DE102017113738A1 - Facet for a sandwich-type heliostat and method for making a facet - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Facette für einen Heliostat eines Solarturmkraftwerks vorgeschlagen, die als Sandwich-Struktur ausgebildet ist und auf ihrer Rückseite eine Vielzahl von Stegen aufweist, die ebenfalls als Sandwich aufgebaut sind. Dadurch lässt sich eine sehr leichte, biegesteife und geometrisch hochpräzise Facette bereitstellen, die hinsichtlich Herstellungskosten und optischem Wirkungsgrad sehr gut ist.It is proposed a facet for a heliostat of a solar tower power plant, which is designed as a sandwich structure and has on its back a plurality of webs, which are also constructed as a sandwich. This makes it possible to provide a very light, rigid and geometrically highly precise facet which is very good in terms of manufacturing costs and optical efficiency.
Description
Die Erfindung betrifft eine Facette für einen Heliostaten, der in Solarturmkraftwerken eingesetzt wird. Bei Solarturmkraftwerken ist eine Vielzahl von Heliostaten um einen Turm, der einen Receiver trägt, herum angeordnet. Die Spiegelflächen dieser Heliostaten sind leicht gekrümmt und haben Brennweiten teilweise von mehreren hundert Metern.The invention relates to a facet for a heliostat, which is used in solar tower power plants. In solar tower power plants, a plurality of heliostats are arranged around a tower carrying a receiver. The mirror surfaces of these heliostats are slightly curved and have focal lengths of several hundred meters.
Über verschiedene Nachführmechanismen werden die Spiegelflächen der Heliostaten so gesteuert, dass sie abhängig von Tages- und Jahreszeit die einfallende Solarstrahlung auf den am oberen Ende des Turms angeordneten Receiver umlenken und fokussieren.Using various tracking mechanisms, the mirror surfaces of the heliostats are controlled in such a way that, depending on the time of the day and the season, they redirect and focus the incident solar radiation onto the receiver arranged at the upper end of the tower.
Die Heliostaten verursachen etwa 40% der gesamten Investitionskosten des gesamten Solarturmkraftwerks, so dass die Reduktion dieses Kostenblocks ein wirksamer Hebel ist, um die Wirtschaftlichkeit des gesamten Solarturmkraftwerks signifikant zu erhöhen. Dies gilt insbesondere deshalb, weil leistungsfähige Solarturmkraftwerke weit über eintausend Heliostaten benötigen. Daher wirken sich Kosteneinsparungen bei Material und Montage bzw. Bau der Heliostaten vielfach positiv aus.The heliostats cause about 40% of the total investment cost of the entire solar tower power plant, so reducing this cost block is an effective lever to significantly increase the economics of the entire solar tower power plant. This is especially true because powerful solar tower power plants require well over a thousand heliostats. Therefore, cost savings in material and assembly or construction of heliostats affect many positive.
Gleichzeitig müssen die Spiegelflächen der Heliostaten eine sehr hohe optische Qualität haben, damit ein möglichst großer Anteil der auf die Spiegelflächen der Heliostaten einfallenden Solarstrahlung beim Receiver ankommt und dort in thermische Energie umgewandelt wird.At the same time, the mirror surfaces of the heliostats must have a very high optical quality so that the largest possible proportion of the incident on the mirror surfaces of the heliostat solar radiation arrives at the receiver and is converted there into thermal energy.
Das Anforderungsprofil an einen Heliostaten besteht darin, höchste optische Qualität zu möglichst niedrigen Herstellungspreisen zu gewährleisten.The requirement profile for a heliostat is to ensure the highest optical quality at the lowest possible production prices.
Es wurden in der Vergangenheit viele Versuche unternommen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Ein Ansatz, um diese Ziele zu erreichen, ist aus der
Sie besteht aus zwei Deckblechen, zwischen denen ein Kern vorgesehen ist. Diese klassische Sandwich-Struktur sorgt für die die gewünschte Formstabilität der Facette. Auf diese Sandwich-Struktur wird ein verspiegeltes Glas aufgeklebt, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erreichen.It consists of two cover plates, between which a core is provided. This classic sandwich structure provides the desired dimensional stability of the facet. On this sandwich structure, a mirrored glass is glued to achieve the desired optical properties.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Facette eines Heliostaten in Sandwich-Struktur bereitzustellen, die hinsichtlich optischer Präzision, Materialkosten, Gewicht und Herstellungskosten weiter verbessert ist.The invention has for its object to provide a facet of a heliostat in a sandwich structure, which is further improved in terms of optical precision, material costs, weight and manufacturing costs.
