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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Parabolrinnenkollektormodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine aus mehreren in einer Reihe angeordneten Parabolrinnenkollektormodulen zusammengesetzte Parabolrinnenkollektoreinheit und ein mehrere Parabolrinnenkollektoreinheiten aufweisendes solarthermisches Kraftwerk.
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Solarthermische Kraftwerke nutzen die Energie des Sonnenlichts zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums, wobei die Wärme häufig zur Stromerzeugung genutzt wird. Die Solarstrahlung wird mittels optischer Konzentratoren auf einen Absorber fokussiert, in welchem das Wärmeträgermedium zirkuliert. Die optischen Konzentratoren stellen den größten Investitionsposten von solarthermischen Kraftwerken dar und beeinflussen deren Wirkungsgrad maßgeblich.
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Bekannte solarthermische Kraftwerke weisen Parabolrinnenkollektoren auf. Ein Parabolrinnenkollektor enthält eine langgestreckte Kollektorstruktur mit parabelförmigem Querschnitt. Typische Aperturöffnungen betragen 5–7 m. Einzelne Parabolrinnenkollektormodule, die auch Solar Collector Elements (SCE) genannt werden, haben eine Länge von ca. 12 m. Mehrere derartige Module werden zu Parabolrinnenkollektoreinheiten zusammengesetzt, die im Allgmeinen in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind. Die Module einer Einheit werden üblicherweise gemeinsam verschwenkt, um die Parabolreflektoren dem Sonnenstand nachzuführen.
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Die vorbekannten Parabolrinnenkollektoreinheiten besitzen eine aus mehreren Ständern bestehende Ständerung, zwischen denen die einzelnen Parabolrinnenkollektormodule aufgehängt sind. Die Parabolrinnenkollektormodule sind mit einer Torsionsbox oder einem Torsionsrohr versehen, wodurch auch Lagerreibungsmomente und Windkräfte torsionssteif aufgenommen werden können. Die Parabolrinnenkollektormodule weisen eine Tragstruktur auf, die üblicherweise sowohl die Parabolreflektoren als auch die Absorberrohre über Absorberrohrstützen trägt. Das Absorberrohr ist somit fest mit dem Parabolreflektor verbunden und wird bei einem Verschwenken des Reflektors mit bewegt. Üblicherweise werden die Parabolrinnenkollektoreinheiten einzeln gemeinsam verschwenkt. Somit muss zwischen zwei Einheiten eine flexible Verbindung für die Absorberrohre vorgesehen sein. Hierfür werden sogenannte Ball Joint-Verbindungsleitungen oder Swivel Joints mit flexiblen Schläuchen eingesetzt, die jedoch wartungsintensiv und recht teuer sind. Ferner führen derartige Verbindungsleitungen zu Wärme- und Druckverlusten, was sich negativ auf den Wirkungsgrad eines solarthermischen Kraftwerks auswirkt.
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Neben diesen vorbekannten Parabolrinnenkollektormodulen wurden auch sogenannte Fix-Fokus-Parabolrinnenkollektoren entwickelt. Ein derartiger Kollektor ist beispielsweise aus
DE 10 2008 057 868 vorbekannt. Bei dem vorbekannten Kollektor wird der Parabolreflektor um das Absorberrohr verschwenkt, so dass dieses bei der Verschwenkbewegung statisch verbleibt. Bei derartigen Fix-Fokus-Kollektormodulen besteht jedoch das Problem, dass die Schwerpunktachse des Moduls nicht in der Drehachse liegt und somit in einer Vielzahl von Betriebsstellungen ein Ungleichgewicht herrscht. Um eine Überkippen der Kollektoren zu vermeiden, muss die zentrale Antriebseinheit dieser Bewegung entgegenwirken.
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Würde bei einem derartigen Design der Kollektormodule eine Kollektoreinheit aus mehreren Kollektormodulen eine große Länge aufweisen, wären die Torsionskräfte und die daraus resultierende Verformung in einem von der Antriebseinheit beabstandeten Bereich derart groß, dass in diesem Bereich keine optimale Fokussierung erreicht werden könnte. Daher sind die zurzeit bekannten Fix-Fokus-Kollektoreinheiten sehr kurz. Dadurch ist eine Vielzahl von Antriebseinheiten notwendig, wodurch sich die Investitionskosten stark erhöhen.
