-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft einen Solarspiegel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
-
STAND DER TECHNIK
-
Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. In einer Stunde strahlt die Sonne mehr Energie auf die Erde, als die gesamte Weltbevölkerung in einem Jahr benötigt.
-
Die Nutzung alternativer Energien war nie so notwendig wie heute. Es werden enorme Anstrengungen unternommen, um von der fossilen und atomaren Stromerzeugung unabhängig zu werden. Es gibt die unterschiedlichsten Methoden dies zu erreichen, jedoch gibt es eine, die in Zukunft allen anderen den Rang ablaufen wird – die Konzentrierende Thermosolare Stromerzeugung.
-
Diese Art der Stromerzeugung gehört nicht nur zu den effizientesten, sondern sie bietet eine Besonderheit, die sie so besonders macht, ihre Energieform ist einfach speicherbar. Da in den Thermosolar-Kraftwerken der Strom nicht sofort erzeugt wird, sondern erst in Form von Wärme anfällt, kann man die Wärme effizient, dauerhaft und preiswert speichern. Dieser Umstand macht diese Art der Kraftwerke grundlastfähig.
-
Die Grundlastfähigkeit bedeutet, dass zu jeder Zeit eine berechenbare Energie zur Verfügung steht, die nicht von Wetterverhältnissen abhängig ist. Beim Thermosolar-Kraftwerk wird ein Teil der erzeugten Wärme gespeichert, so dass auch Strom erzeugt wird, wenn die Sonne nicht scheint. So wird auch nachts Strom erzeugt und in Zeiten an denen der Himmel bedeckt ist. Sollte es zu einer langen Periode des Ausfalls von Wärmeerzeugung kommen, kann die Wärme durch Gasbrenner erzeugt werden. Solche Kraftwerke werden als Hybrid-Kraftwerke bezeichnet. Diese Form der Kraftwerke wird zukünftig die Hauptlast der Stromerzeugung tragen.
-
Das wichtigste Bauteil der Thermosolar-Kraftwerke ist der, der Sonne nachgeführte Spiegel, der die Sonne einfängt, bündelt und an den Empfänger abstrahlt. Von seiner Präzision, seinem Preis und seiner Langlebigkeit hängt im Wesentlichen die Amortisation des Kraftwerkes ab.
-
Deshalb kommt der Weiterentwicklung des Spiegels besondere Bedeutung zu. Die bisher verwendeten Spiegel bestehen aus 4 mm starken Glas, das an der Rückseite mit Silber beschichtet ist. Das 4 mm stake Glas macht die Spiegel weniger effizient. Man hat versucht, diesen Nachteil durch besonders reines Glas zu kompensieren, dies gelingt aber nur zum Teil. Deshalb geht der Trend zu Spiegeln, deren Glas nur noch 1 mm stark ist. Die Effizienz nimmt dadurch um mehr als ein Prozent zu. Auf das gesamte Karftwerksfeld und über eine Laufzeit von über 30 Jahre, macht das einen enormen Unterschied aus.
-
Grundsätzlich ist es kein Problem Spiegel mit 1 mm Glasstärke herzustellen. Allerdings tritt bei der Produktion und Nachbearbeitung häufig Glasbruch auf, so dass viel Ausschuss produziert wird.
-
Das größte Problem besteht darin, dass 1 mm dicke Spiegel bisher nur sehr aufwendig in die erforderliche Form gebogen werden konnten und diese Form nicht dauerhaft beibehalten haben. Da in Wüstengebieten, in denen solche Spiegel meist zum Einsatz kommen, starke Temperaturunterschiede auftreten, findet meist auch eine thermische Verformung der Spiegel und der Spiegelhalterung statt.
-
Nach dem Stand der Technik werden auf die gebogenen Spiegel aufwändige Stahlkonstruktionen als Halterungen geklebt. Da diese andere Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Spiegel aufweisen, behält der Spiegel nicht seine ursprünglich Form, sondern wird verzerrt. Die richtige und exakte Geometrie ist aber eminent wichtig für die genaue Fokussierung der Sonnenenergie und damit der Leistungsfähigkeit des Kraftwerkes.
