DE102011053001A1

DE102011053001A1 - Heliostat und Solarpark mit einem solchen Heliostaten

Info

Publication number: DE102011053001A1
Application number: DE102011053001A
Authority: DE
Inventors: Martin Berz
Original assignee: IFE GmbH
Current assignee: IFE GmbH
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: WO2013026907A1; DE102011053001B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heliostaten aufweisend: ein dielektrisches Medium mit einer Lichteinfallfläche und einem Brechungsindex größer als 1,001, mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen Kollektor, wobei die Spiegelelemente unterhalb der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zumindest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt; und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen Solarpark aufweisend mindestens einen erfindungsgemäßen Heliostaten und einen Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heliostaten, welcher in einem Solarfeld angeordnet ist und das Sonnenlicht auf einen an einem Solarturm angebrachten Sonnenkollektor lenkt. Der Sonnenkollektor des Solarturms wandelt die Energie des Sonnenlichts in Elektrizität um, wobei dies entweder mit der Technik der Photovoltaik oder der Solarthermie geschieht. Die Erfindung betrifft ferner einen Solarpark, welcher mehrere Heliostaten aufweist.
Im Stand der Technik sind solarthermische Solarparks mit Heliostaten und Solarturm bekannt. Das Problem der Abschattung ist hierbei auch bekannt, vgl. Abschnitt [0062] der Druckschrift US 2009/0007901 A1 . Unter Abschattung wird hierbei die gegenseitige Versperrung des optischen Pfades durch lichtführende Elemente verstanden. Dieses Problem kann bei vorgegebener Turmhöhe durch eine Anordnung der Heliostaten mit großem Abstand untereinander gelöst werden oder bei vorgegebener Anordnung der Heliostaten im Solarfeld durch einen höheren Turm gelöst werden. Jedoch sind beide Lösungsmöglichkeiten nachteilig, da sowohl ein hoher Turm als auch ein großes Solarfeld unwirtschaftliche Lösungen darstellen.
Die Druckschrift US 2009/0073541 A1 beschriebt ein Steuergitter mit erhöhter Effektivität und Kapazität für Solarkonzentratoren und ähnliche Vorrichtungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen günstig herzustellenden Heliostaten anzugeben, der eine ressourcen- und kosteneffiziente Solarenergiegewinnung ermöglicht und der insbesondere eine Abschattung zwischen benachbarten Spiegelelementen wesentlich verringert.
Die Erfindung betrifft einen Heliostaten aufweisend ein dielektrisches Medium mit einer Lichteinfallfläche und einem Brechungsindex größer als 1,001, mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen Kollektor, wobei die Spiegelelemente unterhalb der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zumindest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt, und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen.
Unter einem Dielektrikum bzw. einen dielektrische Medium wird nachfolgend jeweils ein von Luft verschiedenes Dielektrikum bezeichnet.
Hierbei kann der Brechungsindex allgemein ein ortsabhängiger und/oder richtungsabhängiger Brechungsindex sein. Für den Fall nichtmagnetischer Materialien gilt, dass das Quadrat des Brechungsindexes n gleich der Permittivitätszahl oder Dielektrizitätszahl ε_r ist.
Unter einem Medium wird ein Medium verstanden, welches einen orts- und/oder richtungsabhängigen Brechungsindex aufweisen kann. Dieses Medium kann unzusammenhängend und inhomogen sein. Unter einem inhomogenen Medium wird ein Medium verstanden, das unterschiedliche Phasen desselben Stoffes bzw. Materials oder unterschiedliche Aggregatszustände gleicher oder verschiedener Stoffe bzw. Materialien aufweist.
Unter dem Ausdruck, wonach ein Medium einen Brechungsindex größer als einen bestimmten Wert aufweist, wird verstanden, dass das Medium an jedem Punkt seiner Materie und in jede Richtung an diesem Punkt einen Brechungsindex größer als diesen Wert aufweist. Im Allgemeinen wird hierbei Normaldruck angenommen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass insbesondere für senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf einen Heliostaten, die Abschattung zwischen benachbarten Spiegelelementen des Heliostaten wesentlich reduziert wird, falls sich zwischen einer Einfallsfläche des Heliostaten und den Spiegelelementen ein von Luft verschiedenes Dielektrikum befindet oder anders ausgedrückt, falls der Strahlengang des Sonnenlichts zwischen dem Eintritt in den Heliostaten und dem Austritt aus dem Heliostaten in einem von Luft verschiedenem Dielektrikum verläuft. Für einen speziellen Fall wird dies anhand von 1 veranschaulicht.
Hierzu wird angenommen, dass das Sonnenlicht senkrecht auf eine horizontale Lichteintrittsfläche des Heliostaten trifft und dass die Spiegelelemente identische ebene und längliche Spiegel sind, deren Längsachsen horizontal, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 1, verlaufen und die vertikal gesehen, d. h. entlang der Oben-unten-Richtung der Zeichenebene, in derselben Höhe angebracht sind.
Zuerst wird der in 1A dargestellte Fall erläutert, in dem ein Heliostat ohne Dielektrikum abgebildet ist. Da in diesem Fall keine Grenzschicht zwischen Luft und dem Dielektrikum existiert, wird die Luft-Dielektrikum-Grenzschicht des in 1B dargestellten Falls als die Lichteinfallfläche 101 des in 1A dargestellten Falls betrachtet. Ein erster Strahl 103 des Sonnenlichts trifft in diesem Fall senkrecht, das heißt unter einem Einfallswinkels α von 90°, auf die Lichteinfallfläche 101, trifft dann auf ein erstes Spiegelelement 105, wird dann von diesem ersten Spiegelelement 105 reflektiert und in Richtung eines Sonnenkollektor gelenkt. Hierbei bildet der Lichtstrahl mit der Lichteinfallfläche 101 einen Winkel γ und die Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 105 mit der Lichteinfallfläche 101 einen Winkel von β₁.