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Bei dem aus
DE 10 2008 057 868 vorbekannten Fix-Fokus-Kollektormodul wurde zwar hierfür eine Lösung gefunden, indem einzelne Reflektorabschnitte mit unterschiedlichen Fokallängen derart angeordnet werden, dass die Schwerpunktachse in der Absorberrohrachse liegt. Bei einem derartigen Kollektormodul besteht jedoch das Problem, dass diese aufgrund einer relativ schwachen Torsionsstruktur ebenfalls nur recht kurz ausgeführt werden können.
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Die Firma Hittite Solar hat einen Kollektor entwickelt, bei dem oberhalb des Absorberrohres an Aufständerungen ein Gegenwicht angeordnet ist, um somit die Schwerpunktachse des gesamten Moduls in die Absorberrohrachse zu verlegen. Dies führt jedoch zu einem zusätzlichen Gewichts des gesamten Moduls, wodurch die Tragstruktur und Lagerung stark belastet wird, was zu erhöhten Investitionskosten führt. Ferner können durch das Gewicht zusätzliche Verschattungen der Reflektorfläche entstehen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Parabolrinnenkollektormodul, eine Parabolrinnenkollektoreinheit sowie ein solarthermisches Kraftwerk zu schaffen, bei dem eine Fix-Fokus-Anordnung kostengünstig und mit geringem konstruktivem Aufwand verwirklichbar ist.
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Das erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodul ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektoreinheit ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.
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Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 12.
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Der erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektor weist ein Absorberrohr mit einer Mittelachse, einen Solarstrahlung auf das Absorberrohr fokussierenden Parabolreflektor mit einer Reflektorfläche und eine Ständerung auf. Der Parabolreflektor weist zwei Längsseiten, die sich parallel zu der Mittelachse des Absorberrohrs erstrecken, und zwei Stirnseiten auf. Mittels einer Tragstruktur ist der Parabolreflektor an der Ständerung um eine Drehachse verschwenkbar gelagert, wobei die Drehachse der Mittelachse des Absorberrohrs entspricht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur zwei Tragstreben und zwei sich parallel zu den Längsseiten erstreckende, torsionssteife Trägerelemente aufweist. Die Tragstreben sind jeweils an einer der beiden Stirnseiten des Parabolreflektors angeordnet und mit den Trägerelementen verbunden. Die Tragstreben und/oder die torsionssteifen Trägerelemente sind zumindest teilweise oberhalb einer durch die Mittelachse des Absorberrohrs verlaufenden Horizontalebene angeordnet. Die Tragstruktur ist über die Tragstreben mit der Ständerung verbunden.
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Mittels der zwei Tragstreben und den zwei torsionssteifen Trägerelementen wird somit eine viereckige Tragstruktur gebildet, auf der der Parabolreflektor angeordnet ist. Dadurch, dass zumindest Teile der Tragstreben und/oder der Trägerelemente oberhalb einer durch die Mittelachse des Absorberrohrs sich unterhalb dieser Horizontalebene befindlichen Abschnitte des Parabolreflektors geschaffen werden.
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Durch die entsprechende Materialwahl der Tragstreben und/oder der Trägerelemente und einer entsprechenden Anordnung kann somit auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass sich die Schwerpunktachse in der Drehachse des Parabolreflektors befindet.
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Durch die Ausgestaltung des Parabolreflektors in Leichtbauweise, beispielsweise mittels einer Sandwichstruktur und einem Dünnglasspiegel, kann erreicht werden, dass das sich unterhalb der Horizontalebene befindliche Gewicht relativ gering ist, so dass das „Gegengewicht”, das die Tragstruktur zur Verfügung stellen muss, ebenfalls relativ gering ist.
