-
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Optimierung der auftretenden umweltspezifischen Belastungen und Reaktionsmomente reflektierender und absorbierender Solarkollektoren sowie daraus zusammen gesetzter Modulgruppen.
-
Stand der Technik:
-
Solare Kraftwerke nutzen in der Regel konzentrierende, absorbierende oder reflektierende Module in Einzelkonfiguration, meist allerdings in Feldkonfiguration, d. h. in Zusammenstellung mehrerer Finzelmodule. Diese Module wandeln die solare Einstrahlung direkt, z. B. durch photovoltaische Zellen, oder indirekt, z. B. durch Umwandlung der thermischen Energie mittels Kreisprozess, in elektrische Energie.
-
Hierbei erfordern konzentrierende Technologien zur Bündelung solarer Einstrahlung eine hohe Genauigkeit der Nachführung entsprechender Systeme nach dem Sonnenstand, welche je nach verwendeter Kraftwerkstechnologie als ein- oder zweiaxiale Nachführungssysteme ausgeführt sein können. Je nach Ausführung der solaren Module können diese einzeln oder parallel in Reihe durch einen oder mehrere Antriebe verfahren werden. Die Auswahl der Antriebskomponenten richtet sich entsprechend nach dem Typus der Anlage bzw. des Systems und den einwirkenden Umwelteinflüsse – insbesondere Wind.
-
Die durch solare Kraftwerke zu erzielenden Wirkungsgrade steigen grundsätzlich mit der Genauigkeit der Nachführung bzw. der Minimierung möglicher Winkelablagen der solaren Module vom Sonnenstand. Verluste treten insbesondere durch systematische Winkelablage und/oder zusätzliche dynamische Auslenkung auf. Dabei spielen die auftretenden Umwelteinflüsse – hierbei insbesondere die vorherrschende Windbelastung – eine wesentliche Rolle für Auslenkungen von der idealen Positionierung zur Sonne. Die auftretenden Auslenkungen lassen sich dabei grundsätzlich in Klassen, von denen hier die Wichtigsten genannt werden sollen, unterteilen: (a) die Eigenverformung durch Eigengewicht im Operationswinkelbereich der Nachführung, d. h. von 0° bis 180°. (b) Die Eigenverformung jedes individuellen Kollektormoduls (eine Überlagerung/Kombination der Eigenverformungen des individuellen Kollektormoduls mit seinen Einzelkomponenten/-segmenten) durch Windlasten und die übergeordnete Verformung bzw. Verdrillung entsprechender Anordnung einzelner oder mehrerer Kollektormodule, die durch einen oder mehrere Antriebe verfahren werden, mittels kumulierte Windlasten. Auftretende Effekte der Verformung in den o. g. Klassen, durch auftretende Temperaturdifferenzen im Tages- und Jahresgang, sind bei den heute in Betrieb befindlichen Systemen, im Vergleich zu den durch Windeinfluss aufgeprägten Verformungen, zu vernachlässigen.
-
Je nach auftretenden Windgeschwindigkeiten stellen die nach den o. g. Eigenverformungsklassen einzeln, oder in Kombination, bei unter Windeinfluss auftretenden, maximalen Auslenkungen der absorbierenden oder reflektierenden Kollektormodulflächen in jeweiliger Winkelstellung (Nachführung zum Sonnenstand) im Operationsbereich den Auslegungs- bzw. Dimensionierungsfall des einzelnen Kollektormoduls, bzw. somit ebenfalls einer daraus zusammen gesetzten Modulgruppe, dar. Bei der Bemessung der Design- und Auslegungsrichtlinien der absorbierenden und/oder reflektierenden Kollektormodule wird für den Fall zu erwartender, starker kumulierter Auslenkungen zusammengesetzter Modulgruppen, ggf. auch dieser Verformungsfall, d. h. die kumulierte Verformung (meist Kombination aus Verformung und Verdrillung), als Dimensionierungs- bzw. Bemessungsgrundlage herangezogen.
-
Der optimierte und an diversifizierte Einzelparameter angepasste Betrieb gesamter Kraftwerksfelder, welcher sich in einem optimierten Gesamtwirkungsgrad widerspiegelt, wird zukünftig die Höhe der sog. Stromgestehungskosten (Kosten der Erzeugung elektrischer Energie) festlegen und somit über Erfolg und Einsatz entsprechender Technologien entscheiden. Dies gilt ebenfalls für mögliche Optimierungen des Gesamtfeldbetriebes und somit des Gesamtwirkungsgrades; diese Arbeiten unterscheiden sich auch aufgrund der diversifizierten Einflussparameter grundsätzlich von den (Wirkungsgrad-)Optimierungen der einzelnen Kollektormoduleinheiten bzw. deren Komponenten. Eine wesentliche Rolle dabei spielen ebenfalls die auf das Gesamtkraftwerk wirkenden Umwelteinflüsse, und hierbei die auftretende Betriebswindgeschwindigkeit sowie die sich daraus ergebenden Belastungen und Momente der Einzelkollektoren, welche im bereits beschriebenen ersten Optimierungsschritt minimal sein sollten, und die auftretenden Belastungen der zusammengesetzten Kollektormoduleinheiten, welche im Operationsbereich aus den kumulierten Einzelbelastungen und zusätzlichen Interferenzbelastungen (Wechselwirkung der Anströmungsbedingungen mit weiteren Anlagenteilen) bestehen. Die auftretenden Interferenzbelastungen können dabei, je nach herrschenden Betriebsbedingungen, im Operationsbereich ein Vielfaches der kumulierten Belastung der Kollektormoduleinheiten des Gesamtkraftwerksystems sein. Eine detaillierte theoretische und experimentelle Beachtung/Berücksichtigung?! der auftretenden Interferenzen und deren Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Gesamtkraftwerkes, bzw. eine entsprechend induzierte Verformung der einzelnen Kollektormodule und zusammengesetzter Moduleinheiten, wird so zur Auslegung und Dimensionierung zukünftig unerlässlich sein.