-
Ein weiteres Manko der dünnen Spiegel liegt in ihrer Verletzlichkeit. Selbst der kleinste Einschlag, Verspannung oder Vibration durch Wind können zu der Zerstörung des kompletten Spiegels führen. Auch führt das mechanische Reinigen dieser Spiegel zu erheblichen Problemen durch Glasbruch.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spiegel für Thermosolarkraftwerke zu schaffen, der mit den folgenden Eigenschaften hergestellt werden kann: Der 1 mm dünne Spiegel muss präzise in der notwendigen Geometrie gehalten werden. Die Geometrie muss über einen Zeitraum von 30 Jahren möglichst unverändert bleiben. Da der Spiegel Sandstürmen, großer Hitze und Kälte ausgesetzt ist muss die Wärmeausdehnung der Materialien aufeinander abgestimmt sein, so dass es dadurch nicht zum Verzug kommt. Die Materialien müssen 30 Jahre ohne nennenswerte Verwitterung und/oder anderen Schäden überstehen. Die Konstruktion soll möglichst steif und leicht sein. Desweiteren muss der Spiegel preiswerte herstellbar sein.
-
Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 6.
-
Im Folgenden ist mit dem Begriff Spiegel oder Solarspiegel insbesondere eine der folgenden Spiegelformen gemeint: Parabolrinnen-Spiegel, Heliostat-Spiegel, Fresnel-Spiegel und/oder Dishes.
-
Ein Solarspiegel umfasst bevorzugt eine Glasscheibe mit einer Spiegelschicht bzw. einer Verspiegelung, insbesondere eine dünne Silberschicht. Besonders bevorzugt umfasst der Solarspiegel zumindest eine mineralische Trägerschicht. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Trägerschicht den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Glasscheibe des Spiegels aufweist. Bei einer thermischen Verformung des Spiegels verformt sich das ganze Bauteil homogen. Eine Verzerrung des Spiegels wird vermieden.
-
Bevorzugt umfasst die Trägerschicht mineralisches Material. Besonders bevorzugt umfasst der Träger und/oder die Trägerschicht mineralisches Grundmaterial. Zweckmässigerweise handelt es sich bei der mineralischen Trägerschicht um eine faserverstärkte Schicht aus extrem hochfestem und hochdichtem Beton. Dieses Material ist vorteilhafterweise kalt und dadurch sehr umweltfreundlich herstellbar. Weitere Vorteile, der mineralischen Trägerschicht sind das sie sehr preiswert und einfach herstellbar ist, nicht rostet und unempfindlich gegen Abrasion durch Sand ist. Bspw. umfasst die mineralische Trägerschicht Tafeln aus Magnesiumboards.
-
Diese Materialien haben folgende Vorteile: sie sind extrem preiswert, sie haben einen nahezu identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Glasscheibe, sie sind extrem langlebig, sie sind sehr belastbar, sie werden kalt hergestellt und haben damit einen sehr niedrigen Ausstoss an Kohlendioxid bei der Herstellung.
-
Zweckmässigerweise weist die Trägerschicht eine Dicke von ca. 3mm auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Trägerschicht relativ leicht ist.
-
Zweckmäßigerweise umfasst der Solarspiegel eine doppelseitig klebende Verbundglasfolie. Bevorzugt ist die doppelseitig klebende Verbundglasfolie zwischen der Spiegelschicht und der ersten Trägerschicht angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein sehr stabiler Folienverbund erreicht wird.
-
Besonders bevorzugt ist die Verbundglasfolie eine Verklebefolie. Noch bevorzugter ist die Verbundglasfolie eine Hochsperrfolie. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die sehr empfindliche Silberschicht über drei Jahrzehnte keine Beschädigung erfährt. Ganz besonders zu erwähnen ist die „Erblindung“ des Spiegels durch Oxidation. Um diese zu verhindern setzt die Industrie bisher sehr teure und aufwendige Lackierungen ein. Mit der erfindungsgemäss verwendeten diffusionsdichten Hochsperrfolie, wie man sie aus der Vakuumisolierung kennt, wird die „Erblindung“ des Spiegels ebenfalls verhindert.
-
Die Hochsperrfolien sind, je nach Anforderung, gegen die Diffusion unterschiedlicher Elemente entwickelt. Ihr Einsatz ersetzt die aufwendige rückwärtige Lackierung des Spiegels und ist, ausgeführt als Doppelklebefolie gleichzeitig die kraftschlüssige Verbindung zwischen Spiegel und erster Deckschicht – vergleichbar mit einer Verbundglasscheibe.
-
In typischen Ausführungsbeispielen umfasst der Solarspiegel eine Wabenstruktur. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Solarspiegel stabiler ist. Bevorzugt umfasst die Wabenstruktur harzgetränktes Papier, das verpresst wurde. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wabenstruktur sehr leicht und sehr stabil ist.