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Der Parabolreflektor kann beispielsweise eine relativ geringe Fokallänge aufweisen, so dass sich die Mittelachse des Absorberrohrs und somit die Drehachse des Parabolreflektors relativ nah über der Reflektorfläche des Parabolreflektors befindet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich jeweils ein Trägerelement an einer der sich entlang der Längsseiten des Parabolreflektors erstreckenden Längsränder angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Tragstreben und die Trägerelemente bilden einen Rahmen für den Parabolreflektor. Der Parabolreflektor wird beispielsweise auf den Trägerelementen aufliegend in diesen Rahmen eingehängt. Eine derartige Konstruktion hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ständerung eine Radiallagerung aufweist, über die die Tragstruktur an der Ständerung gelagert ist. Bei einer derartigen Lagerung lässt sich auf konstruktiv einfache Art und Weise die verschwenkbare Lagerung des Parabolreflektors verwirklichen.
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Die Ständerung kann jeweils einen an der Stirnseite des Parabolreflektors angeordneten Ständer aufweisen, wobei das Absorberrohr zumindest teilweise in den Ständern gelagert ist. Somit kann verwirklicht werden, dass das Absorberrohr losgelöst von dem Parabolreflektor gelagert wird.
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Das erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodul kann ferner verwirklichen, dass mehrere aneinandergereihte, erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodule einen durchgängigen, gemeinsamen Absorberrohrstrang aus Absorberrohren aufweisen. Somit können aufwändige Absorberrohrverbindungen, wie sie teilweise im Stand der Technik notwendig sind, vermieden werden. Bei mehreren, in einer Reihe angeordneten, erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektormodulen können zwei benachbarte Parabolrinnenkollektormodule einen gemeinsamen Ständer aufweisen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Radiallagerung an jedem Ständer ein Radiallager aufweist, wobei die Tragstreben oberhalb des Radiallagers verlaufen und mit dem Radiallager verbunden sind. Die Tragstreben liegen somit auf dem Radiallager auf, wodurch eine vorteilhafte Kraftübertragung erreicht wird. Dazu kann das Radiallager ein Lagergehäuse aufweisen, das mit den Tragstreben verbunden ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht darüber hinaus in vorteilhafter Weise, dass die Tragstreben oberhalb der durch die Mittelachse des Absorberrohrs verlaufenden Horizontalebene angeordnet sind.
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Das Absorberrohr kann sich dabei durch die Radiallager erstrecken. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise ein durchgängiger Strang von Absorberrohren bei benachbarten Parabolrinnenkollektormodulen verwirklichen. Das Radiallager kann beispielsweise auf einem an dem Ständer angeordneten Rohr gelagert sein, wobei das Absorberrohr durch das Rohr geführt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reflektorfläche Abschnitte aufweist, die oberhalb der durch die Mittelachse des Absorberrohrs verlaufenden Horizontalebene angeordnet sind. Die Reflektorfläche weist somit einen Rim Angle auf, der größer als 90° ist. Der Rim Angle ist der Winkel, der sich an der Drehachse zwischen einer Normalen auf die Mitte der Reflektorfläche und dem Seitenrand des Spiegels ergibt. Durch eine derartige Konstruktion wird einerseits erreicht, dass Teile des Parabolreflektors als Gegengewicht für die unterhalb der Horizontalebene befindlichen Teile des Parabolreflektors beitragen können, und andererseits wird der optische Wirkungsgrad erhöht, da durch einen derartig großen Rim Angle der mittlere Spiegel-Absorberrohrabstand geringer ist bei üblichen Reflektoren.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Parabolrinnenkollektoreinheit mit mehreren erfindungsgemäßen, in einer Reihe angeordneten Parabolrinnenkollektormodulen, wobei die Parabolrinnenkollektormodule einen gemeinsamen, durchgehenden Absorberrohrstrang aus Absorberrohren aufweisen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Tragstrukturen zweier benachbarter Parabolrinnenkollektormodule miteinander verbunden sind. Dadurch kann erreicht werden, dass ein, beispielsweise durch einen Antrieb auf ein Parabolrinnenkollektormodul ausgeübtes Drehmoment auch auf das benachbarte Parabolrinnenkollektormodul übertragen wird, so dass beide Parabolrinnenkollektormodule gemeinsam miteinander verschwenkt werden. Die Verbindung der Tragstrukturen kann beispielsweise über die Tragstreben erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Tragstrukturen über die Trägerelemente miteinander verbunden sind.
