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Die Erfindung hat den Zweck der kostengünstigen und einfachen Bündelung von Sonnenlicht.
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Insbesondere wird das Ziel verfolgt eine kostengünstig in Massen produzierbare präzise und aber auch ressourcenschonende Methode zur Bündelung von Sonnenlicht in solaren Kraftwerken zu erhalten.
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Es sind eine Reihe verschiedener sehr gut funktionierender Ausführungsformen Heliostaten bekannt. Die meisten Systeme bestehen aus zwei elektromechanischen Aktuatoren die eine möglichst starre Spiegelfläche in der Ausrichtung steuern. Ebenso sind Systeme mit hydraulischen, linearen Aktuatoren bekannt. Alternativ auch Zahnstangenantriebe und Zahnradähnliche Vorrichtungen. Der Spiegel selbst besteht meist aus einer möglichst steifen Unterkonstruktion, eine hierauf montierte Spiegelfläche aus verspiegeltem Glas oder entsprechenden metallisierten Kunststofffolien.
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Weiterhin sind darüber hinaus entsprechende Achsen und Lagersysteme bekannt die in Verbindung mit dem Antriebselementen und einer Steuerung die entsprechende Ausrichtung und Bündelung der solaren Einstrahlung ermöglichen.
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Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist die recht aufwendige Produktion und Montage der vielzähligen verschiedenen Komponenten. Darüber hinaus sind sehr viele unterschiedliche und zum Teil recht energieintensive Werkstoffe notwendig, die insbesondere in der Kombination ein Recycling erschweren. Außerdem besteht eine Gefahr der eingeschränkten Haltbarkeit durch Korrosion und Getriebeverschleiss.
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Die hier vorliegende Erfindung hat nunmehr das Ziel einige Nachteile der bekannten Spiegelsysteme zu überwinden und einen effizienten und nachhaltigen Weg insbesondere zu der Errichtung von Solarturmkraftwerken auf zu zeigen.
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Die hier aufgezeigte erfindungsgemäße Lösung bedient sich hierzu eines nachführbaren Spiegelsystemes, im Weiteren Heliostat genannt, vorzugsweise aus Glas, welcher eine plane oder leicht sphärische oder parabelförmige verspiegelte. Fläche besitzt (5). Weiterhin ist dieser Heliostatenkörper dadurch gekennzeichnet dass eine oder mehrere rotationssymmetrische Flächen die als Lager (4) dienen, sowie einen oder mehrere einen jeweiligen Drehpunkt (2,6) der entsprechenden Lagerfläche (4) gekrümmten hydraulischen Aktuator (3,(7)) besitzt.
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Die erfindungsgemässe Lösung des Problems bedient sich eines einzelnen oder mehreren um eine oder zwei Achsen gekrümmte kreisbogenförmigen Aktuator (3). Weiterhin eine oder mehrere gasdichte Aussenwandungen (5,3,4,8) innerhalb derer ein Unterdruck herrscht sowie eine Spiegelfäche (5) oder spiegeltragende Fläche und schließlich ein System nach Stand der Technik zur elektronisch geregelten präzisen Steuerung der Zu- und Abfuhr der Hydraulikflüssigkeit (10).
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Eine vorzugsweise Ausgestaltung bedient sich eines äußeren Umhüllungsmateriales, vorzugsweise Glas, idealerweise Recyclingglas, weniger vorzugsweise Metall oder Kunststoff welches die tragende Grundstruktur bildet und gleichzeitig die notwendigen Lagerflächen und einen dazugehörigen gekrümmten hydraulischen Aktuator sowie die spiegeltragende Fläche bildet.
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Wobei eine zentrale erfinderische Ausgestaltung vorsieht, dass innerhalb der Umhüllung oder Außenhaut ein oder mehrere Bereiche (9) mit Unterdruck herrschen . Und weiterhin dass sich in diesen Bereichen ein druckstabiles Medium, vorzugsweise zerkleinertes Gestein oder Sand befindet und hierdurch in Verbindung mit dem Vakuum eine materialeffiziente Stabilisierung erfolgt und beispielsweise eine Glashülle mit einer Dicke bis etwa minimal 0,4-0,5mm oder weniger verwendet werden kann.
