DE102012219482A1

DE102012219482A1 - Lageranordnung und Parabolrinnen-Solarkraftanlage mit einer solchen Lageranordnung

Info

Publication number: DE102012219482A1
Application number: DE102012219482.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Behn; Hubert Herbst; Henning Kern; Heinz Breunig; Hans-Jürgen Liesegang; Mathias Nöth; Christina Pfeuffer
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30
Also published as: US20150316293A1; WO2014064177A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1) für ein Bauteil (2), das ein Wellenteil (3) mit einer Längsachse (A) aufweist, wobei die Lageranordnung (1) ausgebildet ist, das Bauteil (2) um einen Schwenkwinkelbereich (α) um die Längsachse (A) zu verschwenken. Um bei der Anordnung einer Anzahl von Bauteilen thermisch bedingte Ausdehnungen in einfacher und effizienter Weise ausgleichen zu können, was insbesondere bei Parabolrinnen-Solarkraftanlagen problematisch sein kann, sieht die Erfindung vor, dass die Lageranordnung (1) umfasst: ein Trägerelement (4), das zwei sich vertikal (V) erstreckende Trägerabschnitte (5) aufweist, ein Kettenelement (7), das mit seinen beiden Enden (8) im oberen Endbereich der Trägerabschnitte (5) gelagert sind, eine Anzahl Rollenelemente (9), wobei die Rollenelemente (9) im Kettenelement (7) um eine zur Längsachse (A) parallele Drehachse (a) gelagert sind, wobei die oberen Enden (8) des Kettenelements (7) mittels je eines Lagers (11) am Trägerabschnitt (5) befestigt sind und das Lager (11) eine Verschwenkung des Kettenelements (7) relativ zum Trägerabschnitt (5) um eine Ausgleichsachse (b) ermöglicht, wobei die Ausgleichsachse (b) horizontal (H) angeordnet ist und in der Projektion senkrecht auf der Längsachse (A) des Wellenteils (3) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für ein Bauteil, das ein Wellenteil mit einer Längsachse aufweist, wobei die Lageranordnung ausgebildet ist, das Bauteil um einen Schwenkwinkelbereich, insbesondere von weniger als 225°, um die Längsachse zu verschwenken. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Parabolrinnen-Solarkraftanlage, umfassend mindestens einen Sonnenkollektor.
Eine Bauform von Solarenergieanlagen sind Parabolrinnen-Anlagen, bei denen Sonnenkollektoren zum Einsatz kommen, die durch ihre parabolische Spiegelfläche Sonnenenergie in einem Zentrum konzentrieren, um hierdurch beispielsweise ein Arbeitsmedium (z. B. Wasser) zu erhitzen. Damit die Anlage effizient arbeitet, wird der Sonnenkollektor dem Sonnenstand nachgeführt. Hierfür ist der Sonnenkollektor um eine Schwenkachse, die der oben genannten Längsachse des Wellenteils entspricht, schwenkbar gelagert. Anlagen dieser Art weisen in der Regel eine Vielzahl von Sonnenkollektoren auf, die in Reihe geschaltet sind, d. h. in Richtung der Längsachse schließt sich eine Anzahl Sonnenkollektoren an, die miteinander verbunden (verschraubt) sind. Die gesamte Anordnung wird dann mittels eines geeigneten Antriebs verschwenkt.
Problematisch ist dabei, dass sich infolge der sich ergebenden relativ großen Erstreckung der zusammengeschraubten Kollektoren in Richtung der Längsachse bei Erwärmung der Anlage nicht unerhebliche Wärmeausdehnungen ergeben. Demgemäß müssen jedenfalls einige der Lagerstellen als Loslager ausgeführt werden. Die hierfür üblichen Lösungen sind bislang nicht befriedigend, insbesondere auch unter Kostengesichtspunkten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der gattungsgemäßen Art so fortzubilden, dass bei der Anordnung einer Anzahl von Bauteilen (d. h. insbesondere von Sonnenkollektoren) thermisch bedingte Ausdehnungen in einfacher und effizienter Weise ausgeglichen werden können. Dabei soll die Lageranordnung kostengünstig herstellbar sein, da für Kraftwerke dieser Art häufig eine sehr große Anzahl an Lagerstellen erforderlich ist. Vorschlagen soll des Weiteren eine Solarkraftanlage, insbesondere eine Parabolrinnen-Solarkraftanlage, werden, die mit solchen Lageranordnungen ausgestattet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung umfasst:

– ein Trägerelement, das zwei sich vertikal erstreckende Trägerabschnitte aufweist, wobei zwischen den beiden Trägerabschnitten ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des Wellenteils gebildet wird,
– ein Kettenelement, das mit seinen beiden Enden im oberen Endbereich der Trägerabschnitte gelagert sind,
– eine Anzahl Rollenelemente, die im Kettenelement entlang dessen Längserstreckung gelagert sind, wobei die Rollenelemente im Kettenelement um eine zur Längsachse parallele Drehachse gelagert sind und wobei die Rollenelemente ausgebildet sind, einen Umfangsabschnitt eines Wellenabschnitts des Wellenteils abzustützen,

Das Kettenelement weist vorzugsweise eine Anzahl an Kettengliedern auf, wobei die Rollenelemente an der Gelenkstelle zwischen zwei Kettengliedern angeordnet sind.