Diese Aufgabe wird bei einer Facette für einen Heliostaten, umfassend eine verspiegelte Glasscheibe, einen homogenen Kern und eine Rückseite aus Stahlblech dadurch gelöst, dass auf der Rückseite Stege ausgebildet sind, und dass die Stege zwei voneinander beabstandete und parallele Deckbleche und einen homogenen Kern umfassen.This object is achieved in a facet for a heliostat, comprising a mirrored glass, a homogeneous core and a steel sheet back, characterized in that on the back webs are formed, and that the webs comprise two spaced and parallel cover plates and a homogeneous core.
Durch die erfindungsgemäße Struktur der Rückseite mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stegen, die ebenfalls in Sandwich-Bauweise ausgeführt sind, ist es möglich, bei geringerem Materialeinsatz und damit auch geringeren Kosten eine steifere Facette herzustellen, die noch dazu fertigungstechnisch sehr einfach zu realisieren ist.Due to the inventive structure of the back with a plurality of juxtaposed webs, which are also designed in a sandwich construction, it is possible to produce a stiffer facet with less material and thus lower costs, which is still very easy to implement manufacturing technology.
Die Stege sorgen für die globale Festigkeit der Struktur; das Sandwichelement der Vorderseite bestehend aus Spiegeln, Kern und Blech auf der Rückseite verhindert Beulen und andere unerwünschte Verformungen der Spiegelfläche. Durch diese Kombination ist eine wirtschaftliche Herstellung bei gleichzeitig hoher optischer Qualität und Beständigkeit gegen äußere Lasten (Wind, Schnee, Erdbeben) möglich.The bars provide the global strength of the structure; The sandwich element on the front, consisting of mirrors, core and sheet metal on the back, prevents dents and other undesirable deformations of the mirror surface. This combination enables cost-effective production combined with high optical quality and resistance to external loads (wind, snow, earthquakes).
Die erfindungsgemäße Sandwich-Struktur kann sowohl bei rotationssymmetrischen Facetten als auch bei Facetten, die eine rechteckige oder polygonale Spiegelfläche aufweisen, eingesetzt werden.The sandwich structure according to the invention can be used both with rotationally symmetrical facets and with facets which have a rectangular or polygonal mirror surface.
Im erstgenannten Fall sind die Stege auf an der Rückseite der Facette bezogen auf ein Zentrum des Heliostaten radial ausgerichtet. Im anderen Fall sind die Stege parallel zueinander angeordnet.In the former case, the lands are radially aligned at the back of the facet with respect to a center of the heliostat. In the other case, the webs are arranged parallel to each other.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Rückseite und die Stege aus mehreren baugleichen oder geometrisch ähnlichen Segmentflächen aus Blech zusammengesetzt, wobei an zwei Kanten jedes Segmentblechs jeweils ein Deckblech eines Stegs ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, aus einem rechteckigen Blechzuschnitt die Segmente durch Umformen, insbesondere durch Abkanten oder Schwenkbiegen, herzustellen. Dadurch fällt nahezu kein Verschnitt an. Das Abkanten ist außerdem sehr kostengünstig.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the back and the webs of several identical or geometrically similar segment surfaces are composed of sheet metal, wherein a cover plate of a web is formed on two edges of each segment plate. This makes it possible to produce from a rectangular sheet metal blank segments by forming, in particular by folding or swivel bending. As a result, almost no waste is generated. The folding is also very inexpensive.
Um die Segmentbleche bzw. die Deckbleche der Stege weiter zu versteifen, ist vorgesehen, an den Deckblechen der Stege Stehflansche auszubilden. Zusätzlich können die Stehflansche durch eine Rippe weiter ausgesteift werden. Diese beiden Maßnahmen führen zusammen mit den Stegen dazu, dass bei geringstem Materialeinsatz eine sehr steife Struktur entsteht. Es wurde rechnerisch nachgewiesen, dass eine Blechstärke von 0,4 mm ausreicht, um die Segmentbleche für eine Facette mit einer Spiegelfläche von mehr als 10 m2 herzustellen.In order to stiffen the segment plates or the cover plates of the webs further, it is provided to form standing flanges on the cover plates of the webs. In addition, the standing flanges can be further stiffened by a rib. These two measures, together with the webs, result in a very rigid structure with minimal use of material. It has been computationally demonstrated that a sheet thickness of 0.4 mm is sufficient to produce the segment sheets for a facet with a mirror surface of more than 10 m 2 .