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Eine weitere vorzugsweise Ausführungsform sieht zwei unabhängige Achsen, welche vorzugsweise hydraulisch angesteuert werden, wobei ebenso der tragende Grundkörper sowie die weiteren Teile ebenso durch eine dünne Hülle mit enthaltenden Vakuum gekennzeichnet sind.
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Als ideale Umsetzung ist die Verwendung von Glas, vorzugsweise Recycling Glas, als Material der äußeren Umhüllung vorgesehen. Hierbei wird in Verbindung mit dem Vakuum und der Füllung die tragende, feste Grundstruktur effizient bereitstellt. Vorzugsweise gekennzeichnet dadurch, dass das Glas ebenso die Lagerflächen und den dazugehörigen gekrümmten hydraulischen Aktuator sowie die spiegeltragende Fläche bilden.
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Weiterhin ist eine präzise Nachführung durch elektronisch gesteuerte Magnetventile, welche die Zufuhr oder Abfuhr Flüssigkeitsmenge der hydraulischen Aktuatoren regelt nach Stand der Technik mit entsprechender Kamerasystemen, Sensorik und entsprechender Software oder lernenden Systemen oder Einsatz von Künstlicher Intelligenz vorgesehen Eine alternative Ausgestaltung des beschriebenen Spiegelsystemes bedient sich an Stelle des gekrümmten hydraulischen Aktuator eines linearen elektromechanischen oder hydraulischer Aktuators, welcher mit entsprechender Lagerung eingesetzt wird.
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Eine weitere Vorzugsweise erfinderische Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch eine plane oder leicht sphärische oder parabelförmige verspiegelte Fläche die Verbunden ist mit einer oder mehrere rotationssymmetrischen Lagerflächen. Weiterhin gekennzeichnet durch mindestens einen um einen jeweiligen Drehpunkt der entsprechenden Lagerfläche gekrümmten hydraulischen, vorzugsweise mit Wasser betriebenen Aktuator sowie weiterhin durch ein Kompartiment welches ein Vakuum besitzt und vorzugsweise Sand oder Gestein abgestufter Körnung gefüllt ist. Weiterhin, dass eine präzise Nachführung durch elektronisch gesteuerte Magnetventile oder mechanische oder thermomechanische Ventile , welche die Zufuhr oder Abfuhr Flüssigkeitsmenge der hydraulischen Aktuatoren regelt, erfolgt.
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Eine sehr vorzugsweise Umsetzung bedient sich eines singulären Glaskörpers welcher einen entsprechend geformten Spiegel bildet sowie gleichzeitig eine Lagerfläche sowie ein gekrümmten Kolben oder Zylinder zum Antrieb besitzt und hierbei in diesem Körper ein Unterdruck herrscht wobei der anstehende Luftdruck durch ein partikelartiges Medium vorzugsweise Gesteinspartikel abgestufter Größe aufgenommen wird und hierdurch eine Stabilisierung und Reduktion des Materialaufwandes erfolgt.
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Eine mögliche sinnvolle Ausgestaltung ist, dass das Spiegelsystem aus einzelnen aus Glas, Metall oder Kunststoff vorgefertigten Teilen, wie Lager, Kolben, Spiegelfläche und Grundkörper, die jeweils für sich ein Vakuum und einen umhüllende Aussenhaut besitzen und durch kleben,löten, schweissen, pressen oder ähnliches verbunden sind, besteht.
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Eine besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Material des Heliostatenkörpers einen zumindest einen inneren Raum luftdicht umschließt. In diesem Raum befindet sich ein weitgehend kompressionsstabiles Material vorzugsweise ein Gesteinsgemisch oder Sand möglichst hoher Packungsdichte und entsprechender Körnungsabstufung.
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Weiterhin ist der Körper des Heliostaten in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck herrscht und hierdurch eine Stabilisierung des Heliostatenkörpers durch den von außen anstehenden Luftdruck erreicht wird und somit eine Materialeinsparung der tragenden Struktur erzielt wird.