Ein zweites Spiegelelement 107, dessen Spiegeloberfläche parallel zur Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 105 ist, ist in einem gegebenen Abstand vom ersten Spiegelelement 105 in Richtung des Sonnenkollektors angeordnet. Ein zweiter Strahl 109, welcher im Vergleich zum ersten Strahl 103 weiter in Richtung des Sonnenkollektors auf das erste Spiegelelement 105 trifft wird ebenso wie der erste Strahl 103 unter demselben Winkel γ zum Sonnenkollektor gelenkt. Dieser zweite Strahl 109 trifft beim Auftreffpunkt 111 des Grenzstrahls auf das erste Spiegelelement 105. Er ist ein sogenannter Grenzstrahl, d. h. dass dieser Strahl noch auf den Sonnenkollektor trifft und nicht von dem zweiten Spiegelelement 107 blockiert wird, jedoch dass jeder Strahl, der weiter rechts von dem Auftreffpunkt 111 auf das erste Spiegelelement 105 trifft, vom zweites Spiegelelement 107 blockiert wird oder für den Fall, dass dieser Strahl weder auf das erste Spiegelelement 105 noch auf das zweite Spiegelelement 107 trifft, zwischen den Spiegelelementen verloren geht. Somit werden alle Lichtstrahlen, welche zwischen dem Auftreffpunkt 111 und der linken Kante des zweiten Spiegelelements 107 liegen, abgeschattet, d. h. sie werden entweder vom zweiten Spiegelelement 107 blockiert oder sie treffen überhaupt nicht auf ein Spiegelelement. Das Verhältnis des abgeschatteten Lichts zu dem Licht, welches auf den Sonnenkollektor fällt, kann geometrisch durch das Verhältnis der Länge von der linken Kante des ersten Spiegelelements 105 bis zum Auftreffpunkt 111 zu der Länge von der linken Kante des ersten Spiegelelements 105 zu einem Projektionspunkt 113, an dem ein exakt an der linken Kante des zweiten Spiegelelement 107 vorbeifallender Strahl auf eine fiktive vertikale Verlängerung des ersten Spiegelelement 105 fallen würde, berechnet werden.
Im Gegensatz hierzu weist die in 1B dargestellte Konstellation mit einem Dielektrikum, insbesondere einem flüssigen Dielektrikum, wesentliche Vorteile auf. Hierbei werden jeweils die Situationen mit identischem Ein- und Ausfallswinkel verglichen. Im diesem Fall mit Dielektrikum trifft ein erster Strahl 103 senkrecht auf die Lichteinfallfläche 101 und sodann auf das erste Spiegelelement 105. Der erste Strahl 103 wird nach der Reflexion vom ersten Spiegelelement 105 zur Luft-Dielektrikum-Grenzfläche zurückreflektiert, wo das Licht gebrochen und in Richtung des Kollektors gelenkt wird. Aufgrund der Brechung an der Luft-Dielektrikum-Grenzfläche nach der Reflexion am Spiegel kann dieser wesentlich flacher gestellt werden als im Falle ohne Dielektrikum, d. h., dass der Winkel β₂ zwischen dem ersten Spiegelelement 105 und der Lichteinfallfläche 101 kleiner als der entsprechende Winkel β₁ des in 1A dargestellten Falls ist. Der zweite Strahl 109 ist wie in 1A ein Grenzstrahl. Man erkennt deutlich, dass der Auftreffpunkt 111 wesentlich näher an der rechten Kante des ersten Spiegelelements 105 ist als im Fall der 1A. Dies bedeutet, dass die Abschattung in dem in 1B dargestellten Fall wesentlich geringer ist als im Fall der 1A.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass für den Fall identischer, parallel zueinander angeordneter Spiegelelemente mit identischem seitlichem Abstand und gleichen Ein- und Ausfallswinkeln ein Heliostat mit in einem Dielektrikum befindlichen Spiegelelementen eine wesentlich verminderte Abschattung aufweist. Typische Werte für die Abschattung für den Fall ohne und mit Dielektrikum sind 85% bzw. 33%. Hierbei weist der Heliostat mit Dielektrikum eine um einen Faktor 2 bis 4 verminderte Abschattung auf.
Ferner spielen hierbei auch Absorptionsverluste eine Rolle. Falls als dielektrisches Medium z. B. Wasser verwendet wird, absorbiert dieses in einem breiten Bereich Licht, wobei die Verluste zwischen 400 und 900 nm am geringsten sind. Diese Absorptionsverluste sind gemeinsam mit dem Sensitivitätsbereich des jeweiligen photovoltaischen Konverters zu berücksichtigen, insbesondere sind Verluste außerhalb der Sensitivitätskurve irrelevant. Hieraus resultieren Absorptionsverluste bei einer Silizium-Solarzelle von 15% und bei einer GaAs-Solarzelle von 5%.
Darüber hinaus spielen auch Reflexionsverluste an der Antireflexschicht eine Rolle. Bei einem relativ niedrigen Wert des Brechungsindexes von 1,05 treten typischerweise 5% Reflexionsverluste auf, bei einem höheren Wert des Brechungsindexes von 1,25 35% Reflexionsverluste.
Falls der Strahlengang zwischen Eintritt in den Heliostaten und Austritt aus dem Heliostaten nicht vollständig mit Dielektrikum gefüllt ist, fällt die Verminderung der Abschattung weniger stark aus als im Falle der vollständigen Füllung mit Dielektrikum.
Das Merkmal, wonach die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen, bewirkt, dass die Beugungsverluste in der Dimension der Ausdehnung kleiner als 1 Prozent sind. Unter dem Begriff Ausdehnung wird hierbei eine Länge entlang einer x-, y- oder z-Achse eines beliebigen Koordinatensystems, insbesondere eines rechtwinkligen Koordinatensystems, verstanden. Unter den bei der Photovoltaik genutzten Wellenlängen sind die langwelligen für die Beugungseffekte am kritischsten, hierbei also ungefähr 1000 nm. Wenn man in guter Näherung davon ausgeht, dass bei Beugung an einer ebenen Spiegelfläche an den Kanten in einem Bereich von jeweils 5 Wellenlängen (5 λ) Beugungsverluste auftreten, entspricht der ungenutzte Bereich ca. 10 μm. Um diese Verluste auf unter ein Prozent der Gesamtlänge zu reduzieren, benötigt man eine Gesamtlänge größer als 1 mm.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform füllt das dielektrische Medium einen Raum zwischen den reflektierenden Flächen der Spiegelelemente und der Lichteinfallfläche zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus. Dies führt zu einer stärkeren Ablenkung bzw. Brechung der Lichtstrahlen und somit zu einer stärkeren Verminderung der Abschattung.
