getriebes des Antriebs,
wobei jeder Antrieb derart betrieben wird, dass der am jeweiligen Antrieb erfasste Winkelwert auf einen Soll-Winkelwert hingeregelt wird
wobei der Soll-Winkelwert von einem übergeordneten Rechner vorgegeben wird,
wobei ein Maß für den Verdrehwinkel oder eine vom Verdrehwinkel abhängige Messgröße erfasst wird und der erfasste Wert auf Überschreiten eines kritischen Wertes überwacht wird,
insbesondere wobei nach Überschreiten des kritischen Wertes ein Abschalten der Antriebe ausgeführt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein winkelsynchrones Verdrehen der Wellenabschnitte um die Wellenachse, also die allen Wellenabschnitten gemeinsame Drehachse, ermöglicht ist und dabei die Sicherheit erhöht ist, indem eine Verdrehung der Röhrenabschnitte auf Null oder zumindest unter einem kritischen Maß begrenzt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung fungiert einer der Antriebe zusätzlich als übergeordneter Rechner, insbesondere also als Master einer Master-Slave-Regelung. Von Vorteil ist dabei, dass eine winkelsynchroner Betrieb in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Soll-Winkelwert mittels Aufmodulation von Stromanteilen auf die Versorgungsleitungen der Antriebe dieser Soll-Winkelwert übertragen an die Antriebe. Von Vorteil ist dabei, dass nur die Versorgungsleitungen zu den Antrieben zu verlegen sind in der Anlage.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine Solarthermie-Anlage schematisch skizziert.
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In der 2 ist für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel das Schaltschema skizziert, wobei die Antriebe 4 von einem übergeordneten Rechner 21 ansteuerbar sind, indem die Antriebe 4 und der Rechner 21 mittels einer Busleitung miteinander verbunden sind. Dabei ist die Busleitung realisiert durch Aufmodulation von Daten auf die Versorgungsleitungen der Antriebe 4 und des Rechners 21.
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In der 4 ist das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gezeigt in einer ersten Variante.
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In der 5 ist das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gezeigt in einer zweiten Variante.
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Wie in 1 gezeigt, sind bei der Solarthermie-Anlage auf einem Fundamentteil 3 Halteteile 5 befestigt, welche jeweils einen Spiegelabschnitt stützen.
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Jeder Spiegelabschnitt ist über ein Gestänge an einem Wellenabschnitt befestigt, welcher drehbar gelagert ist am jeweiligen Halteteil 5.
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Es sind mehr als zwei, beispielhaft 8, Spiegelabschnitte hintereinander angeordnet, wobei die jeweils zugehörigen Wellenabschnitte mittels Flanschverbindung miteinander verbunden sind. Hierzu weist jeder Wellenabschnitt an seinem axialen Endbereich einen Flanschabschnitt auf, so dass sich gegenüber angeordnete Wellenabschnitte jeweils zweier verschiedener Wellenabschnitte verbindbar sind mit Stiften, Nieten und/oder Schrauben.
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Somit ist eine spielfreie oder zumindest spielarme Verbindung der Wellenabschnitte ausführbar.
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Jedem Wellenabschnitt ist ein Antrieb zugeordnet, mittels dessen der Wellenabschnitt drehbar ist um einen vorgebbaren Winkelbetrag.
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Hierzu weist jeder Antrieb einen Winkelsensor auf, der mit einer elektronischen Schaltung des Antriebs verbunden ist, welche auch Umrichterfunktionalität aufweist, so dass ein Elektromotor des Antriebs speisbar ist von der elektronischen Schaltung. Der Elektromotor treibt direkt oder über ein Getriebe den zugeordneten Wellenabschnitt an und ist somit in der Lage, diesen um einen vorgegebenen Winkelbetrag zu drehen.