-
Zweckmässigerweise ist die Wabenstruktur mit einer zweiten mineralischen Trägerschicht verbunden, insbesondere verklebt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wabenstruktur weiter stabilisiert wird. Bevorzugt bilden die Wabenstruktur und die zweite mineralische Trägerschicht einen Trägerverbund.
-
Gesondert wird Schutz beansprucht für ein Verfahren zur Herstellung eines Solarspiegels.
-
In einem typischen Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren den Schritt: Herstellung einer Glasscheibe. Vorzugsweise wird eine Glasscheibe mit einer Dicke zwischen 0,5 mm und 1,3 mm, besonders bevorzugt 1 mm her gestellt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Spiegel mit einer dünnen Glasschicht und damit einer besseren Leistung hergestellt werden kann.
-
Vorzugsweise wird in einem weiteren Schritt eine Spiegelschicht bzw. eine dünne Silberschicht auf die Glasscheibe aufgebracht. Bevorzugt wird die Spiegelschicht auf eine Oberseite der Glasscheibe aufgebracht.
-
Besonders bevorzugt wird die Spiegelschicht so auf die Glasscheibe aufgebracht, dass ein Randbereich der Glasscheibe frei bleibt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Schutzrand entsteht, der sich zum späteren Verkleben der Glasscheibe mit weiteren Schichten eignet.
-
Zweckmäßigerweise wird in einem anschließenden Verfahrensschritt eine doppelseitig klebende Verbundglasfolie oder Hochsperrfolie auf die Glasscheibe mit der Spiegelschicht aufgebracht. Vorzugsweise ist die Verbundglasfolie oder Hochsperrfolie geeignet, die Spiegelschicht zu schützen. Dadurch, dass die Glasscheibe in ihrem Randbereich keine Spiegelschicht aufweist, ergibt sich der Vorteil, dass die Verbundglasfolie an den Rändern direkt an der Glasscheibe anliegt und so die Spiegelschicht rundum abgedichtet und vor Beschädigung schützt.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Glasscheibe mit der Spiegelschicht und der Verbundglasfolie oder Hochsperrfolie auf eine formgebende Vorrichtung gelegt und/oder an dieser fixiert.
-
Bevorzugt weist die formgebende Vorrichtung eine konvex gewölbte Oberfläche auf.
-
Bevorzugt wird die Glasscheibe so auf die formgebende Vorrichtung gelegt, dass die unbeschichtete Seite der Glasscheibe die konvex gewölbte Oberfläche der Vorrichtung berührt.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine mineralische Trägerschicht auf den Spiegelfolienverbund aufgebracht.
-
Dadurch, dass doppelseitig klebende Verbundglasfolie verwendet wurde, ergibt sich der Vorteil, dass ein Verkleben des Trägerschicht mit dem Spiegelfolienverbund möglich ist.
-
Anschließend wird die mineralische Trägerschicht vorzugsweise gemeinsam mit der Glasscheibe, der Spiegelschicht und der Verbundglasfolie auf die formgebende Vorrichtung gepresst. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein bis jetzt hergestellter Spiegelfolienverbund nach der Oberfläche der formgebenden Vorrichtung geformt werden kann.
-
In typischen Ausführungsbeispielen werden in einem weiteren Verfahrensschritt die Glasscheibe mit der Spiegelschicht und der mineralischen Trägerschicht kraftschlüssig verklebt. Dadurch ergibt der Vorteil, dass sich ein bereits vorgeformter steifer Verbund aus verspiegelter Glasscheibe und Träger ergibt. Dieser Verbund kann problemlos transportiert werden. Die Gefahr das der Spiegelfolienverbund bricht, ist sehr gering. Ineinander gestapelt können diese vorgeformten Spiegelfolienverbunde sehr platzsparend und damit kostengünstig bspw. in Containern transportiert werden.
-
In typischen Ausführungsbeispielen werden die folgenden Verfahrensschritte erst am Ort des Kraftwerks durchgeführt. Dies ist vorteilhaft, da sich durch die nächsten Herstellungsschritte das Volumen des Spiegels um circa den Faktor 10 erhöht.
-
Alternativ können die weiteren Herstellungsschritte auch direkt anschliessend an die bereits genannten Herstellungsschritte, insbesondere am gleichen Ort, durchgeführt werden.