Vorzugsweise ist die Lichteinfallfläche eine Ebene, insbesondere eine horizontale Ebene. Dieser Fall ist vorteilhaft, da hierbei die Sonnenstrahlung über die gesamte Ebene unter demselben Einfallswinkel einfällt, die Einfallsbedingung also an jeder Stelle der Ebene identisch sind. Der Fall der horizontalen Ebene ist vorteilhaft, da der Heliostat in diesem Fall besonders einfach hergestellt werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spiegelelemente eben oder länglich, insbesondere rechteckig. Diese Formen haben den Vorteil, dass die Spiegelelemente nebeneinander angeordnet werden können.
Bevorzugt verlaufen die Längsachsen der Spiegelelemente parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichem Neigungswinkel der Spiegelelemente die Lichtstrahlen jeweils in dieselbe Richtung abgelenkt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Längsachsen der Spiegelelemente in einer Spiegelanordnungsebene angeordnet. Der Heliostat kann somit eine flache äußere Form aufweisen, so dass er flach auf die Erdoberfläche eines Solarparks gelegt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass Sonnenlicht, welches von einem Heliostaten auf den Sonnenkollektor gelenkt wird, nicht von einem anderen Heliostaten abgeschattet wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens ein Spiegelelement um seine Längsachse drehbar. Dies hat den Vorteil, dass der Ausfallswinkel des Sonnenlichts aus den Heliostaten für jedes Spiegelelement einzeln justierbar bzw. einstellbar ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit der Spiegelelemente einen Fresnel-Spiegel bildet. Hierbei ist für den Fall eines Solarparks mit mehreren in einem Solarfeld angeordneten Heliostaten zu beachten, dass die jeweiligen Neigungswinkel der Spiegelelemente eines Heliostaten von dem Ort dieses Heliostaten in dem Solarfeld abhängen. Der Vorteil eines Fresnel-Spiegels liegt darin, dass eine Reflexion an diesem näherungsweise der Reflexion an einem Parabolspiegel entspricht, der Fresnel-Spiegel aber im Gegensatz zu einem Parabolspiegel flach ist, und nicht so viel Raum in der Vertikalen in Anspruch nimmt wie der Parabolspiegel.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass der Spiegelelemente einfach ansteuerbar sind.
Vorzugsweise ist die Spiegelanordnungsebene horizontal angeordnet. Die für den Vorteil, dass hierdurch die Abschattung zwischen den Heliostaten untereinander reduziert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist eine Gesamtheit der Spiegelelemente in der Spiegelanordnungsebene eine runde Außenkontur auf. Dies hat den Vorteil, dass eine ebene Fläche, insbesondere die Fläche eines Solarfelds, mit baugleichen runden Heliostaten zu mehr als 90% überdeckbar ist. Dies folgt unmittelbar aus der mathematischen Erkenntnis, dass eine Ebene mit identischen Kreisen zu mehr als 90% überdeckbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Heliostat um eine Normale zur Spiegelanordnungsebene, insbesondere um den Mittelpunkt der runden Außenkontur, drehbar. Dies hat den Vorteil, dass der Heliostat entsprechend dem Sonnenstand am Himmel ausrichtbar bzw. nachführbar ist. Im Zusammenhang mit der Justierbarkeit der Neigungswinkel der Spiegelelemente des Heliostaten kann für eine beliebige Position der Sonne am Himmel jeweils garantiert werden, dass die Sonnenstrahlen auf den Sonnenkollektor treffen.
Vorzugsweise besteht das dielektrische Medium aus einer Flüssigkeit, einem Gel und/oder einem Festkörper. Noch bevorzugter besteht das dielektrische Medium mindestens eine Flüssigkeit, ein Gel und/oder einen Festkörper auf.
Hierbei kann das Medium einen Festkörper aufweisen, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume bzw. Röhren angeordnet sind, in denen längliche Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert bzw. angeordnet sind. Die Zylinderformen können seitlich mit motorisierten Drehvorrichtungen verbunden sein.
Ferner kann die Grenzfläche zwischen dem Festkörper und dem weiteren Festkörper zur Vermeidung oder Verminderung von Reflexionsverlusten mit einem insbesondere flüssigen oder gelartigen überbrückenden Dielektrikum gefüllt sein. Es ist bevorzugt, dass hierbei beide Festkörper als das überbrückende Dielektrikum einen identischen oder ähnlichen Brechungsindex aufweisen. Das Medium wird hierbei insgesamt von dem Festkörper, dem überbrückenden Dielektrikum sowie der Flüssigkeit, dem Gel oder dem weiteren Festkörper gebildet. Das Zwischenmedium ist derart ausgestaltet, dass es auch als Schmiermittel für die Spiegelzylinder eingesetzt werden kann. Bevorzugt beträgt eine Dicke einer dünnen Zwischenschicht weniger als 550 μm, so dass Unterschiede im Brechungsindex nicht zu Reflexionsverlusten führen.
Für beide Festkörper ist hierbei der synthetische, glasähnliche thermoplastische Kunststoff Polymethylmethacrylat bevorzugt, welcher umgangssprachlich Acrylglas oder Plexiglas genannt wird und mit dem Kurzzeichen PMMA bezeichnet wird.
Ein genereller Vorteil von Festkörpern ist, dass manche Festkörper im Infraroten und im UV im Gegensatz zu flüssigen, dielektrischen Materialien annähernd perfekt transparent sind.
Der drehbare Zylinder enthält in der Raumdiagonalen flache Spiegel zur Reflektion des einfallenden Lichtstrahls. Der Zylinder ist drehbar und die Rohre können für die Spiegel-Halterung mit benutzt werden.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium zumindest eines der folgenden Materialien auf: ein optisch isotropes Material, ein optisch anisotropes Material, ein optisch nichtlineares Material oder ein doppelbrechendes Material. Das doppelbrechende Material weist insbesondere den Pockels-Effekt bzw. den linearen elektro-optischen Effekt auf, bei dem sich der Brechungsindex linear mit einem angelegten elektrischen Feld ändert.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium einen Brechungsindex größer als 1,05, vorzugsweise größer als 1,2, besonders bevorzugt größer als 1,3 oder noch bevorzugter größer als 1,4 auf. Falls sich der Brechungsindex nur wenig von 1 unterscheidet, führt dies zu einer geringen Verminderung der Abschattung. Falls sich der Brechungsindex stärker von 1 unterscheidet, führt dies zu einer stärkeren Verminderung der Abschattung.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium einen örtlich veränderlichen Brechungsindex oder einen örtlich unveränderlichen Brechungsindex auf. Der Vorteil des örtlich veränderlichen Brechungsindexes besteht darin, dass das einfallende Sonnenlicht in vielerlei Hinsicht veränderbar ist, zum Beispiel kann der Strahlengang oder die Polarisation verändert werden. Ferner kann eine Antireflexionsschicht auf oder in dem dielektrischen Medium angebracht werden. Ferner kann durch eine Nanostrukturierung des dielektrischen Mediums erreicht werden, dass das dielektrische Medium eine optische Anisotropie erfährt, so dass das einfallende oder ausfallende Licht bevorzugt in diese Richtung gelenkt wird. Der Vorteil des örtlich unveränderlichen Brechungsindexes besteht in der einfachen Herstellbarkeit.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium mindestens einen der folgenden Stoffe auf: Wasser, Kohlenstoff-Disulfid, Polymethylmethacrylat, Benzol, Xylol, Toluol, BTX, Zelluloseacetatbutyrat oder mindestens einen Stoff der folgenden Gruppen aufweist: organische Lösungsmittel, Alkane, Silikone, Silikonöle, Polycarbonate, transparente Polymere, insbesondere Cellulose-Butyrate, Akrylate, Glykol modifizierte Polyethylenterephthalate.