-
Betrachtet man moderne solare Kraftwerkssysteme, d. h. die zur Auslegung und Bemessung dieser Systeme bzw. der einzelner Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, herangezogenen Grundlagen, so stellt man zwangsläufig fest, dass bisher entsprechende Aufbauten als Bauwerke und somit als statische Aufbauten angesehen werden. Betrachtet man jedoch deren Betrieb näher, ist erkennbar, dass bei der Sonnenstandsnachführung der einzelner Kollektormodule, und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, die jeweils sensitive Fläche zu Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie bewegt/verfahren wird. Dies geschieht mindestens ein-axial und dabei mindestens um 180° bei hochgenauer Nachführungsgenauigkeit. Bauartbedingt bestehen moderne solare Kraftwerksysteme in Bezug auf Umwelteinflüsse auslegungsrelevanten Komponenten bis zu 98% aus solaren Kollektormodulen, d. h. sensitiver Fläche zur Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie, die im Kraftwerkebetrieb bewegt/verfahren werden können/kann?!. Die bisherige Auslegung dieser Systeme unter Zugrundelegung der Grundlagen statischer Bauwerke scheint daher weder angepasst noch optimal.
-
Bei technisch vergleichbaren Maschinen/Anlagen, die bei gleichbleibender Geometrie in unterschiedlichen Operationsbereichen unter veränderlichen Orientierungswinkeln betrieben werden können – an dieser Stelle sei als einfaches Beispiel ein Flugzeug genannt – und zur Auslegung dieser Bauteilen/Aufbauten zugrunde gelegten Grundlagen/Richtlinien, stellt man zwangsläufig fest, dass eine individuelle Anpassung/Auslegung an/für jeden einzelnen Betriebspunkt der Maschine stattfindet. Diese Auslegung/Optimierung im Betriebsbereich wird in den seltensten Fällen unter statischen sondern meist dynamischen Gesichtspunkten durchgeführt.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in Abhängig der herrschenden, wechselnden Betriebsbedingungen und lokalen Umwelteinflüsse – insbesondere bei starken Windbelastungen – der Kraftwerksysteme, d. h. einzelner Kollektormodule und den daraus zusammengesetztes Moduleinheiten, einen maximalen Wirkungsgrad und durch konstante Anlagenbetriebsbedingungen insgesamt einen korrelierenden maximalen Gesamtwirkungsgrad für jede individuelle Betriebssituation/-belastung sicherzustellen. Auf die einzelnen Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten übertragen bedeutet dies, dass minimale Eigenverformungen der o. g. Klassen im Operationsbereich unter den möglichen auftretenden Betriebsbedingungen sichergestellt werden müssen.
-
Diese Aufgabe wird bei den Kollektormodulen und -aufbauten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen, welche fest und/oder lose mit dem Aufbau verbunden und/oder in der Nähe des Aufbaus positioniert sein können, und dann in geeigneter Weise mit dem Betrieb des Aufbaus gleichförmig oder ungleichförmig korreliert sind, je nach betriebsoptimaler Anforderung geringstmögliche Struktur- und/oder Momentenbelastungen sicherstellen, welche Auslöser für die Eigenverformungen der o. g. Klassen im Operationsbereich sind.
-
Die Vorrichtung kann gemäß der zu erwartenden Belastung als aktiver oder passiver Manipulator in einfacher und/oder auf den Anwendungsfall angepasster Geometrie ausgeführt sein und kann auf den Anwendungsfall bezogen, d. h. einzelne Kollektormodule und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, gleichförmig in fest montierter Bauweise oder in gleichförmig oder ungleichförmig korrelierten Weise zur Betriebsbewegung mitbewegt oder auch isoliert verfahren werden.