Die Rollenelemente haben bevorzugt einen zentral angeordneten Mittenabschnitt, der zur Kontaktnahme mit dem Wellenabschnitt des Wellenteils ausgebildet ist; dieser Mittenabschnitt hat bevorzugt eine zylindrische radiale Außenkontur. Dabei wird der zentral angeordnete Mittenabschnitt vorzugsweise von zwei im Durchmesser vergrößerten Bordabschnitten axial beidseitig begrenzt.
Das Lager, das die Kette an ihren Enden hält, ist bevorzugt als Gleitlager ausgebildet. Es kann einen Lagerbolzen und ein Gehäuseelement aufweisen, zwischen denen eine Gleitlagerhülse bzw. Gleitlagerbuchse angeordnet ist.
Die Trägerabschnitte des Trägerelements sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in horizontale Richtung und in Richtung senkrecht auf die Längsachse des Wellenteils gesehen so voneinander beabstandet, dass die Rollenelemente mit ihren radial äußeren Bereichen ein definiertes Horizontalspiel, vorzugsweise ein Horizontalspiel zwischen 1 mm und 20 mm, zu den Trägerabschnitten aufweisen. Damit wird das Wellenelement in radiale Richtung definiert geführt.
Die Trägerabschnitte des Trägerelements können weiterhin in der Draufsicht zumindest abschnittsweise eine U-förmige Gestalt aufweisen. Die Schenkel der U-förmig gestalteten Trägerabschnitte können dann in horizontale Richtung und in Richtung der Längsachse des Wellenteils gesehen so voneinander beabstandet sein, dass die Rollenelemente samt Kettenelement ein definiertes Horizontalspiel, vorzugsweise ein Horizontalspiel zwischen 1 mm und 20 mm, zu den Schenkeln aufweisen. Hiermit wird eine axiale Festlagerfunktion bewerkstelligt, da das Wellenelement an dieser Stelle nicht mehr beliebig in axiale Richtung ausweichen kann.
Der Wellenabschnitt des Wellenteils kann durch ein scheibenförmiges Bauteil gebildet werden, wobei an dem scheibenförmigen Bauteil an seinen beiden Stirnseiten je ein Befestigungsflansch fixiert, vorzugsweise verschraubt, ist, der mit dem Wellenteil je eines Bauteils verbunden, vorzugsweise verschweißt, ist. Auf diese Weise können zwei axial aneinander angrenzende Solarkollektoren miteinander verbunden werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Parabolrinnen-Solarkraftanlage, umfassend mindestens einen Sonnenkollektor mit einem Wellenteil, wobei das Wellenteil mit mindestens einer Lageranordnung der erläuterten Art gelagert ist.
Die Erfindung stellt also auf eine drehbare bzw. schwenkbare Lagerung insbesondere der Sonnenkollektoren einer Parabolrinnen-Solarkraftanlage ab, die einen nahezu Rückstellkraftfreien Ausgleich thermisch bedingter Ausdehnungen bzw. Schrumpfungen ermöglicht.
Zentraler Gedanke ist dabei die Verwendung von Tragketten mit integrierten Tragrollen, in die die zu lagernde Konstruktion bzw. das Wellenelement eingehängt wird.