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Facette ist darin zu sehen, dass es wegen der flächigen Verklebung der Glasscheibe mit dem Kern völlig ausreichend ist, eine Spiegelfläche bzw. eine Glasscheibe mit einer Dicke von nur einem Millimeter einzusetzen. Diese Spiegelscheibe besitzt eine höhere Reflektivität als herkömmliche Glasscheiben mit einer Dicke von etwa 4 mm, wie sie bislang eingesetzt werden. Weil die Verspiegelung dieser Glasscheibe immer auf der Rückseite, d. h. der dem Kern zugewandten Seite der Glasscheibe vorgesehen ist, wird durch das dünne Glas (Dicke ca. 1 mm) der Weg des Sonnenlichts durch das Glas von beispielsweise zwei mal vier Millimetern (= 8 mm) auf nur noch zwei mal ein Millimeter (= 2 mm) reduziert wird. Das führt zu einem Anstieg des Wirkungsgrads um ein bis zwei Prozentpunkte, was die Wirtschaftlichkeit eines Solarturmkraftwerks, welches mit erfindungsgemäßen Facetten ausgerüstet ist, weiter verbessert. Darüber hinaus erhöht sich bei gleicher Spiegelfläche die Leistung des Solarkraftwerks.Another advantage of the facet according to the invention is the fact that, because of the surface bonding of the glass pane to the core, it is completely sufficient to use a mirror surface or a glass pane with a thickness of only one millimeter. This mirror plate has a higher reflectivity than conventional glass sheets with a thickness of about 4 mm, as they are used so far. Because the mirroring of this glass pane always on the back, d. H. is provided by the thin glass (thickness about 1 mm), the path of the sunlight through the glass, for example, two times four millimeters (= 8 mm) to only two times a millimeter (= 2 mm) of the core facing side of the glass mm) is reduced. This leads to an increase in efficiency of one to two percentage points, which further improves the economy of a solar tower power plant equipped with facets according to the invention. In addition, increases the power of the solar power plant with the same mirror surface.
Außerdem wird dadurch das Gewicht der Facette deutlich reduziert, was weitere Material- und Kosteneinsparungen ermöglicht.It also significantly reduces the weight of the facet, allowing further material and cost savings.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Rückseite und die Stege bzw. die Segmentfläche aus verzinktem Stahlblech, bevorzugt mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter und besonders bevorzugt mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger, herzustellen.It has proven to be advantageous to produce the back and the webs or the segmental surface of galvanized sheet steel, preferably with a thickness of less than one millimeter and particularly preferably with a thickness of 0.5 mm or less.
Als Material für den homogenen Kern hat sich ein handelsüblicher Polyurethan-Schaum als besonders geeignet erwiesen. Polyurethan-Schaum ist ausreichend druckfest und verbindet sich gut mit der Glasscheibe und dem Blech, aus dem die Rückseite und die Stege gemacht sind, so dass auf gesonderte Kleber oder Klebstoffe verzichtet werden kann. Außerdem erleichtern diese Eigenschaften des Polyurethanschaums den Bau von erfindungsgemäßen Facetten in Sandwich-Bauweise deutlich.As a material for the homogeneous core, a commercial polyurethane foam has been found to be particularly suitable. Polyurethane foam is sufficiently pressure-resistant and combines well with the glass sheet and the sheet metal from which the back and the webs are made, so that it is possible to dispense with separate adhesives or adhesives. In addition, these properties of the polyurethane foam significantly facilitate the construction of facets according to the invention in sandwich construction.
Außerdem hat Polyurethan-Schaum ausreichende Druck- und Scherfestigkeiten, so dass die Kräfte zwischen der Glasscheibe und der Rückseite der erfindungsgemäßen Facette durch den Polyurethan-Schaum sicher übertragen werden können.In addition, polyurethane foam has sufficient compressive and shear strengths, so that the forces between the glass sheet and the back of the facet according to the invention can be safely transmitted through the polyurethane foam.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, dass es sehr einfach durchzuführen ist. Es werden nur wenige Hellinge benötigt. Außerdem lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren gut automatisieren.The advantages of the method according to the invention can be seen in particular in that it is very easy to carry out. Only a few slip rings are needed. In addition, the method according to the invention can be easily automated.
Im Ergebnis können die erfindungsgemäßen Facetten am Standort des späteren Solarturmkraftwerks hergestellt werden. Dann verringern sich die Transportkosten erheblich, weil letztendlich nur eine Vielzahl von Glasscheiben, Blechteilen und Polyurethan-Schaum zur Baustelle transportiert werden müssen, um dort zu einer erfindungsgemäßen Facette zusammengefügt zu werden.As a result, the facets according to the invention can be produced at the location of the future solar tower power plant. Then the transport costs are reduced considerably, because ultimately only a large number of glass panes, sheet metal parts and polyurethane foam have to be transported to the construction site in order to be joined together to form a facet according to the invention.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following drawings, the description and the claims removable. All of the features disclosed in the drawing, the description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
Figurenlistelist of figures
Es zeigen:
-
1 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heliostaten, -
2 einen Ausschnitt aus dem Heliostaten gemäß1 , -
3 eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels, -
4 und5 Ansichten eines radialsymmetrischen zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Facette, -
6 und7 Ausführungsbeispiele von Segmentflächen der erfindungsgemäßen Facette, -
8 bis12 Beispiele erfindungsgemäßer Konsolen, -
13 und14 die Rückseite einer erfindungsgemäßen Facette in zwei verschiedenen Ansichten, -
15.1 bis15.4 die Herstellung einer Rückseite gemäß der13 und14 in verschiedenen Schritten und -
16.1 bis16.4 die Herstellung einer erfindungsgemäßen Facette in vier Schritten.