Der Vorteil von Wasser besteht in seinem umfangreichen Vorkommen und seiner weiten Verbreitung, in seiner Transmission im Sensitivitätsbereich von herkömmlichen photovoltaischen Konvertern, in seiner chemischen Beständigkeit, insbesondere bei langfristiger erhöhter Sonneneinstrahlung und seinen geringen Beschaffungskosten.
Kohlenstoff-Disulfid ist eine farblose Flüssigkeit mit geeignetem Brechungsindex und guter optischer Stabilität, welche gut in Kombination mit Glas eingesetzt werden kann.
Auch die Stoffe Benzol, Xylol, Toluol, BTX sind allgemein leicht zu beschaffen und weisen gute optische Eigenschaften auf, d. h. auch hohe Brechungsindices. Je nachdem welche weiteren Materialien eingesetzt werden, kann der Brechungsindex durch die Wahl der Stoffe angepasst werden.
Besonders bevorzugt ist Polymethylmethacrylat, das als Vorteile eine hohe Dielektrizitätskonstante, eine hohe optische Transmission, und eine exakte Bearbeitbarkeit bzw. gute Formtreue aufweist.
Günstig ist ebenfalls die Verwendung von organischen Polymeren für das dielektrische Medium oder Teile davon. Wie bereits erwähnt ist Polymethylmethacrylat mit n = 1,492 bevorzugt. Es ist ein leichtes Material und gut in verschiedenen Formen herzustellen. Damit lassen sich überraschenderweise sehr gute Spiegelzylinder herstellen, welche in einem PMMA-Festkörper geführt werden können. Leichte Materialien können energiegünstiger der Sonne nachgeführt werden. Diese Zylinder lassen sich in den Hohlräumen auch ohne Weiteres bei Beschädigung oder Farbbildung austauschen. Außerdem ist die Herstellung vereinfacht.
Durch Einlagerung in den Hohlräumen sind die Spiegel gut geführt und benötigen keine aufwendige Halterung oder Führungsmechanik.
Neben dem hohen Brechungsindex ist PMMA auch gut temperaturbeständig und erweist sich gerade bei Außenanwendungen durch hohe Witterungsbeständigkeit als vorteilhaft.
Außerdem ist die durch Dispersion verursachte chromatische Aberration von PMMA kleiner als bei Wasser (vgl. Abbe-Zahl).
Insbesondere bevorzugt ist also das dielektrische Medium ein polymerer Thermoplast, insbesondere PMMA und/oder Polycarbonat.
Bei diesen harten und stabilen Polymeren lassen sich die Spiegelflächen leicht in die Zylinderkörper einbauen, bzw. umformen. Möglich ist auch das Aufdampfen einer dünnen Spiegelfläche (z. B. Aluminium, Silber etc.) auf einen Halbzylinder, der dann durch geschlossene Anhaftung der zweiten Hälfte komplementiert wird. Dies gelingt gut bei Thermoplasten mit einer relativ niedrigen Glastemperatur, die jedoch über 100°C liegen sollte um thermische Verformungen bei starker Sonneneinstrahlung zu vermeiden.
Ebenfalls bevorzugt sind Polycarbonate wegen ihrer hohen Festigkeit. Diese sind besonders witterungs- und strahlungsstabil. Diese leicht formbaren Thermoplaste weisen mit einem Brechungsindex von 1,585 exzellente Brechzahlen auf und sind im relevanten bzw. interessierenden Wellenlängenbereich von Natur aus farblos und transparent.
Schließlich ist es möglich auch andere transparente Festkörper wie Glas für die Strukturen des Mediums einzusetzen. Bevorzugt sind hierbei auch Gläser, wegen der hohen Witterungsstabilität. Gläser können gut mit den zuvor genannten Flüssigkeiten kombiniert werden, welche z. B. als Zylinderschmiermittel verwendet werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist oberhalb des dielektrischen Mediums eine Deckschicht, insbesondere ein Deckglas, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die insbesondere optischen Effekte aufgeteilt werden können auf die Deckschicht und das darunter liegende dielektrische Medium. Ferner wird durch eine solche Trennung die Herstellung eines solchen Heliostaten vereinfacht. Ferner kann vorteilhafterweise eine zum Beispiel durch Sand oder andere Umwelteinflüsse abgenutzte Deckschicht einfach ausgetauscht werden. Ferner ist denkbar, dass für unterschiedliche Regionen auf der Erde, das heißt Regionen mit unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, unterschiedliche Deckschichten mit unterschiedlichen optischen Beschichtungen, insbesondere Antireflexionsschicht, bevorzugt werden. Nach einer Ausführungsform ist der Brechungsindex der Deckschicht identisch oder ähnlich mit dem Brechungsindex des dielektrischen Mediums bzw. der an die Deckschicht grenzende Grenzschicht des dielektrischen Mediums.