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Die Versorgungsleitungen zur Versorgung der jeweiligen Antriebe sind zusammengeführt zu einem Versorgungsknoten, der aus einem elektrischen Netz gespeist wird. Der Versorgungsknoten weist ein Filter auf, das hohe Frequenzen unterdrückt und niedrige Frequenzen durchlässt. Somit ist auf den Versorgungsleitungen ein Signalstrom aufmodulierbar, so dass von elektronischen Schaltungen der Antriebe mit einem ebenfalls mit den Versorgungsleitungen verbundenen Steuergerät Daten austauschbar sind.
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Somit ist von dem Steuergerät ein Winkelsollwert oder ein Winkeldifferenzbetrag vorgebbar und an die Antriebe übermittelbar, so dass der jeweils von diesen angetriebene Wellenabschnitt auf den Winkelsollwert hin regelbar ist beziehungsweise um den Winkeldifferenzbetrag drehbar ist. Im erstgenannten Fall muss jeder Antrieb einen absolut erfassenden Winkelsensor und im letztgenannten Fall muss jeder Antrieb einen relativ erfassenden Winkelsensor aufweisen. Auf diese Weise sind also die Antriebe winkelsynchron betreibbar.
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Kleine Abweichungen von der synchronen Winkelverstellung der die verschiedenen Wellenabschnitte antriebenden Antriebe führt zu einem jeweiligen Verdrehwinkel zwischen benachbarten jeweiligen Wellenabschnitten.
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Im Brennpunktbereich jedes Spiegels ist ein Röhrenabschnitt angeordnet, wobei benachbarte Röhrenabschnitte 6 mittels einer Dichtung dicht verbunden sind im Verbindungsbereich 6, wo auch ein Sensor angeordnet ist, der den relativen Verdrehwinkel zwischen zwei benachbarten Wellenabschnitten erfasst. Denn über das Gestänge ist der jeweilige Röhrenabschnitt mit dem zugehörigen Wellenabschnitt fest verbunden, weshalb der Röhrenabschnitt auf einem großen Radialabstand zur Wellenachse angeordnet ist und somit schon bei kleinem Verdrehwinkel zwischen zwei benachbarten Wellenabschnitten eine große Auslenkungsdifferenz zwischen zwei benachbarten Röhrenabschnitten bewirkt wird. Als Sensor eignet sich somit ein zwischen zwei benachbarten Röhrenabschnitten angebrachter Dehnungsmessstreifen. Bei genügend großer Empfindlichkeit sind die Dehnungsmessstreifen aber auch an den Wellenabschnitten direkt anordenbar. Alternativ sind auch andere Verdrehwinkelsensoren verwendbar.
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Bei Überschreiten eines kritischen Wertes an Verdrehwinkel werden die Antriebe in einen sicheren Zustand überführt, beispielsweise also abgeschaltet. Auf diese Weise wird das Überschreiten eines kritischen Wertes an Verdrehwinkel vermieden und somit auch eine große Auslenkung an dem Verbindungsbereich 6 vermieden, so dass die Dichtigkeit der Verbindung der Röhrenabschnitte gewährleistbar ist.
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In den Röhrenabschnitten wird ein flüssiger oder gasförmiger Wärmeträger geführt, der somit die im Brennpunkt konzentrierte Wärme aufnimmt und an ein System zur Erzeugung von elektrischer Energie ableitet, insbesondere umfassend eine Turbine, welche eine als Generator fungierende Elektromaschine antreibt.
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Jeder Antrieb weist ein zentrales Gehäuseteil auf, das zumindest teilweise gehäusebildend für den Elektromotor und zumindest teilweise gehäusebildend für eine den Elektromotor speisende elektronische Schaltung, insbesondere Umrichter, ist.