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In einer weitere besonderen Ausführungsform wird der oder die gekrümmten Aktuatoren durch das gezielte Einbringen oder Ablassen einer Flüssigkeit über elektronisch gesteuerte Ventile angesteuert und so eine präzise Positionierung erreicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besitzt dieser Körper insgesamt zwei unabhängige Aktuatoren so dass die Spiegelfläche eine Ablenkung der Sonneneinstrahlung je nach Tages und Jahreszeitpunkt auf einen Sammelpunkt zum Beispiel einen Solarturm möglich ist.
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In einer weiteren idealen Ausführungsform ist der luftdichte Heliostatenkörper vorzugsweise aus Glas oder Recyclingglas gefertigt. Idealerweise besteht der Heliostat aus im Wesentlichen drei Bauteilen. Aus einem ersten, den Spiegel beinhaltenden Heliostatenkörper mit Lagerfläche einer ersten Achse und einen um diese Achse gekrümmten Kolben oder gekrümmten Zylinder. Weiterhin aus einen zweiten Teil der eine dazugehörige Lagerfläche für die erste Achse bildet und so mit dem ersten Teil artikuliert sowie einen um den Drehpunkt der ersten Achse gekrümmten Zylinder oder Kolben welcher mit dem Gegenstück der ersten Teiles einen vollständigen Aktuator bildet.
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Weiterhin ist der zweite Teil dadurch gekennzeichnet dass dieser eine weitere Lagerfläche einer zweiten Achse trägt sowie einen zweiten hydraulischen Aktuator der die Bewegung um die zweite Achse bereitstellt. Dieser zweite Aktuator kann wie der erste idealerweise eine Krümmung um die zweite Achse aufweisen. Eine alternative Ausführung des Aktuators des zweiten Heliostatenbauteiles zur Bewegungsnachführung der zweiten Achse, ist eine in Richtung der Achse angeordneter Zylinder-Kolbenkombination deren unterschiedliche hydraulisch herbeigeführte Position in Verbindung mit einer schiefen, idealerweise spiralförmigen Ebene oder einem Gewindeantrieb eine Rotation um die zweite Achse ermöglicht.
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Die Ausrichtung der Achse und der jeweilige Bewegungsumfang sollten verständlicherweise so gewählt werden dass möglichst zu jeder Jahreszeit von Sonnenaufgang bis Untergang die Ablenkung auf ein festes Ziel, etwas einen Absorber oder Reaktorbehälter etwa auf einem Solarturm möglich wird.
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Hierbei kann die Ausrichtung der Achsen auf zahlreiche Arten bei der Anfertigung und Auslegung auf vielfältige Weise erfolgen. Eine Möglichkeit neben einer häufig vorgenommenen beliebigen orthogonalen Anordnung wäre eine polare Montage wobei hierbei eine Achse des Heliostaten parallel zur Rotationsachse der Erde ausgerichtet ist.
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Zufuhr der Hydraulikflüssigkeitsmenge präzise Steuern. Hierbei kann die genaue Steuerung durch zahlreiche und seit vielen Jahren bekannten Verfahren dem Stand der Technik nach entsprechend erfolgen. Beispielhaft seinen präzise Neigungssensoren am Heliostaten in Verbindung mit kalendarischer Positionsberechnung, Kamerasysteme am Solarturm oder interferometrische Lösungen genannt, die je nach Ausführung jeweils eine direkte Rückkopplung und sehr feine Ausrichtung in Echtzeit und somit das Erreichen von hohe Prozesstemperaturen ermöglichen.
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Als praktische Umsetzung bietet sich die Bündelung des hydraulischen Ventilsystems von mehreren Heliostaten in einem zentralen Unterverteiler und Ventileinheit die mit dünnen Hydraulikleitungen die Ansteuerung der Aktuatoren. Idealerweise erfolgt die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck sowie die Speicherung des Rücklaufes mehr oder weniger Zentral. Beispielsweise bieten sich hierbei zentral angeordnete photovoltaisch betrieben Pumpsysteme an. Als Hydraulikflüssigkeit bietet sich aus Kosten- und Umweltgründen insbesondere Wasser an.
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Eine ideale Ausgestaltung des vorgeschlagenen Heliostaten bedient sich im Vergleich zu üblichen Hydrauliksystemen in anderen Feldern der Technik im Verhältnis großer Kolbenflächen um somit eine stabile monolithische Konstruktion zu erlauben. Also idealerweise unter Anwendung einer singulären gläsernen oder sonstigen äußeren Hülle mit recht geringer Materialdicke in Verbindung mit der Partikelfüllung mit Vakuum.