Vorzugsweise weist das dielektrische Medium oder die Deckschicht eine Antireflexbeschichtung, insbesondere auf der Deckschicht, auf. Dies hat den Vorteil, dass das auf den Heliostaten fallende Sonnenlicht nicht reflektiert wird und somit zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Hierbei sind insbesondere breitbandige Antireflexbeschichtungen bevorzugt, insbesondere in einem Bereich von 400 bis 1000 nm.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Antireflexbeschichtung mindestens eines der nachfolgenden Materialien auf: ein Material mit niedrigem Brechungsindex, ein nano-strukturiertes Material, insbesondere ein poröses nano-strukturiertes Material, ein Sol-Geldeponiertes Material oder ein durch winkelabhängige Deposition (oblique-angle deposition, OAD) hergestelltes Material. Unter einem niedrigen Brechungsindex wird hierbei ein Brechungsindex kleiner als 1,25 verstanden, welcher mit konventionellen dielektrischen Materialien nicht herstellbar ist, und insbesondere der Bereich von 1,05 bis 1,25. Materialien mit solchen Brechungsindices sind zum Beispiel durch neue Technologien, insbesondere durch Nanostrukturierung, herstellbar. Unter dem Begriff Nanostrukturierung wird eine Struktur verstanden, die eine Strukturierungsperiode aufweist, welche kleiner als die kleinste für die Fotovoltaik genutzte Wellenlänge des Sonnenspektrums, die so genannte UV-Grenzwellenlänge, ist. Bei üblichen Photovoltaikzellen (PV-Zellen) liegt die UV-Grenzwellenlänge bei ca. 400 nm. Eine Nanostruktur mit einer Strukturierungsperiode kleiner als 400 nm führt somit zu einer spekularen, d. h. spiegelnden, Reflexion, selbst bei Abweichungen von der perfekten Periodizität.
Dies kann für eine Optimierung der Antireflexionsschicht für die Einsatzbedingungen des Heliostaten genutzt werden, d. h. wenn der Lichtausfall nahezu parallel zur Deckschicht ist mit einem Ausfallwinkel von 60 bis 85°. Hierbei werden der Ein- und Ausfallswinkel bezüglich des senkrecht auf dem Heliostaten stehenden Lots gemessen, d. h. senkrechter Einfall des Sonnenlichts auf den Heliostaten entspricht einem Einfallswinkel von 0°. Mit konventionellen dielektrischen Materialien, welche typischerweise einen Brechungsindex größer als 1,25 aufweisen, ist eine perfekte Entspiegelung nicht möglich. Erforderlich wären Materialien mit einem Brechungsindex im Bereich von 1,05 bis 1,25. Eine Lösung sind nano-strukturierte Dielektrika, z. B. dielektrische Nadeln mit einem Basisdurchmesser von 50 nm und einer Höhe bzw. Länge von 500 nm, welche senkrecht auf der Oberfläche stehen und mit einer Periode von 350 nm in den beiden Dimensionen der Oberfläche angeordnet sind. Ferner sind andere Strukturierungen, z. B. dielektrische Fäden, möglich. Für die Anwendung ist ein niedriger, auf das Volumen bezogener dielektrischer Füllgrad von zum Beispiel kleiner als 10%, wichtig. Durch die Nanostrukturierung der Deckschicht kann für beide Polarisationen, d. h. für s- und p-Polarisation, eine hundertprozentige Transmission durch die Deckschicht erreichen werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die im Fall der PV-Anwendung zum Einsatz kommenden Solarzellen hocheffiziente Si-CSP(concentrated solar power)-Zellen mit einem Wirkungsgrad größer als 20%, bzw. GaAs-CSP-Zellen mit Wirkungsgrad größer als 28%.
Betrachtet man einen Solarpark mit Solarturm und mehreren Heliostaten, die in einem um den Solarturm herum angeordneten Kreissektor mit Öffnungswinkel von zum Beispiel 160° angeordnet sind, so kann eine Anisotropie einer Beschichtung der Deckschicht dazu benutzt werden, das Sonnenlicht vorzugsweise in die Richtung des Solarturms zu reflektieren. Die Anisotropie des Solarfeldes kann sozusagen durch die Anisotropie der Beschichtung der Deckschicht ausgeglichen werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Heliostat so gefertigt, dass er auf eine Oberflächenschicht eines Bodens eines Solarfeldes anordenbar bzw. legbar ist. Dies hat den Vorteil, dass keine Fundamente für die Heliostaten benötigt werden, was Kosten spart. Nach einer Ausführungsform kann neben dem Heliostaten ein kleines PV-Modul zur Stromversorgung angeordnet sein, welches insbesondere der Stromversorgung von Motoren oder Servo-Motoren dient, welche die Spiegelelemente oder den Heliostaten als Ganzes drehen.
Vorzugsweise ist der Heliostat so gefertigt, dass der in den Boden eingelassen werden kann und mit der Oberfläche des Bodens abschließt.
Nach einer Weiterbildung ist die reflektierende Oberfläche zumindest eines Spiegelelements nano-strukturiert. Dies hat den Vorteil, dass eine Dispersion des optischen Gesamtsystems kompensierbar bzw. ausgleichbar ist. Unter dem optischen Gesamtsystem wird die Gesamtheit aller Komponenten, die zwischen dem Eintritt des Sonnenlichts in den Heliostaten bis zum Austritt aus dem Heliostaten auf das Sonnenlicht einwirken, verstanden. Bei den meisten transparenten Stoffen bzw. Medien liegt die so genannte normale Dispersion vor, bei der der Brechungsindex mit steigender Frequenz größer wird. Somit weist die Deckschicht und auch die Brechung an der Grenzfläche zwischen der Deckschicht und Luft eine normale Dispersion auf. Diese normale Dispersion kann insbesondere mittels einer Nanostrukturierung einer Oberfläche eines Spiegelelements kompensiert werden. Ferner kann diese Kompensation mit einem Beugungsgitter mit Blazing oder einem Blazegitter erzielt werden. Ein Blazegitter ist ein spezielles Reflexions-Gitter in der Optik, die auf die Beugung einer bestimmten Kombination von Wellenlänge und Beugungsordnung optimiert sind. Eine Kompensation der Dispersion führt dazu, dass das Gesamtsystem jede Wellenlänge im kompensierten Bereich auf denselben Punkt abbildet.
Die Anordnung des Heliostaten mit einem Festkörper ist besonders leicht herstellbar und wartungsfreundlich. Bevorzugt weist das dielektrische Medium hier einen Festkörper auf, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume oder Röhren angeordnet sind, in denen die Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Solarpark mit mindestens einem erfindungsgemäßen Heliostaten und einem Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht. Durch diese Anordnung können mehrere, in einem relativ begrenzten Raum angeordnete Heliostaten Sonnenlicht auf einen einzigen Kollektor lenken, welcher die Energie des Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Solarparks ist der Kollektor ein bei der Solarthermie verwendeter Kollektor, insbesondere ein thermosolarer Empfänger, oder weist eine Solarzelle auf.