-
Zweckmässigerweise wird auf den vorgeformten Spiegelfolienverbund aus Glasscheibe, Spiegelschicht, Verbundglasfolie und mineralischer Trägerschicht ein weiterer Trägerverbund aufgebracht. Bevorzugt umfasst der Trägerverbund eine zweite Trägerschicht und eine Wabenstruktur bzw. einen Wabenkern.
-
In typischen Ausführungsbeispielen wird zuerst eine Wabenstruktur auf die erste mineralische Trägerschicht des gewölbten Spiegelfolienverbundes aufgebracht. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wabenstruktur ebenfalls bereits gewölbt ausgereichtet wird.
-
Bevorzugt wird anschliessend eine zweite mineralische Trägerschicht auf die Wabenstruktur aufgebracht. Vorzugsweise wird die Wabenstruktur mit der zweiten Trägerschicht und mit dem gewölbten Spiegelfolienverbund auf die formgebende Vorrichtung gelegt. Zweckmäßigerweise wird Wabenstruktur bzw. der Trägerverbund dem Spiegelfolienverbund verklebt.
-
Bevorzugt weist die zweite mineralische Trägerschicht die gleichen Werkstoffe und Eigenschaften, wie die erste mineralische Trägerschicht auf.
-
Die nach diesem Verfahren erzeugten Solarspiegel weisen die folgenden Vorteile auf: extreme Steifigkeit, sehr präzise Geometrie, sehr geringe Herstellkosten, sehr niedriger Kohlenstoffausstoss, hohe Effizienz und schnelle, einfache Herstellung.
-
Durch die hohe Steifigkeit des Verbundspiegels kann das Spiegelträgersystem viel einfacher und preiswerter ausgeführt werden. Desweiteren sind die Spiegel stabil gegen Einschläge oder andere mechanische Einwirkungen. Selbst extreme Einschläge wie Einschüsse führen nur zu partiellen Schäden, der Spiegel bleibt als Struktur komplett erhalten. Die partielle Schädigung führ zu keiner nennenswerten Verschlechterung des Spiegeleffektes.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich alle Geometrien der heute bekannten Solarspiegel, wie Parabolrinnen-Spiegel, Heliostat-Spiegel, Fresnel-Spiegel und Dishes, erzeugen.
-
Die äußeren Abmessungen werden nicht durch das Verfahren begrenzt, sondern durch die Verfahren zur Glasschmelze und die Transportlogistik.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Glasscheibe;
-
2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht der Glasscheibe nach 1 mit eine Spiegelschicht;
-
3 einen schematische Darstellung einer perspektivische Ansicht der Glasscheibe nach 1 oder 2 auf die eine Hochsperr- und/oder Verbundglasfolie aufgebracht wird;
-
4 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht der Glasscheibe nach 2 auf einer formgebenden Vorrichtung;
-
5 eine schematische Darstellung einer perspektivische Ansicht der vorgeformten Glasscheibe auf der formgebenden Vorrichtung nach 4 beim Aufbringen einer zweiten Trägerschicht.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
-
Die 1 bis 5 zeigen eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen Solarspiegels.
-
1 zeigt eine Glasscheibe 1. Die Glasscheibe 1 weist eine Dicke von 1 mm auf. In einem ersten Verfahrensschritt wird diese Glasscheibe 1 hergestellt.
-
2 zeigt das schematische Ergebnis des nächsten Verfahrensschritts. In diesem Verfahrensschritt wird auf die Glasscheibe 1 eine Spiegelschicht 2 aufgebracht. Dabei wird auf einen Randbereich der Glasscheibe 1 keine Spiegelschicht 2 aufgebracht, so dass sich der Schutzrand 3 ergibt.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine doppelseitig klebende Verbundglasfolie 4 auf die Glasscheibe 1 aufgebracht. Dadurch, dass auf die Glasscheibe 1 in dem Bereich des Schutzrandes 3 keine Spiegelschicht 2 aufgebracht ist, haftet die Verbundglasfolie 4 in dem Bereich des Schutzrandes 3 direkt auf der Glasscheibe 1. Die Verbundglasfolie 4 kann als Verklebefolie oder als Hochsperrfolie ausgebildet sein. Dadurch, dass die Verbundglasfolie 4 beidseitig mit einem Klebefilm versehen ist, hält die Verbundglasfolie 4 dauerhaft auf der Spiegelschicht 2.