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Über die zu der elektronischen Schaltung führenden Versorgungsleitungen wird nicht nur die elektrische Leistung zugeführt sondern auch Steuerinformation, welche durch aufmodulierte, dem Leistungssignal überlagerte hochfrequente Stromanteile übertragen wird. Ebenso sind Daten von der elektronischen Schaltung über die Versorgungsleitungen an einen übergeordneten Rechner übertragbar und/oder an weitere Antriebe der Anlage.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt. Welche ein Gehäuse 33 aufweist, bei dem an zwei gegenüberliegenden Wänden Spiegel (Spiegel 31 und Einwegspiegel 30) angebracht sind, die zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Im Gehäuseinneren ist ein steuerbares Leuchtmittel angeordnet, dessen Helligkeit und/oder Farbe steuerbar ist. Wenn nun ein Betrachter auf den Einwegspiegel 30 blickt und im Gehäuseinneren eine kritische Helligkeit erreicht ist, sieht der Betrachter durch den Einwegspiegel teilweise hindurch, erkennt den im Gehäuseinneren angeordnete Parabolspiegel 32 und erblickt in Richtung des Spiegels 31 ein mehrfach gespiegeltes Abbild des Parabolspiegels 32. Die mehrfach gespiegelten Abbilder erscheinen dem Betrachter in einer Linie hintereinander. Somit wird ihm das Erscheinungsbild einer echten Solarthermieanlage mit mehreren hintereinander angeordneten Parabolspiegeln 32 suggeriert.
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Der reale Parabolspiegel ist an einem Wellenabschnitt befestigt, welcher aus dem Gehäuse 33 herausragt und von einem Antrieb 4, antreibbar ist, der auch einen Winkelsensor aufweist.
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Von dem übergeordneter Rechner 21 wird bei Inbetriebnahme der Vorrichtung die Helligkeit mittels des steuerbaren Leuchtmittels 22 erhöht, vorzugsweise linear in der Zeit. Proportional zur Zeit oder Helligkeit wird der Wellenabschnitt mit drehfest auf ihm verbundenen Parabolspiegel 32 von einer Anfangsstelllung aus gedreht bis zu einem Maximalwinkel. Nach Erreichen eines Maximums wird die Helligkeit verringert bis der Betrachter durch den Einwegspiegel 30 nicht mehr hindurchblicken kann. Während dieser Dunkelheit, dreht der Antrieb den Parabolspiegel in seine Anfangsstellung zurück, vorzugsweise linear mit der Zeit.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem innerhalb des Gehäuses 33 zwei flanschverbundene Wellenabschnitte zumindest teilweise angeordnet sind, wobei die Wellenabschnitte von einem jeweiligen Antrieb 4 antreibbar sind. Hierbei werden die Antriebe 4 jedoch winkelsynchron zueinander angetrieben. Vorzugsweise geschieht dies gemäß 2 von einem übergeordneten Rechner 21 aus.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine Master-Slave-Regelung ausgeführt. Dabei fungiert ein erster Antrieb als Master, der seine an dem ihm zugeordneten Wellenabschnitt erfassten Winkelwerte an die weiteren, als Slave fungierenden Antriebe übermittelt, wobei diese ihren, an dem jeweils ihnen zugeordneten Wellenabschnitt erfassten Winkel-Istwert auf den durch den Master vorgegebenen Sollwert hin regeln.
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Alternativ wird in jedem Zeitschritt der zugehörige Sollwert durch einen übergeordneten Rechner, also eine Steuerung, vorgegeben, dem alle Antriebe folgen, indem sie ihren, an dem jeweils ihnen zugeordneten Wellenabschnitt erfassten Winkel-Istwert auf den durch den Rechner vorgegebenen Sollwert hin regeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Rohrleitungsabschnitt
- 3
- Fundamentteil
- 4
- Antrieb
- 5
- Halteteil
- 6
- Verbindungsbereich mit Sensor
- 21
- übergeordneter Rechner
- 22
- steuerbares Leuchtmittel
- 30
- Einwegespiegel
- 31
- Spiegel
- 32
- Parabolspiegel
- 33
- Gehäuse