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Beispielsweise können mehrere in einer Reihe miteinander verbundene Parabolrinnenkollektormodule zwei aus den jeweiligen Trägerelementen bestehende, durchgängige Stränge aus Trägerelementen aufweisen.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Parabolrinnenkollektormodulen jeweils ein gemeinsamer Ständer angeordnet ist. Dadurch kann ermöglicht werden, dass die beiden benachbarten Parabolrinnenkollektormodule auf einer gemeinsamen Radiallagerung gelagert werden. Hierzu können beispielsweise die einander zugewandten Tragstreben der benachbarten Parabolrinnenkollektormodule miteinander und mit der Radiallagerung verbunden sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk mit mehreren erfindungsgemäßen, in einer Reihe angeordneten Parabolrinnenkollektoreinheiten, wobei mindestens zwei benachbarte Parabolrinnenkollektoreinheiten einen gemeinsamen durchgehenden Absorberrohrstrang aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion der Parabolrinnenkollektormodule ermöglichen somit, dass eine Vielzahl von Absorberrohren der Parabolrinnenkollektormodule zu einem gemeinsamen durchgehenden Absorberrohrstrang verbunden ist, so dass Wärme- und Druckverluste aufgrund von im Stand der Technik notwendigen, flexiblen und u-förmigen Absorberrohrverbindungen vermieden werden. Ferner ist eine derartige Konstruktion kostengünstig.
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Bei den erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektormodulen bzw. Parabolrinnenkollektoreinheiten kann vorgesehen sein, dass die Absorberrohre an den Ständern mittels Linearlager geführt sind, um somit Wärmedehnungen der Absorberrohre bzw. Absorberrohrstränge auszugleichen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische, perspektivische Ansicht mehrerer in einer Reihe angeordneter, erfindungsgemäßer Parabolrinnenkollektormodule und
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2 eine Seitenansicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektormoduls.
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In 1 sind mehrere, erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodule 1 in einer Reihe angeordnet. Die mehreren in einer Reihe angeordneten, erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektormodule 1 bilden eine Parabolrinnenkollektoreinheit 100. Beispielsweise können zwischen sechs und vierzehn erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodule die Parabolrinnenkollektoreinheit 100 bilden. Aus mehreren erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektoreinheiten 100, die in einer Reihe angeordnet sind, wird ein Kollektor eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks gebildet. Ein solarthermisches Kraftwerk kann mehrere, parallel angeordnete Kollektoren aufweisen, die üblicherweise in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind.
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Jedes erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektormodul 1 weist ein Absorberrohr 3 auf, das oberhalb eines Parabolreflektors 5 verläuft. Der Parabolreflektor 5 weist eine Reflektorfläche 7 auf, mittels der Solarstrahlung auf das Absorberrohr reflektiert werden kann. Der Parabolreflektor fokussiert somit Solarstrahlung auf das Absorberrohr 3.
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Der Parabolreflektor 5 weist zwei Längsseiten 5a auf, die sich parallel zu dem Absorberrohr 3 erstrecken und zwei Stirnseiten 5b. Ferner ist eine Ständerung 9 vorgesehen, die aus zwei Ständern 9a besteht. Jeweils ein Ständer 9a ist zwischen zwei erfindungsgemäßen Parabolrinnenkollektormodulen 1 angeordnet und bildet Teil dessen Ständerung 9.
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Der Parabolreflektor 5 weist eine Tragstruktur 11 auf, mittels der der Parabolreflektor 5 an der Ständerung 9 verschwenkbar gelagert ist. Wie am besten aus 2 hervorgeht, in der eine der in 1 dargestellten Parabolrinnenkollektormodule 1 schematisch in einer Sicht auf die Stirnseite 5b dargestellt ist, ist der Parabolreflektor 5 über die Tragstruktur 11 mittels einer Radiallagerung 13 an der Ständerung 9 gelagert. Die Radiallagerung 13 weist dabei an jedem Ständer 9a ein Radiallager 15 auf. Das Absorberrohr 3 erstreckt sich dabei durch das Radiallager 15. Dadurch können die Absorberrohre 3 von benachbarten Parabolrinnenkollektormodulen 1 zu einem Absorberrohrstrang miteinander verbunden werden.