-
1 a view of a first embodiment of a heliostat according to the invention, -
2 a section of the heliostat according to1 . -
3 a side view of the first embodiment, -
4 and5 Views of a radially symmetrical second embodiment of a facet according to the invention, -
6 and7 Exemplary embodiments of segment surfaces of the facet according to the invention, -
8th to12 Examples of consoles according to the invention, -
13 and14 the back of a facet according to the invention in two different views, -
15.1 to15.4 the production of a back according to the13 and14 in different steps and -
16.1 to16.4 the production of a facet according to the invention in four steps.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In allen Figuren werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet.In all figures the same reference numerals are used for the same components.
In der
Der Heliostat umfasst einen Pylon
Dieses Funktionsprinzip eines Solarturmkraftwerks ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.This operating principle of a solar tower power plant is well known to the person skilled in the art, so that a detailed description can be dispensed with.
In der
In der
Aus dieser vergrößerten Ansicht ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Facette gut zu erkennen. Zwischen der verspiegelten Glasscheibe
Üblicherweise wird die Biegesteifigkeit einer Sandwich-Struktur im Wesentlichen durch den Abstand zwischen der Glasscheibe
In der
In der
An dem im Detail unteren Ende der Deckbleche ist ein Stehflansch
Optional ist es möglich, die Stehflansche
Alle erfindungsgemäßen Maßnahmen dienen dem Ziel, eine hinsichtlich Gewicht, Steifigkeit und Materialkosten optimierte Facette
Es ist unter Zugrundelegung des erfindungsgemäßen Designs möglich, große Facetten mit einer Spiegelfläche von mehr als 10 qm herzustellen und die Rückseiten
Es ist weiter möglich, die Glasscheibe
Üblicherweise werden für herkömmliche Facetten Glasscheiben mit Wandstärken von 3 mm oder 4 mm eingesetzt. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion kann der Materialeinsatz bezüglich der Glasscheibe
Anhand der
In der
Weiter ist auch gut zu erkennen, dass an der Rückseite
Weil die Konsole
In der
Aus den
Die Segmentbleche
Somit ist die Herstellung eines solchen Segmentblechs
Des Weiteren ist gut zu erkennen, dass eine Höhe
Das Verhältnis der Höhen
Die Zahl der Ecken der Facette bzw. die Zahl der Segmentbleche und der Stege
In den
Dadurch wird die geforderte Biegesteifigkeit der Konsole
In der
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der
In der
In der
In den
Der obere Ringflansch und die obere Deckplatte
In den
Die Rückseite
In den
In den
Damit ist die Rückseite
In der
Wie sich aus der
Zwischen den kreissegmentförmigen oder trapezförmigen Glasscheiben
Die Ränder der Glasscheiben
Die (Membran-)Tragwirkung des Glases in tangentialer Richtung bildet sich zwischen den Deckblechen
Es sind zum Beispiel bei beliebiger Steganzahl auch zwei halbkreisförmige Spiegelsegmente oder eine einzige Glasscheibe
Da der erfindungsgemäße Sandwicheffekt zwischen den Deckblechen
In radialer Richtung kann die Glasscheibe
Die radiale Tragwirkung wird allein durch das Segmentblech
Zum Schutz des homogenen Kernmaterials (z. B. PU-Schaum) vor Umwelteinflüssen können elastische Dichtungselemente zwischen den Spiegelsegmenten vorgesehen werden, jedoch sind diese statisch nicht erforderlich. Da der Abstand der Spiegelsegmente nur aus den Toleranzen derselben und denen der Helling resultiert, können sehr geringe Spaltmaße realisiert werden.To protect the homogeneous core material (eg PU foam) from environmental influences, elastic sealing elements can be provided between the mirror segments, but these are not statically necessary. Since the distance of the mirror segments results only from the tolerances of the same and those of the slip, very small gaps can be realized.
Anschließend wird ein Schaum, bevorzugt PU-Schaum, auf die Glasscheibe
Polyurethan-Schaum hat die Eigenschaft, dass er, nachdem er auf die Glasscheibe
Es ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Facette
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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