-
In einem weiteren, nicht dargestellten Verfahrensschritte wird die Glasscheibe 1 mit der Spiegelschicht 2 und der Verbundfolie 4 auf eine formgebende Vorrichtung 5 gelegt.
-
Die formgebende Vorrichtung 5 weist eine konvex gewölbte Oberfläche 6 auf. Die Glasscheibe 1 wird so auf die formgebende Vorrichtung 5 gelegt, dass die nicht verspiegelte Seite der Glasscheibe 1 die konvex gewölbte Oberfläche 6 der formgebenden Vorrichtung 5 berührt.
-
Wie in 4 dargestellt, wird eine erste mineralische Trägerschicht 7 auf die Verbundglasfolie 4 gelegt. Dadurch, dass die Verbundglasfolie 4 beidseitig mit einem Klebefilm versehen ist, hält die erste mineralische Trägerschicht 7 dauerhaft an der Verbundglasfolie 4 beziehungsweise damit auch auf der Glasscheibe 1.
-
Bevorzugt umfasst die erste Trägerschicht 7 ein mineralisches Grundmaterial. Besonders bevorzugt umfasst die erste Trägerschicht 7 ein Material, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie Glas bzw. die Glasscheibe 1.
-
Die erste Trägerschicht 7 wird gemeinsam mit der Glasscheibe 1, der Spiegelschicht 2 und der Verbundglasfolie 4 auf die formgebende Vorrichtung 5 gepresst. Dadurch wird die Trägerschicht 7 mit der Verbundglasfolie 4 verklebt.
-
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass man einen bereits vorgeformten steifen Spiegelfolienverbund aus verspiegelter Glasscheibe 1 und der ersten Trägerschicht 7 erhält. Dieser Spiegelfolienverbund kann problemlos transportiert werden. Die Gefahr, dass der auf diese Weise hergestellte Spiegel aus Glasscheibe 1, Spiegelschicht 2, der Verbundglasfolie 4 und der ersten Trägerschicht 7 bricht ist sehr gering.
-
In einem nächsten Arbeitsschritt wird der Spiegelfolienverbund weiter verstärkt. Dieser Arbeitsschritt kann nachfolgend im direkten Anschluss an die bereits genannten Arbeitsschritte erfolgen.
-
In typischen Ausführungsbeispielen werden die weiteren Arbeitsschritte erst nach dem Transport des Spiegelfolienverbunds an das Solarkraftwerk durchgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich das Volumen durch die weitere Verstärkung des Spiegelfolienverbunds um circa den Faktor 10 erhöht.
-
Wie In 5 dargestellt, wird dazu der gewölbte Spiegelfolienverbund aus der Glasscheibe 1, der Spiegelschicht 2, der Verbundglasfolie 4 und der ersten Trägerschicht 7 wieder auf die formgebende Vorrichtung 5 gelegt.
-
Auf die Rückseite der ersten Trägerschicht 7 wird eine weitere Verbundfolie 8 aufgebracht.
-
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen wird statt der Verbundfolie eine Klebstoffschicht aufgebracht.
-
Die Verbundfolie 8 ist ebenfalls beidseitig verklebt.
-
Aus einer zweiten mineralischen Trägerschicht 10 und einer Wabenstruktur 9 wird ein Trägerverbund hergestellt.
-
Bevorzugt wird auch die Wabenstruktur 9 erst am Ort des Solarkraftwerks hergestellt. Die Wabenstruktur 9 umfasst bevorzugt harzgetränktes, insbesondere phenylharzgetränktes Papier. Besonders bevorzugt wird das Papier bei der Herstellung mit dem Harz verpresst, so dass ein sehr beständiger, stabiler Werkstoff entsteht. Diese Rohstoffe sind überall verfügbar und das Verfahren kann auf einfache Art und Weise durchgeführt werden.
-
Auf die Rückseite der Verbundglasfolie 8 wird die Wabenstruktur 9 gelegt. Auf die Wabenstruktur 9 wird eine zweite Trägerschicht 10 aufgebracht.
-
Zweckmässigerweise wird zwischen die Wabenstruktur 9 und die zweite mineralische Trägerschicht 10 eine Klebeschicht eingebracht.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt werden alle Schichten miteinander verpresst und dadurch verbunden bzw. verklebt.
-
Alternativ können die Spiegel auch in einem ersten Schritt hergestellt werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahren ist, dass sich die Herstellungsschritte, wie beschrieben trennen lassen, um unnötige Transportkosten zu vermeiden.