Bevorzugt ist der Kollektor an oder auf einem Turm angeordnet. Hierdurch kann die reflektierte Sonnenstrahlung vorteilhafterweise auf einen Punkt gebündelt und dort in Elektrizität weiterverarbeitet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kollektor eine in einer vertikalen Richtung längliche Form auf. Das von einem erfindungsgemäßen Heliostaten, insbesondere einen in den Figuren beschriebenen Heliostaten, reflektierte Licht weist in der Regel eine in einer vertikalen Richtung längliche Form auf. Deshalb ist es von Vorteil, den Sonnenkollektor bzw. die Sonnenkollektoren in einer ähnlichen bzw. derselben Form auszugestalten.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Solarpark ferner einen zweiten Kollektor auf, wobei die Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen angepasst, insbesondere optimiert, sind. Neben der bereits erwähnten länglichen Form des reflektierten Lichtstrahls weist das auf den Solarturm gelenkte Licht insbesondere bei den Ausführungsformen, bei denen das optische Gesamtsystem insgesamt eine normale Dispersion aufweist, auch eine spektralen Aufspaltung auf. So weist das Lichtprofil im oberen Bereich im roten Frequenzbereich von 600 bis 900 nm konzentriertes Licht auf, während im unteren Bereich Licht im Bereich von 400 nm gebündelt wird. Dies kann zu einer Effizienzsteigerung genutzt werden, indem unterschiedliche Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen optimiert bzw. angepasst werden.
Die Kollektoren können dabei in unterschiedlichen vertikalen Höhen angeordnet sein. Wie bereits oben diskutiert trifft bei einigen Ausführungsformen rötliches Licht tendenziell auf den oberen Bereich des Solarturms und bläuliches Licht tendenziell auf den unteren Bereich des Solarturms. Es ist daher vorteilhaft unterschiedliche Kollektoren auf unterschiedlichen vertikalen Höhen des Solarturms anzubringen. Hierbei sind die auf den unterschiedlichen vertikalen Höhen angebrachten Kollektoren bevorzugt an die unterschiedlichen Wellenlängen angepasst bzw. optimiert.
Vorzugsweise ist der Kollektor, insbesondere die Solarzelle, auf eine 100 bis 200-fache Konzentration bzw. eine Konzentration im Bereich von 100 bis 200 Sonnen angepasst bzw. ausgelegt. Für PV-Anwendungen ist eine Konzentration von 100 bis 200 ausreichend und optimal. Hierbei wird unter einer 1-fachen Konzentration eine Strahlungsleistungsdichte des Sonnenlichts verstanden, die der gewöhnlichen mittleren Strahlungsleistungsdichte an diesem Ort entspricht. Ein wichtiger Standardwert ist hierbei der Wert von 1000 W·m^–2, welcher einer mittleren Strahlungsleistungsdichte in den gemäßigten Breiten, wie z. B. in Deutschland, entspricht.
Typischerweise sind die Heliostaten in einem Kreissektor mit einem Öffnungswinkel zwischen 0 und 180°, bevorzugt zwischen 0 und 120°, um den Turm herum angeordnet, siehe auch 5. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Kreissektor so zum Sonnenlauf ausgerichtet werden kann, dass sich die Winkel, unter denen die Sonnenstrahlung auf die Heliostaten trifft, insbesondere die Winkel, um den das Sonnenlicht in der Ebene des Solarparks abgelenkt wird, weniger stark unterscheiden als im Falle eines größeren Kreissektors. Dies führt zu relativ vergleichbaren Bestrahlungsverhältnissen und insbesondere zu ähnlichen Verhältnissen der Dispersion für die Reflexionen an den unterschiedlichen Heliostaten des Solarparks.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform schneidet die auf die Solarfeldebene projizierte Sonnenposition den Kreissektor mit Öffnungswinkel 180° wie in 5 abgebildet. Hierbei verläuft die auf die Solarfeld Ebenen projizierte Sonnenposition parallel zu einer Tangente des Kreises ungefähr in der Mitte der Strecke vom Turm bis zur oben genannten Tangente. Diese Anordnung ist insbesondere in den gemäßigten Breiten vorteilhaft, da dort die Sonne niemals im Zenit steht, das Sonnenlicht also immer unter einen positiven Einfallswinkel auf das Solarfeld bzw. den Heliostaten trifft.
Nach einer Weiterbildung sind die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten jeweils parallel zu den Ebenen der anderen Spiegelelemente dieses Heliostaten, so dass diese Ebenen einen bestimmten Neigungswinkel zur Horizontalen bilden, und dass die Neigungswinkel der jeweiligen Heliostaten so eingestellt sind, dass die Gesamtheit der Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet. Der Vorteil an dieser Anordnung ist, dass die Spiegelelemente eines einzelnen Heliostaten einfach zu regeln sind und dass gleichzeitig der Effekt eines Fresnel-Spiegels in guter Näherung erzielt wird. Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit der Spiegelelemente aller Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zur vorstehenden Ausführungsform ein noch besserer Fresnel-Effekt erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einzelner Beispiele und Figuren weiter erläutert. Diese Beispiele und Figuren dienen nur zur Veranschaulichung des allgemeinen erfinderischen Konzepts, ohne dass die Beispiele und Figuren als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend ausgelegt werden dürfen.
2 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
3A und 3B zeigen Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
5 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarparks.
6 illustriert den Strahlengang von Sonnenlicht bei Reflexion an einem erfindungsgemäßen Heliostaten in einem erfindungsgemäßen Solarpark.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Heliostaten 100 mit einer Lichteinfallfläche 101 sowie einem ersten Spiegelelement 105 und einem zweiten Spiegelelement 107. Die Lichteinfallfläche 101 trennt die darüber liegende Luftschicht von dem darunterliegenden dielektrischen Mediums 113. Ein erster einfallender Lichtstrahl 103 trifft von der Sonne kommend unter einem rechten Einfallswinkel α auf die Lichteinfallfläche 101, tritt in diesem Fall unabgelenkt in das dielektrische Medium 113 ein, wird von einer reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegelelements 105 zurück zur Lichteinfallfläche 101 reflektiert, wird an der Lichteinfallfläche 101 gebrochen und in Richtung eines Sonnenkollektors abgelenkt. Ein zweiter Lichtstrahl 109 trifft unter einem Winkel α, welcher kleiner als 90° ist, auf die Lichteinfallfläche 101, wo er gebrochen wird, fällt dann auf eine reflektierende Oberfläche eines zweiten Spiegelelements 107 und wird dort zurück zur Lichteinfallfläche 101 reflektiert, wo er abermals gebrochen wird und in Richtung des Sonnenkollektors abgelenkt wird. Hierbei können das erste Spiegelelement 105 und das zweite Spiegelelement 107 unterschiedliche Neigungswinkel zur Horizontalen aufweisen.