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Weiterhin wird es durch die ausreichend große Kolbenfläche zum anderen möglich mit sehr geringen Sysmtemdrücken von beispielsweise 0,5 bis 1,5 bar arbeiten zu können. Die Aktuatoren können der einfach oder doppeltwirkend ausgeführt werden. Die entsprechenden Kolben und Zylinder besitzen vorzugsweise entsprechende Dichtungs-und Abstreifringe bekannt aus dem Stand der Technik der allgemeinen Hydraulik.
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Eine vorzugsweise Ausgestaltung bedient sich der Nutzung von Kugeln oder Rollen die in entsprechenden ausformten Laufbahnen der Lagerfläche laufen und somit die Reibung reduzieren und dennoch eine Spielfreie Lagerung ermöglichen. Zudem kann eine nichtlösbare drehbare Verbindung zwischen den einzelnen Heliostatenteilen durch die Zugabe der Kugel beim Montageprozess erfolgen so das beispielsweise eine gute Windstabilität erreicht wird.
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Neben einer Achse mit gekrümmtem Aktuator kann die in der Regel notwendige zweite Achse für den Heliostaten ebenso durch einen oder mehrere gekrümmten Aktuator oder Aktuatoren oder durch einen bekannten elektromechanischen oder hydraulischen Antrieb nach Stand der Technik erfolgen.
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Die Form der Spiegelfläche kann ja nach Auslegung und Anordnung des Heliostatenfeldes vorzugsweise rund, polygon oder rechteckig sowie quadratisch gewählt werden.
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Zusammenfassend soll das Konzept des einfachen Aufbaues der Hauptkomponenten des Heliostaten aus monolytischem Glasbauteilen eine kostengünstige, haltbare und präzise Möglichkeit der Nutzung von Sonnenenergie in Kraftwerken oder Stoffumwandlungen zu ermöglichen.
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Hierbei ist die Spiegelfläche idealerweise Teil des Körpers und ebenso für die gasdichte Umhüllung des stabilisierenden Sandteile verantwortlich. Hierdurch ist eine besonders effiziente Herstellung des Heliostaten etwa durch ein Rotationsblasverfahren oder eine Kombination aus Press-, Blass- und Floatglassverfahren möglich.
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Ebenso wäre eine alternative Herstellungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Heliostaten die Kombination von konventionell hergestelltem Floatglassspiegel welcher durch eine bleifreie Glaslötverbindung mit einer im Press- oder Blasverfahren hergestellten Glasteiles verbunden wird. Hierbei wird nach der Fügung der beiden Teile das Innere mit dem partikelartigen Medium beispielsweise Sand gefüllt und Anschließend ein Vakuum im inneren durch Abpumpen erzeugt. Hierbei kann die Packungsdichte durch leichte Vibration erhöht werden. Anschließend wird der Einfüllstutzen nach optionaler Zufuhr eines Getterpulvers beispielweise Magnesium mittels Abschmelzen dauerhaft luftdicht verschlossen.
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Die Beispielhafte Ausgestaltung des Heliostaten bedient sich einer entsprechend des Abstandes zum Brennpunkt leicht gekrümmten Spiegelfläche sowie einer Rückseite die ebenso aus Glas hergestellt wird. Für die Frontseite ist eisenarmes, planpafalleles klares Glas erforderlich. Idealerweise in einer Dicke von 3-8mm. Für die Rückseite ist ein einfaches Glas idealerweise Recyclingglas oder Glas aus Verwendung lokaler Rohstoffe auch reduzierter Qualität möglich. Eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist durch Steuerung der Zuschläge jedoch vorzugsweise einzuhalten. Die Glasdicke des Heliostatenkörpers kann auf Grund der späteren Vakuumstabilisierung bis auf unter 1mm reduziert werden. So wird ein geringer Energie und Rohstoffbedarf sichergestellt.
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Die Formgebung des Heliostaten erfolgt durch bekannte Verfahren wie sie etwa in der Produktion von Flaschenglas und Floatglas bekannt sind.