Wärmeausdehnungsbedingte Verschiebungen können somit durch einfaches (Aus)Pendeln der Kette ausgeglichen werden, wobei die Kettenenden drehbar mit den Tragpylonen, d. h. mit den Trägerabschnitten, verbunden sind.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 in der Seitenansicht den Sonnenkollektor einer Parabolrinnen-Solarkraftanlage, der in einer Lageranordnung schwenkbar gelagert ist,
2 in der Seitenansicht die Lageranordnung gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,
3 den Schnitt C-D gemäß 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
4 den Schnitt C-D gemäß 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
5 den Schnitt C-D gemäß 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
6 in der Darstellung nach 2 eine geringfügig modifizierte Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist ein Sonnenkollektor einer Parabolrinnen-Solarkraftanlage zu sehen, der in einer Lageranordnung 1 schwenkbar gelagert ist. Demgemäß stellt der Sonnenkollektor ein Bauteil 2 dar, das ein Wellenteil 3 umfasst, das um seine Längsachse A drehbar bzw. schwenkbar gelagert ist. Der benötigte Schwenkwinkelbereich ist mit α angegeben; dieser Winkel beträgt hier ca. 90°. Typischer Weise beträgt dieser Winkel in der Praxis aber etwas mehr als 180°. Die Schwenkung des Bauteils 2 um die Längsachse A ist erforderlich, um den Solarkollektor dem Sonnenstand nachführen zu können.
Um dies in einfacher Weise zu ermöglichen und eine Anzahl an Solarkollektoren in Richtung der Längsachse L in Reihe schalten zu können, ohne Verspannungsprobleme bei Temperaturänderungen befürchten zu müssen, weist die Lageranordnung 1 zunächst Trägerelemente 4 auf, wobei ein solches Trägerelement 4 an jedem axialen Ende des Bauteils 2 angeordnet ist. Das Trägerelement 4 hat zwei pylonartige Trägerabschnitte 5, die sich in vertikale Richtung V erstrecken. Aufgrund ihrer Beabstandung in horizontale Richtung H bilden die beiden Trägerabschnitte 5 zwischen sich einen Aufnahmeraum 6 für das Wellenteil 3.
Die Lagerung des Wellenteils 3 und damit des Bauteils 2 erfolgt durch ein Kettenelement 7, das – wie es in 2 am besten gesehen werden kann – eine Anzahl an Kettengliedern 12 aufweist, die an Gelenkstellen 13 miteinander gelenkig verbunden sind. An einigen der Gelenkstellen 13 befindet sich eine (nicht näher dargestellte) Achse, die ein Rollenelement 9 lagert; das Rollenelement 9 ist also um die Drehachse a drehbar im Kettenelement 7 gelagert. Die Drehachse a ist parallel zur Längsachse A. Mit besagten Rollenelementen 9 gelagert wird konkret ein Wellenabschnitt 10 des Wellenteils 3.
Die Enden 8 des Kettenelements 7 sind im oberen Endbereich der Trägerabschnitte 5 befestigt. Diese Befestigung erfolgt mittels eines Lagers 11, das vorliegend als Gleitlager ausgebildet ist. Es hat – s. hierzu 2 – einen Lagerbolzen 16, der fest (im Ausführungsbeispiel mittels einer Schraubverbindung) am Trägerabschnitt 5 befestigt ist. Dann weist das Lager 11 ein Gehäuseelement 17 auf, das (beispielsweise mittels einer Schweißverbindung) fest mit der Kette verbunden ist. Zwischen dem Lagerbolzen 16 und dem Gehäuseelement 17 ist eine Gleitlagerhülse 18 angeordnet. Die Anordnung und Ausrichtung ist dergestalt, dass eine Verschwenkung des Endes 8 des Kettenelements 7 um eine Ausgleichsachse b erfolgen kann, wobei diese Achse horizontal ausgerichtet ist und in ihrer Projektion senkrecht auf der Längsachse A steht.
Mit dieser Anordnung kann in einfacher Weise erreicht werden, dass bei einer thermisch bedingten Verschiebung des Wellenteils 3 an der Stelle der Lageranordnung durch eine geringfügige Pendelbewegung des Kettenelements 7 um die Ausgleichsachse b ein Ausgleich erfolgen kann.
In 3 ist illustriert, wie der Aufbau konkret ausgestaltet ist, wenn zwei Solarkollektoren, d. h. zwei Bauteile 2‘ und 2‘‘, in ihren axialen Endbereichen miteinander zu verbinden und mittels der Lageranordnungen 1 zu lagern sind.
Die Bauteile 2‘ und 2‘‘ weisen jeweilige Wellenteile 3‘ und 3‘‘ auf, die axial endseitig mit einem Befestigungsflansch 21 versehen sind. Die beiden Befestigungsflansche 21 werden an die beiden Stirnseiten 20 des Wellenabschnitts 10 angeschraubt, der mittels der Lageranordnung gelagert wird.