-
Im regulären Anlagenbetrieb sichert die starre und/oder bewegliche Vorrichtung in Einheit mit den einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten den optimalen Wirkungsgrad des Gesamtaufbaus der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in Einzelkonfiguration – meist allerdings in Feldkonfiguration durch bauartoptimale Integration im Verbund. Bei zunehmendem Einfluss der umweltrelevanten Parameter in Abhängigkeit des Betriebspunktes, welche im Ergebnis als leistungsmindernd wahrgenommen werden können, können sowohl die mit bewegten starren Vorrichtungen, deren positiver Einfluss auf den Wirkungsgrad in vorherigem Optimierungsprozess sichergestellt werden muss, als auch die beweglichen Vorrichtungen, durch geeignetes Verfahren in die den variierenden Umweltparametern optimal angepassten Weise zur Wiederherstellung des optimalen Wirkungsgrades einzelner Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten genutzt werden.
-
Insbesondere die beweglichen Vorrichtungen können darüber hinaus, in Abhängigkeit auftretender Umweltparameter und hier insbesondere beim Übersteigen eines festgelegten oder Variablen Schwellwertes, z. B. des Windanströmungsvektors, dazu genutzt werden, als passives Steuerungselement z. B. das Verfahren der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in Einzelkonfiguration oder in Feldkonfiguration in eine vorher bestimmte Position, meist zur Sicherung des Gesamtaufbaus, genutzt zu werden. Im Vergleich zu den bisher in Betrieb befindlichen Systemen, welche ihre Antriebssysteme leistungsmäßig an den in bestimmten Betriebszuständen maximal auftretenden Kräfte unveränderlicher Geometrien auslegen, kann so unter Nutzung des auftretenden Windanströmungsvektors, in Kombination mit den im Operationsbereich gleichförmig oder ungleichförmig beweglichen Vorrichtungen, und den so dynamisch erzeugten Kräften und Momenten, auf einen Antrieb generell verzichtet werden; es wird lediglich eine Bremse zur Arretierung eines einzelnen Kollektormoduls bzw. daraus zusammengesetzter Modulgruppen in einer vorher bestimmten Position benötigt.
-
Die eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen, welche fest und/oder lose mit dem Aufbau verbunden und/oder in der Nähe des Aufbaus positioniert sein können, können in ihrer Geometrie und Höhe variabel aufgehängt sein. Durch zusätzliche Vorrichtungen kann die Höhe der Aufhängung variabel an den Lastfall angepasst bzw. variiert werden.
-
Die eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen, welche fest und/oder lose mit dem Aufbau verbunden und/oder in der Nähe des Aufbaus positioniert sein können, können in Bezug auf die Grundachsen des Systems symmetrisch oder unsymmetrisch aufgebaut sein.
-
Die Befestigung zusätzlicher Folien, Sieb- oder Windzaunelemente, die zudem in horizontaler und vertikaler Achse segmentiert sein können, ermöglichen die individuelle Einstellung der Wirkfläche der Vorrichtungen an den zu erwartenden Lastfall, d. h. die zu erwartende Windbelastung. Sowohl in Höhenrichtung als auch in Strömungsrichtung lassen sich mehrere Elemente miteinander kombinieren, um optimale Wirkung bei geringstmöglichem Strukturgewicht zu erzeugen.
-
Die Verwendung von wetterfesten und UV-beständigen Materialien garantiert lange Lebenszyklen und hohe Verfügbarkeit des Schutzes.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und Unteransprüchen, in welcher – unter Bezugnahme auf die Zeichnung – besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
-
1 zeigt in der Seitenansicht beispielhaft den Aufbau einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind in am Kollektormodul befestigter, starrer mitbewegter (a) und beweglich gleichförmiger oder ungleichförmiger Weise mitbewegter (b) Montage. In der Schutzposition der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen wirkt die Vorrichtung (b) als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Vorrichtung (a) sorgt für eine gleichbleibend optimierte Umströmung der Kollektoroberkante. In einer ausgewählten Betriebsposition sorgt Vorrichtung (b) für eine Minimierung der Unterströmung und damit einhergehenden geringeren Strukturlasten sowie vor allem Drehmomenten des Kollektorsystems; parallel dazu erzeugt Vorrichtung (a) durch zusätzliche Strömungsumlenkung ein Gegendrehmoment. Hierdurch werden optimierte Eigenverformungen des Gesamtsystems bei höchstmöglichem Wirkungsgrad garantiert.
-
2 zeigt in der Seitenansicht beispielhaft den Aufbau einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind, in am in der Nähe des Kollektormoduls befestigter beweglich ungleichförmiger Weise mitbewegter (a) Montage. In der Schutzposition der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen wirkt die Vorrichtung (a) als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Im Operationsbereich wird die in ungleichförmiger Weise so mitbewegt, dass bei minimaler Beeinträchtigung, z. B. durch Verschattung, eine optimierte Wirkung an Schutz vor Umwelteinflüssen, z. B. Wind und in der Strömung mitbewegter Teilchen, realisiert wird.
-
3 zeigt in der rückwärtigen Ansicht den Aufbau einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind, einer Kombination der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen. Hierbei ist zusätzlich eine Vorrichtung in einer zweiten Achse (Drehachse des solaren Kollektors) dargestellt.