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Idealerweise erfolgt die Herstellung des Heliostaten in möglichst wenigen Prozessschritten. So kann der Spiegel inclusive des Lagers und Aktuatorkolbens in einer entsprechenden gepressten Vorform aus einem halbflüssigen Glasrohling in einem Arbeitsgang durch Einpresssen von Druckluft erzeugt werden. Wobei idealerweise in einem Schritt die Frontfläche, der Kolben oder Zylinder für den Aktuator und das Lager in einem Schritt erzeugt werden. Zu Sicherstellung einer planen Spiegelfläche kann der entsprechende Teil der Form mit flüssigem Zinn gefüllt sein oder sich im Falle einer planen, festen Metallfläche in Rotation befinden.
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Nach einer Ausreichenden Abkühlung erfolgt im Weiteren eine Verspiegelung der Spiegelfläche idealerweise durch bedampfen mit Aluminium oder Silber unter Vakuum in bekannter Weise nach PVD oder alternativ durch chemische Abscheidung.
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Anschließend kann optional eine Schutzschicht auf die dünne reflektierende Schicht aufgebracht werden. Es folgt nun das Einbringen der druckstabilen Füllung idealerweise das Einbringen von gereinigtem und getrocknetem Sand.
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Idealerweise unter leichter Vibration kommt es zu einer Verdichtung und Füllung des Spiegelkörpers. Im Weiteren kann nun das Vakuum angelegt werden. Hierbei wird idealerweise zur erhalt der Präzision der Spiegelfläche die selbige auf einer entsprechenden Form aufgelegt und so stabilisiert bis das Vakuum angelegt wurde.
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Im weiteren Schritt kann nun das Abschmelzen des Einfüllstutzen unter weiter anliegendem Vakuum im Glasheliostatenkörper zur dauerhaften Versiegelung erfolgen.
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Nach einer entsprechenden Abkühlung steht nun der Heliostatenköper zur Montage bereit.
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Als wesentliche, vorteilhafte und hierdurch effiziente Ausgestaltung bestehen die Lagerflächen, die Aktuatoren, beispielsweise die Zylinder und Kolben sowie der optische Spiegel aus einem singulären Material idealerweise Glas.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung eines Heliostaten bedient sich hierbei das die zentralen Teile praktisch komplett aus Glas hergestellt werden. So dass neben der gläsernen Spiegelfläche auch der tragenden Teil des Heliostaten sowie die Oberfläche des Lagers und die Form der Aktuatoren bilden. Wobei die jeweiligen genannten Funktionseinheiten Spiegel, tragende Struktur, Lager und Aktuator jeweils ineinander Übergehen und somit einen monolithischen Aufbau bilden und die eine entsprechende effiziente Massenfertigung ermöglichen.
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Weiterhin ist dieser monolithische Aufbau dadurch gekennzeichnet, dass im inneren sich zumindest ein Raum mit einem partikelartigen Medium befindet der luftdicht umschlossen ist und in dem ein weitgehendes Vakuum herrscht.
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Durch das Vakuum erfolgt eine Stabilisierung der Struktur durch den anliegenden atmosphärischen Luftdruck so dass eine besonders effizientes und materialsparendes Design möglich wird.
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Durch die enthaltenden Partikel wird dieser Druck aufgenommen und es ist eine besonders geringe Materialdicke des Heliostatenkörpers möglich.
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Idealerweise besteht die innere Füllung aus einem natürlichen Partikelgemisch mit entsprechend abgestufter Körnung um eine hohe Packungsdichte zu erzielen so etwa Sand idealerweise mit verzahnendem, nichtrundem Korn in absteigender Korngröße
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Weiterhin ist im Falle des monolithischen Aufbaus aus Glas die Spiegelfläche vorzugsweise von der Innenseite mit einer spiegelnden Schicht versehen, die einen hohen Reflektionsgrad aufweist, etwa Aluminium oder Silber. Weiterhin in einer sinnvollen technischen Ausführung mit einer dünnen Schutzschicht etwa aus Kupfer in Richtung nach Innen um etwa Schäden durch den Druck der Füllpartikel zu verhindern und eine Oxidation durch Sauerstoff- oder Wasserdampfreste zu verhindern.