Damit der Wellenabschnitt 10 in axialer Richtung definiert von den Rollenelementen 9 geführt werden kann, haben die Rollenelemente 9 einen Mittenabschnitt 14, der eine zum Außenumfang des Wellenabschnitts 10 kongruente Ausformung aufweist; im Ausführungsbeispiel hat der Wellenabschnitt eine zylindrische Umfangsfläche, entsprechend ist der Außenumfang des Mittenabschnitts 14 zylindrisch ausgebildet. Der Mittenabschnitt 14 wird axial beidseitig von je einem Bordabschnitt 15 flankiert, der einen vergrößerten Durchmesser aufweist (s. 3). Wie sofort gesehen werden kann, wird damit beim Einlegen des Wellenabschnitts 10 in die Lageranordnung 1 derselbe axial durch die Bordabschnitte 15 geführt.
Damit die Anordnung vor Schmutz geschützt wird, sind an den Trägerabschnitten 5 stirnseitig Deckelelemente 22 angeordnet; der Aufnahmeraum 6 wird hiermit seitlich abgeschlossen. Das Eindringen von Schmutz wird ferner durch Bürstenelemente 23 erschwert, die an den Wellenteilen 3‘, 3‘‘ anliegen.
Ein weiterer Aspekt ist, ob eine Lageranordnung 1 der beschriebenen Art als (axiales) Loslager oder Festlager fungiert. In der Regel wird ein einziges Festlager vorzusehen sein, das mittig in der in Reihe geschalteten Bauteile (Sonnenkollektoren) 2 angeordnet ist; die sich hieran anschließenden Lageranordnungen werden in der Regel als Loslager ausgebildet sein, um besagten thermisch bedingten axialen Ausgleich erreichen zu können.
In 4 ist zu sehen, wie die Festlagerfunktion realisiert werden kann. Hier ist der Trägerabschnitt U-förmig ausgebildet, d. h. die Trägerabschnitte 5 haben seitlich Schenkel 19.
Wie in der Schnittansicht gemäß 4 gesehen werden kann, ist dabei vorgesehen, dass sich für den Wellenabschnitt 10 radial eine Bewegungsmöglichkeit nur innerhalb eines definierten Horizontalspiels s ergibt, was sich durch die Wahl des Abstandes der beiden Trägerabschnitte 5 ergibt. Dieses Spiel kann einige Millimeter betragen. Mithin wird der Wellenabschnitt 10 und mit ihm auch die Welle 3 und das Bauteil 2 in horizontale Richtung quer zur Längsachse A relativ präzise und ohne relevante Bewegungsmöglichkeit geführt.
Dies gilt bei dem Ausführungsbeispiel auch mit Blick auf die Bewegungsmöglichkeit in Richtung der Längsachse A. Wie nämlich gesehen werden kann, liegt für die Rollenelemente 9 samt Kettenelement 7 aufgrund der Schenkel 19 nur eine Bewegungsmöglichkeit im Rahmen eines Horizontalspiels t vor, das gleichermaßen einige Millimeter betragen kann.
Die in 4 dargestellte Lageranordnung 1 fungiert also als Festlager.
Das ist nicht der Fall mit Blick auf die Ausgestaltung nach 5: Zwar ist auch hin in radiale Richtung aufgrund des Horizontalspiels s für eine diesbezügliche Führung gesorgt.
Indes kann das Rollenelement 9 samt Kettenelement 7 und (bei Ausgestaltung der Rollenelemente 9 gemäß 3) auch der Wellenabschnitt 10 und somit das Bauteil 2 in Richtung der Längsachse A ausweichen, was durch den Doppelpfeil in 5 angedeutet ist. Die Schenkel 19 sind so beabstandet, dass hier eine signifikante Axialbewegung erfolgen kann.
In 6 ist noch illustriert, dass das Lagerelement 1 durch ein Deckelelement 24 auch oben abgeschlossen werden kann, so dass eine weitgehend abgedichtete Lagereinheit entsteht, die vor Umgebungseinflüssen geschützt ist.