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Die Tragstruktur 11 eines Parabolrinnenkollektormoduls 1 besteht aus zwei Tragstreben 17, die jeweils an einer der Stirnseiten 5b angeordnet sind. Die Tragstruktur 11 weist ferner zwei torsionssteife Trägerelemente 19 auf, die parallel zu den Längsseiten 5a angeordnet sind. Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel sind die torsionssteifen Trägerelemente 19 an den Längsrändern 5c des Parabolreflektors 5 angeordnet.
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Die Tragstreben 17 sind mit den torsionssteifen Trägerelementen 19 verbunden. Somit wird ein Rahmen gebildet, in den der Parabolreflektor 5 eingesetzt ist. Die Tragstrebe 17 verläuft in etwa entlang einer Sehne zu der Parabelform des Parabolreflektors 5.
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Die Tragstrebe 17 ist mit einem Lagergehäuse 15a des Radiallagers 15 verbunden, wodurch die Lagerung der Tragstruktur 11 an der Ständerung 9 erfolgt.
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Die Radiallagerung 13 ist derart angeordnet, dass die Drehachse D des Parabolreflektors 5 der Mittelachse A des Absorberrohres 3 entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass der Parabolreflektor um das statisch verbleibende Absorberrohr verschwenkt werden kann.
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Die Tragstrebe 17 verläuft oberhalb der Radiallagerung 13. Somit befinden sich die Tragstrebe 17 sowie Teile der Trägerelemente 19 oberhalb der durch die Mittelachse des Absorberrohres verlaufenden Horizontalebene H, in der auch die Drehachse D liegt. Durch eine entsprechende Materialwahl der Tragstruktur 11 kann somit ein „Gegengewicht” zu dem unterhalb der Horizontalebene H angeordneten Teil des Reflektors 5 geschaffen werden, so dass die Schwerpunktachse S des Parabolreflektor 5 und Tragstruktur 11 auf die Drehachse D gelegt werden kann. Dadurch wird vermieden, dass es bei einem Verschwenken des Parabolreflektors 5 im Betrieb zu einem Ungleichgewicht kommen kann, was zu einem Überkippen des Parabolreflektors 5 führen würde.
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Der Ständer 9a weist ein Rohr 21 auf, auf dem das Radiallager 15 gelagert ist. Das Absorberrohr 3 wird durch das Rohr 21 hindurch geführt. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Lösung, bei der die Drehachse D des Parabolreflektors und die Mittelachse A des Absorberrohrs 3 aufeinander fallen, auf einfache Art und Weise geschaffen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, erstrecken sich Teile der Reflektorfläche 7 ebenfalls oberhalb der Horizontalebene H. somit können diese Teile des Parabolreflektors 5 ebenfalls als Gegengewicht für die unterhalb der Horizontalebene H angeordneten Teile dienen. Ferner wird ein Parabolreflektor 5 geschaffen, der einen Rim Angle β > 90° besitzt. Gleichzeitig ist die mittlere Fokallänge F im Vergleich zu herkömmlichen, üblicherweise eingesetzten Modulen reduziert. Insgesamt hat somit der erfindungsgemäße Parabolreflektor 5 einen verbesserten optischen Wirkungsgrad.
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Die torsionssteifen Trägerelemente können beispielsweise als sogenannte Torsionsrohre ausgebildet sein. Beispielsweise können sie als torsions- und biegesteife Sandwichrohre aus einer Stahlrohr-GFK-Stahlrohr-Verbindung ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Parabolrinnenkollektormodule 1 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Fix-Fokus-Konstruktion. Dadurch können in vorteilhafter Weise Parabolrinnenkollektoreinheiten aus mehreren Parabolrinnenkollektormodulen geschaffen werden, die einen gemeinsamen und durchgehenden Absorberstrang aus Absorberrohren 3 aufweisen. Es kann somit ein solarthermisches Kraftwerk geschaffen werden, das mit geringen Investitionskosten bereitstellbar ist, wobei gleichzeitig aufgrund verringerter Druck- und Wärmeverluste im Absorberrohrbereich ein höherer Wirkungsgrad verwirklicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008057868 [0005, 0007]