3A zeigt eine Schnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten. Der Heliostat 100 weist ein Gehäuse 115 mit darin angebrachten Spiegelelementen 117 auf. Die Spiegelelemente 117 werden in einem nicht dargestellten Spiegelträger gehaltert. Das Gehäuse 115 weist einen runden Boden 119 und einen daran angebrachten, umlaufenden Rand 121 auf. Am oberen Ende des Randes 121 ist ein Deckglas 123 befestigt. Das Gehäuse 115 und das Deckglas 123 umfassend einen Innenraum 125, welcher mit einem flüssigen dielektrischen Medium 113 gefüllt ist. Die Spiegelelemente 117 sind eben, länglich und weisen eine rechteckige Form auf. Die Längsachsen der Spiegelelemente 117 sind parallel zueinander und die Neigungswinkel der Spiegelelemente 117 sind jeweils identisch, so dass die Oberflächen der Spiegelelemente 117 parallel zueinander verlaufen.
Eine typische Länge beträgt 1000 mm. Typische Werte für die Breite bzw. Dicke der Spiegelelemente 117 sind 20 mm bzw. 2 mm. Der hier dargestellte Schnitt ist durch einen Mittelpunkt des runden Gehäuses 115 sowie senkrecht zu den Längsachsen der Spiegelelementen 117 gelegt, so dass die Spiegelelemente 117 entlang der Längsachsen betrachtet werden.
Die Reflexionen des ersten Lichtstrahls 103 und des zweiten Lichtstrahls 109 an den jeweiligen Spiegelelementen 105, 107 entspricht der in 1 dargestellten Situation.
3B zeigt dieselbe Ausführungsform wie die 3A. Bei der Schnittzeichnung der 3B wurde ihr jedoch der Schnitt entlang der Längsachsen der Spiegelelemente 117 gelegt. Im Gehäuse 115 des Heliostaten 100 ist auf dem Boden 119 des Gehäuses 115 ein Spiegelträger 127 befestigt, welcher sämtliche Spiegelelemente 117 des Heliostaten 100 haltert. Der Spiegelträger 127 weist einen Boden 129 und einen daran angebrachten umlaufenden Rand 131 auf. Zwischen zwei Enden des Randes 131 sind die Spiegelelemente 117 gehaltert. Da die Längsachsen der Spiegelelemente 117 parallel zueinander sind und die Spiegelelement 117 in dem runden Spiegelträger 127 gehaltert werden, sind die jeweiligen Längen der Spiegelelemente 117 unterschiedlich. In 3B ist der Schnitt durch den Mittelpunkt des runden Gehäuses 115 entlang des längsten Spiegelelements 117 gezeigt.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der in 3 gezeigten, zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten. Zur Verdeutlichung der dreidimensionalen Struktur des Heliostaten sind hierbei einige Elemente nicht vollständig wiedergegeben.
Der Heliostat 100 weist hierbei eine Vielzahl von drehbaren Spiegelelementen 117 auf, welche in dem Spiegelträger 127 gehaltert sind. Der Spiegelträger 127 ist in dem Gehäuse 115 befestigt und gegenüber diesem drehbar. Die Drehung des Spiegelträgers 124 gegenüber dem Gehäuse 115 kann beispielsweise durch Servo-Motoren erfolgen.
Die Spiegelelemente 117 sind zwischen zwei Enden des Rands 131 des Spiegelträgers 127 gehaltert. Durch zwischen dem Gehäuse 115 und dem Spiegelträger 127 angebrachte Motoren, insbesondere Servo-Motoren, können die Spiegelelemente 117 jeweils um ihre Längsachse gedreht werden. Vorliegend sind die Neigungswinkel der Spiegelelemente 117 gegenüber der Horizontalen jeweils identisch.
Zwischen dem Deckglas 123 und dem Gehäuse 115 befindet sich ein flüssiges dielektrisches Medium, so dass der Spiegelträger 127 und sämtliche Spiegelelemente 117 vollkommen in diesem flüssigen dielektrischen Medium eingetaucht sind.
Falls ein Lichtstrahl 133 wie in der Ausführungsform der 4 unter einem rechten Winkel auf den Heliostaten 100 fällt, so trifft er zunächst auf das Deckglas 123, sodann auf das dielektrische Medium und schließlich auf eine reflektierende Oberfläche eines Spiegelelements 117. Von dieser wird er durch das dielektrische Medium zur Grenzschicht zwischen dem Deckglas 123 und der angrenzenden Luft zurückgeschickt, wo er gebrochen und in Richtung des Sonnenkollektors abgelenkt wird. Vorliegend beträgt der Winkel 6° zwischen dem aus dem Heliostaten auftretenden Lichtstrahl und der Oberfläche des Deckglases 123 entsprechend einem Ausfallswinkel von 84°.
5 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Solarparks 135 mit einem Turm 137 und mehreren in einem Solarfeld 136 angeordneten Heliostaten 100 mit jeweils einem beispielhaft abgebildeten Spiegelelement 117. Vorliegend hat der Turm 137 eine Höhe von 20 m und eine Breite zwischen 1,5 bis 2 m. Durch die drei abgebildeten Heliostaten 100 verläuft eine auf die Ebene des Solarparks 137 projizierte Sonnenbahn 139. 5 dient insbesondere der Illustration einer Drehwinkeleinstellung von Heliostaten an unterschiedlichen Positionen des Solarfeldes 136 in Abhängigkeit einer auf die Ebene des Solarfeldes projizierten Sonnenposition. Die abgebildeten Stellungen der Spiegelelementen 117 entsprechen einer projizierten Sonnenposition auf der Sonnenbahn 139 rechts oberhalb des am weitesten rechts abgebildeten Heliostaten 100.