Nicht näher dargestellt ist, dass Mittel vorgesehen werden können, mit denen die Drehung bzw. Verschwenkung des Bauteils 2 bzw. der Bauteile 2’, 2’’, ... blockiert werden kann. Hierfür kann ein entsprechendes Betätigungs- bzw. Spannelement vorgesehen werden. So wird es möglich, die Bewegung der Bauteile infolge Windes zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Lageranordnung
2: Bauteil
2‘: Bauteil
2‘‘: Bauteil
3: Wellenteil
3‘: Wellenteil
3‘‘: Wellenteil
4: Trägerelement
5: Trägerabschnitt
6: Aufnahmeraum
7: Kettenelement
8: Ende des Kettenelements
9: Rollenelement
10: Wellenabschnitt
11: Lager (Gleitlager)
12: Kettenglied
13: Gelenkstelle
14: Mittenabschnitt
15: Bordabschnitt
16: Lagerbolzen
17: Gehäuseelement
18: Gleitlagerhülse
19: Schenkel
20: Stirnseite
21: Befestigungsflansch
22: Deckelelement
23: Bürstenelement
24: Deckelelement
A: Längsachse
a: Drehachse
b: Ausgleichsachse
V: vertikale Richtung
H: horizontale Richtung
α: Schwenkwinkelbereich
s: Horizontalspiel
t: Horizontalspiel

Claims

Lageranordnung (1) für ein Bauteil (2), das ein Wellenteil (3) mit einer Längsachse (A) aufweist, wobei die Lageranordnung (1) ausgebildet ist, das Bauteil (2) um einen Schwenkwinkelbereich (α) um die Längsachse (A) zu verschwenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (1) umfasst: ein Trägerelement (4), das zwei sich vertikal (V) erstreckende Trägerabschnitte (5) aufweist, wobei zwischen den beiden Trägerabschnitten (5) ein Aufnahmeraum (6) zur Aufnahme des Wellenteils (3) gebildet wird, ein Kettenelement (7), das mit seinen beiden Enden (8) im oberen Endbereich der Trägerabschnitte (5) gelagert sind, eine Anzahl Rollenelemente (9), die im Kettenelement (7) entlang dessen Längserstreckung gelagert sind, wobei die Rollenelemente (9) im Kettenelement (7) um eine zur Längsachse (A) parallele Drehachse (a) gelagert sind und wobei die Rollenelemente (9) ausgebildet sind, einen Umfangsabschnitt eines Wellenabschnitts (10) des Wellenteils (3) abzustützen, wobei die oberen Enden (8) des Kettenelements (7) mittels je eines Lagers (11) am Trägerabschnitt (5) befestigt sind und das Lager (11) eine Verschwenkung des Kettenelements (7) relativ zum Trägerabschnitt (5) um eine Ausgleichsachse (b) ermöglicht, wobei die Ausgleichsachse (b) horizontal (H) angeordnet ist und in der Projektion senkrecht auf der Längsachse (A) des Wellenteils (3) steht.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenelement (7) eine Anzahl an Kettengliedern (12) aufweist, wobei die Rollenelemente (9) an der Gelenkstelle (13) zwischen zwei Kettengliedern (12) angeordnet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenelemente (9) einen zentral angeordneten Mittenabschnitt (14) aufweist, der zur Kontaktnahme mit dem Wellenabschnitt (10) des Wellenteils (3) ausgebildet ist, wobei der zentral angeordnete Mittenabschnitt (14) von zwei im Durchmesser vergrößerten Bordabschnitten (15) axial beidseitig begrenzt wird.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (11) als Gleitlager ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (11) einen Lagerbolzen (16) und ein Gehäuseelement (17) aufweist, zwischen denen eine Gleitlagerhülse (18) angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerabschnitte (5) des Trägerelements (4) in horizontale Richtung (H) und in Richtung senkrecht auf die Längsachse (A) des Wellenteils (3) gesehen so voneinander beabstandet sind, dass die Rollenelemente (9) mit ihren radial äußeren Bereichen ein definiertes Horizontalspiel (s), vorzugsweise ein Horizontalspiel (s) zwischen 1 mm und 20 mm, zu den Trägerabschnitten (5) aufweisen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerabschnitte (5) des Trägerelements (4) in der Draufsicht zumindest abschnittsweise eine U-förmige Gestalt aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (19) der U-förmig gestalteten Trägerabschnitte (4) in horizontale Richtung (H) und in Richtung der Längsachse (A) des Wellenteils (3) gesehen so voneinander beabstandet sind, dass die Rollenelemente (9) samt Kettenelement (7) ein definiertes Horizontalspiel (t), vorzugsweise ein Horizontalspiel (t) zwischen 1 mm und 20 mm, zu den Schenkeln (19) aufweisen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenabschnitt (10) des Wellenteils (3) durch ein scheibenförmiges Bauteil gebildet wird, wobei an dem scheibenförmigen Bauteil (10) an seinen beiden Stirnseiten (20) je ein Befestigungsflansch (21) fixiert, vorzugsweise verschraubt, ist, der mit dem Wellenteil (3‘, 3‘‘) je eines Bauteils (2‘, 2‘‘) verbunden, vorzugsweise verschweißt, ist.
Parabolrinnen-Solarkraftanlage, umfassend mindestens einen Sonnenkollektor (2) mit einem Wellenteil (3), wobei das Wellenteil (3) mit mindestens einer Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gelagert ist.