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Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung bedient sich der Füllung des inneren Hohlraumes welcher dauerhaft unter Vakuum verbleibt mit getrocknetem Sand sowie einem Gettermateriales zur Bindung eventuell verbliebener Reste von korrosiven Gasspuren die unter Umständen über Jahrzehnte negativen Einfluss auf die innere reflektive Schicht haben könnten.
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In Sonderfällen die eine Bündelung auch der ultravioletten Strahlungsanteile erfordern, ist es Ausnahmsweise sinnvoll eine reflektive Schicht an der äußeren Oberfläche anzubringen.
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Eine alternative Ausgestaltung wäre auch durch weitere luftdichte Materialien außer Glas, wie beispielsweise Metall, Kunststoff oder Verbundmaterialen möglich. Wobei auch hier es sinnvoll erscheint einzelne Heliostatenbauteile möglichst aus einem einzelnen Material zu fertigen. So wäre eine sinnvolle Ausgestaltung etwa die Fertigung des Spiegelkörpers mit Aktuator und der Lagerflächen aus Aluminium welches dann an der Spiegelseite optisch poliert und etwa mit einer Schutzschicht aus Siliziumdioxid versehen ist.
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Als weitere sinnvolle Ausgestaltung des Heliostaten ist die Ansteuerung im Feld durch elektronisch angesteuerte Ventilsysteme die je nach Vorgabe eines Steuerungssystemes die In analoger Weise kann die Fertigung der in der Regel notwendigen beiden weiteren Heiostaten Teile erfolgen. Wobei die Lager idealerweise so ausgestattet sind das eine letztendlich Montage und Zusammenführung der Heliostatenteile durch Zufuhr von Kugeln oder Rollen aus Glas oder Kunststoff analog beispielsweise eines Schrägkugel oder Wälzlagers erfolgt. Ebenso sollte an der Form der Aktuatoren eine entsprechende Aussparung für Dicht und Anschlusselemente sowie Anschlüsse der Hydraulikleitungen welche die Verbindung zu den Ventilen vorliegen. Diese sind aus Gründen der Einfachheit in den Zeichnungen nicht eingezeichnet.
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Je nach Formgebung und Gewichtsverlagerung können die gekrümmten Aktuatoren doppel- oder idealerweise einfachwirkend mit Rückstellungkraft durch das Gewicht des Spiegels selbst ausgeführt sein.
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Die Konfiguration und Anordnung der Achsen und Aktuatoren sowie der Anzahl des vorgeschlagenen Spiegelsystemes ist in zahlreichen Abwandlungen und nach Stand der Technik bekannten Achskonfiguration möglich. Vorzugsweise erfolgt eine Anordnung der Achsen in bekannter Azimuth und Elevations Anordnung oder alternativ in 2 Achskonfiguration mit primär horizontaler Achse oder primär vertikaler Achse..
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Ebenso ist mit der Stabilisierung mittels Vakuum auch herkömmliche Pfahlkonstrüktionen mit entsprechender Integration des gekrümmten Aktuators denkbar. Auch sind verschiendene Kombinationen von Materialien möglich. Es bietet sich zum Beispiel an Glas für den Spiegelkörper mit Aktuator, Metallblech mit Vakkumfüllung oder Vollholz für den Grundkörper und alternativ Beton für das tragende Fundament der ersten Achse zu verwenden.
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Jedoch ist die neuartige resourcenschonende Technik sinnvollerweise in allen Baugruppen eines Heliostaten zu verwenden. Idealerweise können zum Großteil die bekannten Massenproduktionsverfahren von Glaswaren abgewandelt und eingesetzt werden. Wobei idealerweise Rohstoffe vor Ort der Anlage unter Beigabe von geringen Anteilen von Zuschlägen zur Sicherung der thermischen und materialtechnischen Eigenschaften und idealerweise gebündeltes Sonnenlicht zum Aufschmelzen der Glasrohstoffe verwendet werden. Ebenso erfolgt die vorgeschlagene Füllung des Heliostatenkörpers mit vor Ort anfallendem zerkleinerten Gestein und Gesteinsmehl was beispielsweise beim Anfertigen der Fundamente des Solarturmes und der Heliostatenfundamente anfällt.