Ein Lichtstrahl 133 trifft in der Projektion auf die Ebene des Solarfeldes 136 von rechts oben kommend z. B. auf den am weitesten rechts in 5 liegenden Heliostaten 100. Von diesem Heliostaten 100 aus muss der Turm 137 den Lichtstrahl in dieser Projektion um einen Winkel größer als 90° ablenken, damit er den Sonnenkollektor 141 trifft. Deshalb schließt das entsprechende Spiegelelement 117 relativ zur projizierten Sonnenbahn 139 einen Winkel kleiner als 45° ein. Der mittlere Heliostat 100 weist demgegenüber genau einen Winkel von 45° gegenüber der projizierten Sonnenbahn 139 auf und der Heliostat 100 am linken Ende weist einen Winkel größer als 45° gegenüber der projizierten Sonnenbahn 139 auf.
Die vorliegende Anordnung des Solarfeldes 136 zur Sonnenbahn ist insbesondere in den gemäßigten Breiten vorteilhaft, da so die Verhältnisse der Reflexionen an den Heliostaten 100 vergleichbarer bzw. ähnlicher sind als für andere Anordnungen des Solarfeldes 136.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Solarpark 135 mit einem Turm 137, welcher drei auf unterschiedlichen vertikalen Höhen angebrachte Sonnenkollektoren 141 aufweist, sowie mehrere in einem Solarfeld 136 angeordnete Heliostaten 100.
Ein von der Sonne kommender Lichtstrahl 133 ist nicht perfekt kollinear, da der Durchmesser der Sonne auf der Erdoberfläche unter einem Winkel von 0,53° erscheint. Da die optischen Eigenschaften des optischen Systems des Heliostaten 100 stark asymmetrisch sind, wird das einfallende sphärisch symmetrische und leicht konvergente Strahlprofil der Sonne nach der Reflexion an einen Heliostaten 100 zu einem Ellipsoid, das auf den Turm 137 projiziert wird. Das optische System weist neben einer starken chromatischen Aberration auch eine starke sphärische Aberration auf. Da die Sonnenkollektoren 141 eine in einer vertikalen Richtung längliche Form, insbesondere eine in die Vertikalrichtung längliche Rechteckform, aufweisen, reduziert die o. g. Aberration nicht die Leistungsfähigkeit des optischen Systems. Die spektrale Aufspaltung in Vertikal-Richtung kann sogar genutzt werden, um PV-Zellen mit unterschiedlicher Wellenlängen-Optimierung einzusetzen.
Ein von der Sonne kommender Lichtstrahl 133, der auf einen Heliostaten 100 trifft, wird nach der Reflexion an diesem als ein Ellipsoid mit einer in vertikaler Richtung länglichen Form auf den Turm 137 geworfen. Hierbei trifft der obere Teil des Ellipsoids auf einen oberen Teil des Turms 137 und der untere Teil des Ellipsoids auf einen unteren Teil des Turms 137. Ferner weist der untere Teil des Ellipsoids mehr bläuliches Licht und der obere Teil des Ellipsoids mehr rötliches Licht auf, sofern der Heliostat 100 keine Kompensation der Dispersion, z. B. mithilfe eines Blazing-Gitters anstelle eines Spiegelelements 117, vornimmt.
Bezugszeichenliste

100: Heliostat
101: Lichteinfallfläche
103: erster Lichtstrahl
105: erstes Spiegelelement
107: zweites Spiegelelement
109: zweiter Lichtstrahl
111: Auftreffpunkt des Grenzstrahls
113: dielektrisches Medium
115: Gehäuse
117: Spiegelelemente
119: Boden
121: Rand
123: Deckglas
125: Innenraum
127: Spiegelträger
129: Boden
131: Rand
133: Lichtstrahl
135: Solarpark
136: Solarfeld
137: Turm
139: Sonnenbahn
141: Sonnenkollektor

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

US 2009/0007901 A1 [0002]
US 2009/0073541 A1 [0003]

Claims

Heliostat aufweisend: ein dielektrisches Medium mit einer Lichteinfallfläche und einem Brechungsindex größer als 1,001, mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen Kollektor, wobei die Spiegelelemente unterhalb der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zumindest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt; und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen.
Heliostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen Raum zwischen den reflektierenden Flächen der Spiegelelemente und der Lichteinfallfläche zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ausfüllt.
Heliostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinfallfläche eine Ebene, insbesondere eine horizontale Ebene, ist.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium eine Flüssigkeit, ein Gel und/oder einen Festkörper aufweist, insbesondere aus mindestens einer Flüssigkeit, einem Gel und/oder einem Festkörper besteht.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen Brechungsindex größer als 1,2 aufweist.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium mindestens einen der folgenden Stoffe aufweist: Wasser, Kohlenstoff-Disulfid, Polymethylmethacrylat, Benzol, Xylol, Toluol, BTX, Zelluloseacetatbutyrat oder mindestens einen Stoff der folgenden Gruppen aufweist: organische Lösungsmittel, Alkane, Silikone, Silikonöle, Polycarbonate, transparente Polymere, insbesondere Cellulose-Butyrate, Akrylate, Glykol modifizierte Polyethylenterephthalate.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des dielektrischen Mediums eine Deckschicht, insbesondere ein Deckglas, angeordnet ist.
Heliostat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium oder die Deckschicht eine Antireflexbeschichtung, insbesondere auf der Deckschicht, aufweist.
Heliostat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung mindestens eines der nachfolgenden Materialien aufweist: ein Material mit niedrigem Brechungsindex, ein nano-strukturiertes Material, insbesondere ein poröses nano-strukturiertes Material, ein Sol-Gel-deponiertes Material oder ein durch winkelabhängige Deposition (oblique-angle deposition, OAD) hergestelltes Material.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen polymeren Thermoplasten, insbesondere PMMA und/oder Polycarbonat aufweist.
Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen Festkörper aufweist, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume oder Röhren angeordnet sind, in denen die Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert sind.
Solarpark aufweisend mindestens einen Heliostaten nach einem der Ansprüche 1 bis 11; und einen Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht.
Solarpark nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor an oder auf einem Turm angeordnet ist.
Solarpark nach Anspruch 12 oder 13, ferner aufweisend einen zweiten Kollektor, wobei die Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen angepasst, insbesondere optimiert, sind.
Solarpark nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten jeweils parallel zu den Ebenen der anderen Spiegelelemente dieses Heliostaten sind, so dass diese Ebenen einen bestimmten Neigungswinkel zur Horizontalen bilden; und dass die Neigungswinkel der jeweiligen Heliostaten so eingestellt sind, dass die Gesamtheit der Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet.