DE112009001131T5

DE112009001131T5 - Verfahren zum Herstellen grosser Parabolschüsselreflektoren für eine Solarkonzentratorvorrichtung

Info

Publication number: DE112009001131T5
Application number: DE112009001131T
Authority: DE
Inventors: Roger P. Tucson Angel; Blain H. Tucson Olbert
Original assignee: Arizona Board of Regents of University of Arizona
Current assignee: Arizona Board of Regents of University of Arizona
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2011-04-07
Also published as: DE112009001131A5; AU2009246638B2; AU2009246638A1; DE112009001135T5; CA2722714C; EP2286467A2; US8430090B2; IL209186A0; AU2009246639B2; MX2010012355A; AU2009246637A1; WO2009140175A3; GB2471816B; CN102113135A; US8082755B2; MX2010012356A; EP2286466A2; CN102105413A; IL209185A0; KR20110052537A

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Glasreflektoren zur Benutzung als monolithische Reflektorschüsseln in einem Solarenergiesystem, folgende Schritte umfassend:
Erwärmen einer Platte aus Floatglas, die über einer Form positioniert ist;
Formen des Floatglases zu einer gekrümmten Schüsselform, die im Wesentlichen der Form entspricht;
Rollen der Kanten des Floatglases, um eine Lippe zur strukturellen Verstärkung am Umfang des schüsselförmigen Floatglases zu erzeugen; und
Erzeugen einer reflektierenden Fläche an dem schüsselförmigen Floatglas, um eine monolithische Reflektorschüssel zum Reflektieren von Solarenergie zu einem Brennpunkt zu formen, um die Solarenergie in nutzbare Energie umzuwandeln.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Klimawandel gilt als schwerwiegendes Problem, dem beträchtliche Aufmerksamkeit geschenkt wird. Aufgrund der weltweiten Erzeugung von Energie aus fossilen Brennstoffen sammeln sich große Mengen an Treibhausgasen in unserer Atmosphäre an. Viele Fachleute glauben, dass sich für unser Klima katastrophale Folgen ergeben, wenn nicht bald etwas dafür getan wird, diese Ansammlung zu verlangsamen oder umzukehren. Fachleute sagen voraus, dass ein globaler Temperaturanstieg von nur wenigen Grad zu einem Abschmelzen des Polareises und damit zu einem Anstieg des Meeresspiegels führen wird, der ausreicht, um eine Überflutung vieler Küstenstädte nach sich zu ziehen. Die Auslöschung vieler Tier- und Pflanzenarten wird ebenfalls von einigen Wissenschaftlern vorausgesagt. Angesichts dieser und anderer signifikanter negativer Auswirkungen der Verbrennung von fossilen Brennstoffen für die Energieerzeugung besteht ein wesentlicher Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die Energie in kosteneffektiver Weise erzeugen können, ohne dabei eine wesentliche Menge an Treibhausgasen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung soll die Umwandlung von Solarenergie in nutzbare elektrische oder chemische Energie durch Prozesse unterstützen, die entweder stark konzentrierte Solarenergie benötigen oder durch konzentriertes Sonnenlicht effizienter oder kosteneffektiver gestaltet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Elektrizitätserzeugung durch photovoltaische oder thermische Prozesse. Sie kann auch dazu genutzt werden, durch thermische oder photochemische Reaktionen Solarenergie in chemische Energie umzuwandeln.
Die Effizienz der thermischen Umwandlung wird durch das zweite Gesetz der Thermodynamik eingeschränkt, das für eine hohe Umwandlungseffizienz eine hohe Temperatur und somit hoch konzentriertes Licht verlangt. Die Effizienz der photovoltaischen Umwandlung lässt sich ebenfalls durch hoch konzentriertes Licht verbessern. In der Vergangenheit befasste man sich daher intensiv mit dem Problem der Umwandlung von Solarenergie bei hoher Konzentration, wobei allerdings keine wirklich zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt wurden. Trotz der Verfügbarkeit von Einrichtungen zur solaren Umwandlung, die bei hoch konzentriertem Licht effizienter arbeiten, spielen Solarenergiesysteme mit hoher Konzentration noch keine wichtige Rolle in der weltweiten Produktion von solarer Elektrizität. Ein wesentlicher Nachteil früherer Versuche in Bezug auf Systeme mit hoher Konzentration waren die hohen Kosten der opto-mechanischen Systeme, die benötigt werden, um hoch konzentriertes Licht für die solaren Umwandlungseinrichtungen bereitzustellen. Frühere Versuche waren zum Teil aufgrund der ungünstigen Größe der optischen Konzentratoren nicht kostenwirksam. Diese früheren Versuche beinhalteten häufig die Benutzung bestimmter Umwandlungseinrichtungen, in die konzentriertes Sonnenlicht entweder bei sehr niedrigen oder sehr hohen Leistungspegeln eingespeist werden musste, wobei diese Leistungsanforderungen meistens zu entweder sehr kleinen oder sehr großen Aperturen für diese Sonnenlichtkonzentratoren führten. Bei diesem Auslegungsansatz gelang es nicht, die Kosten pro erzeugter Elektrizitätseinheit (oder Einheit einer anderen Energieform) ausreichend zu senken.
In der Vergangenheit wurden für die meisten photovoltaischen Umwandler kleine Modulgrößen bevorzugt. Dies führte zu Ineffizienz und hohen Kosten. Arrays aus einer großen Zahl kleiner Module mit kleinen optischen Konzentratoren waren teuer in der Herstellung, der Montage und dem Transport, da sie sowohl groß als auch komplex waren und zahlreiche kleine optische und elektrische und thermische Bauteile aufwiesen, die auf einer großen Fläche angeordnet waren. Arrays aus kleinen Modulen boten zudem im großen Maßstab nur eine geringe Steifheit und wurden als Totgewicht von einer zweiachsigen Solarnachführung getragen. Es musste eine nicht unwesentliche Menge von zusätzlichem Gewicht in Form von Strukturelementen hinzugefügt werden, um Verbiegungen durch Schwerkraft oder Wind zu steuern und eine Verbindung mit der Nachführhalterung herzustellen. Dieser Auslegungsansatz führte zu einer signifikanten Steigerung der Kosten einer in solchen Systemen eingesetzten Nachführung und konnte keine ausreichende Senkung der Kosten pro erzeugter Elektrizitätseinheit (oder Einheit einer anderen Energieform) erzielen.
In der Vergangenheit wurde für thermische Solarsysteme, die einen sehr hohen Solarenergieeintrag bei hoher Konzentration benötigten, eine sehr hohe Modulgröße bevorzugt. Große optische Einrichtungen, die eine Konzentration in zwei Dimensionen vornahmen, um diese Anforderungen zu erfüllen, führten zu Ineffizienzen. Bei einigen Systemen war im Brennpunkt einer einzelnen großen Parabolschüssel ein thermisches Umwandlungsmodul angebracht, wobei eine Schüssel-Motor-Baugruppe von einer zweiachsigen Nachführung getragen wurde. Bei anderen Systemen war ein thermisches Umwandlungsmodul an einem Turm angebracht, und das Sonnenlicht wurde mittels eines Felds aus typischerweise tausenden von flachen Spiegeln auf Heliostaten darauf konzentriert. Beide genannten Auslegungsansätze waren hinsichtlich der Senkung der Kosten des Konzentratorsystems pro geliefertem Watt nicht optimal, und es gelang ihnen nicht, die Kosten pro erzeugter Elektrizitätseinheit (oder Einheit einer anderen Energieform) zu senken.
Bei großen Einzelparabolschüsseln nehmen die strukturelle Komplexität ebenso wie die Masse und die Kosten pro Flächeneinheit parallel zur Schüsselfläche zu. In der Vergangenheit wurde versucht, einen großen Reflektor zu benutzen, der aus zahlreichen kleinen gekrümmten Reflektorsegmenten zusammengesetzt war. Bei einem großen Reflektor aus vielen gekrümmten Reflektorsegmenten muss jedes einzelne Segment auf einem paraboloiden Tragegerüst ausgerichtet werden. Ein auf diese Weise zusammengesetzter großer Kompositreflektor war häufig von hohem Gewicht und teuer in der Herstellung und der Montage. In vielen Fällen wurden große runde Parabolschüsseln einzeln auf zweiachsige Nachführungen montiert und in großen Solarfarmen aufgestellt. Zwischen großen runden Parabolschüsseln dieser Art muss ein ausreichender Abstand vorliegen, um am frühen Morgen und am späten Nachmittag eine Eigenbeschattung zu vermeiden, was zu einer wenig optimalen Ausnutzung von Landfläche führte. Ein weiterer Nachteil großer runder Parabolschüsseln war die relativ hohe Windlast pro Flächeneinheit, die eine schwerere und teurere Tragestruktur erforderlich machte, um der Windlast standzuhalten.
In der Vergangenheit wurde versucht, mithilfe eines Felds aus Heliostaten eine hohe Energiekonzentration zu erreichen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Ansatzes bestand in der ineffizienten Nutzung der Nachführungen, die jeweils einen bestimmten Reflektorbereich trugen. Die Ineffizienz ergab sich daraus, dass Sonnenlicht, das auf die vielen Heliostatspiegel fiel, mit Winkeln einfiel, die stark von einem normalen Einfallwinkel abwichen, wodurch die durchschnittlich an einem Tag an den Energieturm gelieferte Sonnenenergie nur einen Bruchteil der Menge betrug, die eingefangen werden könnte, wenn alle Spiegel auf die Sonne gerichtet werden könnten. Ein weiterer Nachteil war die mechanische Komplexität vieler kleiner zweiachsiger Nachführungen für Heliostate.
Eine weitere Schwierigkeit vieler Solarkonzentratorsysteme des Stands der Technik war die besondere Belastung, der ihre zweiachsigen Nachführungen ausgesetzt waren. Es wurden kompakte Altazimute auf einem vertikalen Fußgestell verwendet. Typische Auslegungen waren nicht um die Elevationsachse herum balanciert und litten daher typischerweise unter hohen, konzentrierten Antriebslasten, weshalb sie eine robuste Antriebsmechanik benötigten. Natürlich erhöhte die robuste Antriebsmechanik die Kosten dieser Systeme, wobei die Kosten bei Solarenergiesystemen einen kritischen Faktor bilden, der über Erfolg oder Misserfolg entscheidet. Die mechanische Struktur großer Parabolschüsseln mit hoher Konzentration für die thermische Umwandlung wurde häufig besonders stark durch eine große radiale Öffnung für einen Arm beeinträchtigt, der einen Fluiderhitzer, einen Motor oder eine Turbine sowie einen elektromagnetischen Generator im Brennpunkt abstützen sollte.
Die Systeme des Stands der Technik zur Nutzung von konzentriertem Sonnenlicht bieten einen großen Spielraum für Verbesserungen. Es ist unwahrscheinlich, dass Solarenergiesysteme eine wesentlichen Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasen in der Atmosphäre spielen, solange mithilfe von Solarenergie keine Elektrizität zu Kosten erzeugt wird, die mit den Kosten für Elektrizität mithalten können, welche durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen erzeugt wird. Die Kosten spielen bei Solarenergiesystemen eine entscheidende Rolle. Ihre Bedeutung kann gar nicht genug betont werden, denn allein die Kosten können über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Solange durch Sonnenlicht erzeugte Elektrizität mehr kostet als durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen erzeugte Elektrizität, besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass die Solarenergie eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasen in der Atmosphäre spielen wird. Es besteht seit langem der Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Herstellen eines solaren Umwandlungssystems, das geringe Gesamtsystemkosten aufweist und das dazu in der Lage ist, Elektrizität zu Kosten zu erzeugen, die mit den Kosten von Elektrizität mithalten können, welche durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen erzeugt wird.
AUFGABEN UND MERKMALE DER ERFINDUNG
Eine zentrale Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektrizität oder anderen Formen von Solarenergie bei geringen Kosten bereitzustellen. Kosten sind von entscheidender Bedeutung, da solare Umwandlungssysteme anderenfalls kaum einen großen Anteil konventioneller Elektrizitätserzeugungsanlagen ersetzen dürften, die Elektrizität durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen erzeugen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Herstellungsverfahren, das geringe Gesamtsystemkosten für die solare Umwandlung unterstützt.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zum Bereitstellen hoch konzentrierter Sonnenstrahlung an hoch effiziente Umwandlungsmodule zu den geringsten Kosten pro Energieeinheit. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde bei dem Auslegungsoptimierungsprozess die Gesamtsonnenstrahlung, die den einzelnen Modulen eines solaren Umwandlungssystems zugeführt wird, als ein variabler Parameter benutzt, während die Apertur des optischen Auffangsystems des Moduls und die zugehörige mechanische Struktur variiert wurden, um die minimalen Kosten pro Watt an erzeugter Elektrizität zu ermitteln. Durch das Bestimmen des Leistungspegels für minimale Kosten pro Watt konnten hoch effiziente Umwandlungsmodule neu für diesen Leistungspegel optimiert werden, wobei es zu keinem oder nahezu keinem Effizienzverlust oder Anstieg der Umwandlungskosten pro Leistungseinheit kam. Im Fall von photovoltaischen Konzentratorzellen beispielsweise, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kann ein Umwandlungsmodul, das eine Vielzahl von dicht gepackten Zellen mit aktiver Kühlung aufweist und eine gleichmäßige Beleuchtung aller Zellen vorsieht, eine Eingangsleistung aufnehmen, die in Leistungseinheiten von mehr als etwa 50 W konzentriert wurde. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur in Systemen nützlich, die Photovoltaikzellen nutzen, sondern weist auch den Vorteil auf, zu geringen Kosten eine Eingangsleistung für optimierte thermische und chemische Umwandlungsmodule bereitzustellen.
Um einen merklichen Einfluss auf die Minimierung des Klimawandels ausüben zu können, der durch die Treibhausgase in unserer Atmosphäre verursacht wird, wird ein Herstellungsverfahren zur wirtschaftlichen Fertigung von Glasreflektoren benötigt, die in einem solaren Umwandlungssystem der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, das die Benutzung von kostengünstigem Floatglas für diese Glasreflektoren ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, das eine hohe Geschwindigkeit und hohe Produktionsraten erreichen kann. Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren, das zu geringen Kosten und bei einer Geschwindigkeit, die hoch genug ist, um den vollständigen Ausstoß einer üblichen Fertigungsstraße eines Floatglaswerks in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess zu erreichen, Glasreflektoren aus Floatglas herstellen kann.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sich die Leistung zum Minimieren der Kosten pro Watt im mittleren Bereich zwischen etwa 1 kW und etwa 20 kW erzielen lässt, einem Bereich, der von früheren solaren Konzentrationssystemen fast vollständig ausgespart wurde.
Die Konzentration der solaren Einstrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein starr zueinander ausgerichtetes Array mittelgroßer Parabolschüsselreflektoren, das von einer zweiachsigen Nachführung im Wesentlichen direkt auf die Sonne gerichtet wird. Jeder mittelgroße Parabolschüsselreflektor versorgt einen kompakten Wandler im Brennpunkt des Reflektors mit Leistung. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer klaren Trennung kompakter Energieumwandlungsmodule von einer Mehrzahl relativ einfacher, aber inhärent großer Energieauffangelemente. Auf diese Weise lassen sich die Aspekte der Massenproduktion, des Transports, der Montage, der Erneuerung und Wartung der drei Hauptkomponenten, also der Reflektorparabolschüssel, der Nachführungen und der Umwandlungsmodule separat optimieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der optische Durchsatz durch die Benutzung von Umwandlungsmodulen optimiert, deren Querschnittsfläche wesentlich kleiner ist als die Fläche der Reflektorparabolschüssel, der benötigt wird, um sie mit Leistung zu versorgen.
Am Tag geht die Sonne im Osten auf, bewegt sich über den Himmel und geht im Westen unter. Es besteht auch Bedarf daran, die Ausrichtung der Reflektoren derart anzupassen, dass sie sich zur Sonne hin wenden, während sich diese über den Himmel bewegt. Um ein kostenwirksames Solarerzeugungssystem herzustellen, ist es wichtig, die Kosten der tragenden mechanischen Struktur zu senken, die zum Verfolgen der Sonne dient. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, indem eine Vielzahl von Reflektor- und Umwandlermodulen in einem starren, leichten Raumfachwerk getragen werden. Ein Raumfachwerk gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine starre, leichte, offene Tragwerkstruktur von maximaler Steifheit und Festigkeit bei gleichzeitig minimaler Masse pro Flächeneinheit des aufgefangenen Lichts. Die offene Tragwerkstruktur erstreckt sich in drei Dimensionen, wodurch sie sowohl eine hohe Steifheit gegen Verbiegen durch Schwerkraft und Wind als auch eine hohe Festigkeit erreicht, um gelegentlichen starken Winden standzuhalten. Zwei Dimensionen erstrecken sich über die Fläche des aufgefangenen Sonnenlichts, und die dritte Dimension erstreckt sich in senkrechter Richtung an der optischen Achse, die die Reflektormodule unten und die Umwandlermodule oben miteinander verbindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Kosten der Reflektoren und der Nachführung durch die Benutzung kostengünstiger Materialien wie Glas und Stahl weiter verringert. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass einzelne Reflektoren die Form eines großen Glasmonolithen aufweisen, im Gegensatz zu einem Array aus einzelnen aneinander anliegenden Segmenten. Die monolithische Konstruktion vereinfacht die Herstellung und den Einbau des Glasreflektors und reduziert die Anzahl von Abstützungspunkten pro Flächeneinheit für eine jeweilige Glasdicke sowie die Masse pro Flächeneinheit (Flächendichte).
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die primäre Parabolschüsseloptik eine optische Qualität aufweist, die zu einer nur moderaten Verschlechterung an der Konzentrationsgrenze führt, welche sich aus dem Durchmesser der Sonnenscheibe ergibt, und die Fähigkeit aufweist, Sonnenstrahlung bei einer hohen Konzentration von vorzugsweise dem 10.000-fachen an den direkten Brennpunkt eines allgemein paraboloiden Reflektors mit einer niedrigen Öffnungszahl bereitzustellen. Eine solch hohe Konzentration ist am eigentlichen Umwandlungspunkt nicht immer notwendig, aber zusammen mit einer präzisen Nachführung der starren Raumfachwerkstruktur bietet diese Konzentrationsstärke maximale Flexibilität bei der Auslegung der Umwandlungsmodule, um die Vorteile der Solarkonzentration voll auszuschöpfen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Seitenverhältnis des Arrays aus Reflektoren, die von den einzelnen zweiachsigen Nachführungen getragen werden, breit und niedrig ist. Die horizontale Erstreckung, die für die vorliegende bevorzugte Auslegung vorgesehen ist, minimiert bei niedrigem Sonnenstand die Beschattung durch benachbarte Module auf einem Feld mit einer Vielzahl von Modulen und maximiert auf diese Weise die Flächenausnutzung. Diese bevorzugte Auslegung verringert zudem die Windlast.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Antriebe einen hohen mechanischen Vorteil aufweisen, der auf vorteilhafte Weise parasitische Belastungen durch Antriebsmotoren verringert. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Antriebselemente in einem großen Radius angewandt werden, was die Antriebskräfte und die Masse der Antriebskomponenten auf vorteilhafte Weise verringert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung beinhaltet 1) eine Vorrichtung zum Bereitstellen von konzentriertem Sonnenlicht für die Produktion von elektrischer Energie durch Umwandlungsmodule und 2) ein Herstellungsverfahren für versilberte Glasreflektoren, das sich zur Verwendung bei der Fertigung einer solchen Vorrichtung eignet.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl großer Parabolschüsselreflektoren, die in einem starren Array zueinander ausgerichtet sind, und die vorsehen, über jeder Reflektorparabolschüssel ein kompaktes Solarumwandlungsmodul zu halten. Die Tragestruktur für die Reflektoren und die Umwandlungsmodule ist als ein dreidimensionales Raumfachwerk hergestellt, wobei die Elemente, die die Reflektoren mit den Umwandlungsmodulen verbinden, der Struktur Tiefe verleihen, und auf diese Weise ebenfalls zur hohen Gesamtsteifheit beitragen. Das Raumfachwerk stellt zusammen mit den Elevationslagern und -antrieben eine Elevationsstruktur für eine zweiachsige Altazimut-Nachführung mit Azimutlagern und -antrieben bereit. Wenn die Nachführung derart positioniert ist, dass das Reflektorarray auf die Sonne gerichtet ist, wird stark konzentriertes Sonnenlicht an die Umwandlungsmodule oder Umwandlermodule bereitgestellt. Die Erfindung lässt sich vorteilhaft mit verschiedenen Umwandlungsmodulen benutzen, darunter mit Umwandlungsmodulen, die durch photovoltaische oder thermische Prozesse Elektrizität erzeugen, oder Umwandlungsmodulen, die durch thermische oder photochemische Reaktionen Solarenergie als chemische Energie speichern.
Vorzugsweise sind die mit der Vorrichtung benutzten Umwandlermodule klein, um die Reflektorparabolschüsseln nicht wesentlich zu beschatten. Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Satz von Umwandlern und geeigneten Wärmetauschern aufweist, bildet ein unabhängiges Solarenergieumwandlungssystem. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dazu angepasst, eine Solarenergieumwandlung in großem Maßstab bereitzustellen, indem sie mehrere derartige unabhängige Solarenergieumwandlungssysteme verwendet, die in Massenproduktion herstellbar sind. Große Arrays aus Solarenergieumwandlungssystemen können vorteilhaft im Freien aufgestellt oder an Orten mit starkem direkten Sonnenlicht eingesetzt werden, beispielsweise in der Wüste im Südwesten der Vereinigten Staaten.
Durch die Benutzung einer Mehrzahl von Reflektorparabolschüsseln von optimaler Größe auf einer einzelnen zweiachsigen Nachführung gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich ein signifikanter Nutzen und signifikante Vorteile erzielen. Diese Konfiguration erlaubt die effiziente Ausnutzung von Material (in Bezug auf die Masse pro Leistungseinheit von konzentriertem Sonnenlicht). Vorzugsweise ist das Array um das Elevationslager herum balanciert, um Kräfte und Kräftepaare durch Wind und Schwerkraft zu minimieren. Die Reflektoren sind vorzugsweise in einem starren Raumfachwerk angeordnet, wobei das Raumfachwerk in allen drei Dimensionen Primärstreben zur Maximierung der Gesamtsteifheit aufweist, während gleichzeitig optimal angeordnete Verbindungspunkte vorgesehen sind, die Folgendes halten: die einzelnen Reflektorparabolschüsseln; die Umwandlungsmodule; und die Montagepunkte für die Elevationslager und -antriebe. In den am meisten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht das Raumfachwerk im Wesentlichen aus einem rechteckigen Rahmen aus Stahlstreben mit Querversteifungen und stellt auf diese Weise ein sehr hohes Steifheit-Gewicht-Verhältnis bereit. In jeder großen Zelle des Raumfachwerks sind unten ein Parabolschüsselreflektor und darüber das zugehörige Umwandlungsmodul untergebracht.
Die Parabolschüsselreflektoren sind vorzugsweise als große Monolithe aus an der Rückseite versilbertem Floatglas mit niedrigem Eisengehalt hergestellt, wobei jeder Parabolschüsselreflektor von einer offenen Tragwerkstruktur getragen wird. Aufgrund der überlegenen Schutz- und Strukturfunktionen von Glas und dem sehr hohen Reflexionsvermögen werden für diese Erfindung an der Rückseite versilberte Reflektoren bevorzugt. Glas wird auch wegen seiner Steifheit und seiner chemischen und abmessungsbezogenen Stabilität bevorzugt, wodurch es die genaue Form des Reflektors über eine breite Spanne von räumlichen Größenordnungen beibehält. Die monolithische Konstruktion des Glases wird bevorzugt, da ein großer Reflektor strukturell effizienter ist, wenn er nicht als Array aus kleineren Segmenten, sondern als Monolith ausgebildet wird, und da große Glasmonolithe gemäß einem in diesem Dokument offenbarten Herstellungsverfahren in sehr großen Mengen kostengünstig hergestellt werden können. Silber ist ein bevorzugtes Reflexionsmaterial, doch anstelle von Silber können auch andere Materialien wie z. B. Aluminium benutzt werden, wobei es zu einer gewissen Leistungsbeeinträchtigung kommt. Die Langlebigkeit und die Stabilität von an der Rückseite versilberten Reflektoren bietet gute Haltbarkeitseigenschaften für Solaranwendungen, die den Wetterbedingungen im Freien ausgesetzt sind. Kalknatronsilikatglas mit niedrigem Eisengehalt ist aufgrund seines niedrigen Solarenergieabsorptionsgrades ein bevorzugtes Material. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch verstehen, dass an seiner Stelle auch andere Materialien benutzt werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Obwohl in der nachfolgenden Beschreibung das Wort „Glas” benutzt wird, versteht es sich, dass, soweit nicht anders angegeben, für diese Erfindung Kalknatronsilikatglas mit niedrigem Eisengehalt bevorzugt wird.
Vorzugsweise weisen die Parabolschüsselreflektoren eine axialsymmetrische konkave Form und einen im Wesentlichen quadratischen oder hexagonalen Umfang auf. Die Reflektoren sind in benachbarten Zellen des tragenden Raumfachwerks aufgereiht und in Größe und Form derart aneinander angepasst, dass Lücken und Energieverluste minimiert werden. Die Reflektoren weisen vorzugsweise eine relativ hohe optimale Größe auf und sind zudem monolithisch, um sowohl die Herstellung einfach zu gestalten als auch die Kosten pro Flächeneinheit möglichst gering zu halten. Ein wichtiges Merkmal der Auslegung besteht darin, dass die monolithischen Reflektorparabolschüsseln mit einer gerollten Kante versehen sind, um die Steifheit zu erhöhen und die Anzahl der Abstützungspunkte zu reduzieren und auf diese Weise die Herstellungs- und Installationskosten der einzelnen Glasmonolithe weiter zu reduzieren. Eine gerollte Kante bietet strukturelle Vorteile und wurde bei der Formung von reflektierenden solaren Glasparabolschüsseln bislang nicht eingesetzt. Die Reflektoren sind aus einem Glas von vorzugsweise etwa 4 mm Dicke hergestellt und werden von Auflagern, die vorzugsweise etwa einen halben Meter voneinander beabstandet sind, auf einem offenen Tragwerk abgestützt. Der Reflektor ist vorzugsweise mit einem nachgiebigen Klebstoff mit dem Auflager verbunden. Die Parabolschüsseln weisen eine paraboloide Form oder eine andere konkave Form auf, die entsprechend der Auslegung des Generator oder Umwandlermoduls optimiert ist, welches zur Benutzung in der Nähe des Brennpunkts ausgewählt wurde.
Um die Kosten pro Flächeneinheit des Reflektors und seiner Montage zu minimieren, werden die einzelnen monolithischen Glasreflektorschüsseln in ihrer Größe optimiert, wobei bestimmte Abstimmungen zwischen Kosten und Nutzen ausgenutzt werden, und werden vorzugsweise so groß hergestellt, wie es angesichts weiterer wichtiger zu beachtender Punkte praktisch möglich ist. Die vorliegende Erfindung bietet signifikante Kosteneinsparungen, indem sie es ermöglicht, aus einer vollständigen Standardbreite aus der Floatglasproduktion, die im Allgemeinen etwa 3,3 m beträgt und stark bevorzugt wird, Glasreflektorschüsseln herzustellen. Jeder große quadratische oder hexagonale Reflektor ist vorzugsweise an einem starren, leichten Stahltragwerk angebracht. In einem bevorzugten Beispiel ist an der Oberfläche des Trägers ein Gerüst mit sechzehn Punkten in einem Viermal-Vier-Gitter vorgesehen, das zum Anbringen eines im Wesentlichen quadratischen Monolith von etwa 4 mm Dicke dient, wobei sich der Träger nach unten erstreckt und vier in einem Quadrat angeordnete Verbindungspunkte bildet, die zum Anbringen an unteren Ecken einer Modulzelle eines rechteckigen Elevationsraumfachwerks dienen. Bei einem bevorzugten quadratischen Reflektor, der aus 3,3 m breitem Glas ausgebildet ist, beträgt die aktive Fläche etwa neun Quadratmeter, wodurch die konzentrierte Sonnenleistung, die den einzelnen Schüsseln zugeführt wird, typischerweise etwa 8 kW beträgt (für 1000 Watt pro Quadratmeter an Sonneneinstrahlung und eine mittlere Reflektivität von mehr als 90%). Die am besten für die Benutzung mit dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeigneten Umwandlungsmodule sind solche, die bei einer Eingangsleistung von etwa 8,5 kW pro Modul effizient arbeiten können.
Werden die oben genannten Einschränkungen zusammengefasst, weist eine Modulreflektorzelle eines im Wesentlichen quadratischen Schüsselreflektors vorzugsweise die Form eines geraden Prismas mit einem quadratischen Querschnitt auf. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Reflektors wird von den Ecken des unteren quadratischen Endes der Modulzelle abgestützt, und der kompakte Umwandler oder Generator wird von den Ecken des gegenüberliegenden oberen Endes durch dünne Querelemente abgestützt, die vorzugsweise gespannt sind. Die Modulzelle weist nicht nur an der Umwandlerseite, sondern an allen sechs Seiten Querelemente auf, wodurch sie in allen drei Durchbiegungsrichtungen und allen drei Verdrehungsrichtungen sehr steif ist. Mehrere solche Modulreflektorzellen sind in einem Array verbunden und bilden ein tiefes, starres Elevationsraumfachwerk. Die Elevationsstruktur der zweiachsigen Nachführung umfasst vorzugsweise ein n × m-Array der Zellen, die dazu konfiguriert sind, ein starres Raumfachwerk zu bilden. Dieses Raumfachwerk kann einen Versatz zwischen horizontalen Reihen von Modulen aufweisen, um die mechanische Leistung zu erhöhen. In jedem Fall wirken die meisten Strukturelemente sowohl lokal, indem sie die Modulumwandler in starrer Ausrichtung zu den ihnen zugehörigen Reflektoren halten, als auch übergreifend, indem sie ein sehr steifes Raumfachwerk bereitstellen. Um einen optimalen Ausgleich zwischen geringen Kosten und Leistung zu erzielen, sind die Querschnitte der Trägerstreben vorzugsweise derart ausgewählt, dass die Durchbiegungen unter maximalen Betriebslasten sich den Höchstvorgaben für eine Fehlausrichtung der unterschiedlichen Schüsselachsen durch Biegen annähern, während sich die Belastungen bei maximaler funktionsfähiger Windlast ihrem Versagensgrenzwert annähern. Die Konfiguration des Raumfachwerks und der Tragestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung sind dazu ausgelegt, zu geringen Kosten eine signifikante strukturelle Stabilität zu erreichen, was in einem praktischen wettbewerbsfähigen System zum Erzeugen von solarer Elektrizität einen entscheidenden Faktor darstellen kann. Die Raumfachwerkstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die erforderliche Leistung mit minimaler Masse pro Leistungseinheit und erreicht den wesentlichen Vorteil reduzierter Gesamtkosten.
Im Folgenden sollen zwei bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung beschrieben werden, die beide eine Altazimutkonfiguration verwenden. Eine erste und größere beschriebene Ausführungsform illustriert eine Konfiguration, wobei die Modulzellen in einem koplanaren Array senkrecht zu ihrer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, und wobei sich das Azimutlager an einer horizontalen Schiene dreht, die am Boden verankert ist. Die erste dargestellte Ausführungsform eignet sich besser für Anlagen von großem Umfang, die an einem ebenen Standort errichtet werden. Die dargestellte große Ausführungsform der Erfindung weist siebenundzwanzig Modulzellen in einem regelmäßigen Drei-mal-Neun-Elemente-Raumfachwerk auf. Die starre Elevationsstruktur weist ein Raumfachwerk mit zwei versteiften C-Ringen darunter auf, die in der Nähe ihres Schwerkraftzentrums einen virtuellen Drehpunkt bilden. Die Last der C-Ringe wird über eine gedrungene Azimutplattform mit vier Fahrgestellen nahezu unmittelbar zu einer kreisförmigen Azimutschiene am Boden geführt. Jedes Fahrgestell weist ein nach oben gewandtes Rad (Räder) zum Tragen eines C-Rings und ein nach unten gewandtes Rad (Räder) unmittelbar unterhalb auf, die auf der Azimutschiene fahren.
In einer zweiten beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung unter Verwendung einer Altazimutkonfiguration umfasst die Elevationsstruktur zwei gestaffelte Reihen von Modulzellen, wobei die obere Reihe zurückgesetzt und die untere Reihe nach vorne gesetzt ist. Die vordere Unterkante der oberen Reihe stimmt mit der hinteren Unterkante der oberen Reihe überein und bildet so ein gemeinsames Strukturelement, das sich über die volle Länge des Rahmens erstreckt und durch seine Schwerkraftzentrum verläuft und auf diese Weise ein sehr steifes Zentralelement zum Tragen des Elevationslagers bereitstellt. Ein wichtiges Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, dass zusätzlich zu den zwei Zellenreihen kaum weitere Strukturen benötigt werden, um ein Raumfachwerk und eine Elevationsstruktur zu bilden, die vollständig und äußerst steif sind. In dieser dargestellten Ausführungsform weist jede Reihe aus Reflektorzellen auch eine mittlere schmale Zelle zur Aufnahme des Elevationsachsenlagers auf. Die Azimutbewegung erfolgt um ein Fußgestell, das unterhalb der Elevationsachse zentriert ist. Dieses Fußgestell dreht sich an einem Pfahl, der vorzugsweise die Form eines Stahlträgers aufweist, welcher in ein Loch im Boden mit Schotter oder abgetragener Erde gesetzt ist, wobei vorzugsweise die Benutzung von Beton für die gesamte Baugruppe vermieden wird, um die Kosten gering zu halten.
Versilberte Glasreflektoren zum Einbau in einen Solarkonzentrator für die Verwendung in den oben beschriebenen Ausführungsformen, die auch in anderen alternativen Ausführungsformen einsetzbar sind, können gemäß dem kostengünstigen Verfahren aus Floatglas hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren trägt wesentlich zur Reduzierung der Gesamtkosten eines Solarstromsystems bei.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist Floatglas der Ausgangspunkt für den Reflektorherstellungsprozess. Floatglas wird aufgrund seiner hohen Qualität und seiner geringen Kosten stark bevorzugt. Floatglas verwendet zudem ausgereifte Technik, die das Herstellen von Glasreflektoren in sehr großen Mengen zulässt. Um eine signifikante Rolle bei der Reduzierung der Treibhausgase und der Kohlenstoffverschmutzung in der Atmosphäre zu spielen, ist ein Verfahren zum Herstellen von Glasreflektoren für Solarenergieumwandlungssysteme bei ausreichend niedrigen Kosten und in einer ausreichend hohen Menge wünschenswert, um die Massenproduktion von Systemen zur Erzeugung einer sehr hohen Elektrizitätsleistung zu unterstützen. Der hier beschriebene Prozess lässt sich vorteilhaft in eine Floatglasfertigungsstraße integrieren, derart, dass frisch geformtes heißes Glas aus der Floatglasfertigungsstraße in Form gebracht werden kann, bevor es ausglüht und abkühlt. Der Herstellungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Möglichkeit bereit, den gesamten Ausstoß eines Floatglaswerks zum Herstellen von Glassolarreflektoren zu nutzen, die in einem kontinuierlichen Prozess oder einer Fertigungsstraße produziert werden. Der Herstellungsprozess ist also dazu ausgelegt, bei sehr hoher Geschwindigkeit abzulaufen und beispielsweise zu erlauben, dass alle zehn Sekunden ein neuer Glasreflektor hergestellt wird, und kann die typische Produktionsrate eines Floatglaswerks für quadratische 3,3 m-Platten mit einer Dicke von 4 mm erreichen. Der Herstellungsprozess kann bei Bedarf auch bei einer geringeren Geschwindigkeit außerhalb einer Fertigungsstraße durchgeführt werden, doch die Möglichkeit hoher Produktionsraten gemäß dem offenbarten Herstellungsverfahren bildet einen wesentlichen Vorteil, den die vorliegende Erfindung bereitstellt.
Der erste Schritt des Herstellungsprozesses umfasst das Schneiden einer frisch geformten und noch heißen, aber starren Floatglasplatte in Stücke von Reflektorgröße. Darauf folgt der Schritt des Positionierens der einzelnen Glasstücke von Reflektorgröße über einer Ganzkörperform. Die einzelnen Glasstücke von Reflektorgröße werden dann erwärmt, während ihre Ecken gegen eine seitliche Bewegung gesichert werden. Während sich das Glasstück von Reflektorgröße in der erwärmten Umgebung erweicht, sackt das Glas durch und dehnt sich, wodurch es den Umfang der Form berührt und sich ihm anpasst und sich ansonsten frei absenkt, wodurch es die annähernde Form des Schüsselreflektors annimmt und zugleich seine glatte, spiegelartige Oberfläche beibehält. Die Eckabstützungen dienen dazu, eine Faltenbildung zu verhindern, indem sie das Glas zwingen, sich überall dort, wo es durchsackt, zu dehnen. Das Glasstück von Reflektorgröße nimmt die gewünschte Schüsselform an, wenn es den gesamten Formkörper erreicht und leicht berührt. Dieses Verfahren erreicht das Ziel einer präzisen Ausformung des Glasstücks von Reflektorgröße, ohne die optische Glätte der Vorder- oder der Rückfläche des Glases wesentlich zu verschlechtern. Vorzugsweise wird eine Edelstahlform benutzt, in die Scheitelkehlen eingearbeitet sind, um die Form präzise zu begrenzen und zugleich den Vorteil bereitzustellen, den Anteil des Glases, der durch einen Kontakt zur Form geschädigt wird, auf weit unter 1% zu beschränken. Während das Glasstück von Reflektorgröße noch weich ist und die konkave Schüssel geformt wird, werden an den Kanten des Glases Formungswerkzeuge benutzt, um das Glas zurückzudrücken und an einer abgerundeten Kante der Form gerollte Kanten zu bilden. Sobald die Ausformung abgeschlossen ist, kann das Glasstück von Reflektorgröße rasch abgekühlt werden, um es so weit auszuhärten, dass es aus der Form entnommen werden kann, ohne wesentliche Verzerrungen zu erfahren. In einer kontinuierlichen Fertigungsstraße kann die Form zurück zum Anfang der Fertigungsstraße geleitet und wiederverwendet werden, um den nächsten Reflektor zu formen. Es ist wünschenswert, die Temperaturwechselbeanspruchung der Form möglichst gering zu halten, da eine Temperaturwechselbeanspruchung die Lebensdauer der Form senkt. Das offenbarte Herstellungsverfahren erreicht das wünschenswerte Ergebnis einer möglichst geringen Temperaturwechselbeanspruchung der Form, indem Scheitelkehlen an der Wirkfläche der Form verwendet werden, die dem geformten Stück Glas entspricht, wobei die Kehlen die Wärmeübertragung vom Glas an die Form minimieren. Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Temperaturwechselbeanspruchung der Form weiter reduziert, indem die Wirkfläche der Form in der Nähe des geformten Glasstücks beschichtet wird, so dass sie Wärmestrahlungsflüsse, die während des Erwärmens und Abkühlens auftreten, gut reflektiert.
Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist ein bevorzugtes Verfahren zum Erwärmen und Abkühlen eines geformten Stückes Floatglas, um die wünschenswerten hohen Produktionsraten zu erreichen. Vorzugsweise werden viele Formen gleichzeitig benutzt, die beispielsweise in einer Fertigungsstraße angeordnet sind, um mit einer typischen Fertigungsrate der Bandproduktion von Floatglas mitzuhalten. Der Formungszyklus gemäß einem bevorzugten Herstellungsprozess umfasst: Positionieren einer Glasplatte von Reflektorgröße in ein korrespondierendes Verhältnis zu einer Form; Erwärmen der Glasplatte durch rasches Erwärmen durch Strahlung, um die Glasplatte zu erweichen; Halten der Glasplatte in einer erwärmten Umgebung, bis die Glasplatte durch Absacken, Dehnen und Setzenlassen der Glasplatte an der Form zu einem Reflektor geformt wurde; Formen der Kanten der Glasplatte; Kühlen der Glasplatte durch rasches Kühlen durch Strahlung; Entnehmen des geformten Glasreflektors zum Ausglühen und Abkühlen; und Rückführen der Form zur erneuten Beladung. Der offenbarte Herstellungsprozess ist zu einer schnellen Produktion von Glasreflektoren in der Lage und ist dazu angepasst, eine geschätzte Verarbeitungszeit für die Durchführung dieser Schritte von etwa drei Minuten zu erreichen. Die Vorteile der Produktionsrate, die der offenbarte Herstellungsprozess bietet, werden noch deutlicher, wenn bedacht wird, dass etwa alle zehn Sekunden eine neue Glasplatte zu einem geformten Glasreflektor verarbeitet werden kann, indem gemäß der vorliegenden Erfindung zwanzig Formen oder mehr in einer Fertigungsstraße verwendet werden. Bei einer solchen Fertigungsstraße mit zwanzig Formen ermöglicht eine Fertigungsstraßenlänge von etwa 100 Meter mehrere Minuten der thermischen Verarbeitung, bevor eine Form zurückgeführt wird, basierend auf einer Fertigungsstraßenlänge, die etwa das Zwanzigfache oder mehr der Abstände zwischen Formen beträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Arrays aus Reflektoren, die auf einer beweglichen Tragevorrichtung mit einem zweiachsigen Nachführsystem montiert sind, und die verteilte Solarumwandlermodule aufweisen.
2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß 1, betrachtet entlang der Elevationsachse des zweiachsigen Nachführsystems.
3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform gemäß 1, betrachtet entlang der optischen Achse des zweiachsigen Nachführsystems.
4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht (Teilansicht) einer Ausführungsform gemäß 1, die einen paraboloiden Reflektor und ein besonders bevorzugtes Umwandlermodul mit einer Kugellinse zeigt.
5 eine perspektivische Ansicht einer besonders bevorzugten Glaskugellinse zur Verwendung am Brennpunkt eines solaren Umwandlermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein besonders bevorzugtes Array von sekundären konzentrierenden Reflektoren zeigt, die in Bezug auf die Glaskugellinse passend angeordnet sind, wobei aus Gründen der Klarheit die gesamte Tragestruktur entfernt wurde.
6 eine Draufsicht auf mehrere Arrays von Reflektoren gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 in einer Konfiguration, die sich für eine Solarfarm eignet.
7 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform, die auf einer beweglichen Tragevorrichtung mit einem zweiachsigen Nachführsystem montiert ist.
8 eine Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß 7 mit einem zweiachsigen Nachführsystem, das auf einen niedrigen Elevationswinkel eingestellt ist, betrachtet entlang der Elevationsachse.
9 eine Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß 7 mit einem zweiachsigen Nachführsystem, das auf einen Elevationswinkel von 45° eingestellt ist, betrachtet entlang der Elevationsachse.
10 eine Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß 7 mit einem zweiachsigen Nachführsystem, das auf einen hohen Elevationswinkel eingestellt ist, betrachtet entlang der Elevationsachse.
11 eine Ausführungsform gemäß 7 bei Ausrichtung zum Horizont, betrachtet entlang der optischen Achse, und zeigt Einzelheiten eines Azimutlagers und eines Fußgestellfundaments.
12 eine alternative Ausführungsform bei Ausrichtung zum Horizont, betrachtet entlang der optischen Achse, und zeigt Einzelheiten eines Azimutlagers und eines Fußgestellfundaments.
13 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform gemäß 7, die Einzelheiten von Elevations- und Azimutantrieben zeigt.
14 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform gemäß 7, die Einzelheiten eines Azimutkettenantriebs zeigt.
15 eine perspektivische Ansicht, die Einzelheiten eines Elevationslagers für eine Ausführungsform gemäß 7 zeigt.
16 eine Draufsicht auf mehrere Arrays von Reflektoren gemäß einer in 12 gezeigten Ausführungsform in einer Konfiguration, die sich für eine Solarfarm eignet.
17 eine perspektivische Ansicht mehrerer Arrays von Reflektoren gemäß einer in 12 gezeigten Ausführungsform in einer Konfiguration, die sich für eine Solarfarm eignet.
18 eine Ansicht aus Richtung der Sonne von mehreren Arrays von Reflektoren gemäß einer in 12 gezeigten Ausführungsform in einer Konfiguration, die sich für eine Solarfarm eignet.
19 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines einzelnen Solarumwandlungsmoduls, die Einzelheiten einer Struktur zum Tragen eines Umwandlermoduls über einem quadratischen Reflektor zeigt.
20 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines einzelnen Solarumwandlungsmoduls, die Einzelheiten einer alternativen Struktur zum Tragen eines Umwandlermoduls über einem hexagonalen Reflektor zeigt.
21 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Reflektormoduls zur Verwendung in einem Solarumwandlungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Glasreflektor und seine Tragestruktur zeigt.
22 eine perspektivische Ansicht der Tragestruktur für einen monolithischen Glasreflektor gemäß der in 21 gezeigten Ausführungsform, die die Tragestreben und Verbindungspunkte zeigt, wobei der Glasreflektor entfernt wurde.
23 eine Draufsicht auf die Tragestruktur für einen monolithischen Glasreflektor gemäß der in 21 gezeigten Ausführungsform, die Einzelheiten des Gerüsts aus Tragepunkten und die oberen Tragestreben und Verbindungspunkte aus 22 zeigt.
24 eine perspektivische Ansicht einer Reliefkarte für eine berechnete Durchbiegung unter einer Axiallast durch ein g Schwerkraft für 4 m Dicke, die die Veränderung des Steigungswinkels an der Fläche eines Glasreflektors zeigt, die durch die Belastungssteigungsabweichung verursacht wird.
25 eine Querschnittansicht eines Stücks Flachglas, das zu einem Reflektor zur Verwendung in den Ausführungsformen aus 1 und 7 geformt werden soll.
26 eine Querschnittansicht des Glasstücks aus 25, das auf eine Form gelegt wurde.
27 eine Querschnittansicht eines Glasstücks nach dem in 26 gezeigten Schritt, wobei das Glasstück durch mittels Strahlung übertragene Wärme erweicht wurde und teilweise an die Form angeformt wurde.
28 eine Querschnittansicht eines Glasstücks nach dem in 27 gezeigten Schritt, wobei das Glasstück sich vollständig an die Form angepasst hat.
29 eine Querschnittansicht eines geformten Glasstücks nach dem in 28 gezeigten Schritt, wobei das Glasstück durch Strahlungskühlen abgekühlt wird.
30 eine Querschnittansicht des geformten Glasstücks aus 29, wobei das geformte Glasstück aus der Form entnommen wurde.
31 eine perspektivische Ansicht, die eine quadratische Form mit einer flachen Glasplatte zeigt, die über die Form gehalten wird.
32 eine perspektivische Ansicht, die eine quadratische Form mit einer teilweise gekrümmten Glasplatte zeigt, die über der Form aufgehängt ist.
33 eine perspektivische Ansicht, die eine quadratische Form mit einer vollständig geformten Glasplatte zeigt, die auf der Form ruht, wobei die Eckabstützungen noch vorhanden sind.
34 eine perspektivische Ansicht, die eine quadratische Form mit einer vollständig geformten Glasplatte zeigt, die auf der Form ruht, wobei die Eckabstützungen entfernt wurden.
35 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf eine quadratische Form, die das darunter liegende Tragrahmenwerk und die Eckabstützungen zeigt.
36 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer quadratischen Form, die die Eckabstützungen und einige angebrachte Vorderplatten zeigt.
37 eine Querschnittdetailansicht einer Eckabstützung, die eine flache Glasplatte vor dem Formen hält.
38 eine Querschnittdetailansicht einer Eckabstützung, die eine teilweise geformte Glasplatte hält.
39 eine Querschnittdetailansicht einer Eckabstützung, die eine schüsselförmige Glasplatte zeigt, die auf der Form ruht, wobei die Eckabstützungen noch vorhanden sind.
40 eine Querschnittdetailansicht einer schüsselförmiges Glasplatte, die auf der Form ruht, wobei die Eckabstützungen entfernt wurden.
41 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die im Detail einen Abschnitt an der Kante einer Form zeigt, wobei ein Formungswerkzeug über der Form angeordnet ist.
42 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die im Detail einen Abschnitt an der Kante einer Form unter Anordnung eines teilweise geformten Glases zeigt.
43 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die im Detail einen Abschnitt an der Kante einer Form unter Anordnung eines teilweise geformten Glases zeigt, das von einem Formungswerkzeug zu einer gerollten Kante geformt wird.
44 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die im Detail einen Glasabschnitt zeigt, der durch das Formungsverfahren der vorliegenden Erfindung gekrümmt und mit einer gerollten Kante ausgebildet wurde.
45 eine schematische Darstellung, die eine aufgeschnittene Ansicht eines Abschnitts einer Formfläche mit Kehlen und Scheiteln zeigt.
46 eine schematische Darstellung, die eine aufgeschnittene Ansicht eines Formabschnitts zeigt, wobei geformtes Glas die Scheitel berührt.
47 eine Querschnittansicht einer Form mit Spitzen, die im Detail geformtes Glas zeigt, das nach dem Abschluss der Formung auf den Scheiteln ruht.
48 eine schematische Darstellung, die mehrere Formen zum Formen von Glasreflektoren in einer Fertigungsstraße zeigt, die dazu angepasst ist, Glasreflektoren bei einer Rate herzustellen, die der Ausstoßrate einer Floatglasfertigungsstraße entspricht.
49 eine schematische Darstellung eines elektrischen Steuerungssystems für eine zweiachsige Solarnachführung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1, 2 und 3 zeigen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die mehrere Modulreflektorzellen 34 mit großen paraboloiden Reflektoren 1 zeigt, die koaxial in einem starren Rahmen 100 gehalten werden. In dem dargestellten Beispiel ist ein Array aus siebenundzwanzig Modulreflektorzellen 34 in einem rechteckigen Gitter gezeigt, das drei Reihen mal neun Spalten aufweist, wobei jedoch auch andere Konfigurationen und Anordnungen benutzt werden können, wobei mehrere Konzentratoren in verschiedenen anderen Konfigurationen angeordnet sind. Es ist wünschenswert, über die Möglichkeit zu verfügen, das Array aus Reflektoren 1 auf die Sonne zu richten, während sich die Sonne während des Tages über den Himmel bewegt. Um dies zu erreichen, wird die gemeinsame Achse der Reflektoren 1 mithilfe einer zweiachsigen Nachführung 107 auf die Sonne ausgerichtet. In diesem Ausführungsbeispiel dreht sich ein flaches Fahrgestell 101 auf einer kreisförmigen Schiene 102 auf dem Boden, um eine Azimutdrehung des Rahmens 100 bereitzustellen, der die paraboloiden Reflektoren 1 trägt. Die Elevationsbewegung wird von zwei C-Ringen 103 bereitgestellt, die an dem starren Rahmen 100 angebracht sind, und die sich an oberen Rädern 104 über und benachbart zu Fahrgestellrädern 105 um eine virtuelle Achse 110 drehen. Querträger für den Elevationsring 109 und Diagonalen in der Struktur 48 sorgen für Steifheit. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die paraboloiden Reflektoren 1 nahezu quadratisch oder im Wesentlichen quadratisch und weisen beschnittene Ecken 106 auf, um die Reflexionsfläche zu minimieren, die anderenfalls verloren gehen würde, und sind in einem starren Rahmen 100 von quadratischer oder rechteckiger Symmetrie angeordnet, derart, dass nahezu das gesamte Sonnenlicht, das von dem gesamten Array aus Modulreflektorzellen 34 aufgefangen wird, dem jeweiligen paraboloiden Brennpunkt 28 der einzelnen Reflektoren 1 zugeführt wird.
4 und 5 sind perspektivische Ansichten einer Modulreflektorzelle 34 mit einem Wandler in Form eines photovoltaischen Generators 4 und eines paraboloiden Reflektors 1. In das System gelangendes Sonnenlicht tritt als eintreffende Solarstrahlung oder Strahlen 2 ein, die von dem Spiegel 1 reflektiert werden. Der Spiegel 1 ist derart geformt, dass reflektierte Solarstrahlung oder Strahlen 3 zum Brennpunkt 28 gelenkt werden, wo ein photovoltaischer Generator 4 angeordnet ist, der in dieser Darstellung eine Kugellinse 5 aufweist. Der Spiegel 1 weist vorzugsweise eine im Wesentlichen paraboloide reflektierende Fläche auf, die so viel wie möglich von dem Sonnenlicht 2 reflektiert und es an der Position des Generators 4 konzentriert. Der Spiegel 1 ist vorzugsweise auf der Rückseite von Glas mit niedrigem Eisengehalt mit einer dünnen Silberbeschichtung versehen. Allerdings kann alternativ auch ein an der Vorderseite beschichteter Spiegel vorgesehen sein, obgleich er nicht bevorzugt wird, und es können alternative reflektierende Beschichtungen mit anderen metallischen oder dielektrischen Beschichtungen am Glas benutzt werden. Außerdem kann der Spiegel aus alternativen Materialien hergestellt sein, die trotzdem die gewünschte Reflexion von Sonnenlicht zum Generator 4 ermöglichen. Obwohl der Reflektor 1 vorzugsweise im Wesentlichen paraboloid konfiguriert ist, können auch andere gekrümmte Flächen verwendet werden, wobei es zu einer gewissen Leistungsbeeinträchtigung kommt. Ein paraboloid geformter Reflektor 1 wird bevorzugt, da er parallel einfallende Strahlen 2 zu einem Brennpunkt 28 hin reflektiert. Da die einfallende Sonnenstrahlung nicht die genaue Form von parallelen Strahlen 2 aufweist, können für die reflektierende Fläche 1 alternative Formen benutzt werden, um Strahlen 3 auf einen Brennpunkt 28 zu reflektieren, an dem sich der Generator 4 befindet. Allerdings wird angenommen, dass die hier beschriebene Kombination aus Elementen, welche den Spiegel 1 der bevorzugten Ausführungsform umfassen, einen optimalen Ausgleich zwischen Kosten und Leistung schafft. In einer bevorzugten Ausführungsform, in der der Reflektor 1 im Wesentlichen paraboloid ist, lässt sich eine Abweichung der Form der reflektierenden Fläche von der gewünschten paraboloiden Form als Flächensteigungsfehler der reflektierenden Fläche des primären paraboloiden Spiegels 1 charakterisieren, wobei jeder Wandler, der die vorliegende Erfindung voll ausschöpft, Spielraum für derartige Fehler sowie Spielraum für Nachführungsausrichtungsfehler vorsehen sollte. Dies ist ein wünschenswertes Merkmal zum Erreichen eines bestimmten Grads an Kosteneffektivität in Herstellung und Betrieb.
In der perspektivischen Ansicht aus 5 ist ein Beispiel eines Wandlers in Form eines photovoltaischen Generators 4 zur Benutzung am Brennpunkt 28 des paraboloiden Spiegels 1 gezeigt. Der Generator 4 umfasst eine Kugelfeldlinse 5 und weist mehrere sekundäre Reflektoren 45 auf, die konzentrisch um die Kugelfeldlinse 5 herum angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von sekundären Reflektoren 45 das konzentrierte Licht auf mehrere photovoltaische Konzentratorzellen 15 richtet, wie in 5 gezeigt. Die photovoltaischen Zellen 15 erzeugen unmittelbar aus Sonnenstrahlung Elektrizität. Die Struktur, die Funktion und der Betrieb des Generators aus 5 und anderer photovoltaischer Generatoren dieses Typs sind detaillierter in der Anmeldung Seriennummer 12/463,016 von Roger P. Angel beschrieben, die zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und den Namen „Photovoltaic Generator with a Spherical Imaging Lens for Use with a Paraboloid Solar Reflektor” trägt, und deren gesamte Offenbarung hiermit durch Querverweis in den vorliegenden Gegenstand miteinbezogen wird.
Das konzentrierte Sonnenlicht 3, das durch die Kugellinse 5 tritt, formt auf einer konkaven kugelförmigen Fläche 9, an der sekundäre Reflektoren 45 in einer mit der kugelförmigen Linse 5 konzentrischen Position angeordnet sind, ein Bild des primären paraboloiden Reflektors 1. 5 zeigt nur die Kugellinse 5, Überbrückungsdioden 30 und eine Vielzahl von quadratischen photovoltaischen Zellen 15, die in Form von verspiegelten Rahmen 45 mit annähernd quadratischen Eingängen unmittelbar hinter den sekundären Reflektoren angeordnet sind. Auf die Darstellung aller anderen Strukturen wird aus Gründen der Klarheit verzichtet. Die Mehrzahl von photovoltaischen Zellen 15 ist elektrisch in Serie miteinander verbunden, um die von den einzelnen Zellen 15 erzeugte elektrische Leistung zu einem Gesamtausgang von Elektrizität des Generators 4 zu kombinieren. Der Generator 4 weist ein System auf (nicht dargestellt), das die Zellen 15 mithilfe von Wasser, das für eine Konvektionskühlung an der Luft an einen Kühler gepumpt wird, aktiv kühlt.
Ein wesentlicher Aspekt des Generators 4 besteht darin, dass die Stärke der Sonneneinstrahlung 3 an allen photovoltaischen Zellen 15 von der Kugellinse 5 gegen Ausrichtungsfehler der Nachführung 107 stabilisiert wird, um eine Auslegung zu erreichen, die gegenüber Flächensteigungsfehlern der reflektierenden Fläche des primären paraboloiden Spiegels 1 tolerant ist. Auch wenn die Nachführung 107 nicht direkt der Sonne zugewandt ist, bleibt die Lichtstärke des Bildes, das die Kugellinse 5 am Eingang der prismatischen Reflektoren 45 bildet, relativ konstant und bietet über einen wesentlichen Bereich von Ausrichtungsfehlern hinweg eine gleichmäßige Beleuchtung aller Zellen 15. Ein weiterer wesentlicher Aspekt des Generators 4 besteht in der Wirkung der sekundären Reflektoren 45, indem diese die Toleranz gegenüber Fehlausrichtung und dem Vorhandensein von größeren Lücken zwischen benachbarten Zellen 15 erhöhen. Die zwischen benachbarten Zellen 15 vorgesehenen Lücken erlauben das Anordnen von Überbrückungsdioden 30 und das Anschließen von Drähten in großer Nähe zu den Zellen 15, ohne ihren optischen Eingang oder ihre elektrischen und thermischen Ausgänge zu stören. Auf diese Weise sorgt der Generator 4 aus 5 sowohl durch die Flussstabilisierung, die einen hohe Leistungsabgabe von vielen in Serie verbundenen Zellen 15 sicherstellt, als auch durch einen klaren thermischen Weg zum Ableiten von Abwärme von einem dichten Array stark beleuchteter Zellen 15 für den hohen Solarenergieeintrag des Konzentrators der Erfindung.
2 zeigt den Elevationsträger und -antrieb des starren Rahmens 100 gemäß 1 in einer Ansicht entlang der Richtung der Elevationsachse 110 senkrecht zur Zeichnungsebene, die durch die Mitte des Bogens des C-Rings 103 verläuft. Die Drehung um diese Elevationsachse 110 wird durch die Bewegung des C-Rings 103 auf den Tragerädern 104 begrenzt, nicht aber durch ein physikalisches Lager an der Achse 110. Die C-Ringe 103 sind durch In-plane-Streben 109 versteift, welche eine Verbindung zu Verbindungspunkten 11 der Modulreflektorzellen 34 im starren Rahmen 100 herstellen. 3 zeigt den starren Rahmen 100 gemäß 1, betrachtet in Richtung der optischen Achse, und stellt dar, wie die im Wesentlichen quadratischen Schüsselreflektoren 1 effizient in den starren Rahmen oder das Raumfachwerk 100 eingesetzt sind, um den größten Teil des auf das Elevationsraumfachwerk 100 einfallenden Sonnenlichts 2 aufzufangen.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Thermosiphons für die passive Abführung von Abwärme von dem Generator 4. Die Wärme am Generator 4 bringt ein Arbeitsfluid zum Kochen, wodurch Dampf durch das Thermosiphonrohr 39 zu einer Konvektionsstruktur 24 aufsteigt, die eine Luftkühlung aufweist, welche im oberen Quadranten der Querträgerversteifungen 38 angeordnet ist. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform bleibt die Konvektionsstruktur 24 oberhalb des Generators 4 über die gesamte Spanne von Elevationswinkeln ausgerichtet, die in der Praxis für die Elevationsachse 110 in Frage kommen, so dass das kondensierte Fluid aufgrund von Schwerkraft zum Generator 4 zurückkehrt. Dies stellt eine kosteneffektive Auslegung für die Zirkulation des Kühlfluids im Thermosiphonrohr 39 und in der Konvektionsstruktur 24 bereit, ohne weitere Kosten und die Wartung einer Pumpe nach sich zu ziehen.
6 zeigt auf quantitative Weise eine bevorzugte Anordnung einer Vielzahl von Nachführmodulen 107 dieser Ausführungsform, die in einem Gitter aus gleichschenkligen Dreiecken angeordnet sind, deren Größe Platz für eine vollständige Azimutdrehung bietet, ohne dass es zu einem Zusammenstoß kommen kann. Vorteilhaft als Verhältnis der projizierte horizontale Länge zur projizierten Höhe ist ein bevorzugtes Verhältnis von drei, wie in dem vorliegenden dargestellten Beispiel gezeigt, da dieses Verhältnis die Selbstbeschattung bei niedrigem Sonnenstand am frühen Morgen und am späten Nachmittag minimiert, ebenso wie die Windlast. Unter der Annahme, dass Reihen in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind, liegt bei Sonnenlicht genau aus Osten oder genau aus Westen kein Selbstbeschattungsverlust für Sonnenstände über tan^–1(1/3) = 18,4° vor, während bei einem Sonnenstand von 12,3° nur 1/3 der Modulzellen im Schatten lägen. Das Verhältnis der dargestellten Reflektorfläche zur Aufstellungsbodenfläche beträgt annähernd 25%. Da in dieser bevorzugten Ausführungsform alle Reflektoren 1 koplanar und in einer offenen Tragwerkstruktur 100 angeordnet sind, lässt sich die Windlast minimieren, indem die Nachführung 107 bei sehr starker Wind in die zum Zenith weisende Position gebracht wird, wodurch die Reflektorebene horizontal wird. In der Darstellung verlaufen zwischen jeweils zwei Reihen in einer Richtung Wartungsstraßen 112. Durch eine geeignete Azimut- und Elevationsdrehung sind auf diese Weise alle Nachführungen 107 für Wartungsarbeiten an der Vorder- oder Rückseite zugänglich.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 7 gezeigt. Die alternative Ausführungsform umfasst mehrere große paraboloide Reflektoren 1, die in einem starren Rahmen 50 koaxial gehalten werden, jedoch ein kleineres Array aus acht Modulzellen 34 in einer Konfiguration von zwei Reihen 51 und 52 und vier Spalten aufweisen. Um das Array aus Reflektoren 1 auf die Sonne zu richten, wird die gemeinsame Achse der Reflektoren 1 mithilfe einer zweiachsigen Nachführung mit Altazimutlagern zur Sonne ausgerichtet. Wie in 11 gezeigt, wird die Azimutbewegung durch ein vertikales Achslager 78 und 79 bereitgestellt, dass auf einem Fußgestell 67 angeordnet ist. Das Reflektorarray wird in der Elevation durch ein Elevationslager 58 an der horizontalen Achse gedreht, das über dem Achslager 78 und 79 angeordnet ist.
In der alternativen Ausführungsform aus 7 sind die Reflektoren 1 vorzugsweise allgemein quadratisch oder im Wesentlichen quadratisch mit beschnittenen Ecken, und jeder Reflektor 1 ist jeweils in einer Modulreflektorzelle 34 untergebracht, die die Form eines geraden Prismas mit quadratischer Basis aufweist, mit der Möglichkeit, in der Nähe des Brennpunkts 28 einen Modulgenerator 4 zu tragen. Wie in 11 deutlicher gezeigt (wobei es sich um eine Ansicht entlang der optischen Achse handelt), ist das Elevationsraumfachwerk 50 derart konfiguriert, dass der Umriss von der Sonne aus betrachtet rechteckig ist und nahezu alles Sonnenlicht, das vom gesamten Array aufgefangen wird, von der Mehrzahl von Reflektoren 1 zum Brennpunkt 28 gelenkt wird.
Die Vorwärts-/Rückwärtsverschiebung der zwei gestaffelten Reihen 51 und 52 ist am deutlichsten in den Ansichten entlang der Elevationsachse aus 8, 9 und 10 gezeigt. In 8 ist der Elevationswinkel niedrig, in 9 ist der Elevationswinkel bei 45° und in 10 ist der Elevationswinkel hoch. Die obere Reihe aus Zellen 51 ist nach vorne gesetzt, während die untere Reihe 52 zurückgesetzt ist, wodurch die vordere Unterkante der oberen Reihe 51 mit der hinteren Oberkante der unteren Reihe 52 übereinstimmt, wodurch im Rahmen 50 ein gemeinsames Strukturelement 53 bereitgestellt wird. Das gemeinsame Strukturelement 53 stimmt mit der Elevationsachse überein und verläuft in der Nähe des Schwerkraftzentrums der gesamten Elevationsstruktur, wie in 7 im Detail dargestellt. Vordere und hintere Versteifungselemente 56 und 57, die jeweils zwischen der oberen Reihe 52 aus Zellen und der unteren Reihe 51 angeordnet sind, vervollständigen das Elevationsraumfachwerk 50. Die vorderen Versteifungselemente 56 verbinden die oberen Vorderecken 14 der zwei Reihen 51 und 52 von Zellen miteinander, und die hinteren Versteifungselemente 57 verbinden die unteren Hinterecken 11.
Unter Bezugnahme auf 7 ist das Raumfachwerk 50 durch das gestaffelte Anordnen der zwei Reihen 51 und 52 der Zellen 34 auf natürliche Weise um die Elevationsachse herum balanciert und wird daher von einem mittleren Fußgestell 67 effizient getragen. Darüber hinaus wird die Leistung minimiert, die zum Bewegen oder Drehen des starren Rahmens 50 in der Elevation benötigt wird. Ein zweiter Vorteil der gestaffelten Reihen 51 und 52 von Zellen 34 besteht darin, dass der Querschnitt senkrecht zu den Reihen 51 und 52 des resultierenden Raumfachwerks 50, der die Versteifungsstreben 56 und 57 am Umfang enthält, in zwei Dimensionen maximiert ist. Dies bewirkt bei jedem Elevationswinkel eine hohe Steifheit gegen ein Verbiegen um das Zentrallager 58. Obwohl die Struktur in diesem Ausführungsbeispiel vier Reflektormodule 34 in der oberen Reihe 52 und vier Reflektormodule 34 in der unteren Reihe 51 aufweist, werden Fachleute, die sich die vorliegende Offenbarung zunutze machen, verstehen, dass auch gestaffelte Reihen von anderer Länge, beispielsweise zwei oder sechs, in der Praxis gute Ergebnisse liefern können, was jeweils von der gewünschten und für den Standort angemessenen funktionsfähigen Windstärke und den geltenden Herstellungskosten abhängt. Beispielsweise zeigt 12 eine alternative Ausführungsform ähnlich der in 7 und 11 gezeigten, die jedoch jeweils sechs Reflektormodule 34 in den zwei gestaffelten Reihen 51 und 52 aufweist.
Zurückkehrend zur Ausführungsform aus 7 und 11 ist das Elevationsachsenlager 58 in dieser Ausführungsform über zwei Verbindungspunkte auf der zentralen Strukturachse mit dem Elevationsraumfachwerk 50 verbunden, wobei die entsprechenden Einzelheiten sich besser unter Bezugnahme auf 11 beschreiben lassen. Der Raum für das Lager 58 wird geschaffen, indem eine schmale mittlere Zelle 59 in die untere Reihe 51 aus vier Modulreflektorzellen 34 aufgenommen wird, und indem eine schmale mittlere Zelle 60 in die obere Reihe 52 aufgenommen wird. 15 zeigt, wie sich eine hohe strukturelle Effizienz erreichen lässt, indem die steifen Elevationsverbindungspunkte 61 und 62, die die Enden des Elevationslagers 58 tragen, als einstückiger Teil des starren Raumfachwerks 50 ausgebildet sind, das die Reflektoren 1 trägt und miteinander verbindet. Aus Gründen der Klarheit zeigt 11 nur einige der Streben, die das Elevationslager 58 tragen. 15 zeigt im Detail, wie zwei Enden des Elevationslagers 58 an den zwei äußerst steifen Verbindungspunkten 61 und 62 getragen werden, die am Kreuzungspunkt der Eckstreben der vier inneren Modulreflektorzellen 34 ausgebildet sind. Es werden keine weiteren Stahlelemente benötigt, um diese Tragevorrichtung 61 und 62 zu versteifen oder um das Elevationslager 58 im Schwerkraftzentrum anzuordnen. Verbindungselemente 56 und 57, die beispielsweise in 9 gezeigt sind, versteifen die zwei Zellenreihen und vervollständigen so die gesamte Elevationsstruktur, die sich auf dem mittleren Fußgestell 67 um das Elevationslager 58 dreht.
In 13 ist ein Elevationsantriebsbogen 63 gezeigt. Der Elevationsantriebsbogen 63 ist sicher auf einer Seite der schmalen mittleren Zellen 59 und 60 (gezeigt in 7) von den zwei unteren Verbindungspunkten 64 und 65 (gezeigt in 9) angebracht und ermöglicht eine Bewegung über einen Bereich von 90° vom Zenith bis zur Ausrichtung auf den Horizont, wie im Vergleich von 8, 9 und 10 deutlich wird. In den dargestellten Ausführungsformen weist der Antriebsbogen 63 einen Radius auf, der gleich der Breite und der Tiefe der Modulzellen 34 ist, die in der dargestellten Ausführungsform gleich sind.
Das Azimutlager für die Ausführungsform aus 7 und 11 weist die Form eines mittleren Fußgestells 67 auf, das sich um eine fest angeordnete vertikale Welle 66 dreht. Die Axiallast wird von einem Drucklager 78 aufgenommen, das im oberen Abschnitt des mittleren Fußgestells 67 oder an der Oberseite der Welle 66 angeordnet ist. Laterallasten werden vorzugsweise von zwei Querlagern 78 und 79 aus Kunststoff aufgenommen, von denen eines oben und eines unten an der Welle 66 angeordnet ist. Der Azimutantrieb wirkt über ein großes 360°-Antriebsrad 68, das am unteren Ende des mittleren Fußgestells 67 angebracht ist. Im dargestellten Beispiel ist das Antriebsrad 68 mit demselben großen Radius wie der Elevationsantrieb gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und Fachleute werden verstehen, dass für das Antriebsrad 68 auch andere Radien benutzt werden können.
Bezug nehmend auf 13 erfolgt ein bevorzugter Antrieb für Azimutbewegungen in einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform mittels einer elektrisch angetriebenen Kette 70, die detaillierter in 14 gezeigt ist. Um das Raumfachwerk 50 um die Azimutwelle 66 zu drehen, wirkt über eine Azimutantriebskette 70, die um das Azimutrad 68 gestreckt und sicher daran angebracht ist, eine Antriebskraft. Ein Reiterkettenrad 74 kann dazu benutzt werden, eine gewünschte Spannung der Antriebskette 70 anzupassen oder aufrechtzuerhalten. In dem dargestellten Beispiel aus 14 wird das Azimutrad 68 von Speichen 76 getragen. Der Elevationsantriebsbogen 63 (gezeigt in 13) und das Azimutrad 68 sind vorzugsweise einfach und kostengünstig aus gekrümmten Strukturkanälen 77 aufgebaut, wie in 14 gezeigt.
Ein bevorzugter Antrieb für Elevationsbewegungen in der dargestellten Ausführungsform erfolgt über eine elektrisch angetriebene Kette 69, wie in 13 gezeigt. Die für den Elevationsantrieb benutzte Antriebskette 69 kann ähnlich wie die Antriebskette 70 sein, die für den Azimutantrieb aus 14 benutzt wird. Bei dem Elevationsantrieb wirkt über eine Elevationsantriebskette 69, die an die Enden des Elevationsbogens 63 angebracht ist, eine Antriebskraft, um das Raumfachwerk 50 um das Elevationslager 58 zu drehen. Die Elevationskette 69 ist sicher an den Enden des Bogens 63 angebracht. Die Antriebskraft wird von einem Kettenrad, welches durch einen Elektromotor und ein Getriebegehäuse gedreht wird, auf die Elevationsantriebskette 69 übertragen, ähnlich wie bei dem Kettenrad 71 und dem Elektromotor und Getriebegehäuse 73 für den Azimutantrieb, die in 14 gezeigt sind. Der Elevationsbogen 63 wird von einem kleinen Träger 75 getragen.
Wie in 14 gezeigt, wird das Antriebsmoment von einem Kettenrad 71, das über einen Elektromotor und ein Getriebegehäuse 73 gedreht wird, auf die Azimutantriebskette 70 übertragen. Um die Spannung der Kette 70 möglichst gering zu halten und das Übersetzungsverhältnis insgesamt zu erhöhen, ist der Radius des Azimutantriebsrades 68 groß ausgebildet. Der Kettenantrieb benötigt mindestens ein Zwischenkettenrad, damit der Eingriff der Kette 70 am Antriebskettenrad 71 größer als 120 Grad ist. Sowohl der Verschleiß der Kette 70 als auch das Risiko, dass die Kette 70 bei hohem Drehmoment über die Zähne des Antriebskettenrades 71 rutscht, werden auf diese Weise reduziert. Bei einer Solarenergieanwendung ist die Rate, mit der der Azimutantrieb und der Elevationsantrieb bewegt werden müssen, um die Bewegung der Sonne zu verfolgen, relativ langsam, weshalb der Antrieb hohe Reduktionen des mechanischen Übersetzungsverhältnisses ausnutzen kann, was die Benutzung kostengünstiger Antriebsmotoren 73 gestattet. In der Praxis lassen sich bevorzugte Reduktionen des mechanischen Übersetzungsverhältnisses von etwa 100 zu 1 realisieren, was nahezu eine Größenordnung mehr ist als bei einem traditionellen Kettenantrieb mit Kettenrädern. Vorzugsweise wird das Zwischenkettenrad 74 oder das Ende der Kette 70 von einem Federaufwickelmechanismus gespannt. Obwohl nicht im Detail gezeigt, werden Fachleute verstehen, dass die Elevationsantriebskette 69 von einer ähnlichen Anordnung angetrieben wird und dass der Radius des Elevationsantriebsbogens 63 aus denselben Gründen groß ausgebildet ist, aus denen das Azimutantriebsrad 68 mit einem großen Radius versehen ist. Die Elevationsantriebskette 69 wird vorzugsweise von einem Federaufwickelmechanismus gespannt, der am Ende der Kette 69 angebracht ist.
Zusammengenommen führen die Anwendung großer Bogenradien für das Azimutantriebsrad 68 und den Elevationsantriebsbogen 63 zum Reduzieren der erforderlichen Antriebskraft und ein Kettenantrieb mit Eingriff zahlreicher Kettenradzähne 71 zu einer Reduzierung von Kosten, Komplexität und Größe sowohl der Azimutantriebselemente als auch der Elevationsantriebselemente.
Während des Betriebs ist es wünschenswert, die Bewegung der Sonne von Osten nach Westen über den Himmel zu verfolgen, weshalb der starre Rahmen 100 in die Richtung der eintreffenden Sonneneinstrahlung 2 gerichtet wird. Bezug nehmend auf die schematische Darstellung aus 49 kann eine präzise Ausrichtung auf die Sonne erreicht werden, wenn die Nachführung 107 anhand von Elevations- und Azimutfehlersignalen servogeregelt wird, die von einem optischen Sonnenverfolgungssensor 121 stammen, der starr am Rahmen 100 angebracht ist. Eine bevorzugte Form des Sonnenverfolgungssensors 121 umfasst eine Silizium-Vierquadrantenzelle, die von Sonnenlicht beleuchtet wird, das durch eine Nadellochöffnung über der Silizium-Vierquadrantenzelle tritt. Vorzugsweise wird die Ausrichtung außerdem von einem Gravitations- und Magnetfeldsensor 122 gemessen, der kein Sonnenlicht benötigt. 49 zeigt in schematischer Weise Signale von den Sensoren 121 und 122, die mit einem Computer 120 verbunden sind. Antriebssteuersignale vom Computer 120 werden von einer Schnittstelle 125 in Antriebskraft umgewandelt, und der elektrische Strom wird von einem Azimutkabel 124 an den Azimutantriebsmotor 73 und von einem Elevationskabel 123 an den Elevationsantriebsmotor 73 geleitet.
Vorzugsweise wird die Ausrichtung des Rahmens 100 zur Sonne bei Bewölkung durch Bezugnahme auf einen Sensor aufrechterhalten, der von einem Messwertgeber 122, welcher Schwerkraft- und Magnetfelder liest, absolute Ausrichtungsdaten erhält, um auf diese Weise Fehler durch ein Setzen des Fußgestellfundaments 40, ein Dehnen der Ketten 69 oder 70 oder ein Biegen durch nicht nachlassenden starken Wind zu vermeiden. Alternativ können übliche Teleskopantriebsalgorithmen verwendet werden, um die Position der Sonne anhand von GPS-Koordinaten der einzelnen Nachführungen 107 zu berechnen, wobei an den Computer 120 bereitgestellte präzise Zeit- und Datumsinformationen genutzt werden. Die Genauigkeit lässt sich erhöhen, indem die berechnete Position der Sonne bei Bedarf mit der Position synchronisiert wird, die von dem Sonnenverfolgungssensor 121 angegeben wird, wenn Sonnenlicht verfügbar ist, wobei eine solche Synchronisierung Fehler durch Setzen des Fußgestellfundaments 40, Dehnen der Ketten 69 oder 70 oder Biegen durch nicht nachlassenden starken Wind auf effektive Weise aufdecken kann. Es können übliche computergesteuerte Antriebssysteme ähnlich denjenigen von üblichen Teleskop-GOTO-Systemen benutzt werden, um den starren Rahmen 100 in die richtige Richtung zu richten und die Bewegung der Sonne zu verfolgen, darunter auch Encoder, die den Computer 120 mit Azimutwinkelinformationen und Elevationswinkelinformationen versorgen. Es versteht sich, dass die in 49 gezeigte Darstellung nur schematischer Natur ist und dass die Antriebselektronik am Rahmen 100 oder an anderen Stellen angebracht sein kann. Vorzugsweise wird der elektrische Strom für die Azimut- und Elevationsantriebsmotoren 73 und die aktiven Kühlsysteme (falls vorhanden) von einer unterbrechungsfreien Stromquelle geliefert. Eine geeignete Quelle kann durch die Bereitstellung von photovoltaischen Umwandlern auf der der Sonne zugewandten Seite der schmalen mittleren Zelle 60 der oberen Reihe erlangt werden, die in Verbindung mit Speicherbatterien benutzt werden können.
11 und 12 zeigen im Querschnitt ein bevorzugtes Fußgestell zum Tragen des Azimutlagers für diese Ausführungsform. Das Fußgestell weist die Form eines geschweißten dreieckigen Stahlträgers 40 auf, der sich in ein Loch 41 erstreckt, welches beispielsweise mit einem üblichen fahrzeugmontierten Erdbohrer in den Boden 42 gebohrt werden kann. Alternativ kann das Loch mithilfe einer Anzahl üblicher Mittel ausgehoben werden, die Fachleuten bekannt sind. Nach dem Einführen des Trägers oder Pfahls 40 wird das Loch 41 vorzugsweise wieder mit kostengünstigen trockenen Materialien 43 aufgefüllt, beispielsweise Schotter oder Abraum aus dem Bergbau, ohne dass ein Zementbindemittel verwendet wird. Die Abmessungen von Loch und Träger sind derart, dass die trockenen Materialien die relative konzentrierte Last des Trägers 40 aufnehmen und sie auf eine wesentlich größere Bodenfläche 42 übertragen, um die Funktionsfähigkeit bei starkem Wind zu gewährleisten. Anstelle von Beton wird ungebundener Schotter bevorzugt, da er kostengünstiger und weniger klimaschädlich ist. Natürlich werden Fachleute verstehen, dass auch Beton verwendet werden kann, wenn die typischerweise höheren Kosten dieses Materials in der jeweiligen Anwendung vertretbar sind. Da der Nachführungsantrieb 111 die Solarnachführung 121 und absolute Sensoren wie z. B. Beschleunigungsmesser und/oder häufig nachkalibrierte oder synchronisierte Sensoren zum Positionieren des starren Rahmens 100 verwendet, ist eine geringfügige Setzbewegung des Fußgestells 40 akzeptabel, und eine geringe Genauigkeit bei der anfänglichen Anordnung des Fußgestells 40 ist vertretbar. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch verstehen, dass alternativ andere Auslegungen des Trägerfundaments benutzt werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.
16, 17 und 18 zeigen eine bevorzugte Anordnung für die Ausführungsform des Parabolschüsselarrays 111, das in 12 gezeigt ist. 16 zeigt in Draufsicht ein regelmäßig dreieckiges Gitter, das genug Platz für eine vollständige Azimutdrehung bietet, ohne dass die Gefahr eines Zusammenstoßes besteht, ähnlich wie bei der Auslegung aus 6. Für die relativ kleinen, auf Pfählen montierten Module ist nur wenig Einebnung oder Vorbereitung des Aufstellungsortes nötig. Sie eignen sich vorteilhaft für die Installation auf abschüssigem Gelände wie auch auf flachem Gelände oder in unregelmäßigen Parzellen.
Bevorzugte Abmessungen
Bei der Auslegung einer bevorzugten Ausführungsform müssen besonders die Größe und die Herstellung der primären paraboloiden Reflektoren 1 beachtet werden, insbesondere, da die Kosten eine wichtige Rolle spielen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Optimierung der Größe der Reflektoren 1. Bei Reflektoren 1 aus an der Rückseite versilbertem Strukturglas wird als allgemein optimale Größe eine Größe von etwa drei Meter (3 m) bevorzugt. Diese Größe wird bevorzugt, da sie die maximale transportfähige Größe ist, die sich aus einem einzelnen Monolith aus Flachglas herstellen lässt, der in einem üblichen Floatverfahren gefertigt wurde. Monolithreflektoren 1 dieser Größe können für nachgeführte Reflektorsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung die geringsten Kosten pro Flächeneinheit bereitstellen.
Im Betrieb ist vorzugsweise eine Vielzahl von Parabolschüsselgeneratormodulen 34 von etwa 3 m Größe auf den einzelnen Nachführungen 107 montiert, um die geringsten Gesamtkosten pro Flächeneinheit zu erreichen. Jeder quadratische Reflektor 1 weist eine Reflexionsfläche von etwa 9 m² auf. Bei einem solaren Nennstrahlungsfluss von 1000 W/m² und einer Reflektivität von 94% beträgt die Nennsolarleistung, die den einzelnen Umwandlermodulen 4 zugeführt wird, etwa 8,5 kW.
Tragestrukturen 100 aus Stahl für die bevorzugten Ausführungsformen von optimalen zweiachsigen Nachführungen 107 mit 3 m großen Glasreflektoren 1 aus 4 mm dickem Glas sollten in der Praxis eine ausreichende Leistung erbringen. Bei einer Ausführungsform mit siebenundzwanzig Reflektoren 1 beträgt die Stahlmasse für das Gesamtsystem einschließlich der fest angeordneten Schiene 34 kg pro Quadratmeter der Auffangfläche, und die Ablenkung bei der Ausrichtung auf den Zenith maximal 0,1°. Bei einer Ausführungsform mit acht Reflektoren 1 beträgt die Stahlmasse für das vollständige Nachführgestell 107 einschließlich des fest angeordneten Fußgestells 25 kg pro Quadratmeter der Auffangfläche, und die Ablenkung bei der Ausrichtung auf den Zenith maximal 0,06°.
Details einer bevorzugten strukturellen Auslegung einer Modulreflektor-/Umwandlerzelle
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung benutzen als Baublöcke mehrere Modulreflektorzellen 34. Die Modulreflektorzellen 34 umfassen eine reflektierende Parabolschüssel 1, die Energie in den Fokalbereich 28 lenkt, und eine mechanische Struktur, die die Parabolschüssel 1 trägt und das Umwandlermodul 4 in starrer Ausrichtung in der Nähe des Fokalbereichs 28 hält. Ein Hauptelement der mechanischen Struktur ist ein Träger in Form eines geraden Prismas, dessen Querschnitt und Endflächen vorzugsweise quadratisch oder hexagonal sind, wie in 19 und 20 gezeigt. 19 zeigt eine Modulzelle 34 mit einem quadratischen Querschnitt, wie er in einer oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, und 20 zeigt eine alternative Modulzelle 34 mit einem hexagonalen Querschnitt. Ein im Wesentlichen quadratischer (19) oder hexagonaler (20) Parabolspiegel 1 wird an den Ecken 11 der unteren Primafläche von einer Parabolschüsseltragestruktur getragen, die im Folgenden beschrieben wird. Die Parabolschüsselachse 7 verläuft durch die Mitte oder den Scheitelpunkt 6 der Parabolschüssel. Ein kompakter Umwandler 4, der nur einen kleinen Teil des primären Kollektors abdeckt, ist darüber angeordnet und ist an der Parabolschüsselachse 7 zentriert und wird von den oberen Ecken 14 der oberen Prismafläche getragen, die von Elementen 13 gebildet werden. Die obere Fläche weist die gleiche Größe auf wie die von den Elementen 10 geformte Fläche und liegt parallel dazu. Der Mittelpunkt sowohl der oberen als auch der unteren Fläche liegt an der Parabolschüsselachse 7. Der Umwandler 4 ist an der Parabolschüsselachse 7 zentriert und wird vorzugsweise am unteren Ende eines Mittelachsen-Umwandlertrageelements 18 gehalten. Das Umwandlertrageelement 18 wird vorzugsweise durch diagonale Spannelementen 17 von den oberen Ecken 14 getragen. Vier (19) oder sechs (20) senkrechte Elemente 16 verbinden die oberen und unteren Quadrate. Vorzugsweise sind die Seitenflächen des Prismas durch Querelemente 48 versteift. Der Glasträger 12 schließt die Bodenseite der Struktur und trägt zugleich den primären paraboloiden Reflektor 1.
Die konzentrische Anordnung des Umwandlerträgers 18 eignet sich für Ausführungsformen, bei denen Abwärme durch eine aktiv gepumpte Kühlflüssigkeit abgeführt wird, und nicht passiv durch einen Thermosiphon 24. Bei einem aktiven Kühlsystem zirkuliert die Kühlflüssigkeit durch einen Wärmetauscher, der unmittelbar oberhalb des Generators 4 in 19 oder 20 oder an einer anderen Stelle, die das einfallende Sonnenlicht nicht verdeckt, angeordnet sein kann und von Rohren an den Querträgern 17 und 18 erreicht wird.
Die am meisten bevorzugte Ausführungsform der Reflektorparabolschüssel 1 ist ein einzelner, eingesackter Reflektor aus Floatglas, der an der Rückseite versilbert ist und an einem offenen Stahlträger angebracht ist. Ein Gerüst aus ausreichend beabstandeten oberen Verbindungspunkten des Trägers stabilisiert die Form des Glasreflektors 1 auf großem räumlichen Umfang mithilfe von angeklebten Auflagern gegen Schwerkraft und Windkräfte. Die unteren Verbindungspunkte übertragen die Last auf die unteren Ecken 11 einer Modulzelle 34 des Hauptelevationsrahmens 100.
Der Glasträger 12, der die versilberten Glasreflektoren 1 mit den Eckabstützungen 11 verbindet, ist in jeder Ausführungsform entsprechend der Größe, Form und Dicke des Glasreflektors 1 optimiert. Die Dicke des Glases 1 wird in großem Maße von der Notwendigkeit einer Beständigkeit gegen Hagelschäden bestimmt. In der Praxis haben vier Millimeter dicke, metergroße, auf der Rückseite versilberte Platten, auf vier Auflagern, die in thermischen Rinnenkollektorsystemen verwendet wurden, zufriedenstellende Ergebnisse geliefert. Bei den größeren Reflektorschüsseln 1 dieser Erfindung benötigen Glasreflektoren 1 mit einer Dicke von etwa 4 mm eine größere Anzahl an Abstützungen, die optimal verteilt sind, damit ein Durchbiegen aufgrund von Schwerkraft und Windkräften die optische Form nicht wesentlich beeinträchtigt. Vorzugsweise werden für Glasreflektoren 1 Abstützungspunkte benutzt, die Teil eines großen, tiefen offenen Tragwerks sind, da sie bei minimaler Masse und minimalen Materialkosten ein Maximum an Gesamtsteifheit bieten.
Eine bevorzugte integrierte Reflektorauslegung, gezeigt in 21, umfasst einen im Wesentlichen quadratischen, an der Rückseite versilberten Glasreflektor 1 und einen tragenden Reflektorrahmen. 22 ist eine detaillierte perspektivische Ansicht, die den Reflektorrahmen oder das Tragwerk 95 nach dem Entfernen des Glasreflektors 1 zeigt, wodurch die sechzehn Reflektorabstützungspunkte 86, 87 und 88 freiliegen, die den Glasreflektor 1 zwischen sich tragen. In der Draufsicht aus 23 bilden diese ein ungefähr quadratisches kartesisches Gitter in einem Vier-mal-Vier-Muster. Das Reflektortragwerk 95 ist dazu ausgelegt, an seiner Basis 96 an die vier unteren Eckpunkte 11 einer Modulreflektorzelle 34 angebracht zu werden. Die vier Basisstreben 10 der Modulzelle 34 bilden in Kombination mit den zwei Basisdiagonalen 80, die sich in einer Basismitte 81 treffen, vier Dreiecke in der Basisebene. Drei gewinkelte Streben 82 ragen von den Ecken der einzelnen Dreiecke auf und bilden vier Tetraeder, deren obere Verbindungspunkte 83 Hauptverbindungspunkte sind, die ein Gerüst für den Glasreflektor 1 bilden. Die fünf anderen oberen Hauptverbindungspunkte 84 und 85 sind an den Ecken von zwei planaren Rahmen gebildet, die sich von den Basisdiagonalen 80 aus nach oben erstrecken und ein gemeinsames Mittelelement 97 aufweisen, das 81 und 84 verbindet und senkrecht zur Basisebene verläuft. Diese zwei orthogonalen Rahmen sind durch vier Querelemente 98 versteift, die die Basismitte 81 mit den oberen Verbindungspunkten 85 verbinden. 23 ist eine Detaildraufsicht, die nur die obere Struktur aus Gerüstträgern und Spiegelabstützungen 86, 87 und 88 zeigt. Die sechzehn Gerüstabstützungspunkte umfassen vier innere Abstützungen 86, acht intermediäre Abstützungen 87 und vier äußere Eckabstützungen 88. Die inneren vier und die äußeren vier Gerüstpunkte 86 und 88 liegen jeweils auf Gerüststreben 89, die sich durch die Verbindungspunkte 84, 85 und 90 erstrecken. Die Verbindungspunkte 83 und 90 an den Enden von Streben 91 tragen die intermediären Abstützungen 87.
24 zeigt die Durchbiegung eines Glasreflektors 1, der von dem bevorzugten Rahmen aus 21, 22 und 23 getragen wird, berechnet nach der Finite-Elemente-Analyse. Die Durchbiegung wurde für einen 3,3 m großen quadratischen paraboloiden Reflektor 1 mit einer Brennweite von 1,7 m berechnet. Das Glas 1 ist 4 mm dick und weist Kanten auf, die um 90 Grad zurückgerollt sind, mit einem Radius von 25 mm. Das Tragwerk wurde mit einer Mittentiefe von 0,6 m modelliert, mit Streben aus runden Stahlrohren mit einem Durchmesser von 5,08 cm und einer Wanddicke von 0,508 mm. Andere Querschnitte sind ebenfalls möglich, solange ihre Querschnittfläche und ihr Trägheitsmoment ähnlich sind. Bezug nehmend auf 24 beträgt das mittlere Tragwerkgewicht des berechneten Beispiels 3,5 kg pro Quadratmeter des getragenen Glases. Diese Flächendichte des Stahls ist wesentlich geringer als die Glasflächendichte von 10,1 kg/m² bei 4 mm Dicke. Das Durchschnittsgewicht einer vollständigen 3-Meter-Reflektorbaugruppe beträgt also bei 4 mm dickem Glas 13,6 kg/m². Die Durchbiegung unter axialer Schwerkraftlast (oder äquivalent einer Last von normalem Wind bei 48 mph), die für dieses Beispiel berechnet wurde, ist in 24 gezeigt. Die Reliefkarte für die Oberfläche zeigt die Veränderung des Steigungswinkels, den die Belastung verursacht. 24 zeigt Relieflinien 92 mit Steigungsabweichungen von 0,05 rad. Die Abweichung in der Steigung, die zum großen Teil von Querdurchbiegungen in der Umgebung der Auflager verursacht wurden, betragen für den Großteil der Oberfläche weniger als 0,1 mrad, wie durch Relief B angezeigt. Relief A entspricht der Steigungsabweichung von 0,05 rad. Gemittelt für die gesamte Oberfläche fallen 90% des kollimierten Lichts, das von der Parabolschüssel reflektiert wird, in ein Bild mit einem Durchmesser von 0,2 Grad, während das gesamte Licht innerhalb eines Durchmessers von 0,4 Grad liegt.
Bevorzugtes Herstellungsverfahren für einen großen, monolithischen und tiefen Parabolschüsselglasreflektor
Eine bevorzugte Abfolge von Prozessvorgängen zum Herstellen eines konkaven monolithischen Reflektors 1 durch Formen einer zunächst flachen Glasplatte ist schematisch der Reihe nach in 25, 26, 27, 28, 29 und 30 dargestellt. Die Prozessvorgänge sind außerdem perspektivisch der Reihe nach in 31, 32, 33 und 34 dargestellt. 25 zeigt eine Glasplatte 200, die zu Beginn des Prozesses flach ist. 26 und 31 zeigen die flache Platte 200, nachdem sie über einer Form 201 angeordnet wurde. Eine Form 201 weist eine im Wesentlichen konkave Fläche 204 und gerollte Kanten 203 auf. Die Glasplatte 200 wird zunächst an seinen Ecken, die vorübergehend von schwenkbaren L-förmigen Abstützungen 202 ergriffen werden, über der Form 201 gehalten. 27 und 32 zeigen den Beginn eines Erweichungs- und Dehnungsschrittes. Die Temperatur der Glasplatte 214 wird vorzugsweise durch Strahlungserwärmung von einer heißen Fläche 207 über der Glasplatte 214 erhöht. Vorzugsweise ist die strahlende Fläche 207 im Wesentlichen fortlaufend und weist ein hohes Emissionsvermögen auf. Vorzugsweise lässt sich die Strahlungstemperatur, die auf das Glas 214 einwirkt, rasch steigern oder senken, indem entweder ein Strahler 207 mit variabler Temperatur und geringer thermischer Trägheit benutzt wird, oder indem eine relative Bewegung zwischen der Form 201 und den strahlenden Flächen 207 mit unterschiedlicher Temperatur ermöglicht wird. Vorzugsweise lässt sich die Temperatur auch als eine Funktion der räumlichen Position an der Form 201 verändern, wobei beispielsweise an den Kanten 208 der strahlenden Fläche 207 eine höhere Temperatur bereitgestellt wird als in der mittleren Region der strahlenden Fläche 207, um die Kanten 211 der Glasplatte 214 weicher zu machen als die Mitte der Glasplatte 214. Zwar kann ausschließlich Schwerkraft genutzt werden, um das Formen der Glasplatte 200 zu einer konkaven Schüssel 212 zu erreichen, doch kann der Prozess, die Glasplatte 200 an die Gestalt 212 der Form 201 anzupassen, durch Druck beschleunigt werden, beispielsweise durch Heißgasstrahlen von oben, oder durch eine auf andere Weise erzeugte Druckdifferenz, beispielsweise mit einer Vakuumpumpe.
Wenn die Glasplatte 212 weit genug herabgesackt ist, um einen großflächigen Kontakt an den Kanten oder Seiten 203 der Form 201 herzustellen, wie in 33 gezeigt, und das Glas 212 eine Form aufweist, wie sie in 28 gezeigt ist, können die Eckabstützungen 202 entfernt werden, wie in 34 gezeigt. An diesem Punkt können Kantenformungswerkzeuge 210 in mechanischen Kontakt mit den Außenkanten 211 der Glasplatte 212 gebracht werden, um die Glaskanten 211 in die gewünschte gerollte Form zu pressen und zu krümmen, wie in 28 gezeigt. Sobald sich die Glasplatte 214 an den gekrümmten Umfang 203 der Form 201 angepasst hat und daran anliegt, wie in 27 gezeigt, kann es wünschenswert sein, das Formen der abgesackten Glasplatte 214 zu einer Schüsselform 212 zu beschleunigen oder in anderer Weise zu steuern, indem der Luftdruck unter der Form 201 reduziert wird. Zu diesem Zweck kann die Form 201 wie in 27 gezeigt aufgebaut sein und einen darunter angeordneten Vakuumverteiler 205 sowie Öffnungen 206 in der Fläche aufweisen, die in Fluidverbindung mit dem Verteiler 205 stehen. Der Formungsprozess kann dann beschleunigt werden, indem der Druck im Verteiler 205 reduziert wird, indem mittels Pumpen durch die Öffnungen 206 Luft abgezogen und durch die Entlüftung 209 abgeleitet wird.
Sobald das Glas 212 mit dem gesamten Formkörper 201 und seinen Kanten 203 in Kontakt gelangt ist und damit die Gestalt der Form angenommen hat, wird eine rasche Abkühlung eingeleitet. 29 zeigt den Prozess, der durch Abstrahlen von der Oberfläche des Glases 212 in eine absorbierende schwarze Fläche 213 erreicht wird, die nun wesentlich kälter ist als die Fläche des Glases 212. Zum Beschleunigen des Abkühlungsschrittes kann auch eine Zwangskonvektion von kühler Luft auf der Fläche des Glases 212 angewandt werden. Sobald sich das Glas 212 so weit abgekühlt hat, dass es für eine kurzfristige Handhabung steif genug ist, wird es vorzugsweise aus der Form 201 entnommen, wie in 30 gezeigt, um auszuglühen und abzukühlen, so dass die Form 201 für das nächste zu formende Glasstück 200 frei wird. Das Glasstück 212 kann dann mittels Zwangsluftkonvektion beschleunigt auf Zimmertemperatur abgekühlt werden.
Eine Form 201 kann mit einem darunter angeordneten Strukturrahmen aufgebaut sein, der in 35 in Draufsicht gezeigt ist, und der mosaikartig mit präzisionsverarbeiteten Platten bestückt ist, die die Formungsfläche bilden, wie in der perspektivischen aufgeschnittenen Ansicht von 36 gezeigt. Ein bevorzugtes Material für die Form 201 ist Edelstahl AISI 304. Ein Strukturrahmen 215 des geschachtelten Typs für eine quadratische Form 201, gezeigt in 35, ist aus einem Array identisch geformter Platten 215 hergestellt ist, die geschlitzt und aneinander gesichert sind und für mehr Festigkeit und Steifheit an Verbindungsstellen miteinander verschweißt sind. Der Formumfang 203, auf dem die Kanten der Glasplatte 200 gerollt werden, ist vorzugsweise aus einem runden Rohr ausgebildet und an den Strukturrahmen 215 geschweißt. Für den Rohrradius wird der Radius der zu formenden gerollten Kante 211 ausgewählt. Das Umfangsrohr 203 kann quadratische Ecken aufweisen, wie dargestellt, oder beschnittene Ecken, um einen Glasreflektor 1 herzustellen, wie er in 4 gezeigt ist. Bezug nehmend auf 35 und 36 kann die bestückte Formungsfläche 217 aus mehreren separat bearbeiteten und zugentlasteten Segmenten 217 zusammengesetzt sein, die starr an die tragende Schachtelungsstruktur 215 angebracht sind. Alternativ kann eine Formfläche in einem Stück aus einer gedrehten oder innenhochdruckgeformten monolithischen Schüssel gebildet sein, die als einzelnes Stück bearbeitet wird. Dieses Teil kann dem Bedarf entsprechend zugentlastet und nachbearbeitet werden, bevor es auf den Tragerahmen 215 montiert wird, wie er in 35 gezeigt ist. Die Segmente 217 oder das monolithische einzelne Teil der Formschüssel können durch Abstützungen am Rahmen 215 angebracht werden, die die Form von Positionierungsvorrichtungen aufweisen (nicht dargestellt). Diese Vorrichtungen dienen dazu, mithilfe einer Metrologievorrichtung wie z. B. eines Lasertrackers die Segmente aneinander auszurichten.
37, 38, 39 und 40 zeigen gemeinsam die Wirkung der Eckabstützungen 202, die an einer horizontalen Achse 236 senkrecht zur Reflektorachse schwenkbar angeordnet sind, derart, dass sie zwar herabschwenken können, sich aber nicht radial nach innen bewegen können. Dieses Halteverfahren sorgt dafür, dass sich das Glas 214 dehnt, während sich die Glasplatte 214 erweicht und herabsackt, wodurch die Neigung einer einfach abgestützten Platte 200 vermieden wird, beim Herabsacken in eine tiefe Schüssel 212 aufgrund von stauchender Tangentialknickverformung Falten zu bilden. Details der Eckabstützungen 202 und ihrer Betätigung können unter Bezugnahme auf 37, 38, 39 und 40 beschrieben werden, die alle vertikale Querschnitte an einer durch die Abstützung verlaufenden Diagonalen zeigen. 37 zeigt die Eckabstützung 202 vor dem Erweichen der Glasplatte 200. Die Abstützung umfasst einen Bügel, der an der Form 201 angebracht ist, und ein schwenkbares L-förmiges Teil 238, das eine Ecke des Glases 200 ergreift und sich um ein Scharnier 236 dreht. 37 zeigt eine im Wesentlichen flache Glasplatte 200, die im schwenkbaren Teil 238 positioniert ist. 38 zeigt die Abstützung 202 bei teilweise herabgesacktem und gedehntem Glas 214. 39 zeigt das vollständig herabgesackte und gedehnte Glas 212, das den gesamten Formkörper 201 berührt, wobei die Abstützungen 202 noch vorhanden sind. 40 zeigt das angeformte Glas 212 nach dem Entfernen des greifenden L-förmigen Teils 238 der Abstützung 202. Die erweichte Kante 219 des Glases 212 beginnt, sich über die gekrümmte Kante 203 der Form 201 zu biegen.
Die Betätigung des Kantenrollwerkzeugs 210 ist perspektivisch der Reihe nach in 41, 42, 43 und 44 dargestellt. 41 zeigt einen aufgeschnittenen Abschnitt eines Formplattensegments 217 mit seinem Rohrumfang 203 und eine aufgeschnittene Ansicht des Kantenformungswerkzeugs 210, das in Warteposition über der Form 201 angeordnet ist. 40 und 42 zeigen einen Ausschnitt aus einer eingesackten Glasplatte 212, die immer noch heiß und weich ist, mit einer teilweise gebogenen Kante 219, die sich gebildet hat, indem sie unter ihrem Eigengewicht herabgesackt ist. 43 zeigt das Kantenwerkzeug 210, das in engem Druckkontakt mit dem Glas 212 steht, um die gerollte Kante 211 zu formen. 44 zeigt die fertige gerollte Kante 211 des Glases 212. Die Spiegelqualität der gerollten Glaskante 211 ist nicht wichtig, weshalb das Formungswerkzeug eine übliche geglättete Oberflächenstruktur aufweisen kann.
In einer bevorzugten Implementierung, die in 45 gezeigt ist, ist eine Form 201 mit einem gekehlten Flächenprofil 218 versehen, um die Beschädigung der verspiegelten Rückseite des Glases 212 durch den Kontakt mit der Formfläche möglichst gering zu halten. Die Fläche der Formplatte 217 wird durch Darüberführen eines Fräswerkzeugs mit Kugelende endbearbeitet, um benachbarte konkave Kehlen 220 zu bilden, die sich in Scheiteln 221 treffen. Das Scheitelflächenprofil 222 definiert die Form, die das Glas 212 annehmen wird. Typischerweise wird die Form 201 auf einen Bereich von +/–10 Mikrometern der lokalen Form des Reflektors 1 bearbeitet. Während der Formung gelangt die erweichte Glasplatte 212, wie in 46 gezeigt, in Kontakt mit den Scheitellinien 221, bildet eine Brücke zwischen diesen und nimmt dabei die Gesamtform an, wie sie vom Flächenprofil an der Spitze der Scheitel definiert wird. Aufgrund der ausgezeichneten natürlichen Replikationstreue nimmt das abgesackte Glas 212 die Gestalt der Form 201 in einer Größenordnung an, die größer ist als der Kehlungsabstand, und behält dabei in kleinerer Größenordnung die natürliche Glätte und Spiegelreflexion von fabrikneuem Floatglas 200 bei.
In einer Detailansicht des Kontakts zwischen Glas und Form, gezeigt in 47, hängt das Glas 212 leicht 224 zwischen den Scheiteln 221 durch, wobei die Durchhängetiefe von der Kontaktverweildauer und der Glasviskosität bei Absacktemperatur abhängt. Der Formungsprozess ist derart optimiert, dass die Schüsselform 212 im Großen und Ganzen durch freies Dehnen und Herabsacken gebildet wird, bevor das Glas 212 in leichten Kontakt mit den Scheiteln der Form 211 gelangt und darauf ruht. Sobald der Kontakt an der ganzen Form 201 stattgefunden hat, wird eine rasche Abkühlung eingeleitet, um ein weiteres Herabsinken zwischen den Scheiteln zu verhindern. Auf diese Weise beschränkt sich die Beschädigung des Glases 212 auf schmale Linien aus kleinen Grübchen entlang den Scheiteln 221, und der Verschleiß der Form 201 bleibt minimal. Für diesen Prozess wurde ermittelt, dass die Nettosonnenauffangfläche, die durch Streuung aufgrund von Kontaktschäden an den Scheiteln 221 und Flächensteigungsfehlern aufgrund resultierender Grübchen im Glas 212 im Mittel nicht mehr als 0,25% der gesamten Glasfläche beträgt, wobei die Steigungswinkel aufgrund des Durchhängens zwischen den Kehlen 221, die einen Abstand im Bereich von ein bis drei Zentimetern aufweisen, typischerweise weniger als 0,1 Grad rms betragen.
Ein weiterer Vorteil der gekehlten Formfläche 218 dieser Erfindung besteht darin, dass die direkte Wärmeleitung von der Form zum Glas 212 während des thermischen Formungszyklus minimiert wird, da die Fläche der Kontaktlinie 221 so gering ist. Die minimale Erwärmung der Form 201 stellt sicher, dass ein Verziehen aufgrund von Temperaturgradienten minimiert wird. Ein weiterer Vorteil ist der, dass die konkaven Täler 220 außerdem Regionen 220 bereitstellen, die kleine teilchenförmige Verunreinigungen aufnehmen und auf diese Weise während des Absackens kleine Teilchen unterhalb des Scheitels 221 halten, so dass Grübchen im Glas 212 reduziert werden, die anderenfalls durch hervortretende Teilchen auf der Fläche 220 der Form 201 verursacht werden könnten.
In einer zweiten bevorzugten Alternative zur Minimierung der Kontaktbeschädigung werden Luftkissen benutzt, die einen direkten Kontakt zwischen dem Glas 212 und der Form 201 verhindern. Eine bevorzugte Implementierung weist einen Doppelverteiler unter der Formfläche auf. Ein Verteiler steht unter Druck, während der andere Verteiler luftleer ist. Der unter Druck stehende Verteiler versorgt die Luftkissen mit Luft, während der luftleer gemachte Verteiler die Druckluft absaugt und einen insgesamt nach unten wirkenden Druck gewährleistet. In dieser alternativen Ausführungsform sind die Kissen um ein bis vier Zentimeter beabstandet und weisen Absaugöffnungen dazwischen auf.
Während des glasformenden Temperaturwechselzyklus wird die Wärmeübertragung auf die Absackungsform 201 vorzugsweise gering gehalten, um Temperaturwechselbeanspruchung zu minimieren und die Temperatur an der Form 201 ausreichend weit unter dem kritischen Oxidskalengrenzwert von 800°C für Temperaturwechsel von Edelstahl AISI 304 zu halten. Der interne Temperaturgradient in den Segmenten der Formplatte und an der Form 201 wird vorzugsweise minimiert, um die Verzugsneigung zu reduzieren und auf diese Weise Glas 212 mit einer geeigneten und gleichmäßigen Form zu replizieren. Die Form 201 ist vorzugsweise beschichtet, um eine hohe Reflektivität gegenüber der übertragenen und vom Glas 212 abgegebenen Wärmestrahlung aufzuweisen und die Absorption möglichst gering zu halten. Eine Restbiegung der Formfrontplatten oder der Frontplatte wird durch Befestigungsmittel eingeschränkt, die am starren Rahmen angeordnet sind. Nachdem die Glasplatte 200 in die gewünschte Schüsselkonfiguration 212 geformt wurde, wird die Formfläche in thermisches Gleichgewicht gebracht und durch Zwangsluftkonvektion auf die bevorzugte Ausgangstemperatur zurückgebracht, bevor sie zum Formen des nächsten Glases 200 benutzt wird. Die darunter liegende Struktur bleibt im Wesentlichen athermisch und unterliegt bei der geringen Bestrahlung während der Formung keiner wesentlichen thermischen Verformung.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Erhöhen der Formreflektivität besteht darin, die Fläche mit 10 bis 50 Mikrometern einer abriebfesten, hochreflektiven, gleichmäßig dicken und haltbaren Metallschicht zu überziehen, die auch nach mehreren Monaten der Benutzung bei Temperaturen von bis zu 400°C eine hohe Reflektivität beibehält. Beschichtungsverfahren wie Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Metallaufdampfen, Plasmaspritzen, thermisches Spritzen, Gasphasenabscheidung und Kombinationen dieser Verfahren werden bevorzugt. Zu bevorzugten Plattierungsmetallen gehören Chrom, Nickel und Edelmetalle wie Gold, Platin, Rhodium und ihre lichtbrechenden Legierungen wie Nickel-Chrom, Nickel-dotierter Phosphor, Platin-Rhodium und Platin-Iridium.
Um eine sehr große Anzahl von Glasreflektoren 1 zu möglichst geringen Kosten zu liefern, werden die oben beschriebene Glasformung und ein Rückseitenversilberungsprozess vorzugsweise in ein Floatglaswerk integriert, dessen gesamter Glasausstoß in der Form von Solarreflektoren 1 erfolgt. 48 zeigt in schematischer Weise einen automatisierten kontinuierlichen Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung, um einen Formungsprozess bei der Geschwindigkeit bereitzustellen, die für die Integration in ein Floatglaswerk notwendig ist. Floatglas 231 wird aus dem Schmelzofen und dem Zinnfloatbad 230 gezogen, aus dem das Glas bei etwa 600°C als ein Band 231 austritt und auf ein Fördersystem 232 gelangt. Hier wird das noch heiße Floatglas 231 in quadratische Platten 200 zerschnitten. Ein bevorzugtes Verfahren, um heißes Glas 231 vor dem Formungsschritt in der Fertigungsstraße in Platten 200 zu schneiden, ist das Ritzen und Brechen, wobei es sich um das älteste und am wenigsten teure Schneideverfahren handelt. Dazu muss das Glas 231 entweder ganz oder lokal in der zu schneidenden Region auf seinen Versprödungstemperaturbereich abgekühlt werden, also unter etwa 350°C. Ein alternatives bevorzugtes Verfahren, das die Notwendigkeit vermeidet, das Glas 231 lediglich zum Schneiden abzukühlen, ist das Laserschneiden. Geeignete Hochenergielasersysteme für das Hochgeschwindigkeitsschneiden eines heißen Glasbandes 231 sind in der US-Patentschrift Nr. 3,885,943 an Chui, in der US-Patentschrift Nr. 3,930,825 an Chui und in der US-Patentschrift Nr. 3,934,995 an French offenbart, die alle hiermit in den vorliegenden Gegenstand miteinbezogen werden.
Die im Wesentlichen flachen geschnittenen Platten 200, die von dem Glasband 231 mithilfe einer Schneidvorrichtung 233 (beispielsweise einer Laserschneidvorrichtung oder einer Ritz- und Brechvorrichtung) abgeschnitten wurden, werden auf eine Steifheit gekühlt, die das Handhaben an den Ecken durch Eckklammern 202 erlaubt. Die von den Klammern 202 ergriffene Platte 200 wird über einer Absackform 201 positioniert. Die Form 201 und die Platte 200 gelangen dann in einen Formungstunnel 207, in dem intensive Strahlungsenergie von einem gestreckten Schwarzkörper bei Temperaturen im Bereich von 800°C bis 1200°C auf die Oberfläche des Glases 200 trifft und es schnell auf Absacktemperatur aufheizt, wodurch sich eine herabsackende Glasplatte 214 ergibt. Das Formen des heißen Glases anhand der oben beschriebenen Schritte findet innerhalb des heißen Tunnels statt. Das Absacken, Dehnen und Formen des Glases in die Form 212 erfolgt aufgrund der Schwerkraft schnell und kann auf Wunsch durch das Anlegen von Druck beschleunigt werden. Kantenformungswerkzeuge 210 formen die gerollten Kanten 211, und zwar auch an den Ecken nach dem Entfernen der Eckklammern 202 von der Platte. Nach dem Abschluss der Formung tritt das Glas 212 in einen Kühltunnel 213 ein, in dem es rasch sowohl durch Konvektion als auch durch Abstrahlen von Wärme an eine kalte, die Strahlung absorbierenden Fläche abgekühlt wird. Wenn es so weit abgekühlt ist, dass es starr genug ist, um seine Form zu bewahren, wird das geformte Glas 212 aus seiner Form 201 genommen und auf das Förderband 213 übertragen, das das Glas 212 zum Ausglühen und Abkühlen weiter befördert. Die Formen 201 werden zurückgeführt 235 und wieder in die Fertigungsstraße eingebracht.
Am weit stromabwärts angeordneten Ende der Fertigungsstraße 234 wird Silber aufgebracht, was vorzugsweise durch vakuumplasmagestützte Prozesse erfolgt, die ähnlich sind wie solche zum Aufbringen von Silber und dielektrischen Schichten auf Floatglas bei der Herstellung von energiesparenden Hausbaufenstern. Entsprechend der üblichen Spiegelfertigungspraxis werden die Silberfläche und die Vorderkanten des Glases 212 mit einer Kupferschichtoxidationsbarriere überzogen, ebenfalls vorzugsweise durch Plasmaabscheidung. Zuletzt werden die Kupferschicht und die Spiegelkanten mit einer wetterfesten Polymerdichtung pulverbeschichtet. Die fertigen Glasreflektoren 1 lassen sich stapeln und können zum Zusammenbau mit den Nachführungen 107 und den Energieumwandlern 4 und schließlich der Aufstellung in einer Solarfarm gestapelt und versandt werden.
In einer alternativen Ausführungsform des Floatglases wird das Glasband 231 nach dem Schneiden durch die Schneidevorrichtung 233 in zwei oder mehr Formungsstraßen geführt, um eine kontinuierliche Produktion für den Fall sicherzustellen, dass eine Produktionsstraße ausfällt oder langsamer arbeitet. Außerdem kann für den Fall, dass alle Formungsstraßen ausfallen, ein separater Bereich zum Kühlen und Verpacken der flachen Glasplatten 200 bereitgestellt werden. Die Glasplatten 200 können gelagert werden, um außerhalb der Fertigungsstraße geformt zu werden.
Die Anzahl der Formen 201 und die Länge der Fertigungsstraße, die zum Aufrechterhalten einer kontinuierlichen Produktion bei der vollen Ausstoßrate eines Floatglaswerks erforderlich sind, hängen von der Zykluszeit der einzelnen Formen 201 ab. In einem Prozess beispielsweise, dessen Zykluszeit zweihundert Sekunden beträgt und alle zehn Sekunden eine neue Platte 200 zum Bearbeiten aus dem Zinnfloatbad 230 austritt, müssen zwanzig Formen 201 auf einmal benutzt werden. Der Herstellungsprozess dieser Erfindung ist dazu ausgelegt, die Formzykluszeit zu minimieren und auf diese Weise auch die Anzahl der Formen 201 zu minimieren, die in der Fertigungsstraße benutzt werden, ebenso wie die Größe der Anlage. Die Formzykluszeit wird hauptsächlich durch die zwei Faktoren thermischer Ausgleich und Wärmeübertragung bestimmt. Faktoren, die sich auf die Formzykluszeit auswirken, sind beispielsweise die Dauer des thermischen Ausgleichs und der Wärmeübertragung beim Erwärmen und Erweichen des Glases 214 sowie die Zeit, die zum Dehnen und thermischen Ausgleichen und zum Abkühlen benötigt wird, um das Glas 212 erstarren zu lassen, damit es aus der Form 201 entnommen werden kann.
Die Temperatur, die zum Formen von Glasplatten 200 erreicht werden muss, wird von der Notwendigkeit bestimmt, das Absacken und Dehnen innerhalb relativ kurzer Zeit durchzuführen. Um die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der sich das Glas unter Schwerkraft in die Schüsselform 212 ausdehnt, wird die Schwerkraftpotenzialenergie, die beim Herabsacken verloren geht, mit der Energie gleichgesetzt, die durch das Dehnen des viskosen Glases freigesetzt wird. Wir zeigen z. B. für eine quadratische Platte 200, die an ihren Ecken festgeklemmt ist und unter ihrem Eigengewicht durch membranartiges Dehnen des Glases herabsackt, dass die Saggitaltiefe „s” in der Mitte mit der Quadratwurzel der Zeit „t” und der Viskosität „η” etwa gemäß s = (cgρx⁴t/η)^1/3, (1) zunimmt, wobei „c” eine numerische Konstante (etwa 0,044) ist, „g” die Beschleunigung aufgrund von Schwerkraft, „ρ” die Glasdichte, „x” die mittlere Spanne zwischen Formabstützungen und „η” die Scherviskosität. Die Scherviskosität typischer gewerblicher Kalknatronglase im Temperaturbereich zwischen 500 und 750°C variiert mit der absoluten Temperatur T als η = η_oexp(B/T), wobei η_o = 1,6 × 10^–18 poise und B = 5,8 × 10⁴ K. Für den bevorzugten Formungstemperaturbereich zwischen 650°C und 750°C fällt die Viskosität von 4,3 × 10⁹ poise (650°C) auf 9 × 10⁶ poise (750°C) ab.
Bei einem spezifischen abgemessenen Beispiel eines bevorzugten Reflektors von 3,1 Quadratmetern Größe beträgt die Zeit bis zum Herabsacken auf eine bevorzugte Tiefe s = 0,795 m am Mittelpunkt der obenstehenden Gleichung zufolge bei 710°C etwa 20 Sekunden und variiert bei Änderungen von jeweils zehn Grad Temperatur um einen Faktor von zwei. Die Höchsttemperatur für den Prozess liegt daher im Bereich von 710°C. Am anderen Extrem wird die Verformung bei Handhabung für eine Minute bei Temperaturen von unter 500°C auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert.
In dem in dieser Erfindung beschriebenen Prozess erfolgt das Erwärmen und Abkühlen zwischen diesen Temperaturen größtenteils durch Strahlungsübertragung. Zum Erwärmen wird Strahlung von einem im Wesentlichen kontinuierlichen Schwarzkörper bei 800 bis 1200°C bevorzugt, da die Wärmestrahlung bei diesen Temperaturen größtenteils vom Glas absorbiert wird. Auf diese Weise kann eine 4 mm dicke Glasplatte 200 durch Bestrahlung auf einer Seite durch einen 900°C heißen Schwarzkörper innerhalb von fünfzig Sekunden von Zimmertemperatur auf eine mittlere Temperatur von 710°C gebracht werden, und durch einen 1200°C heißen Schwarzkörper in zwanzig Sekunden. Ist das Glas 200 zu Beginn der Erwärmung heißer, wird weniger Zeit benötigt.
Nach der raschen Erwärmung durch Strahlung ist das Glas 214 auf der erwärmten Seite wesentlich heißer und daher weniger viskos. Die Zeitkonstante für den Ausgleich durch Wärmeleitung an einer Platte aus Kalknatronglas beträgt bei einer Dicke von 3 mm etwa neunzehn Sekunden, bei 4 mm vierunddreißig Sekunden, und bei 5 mm dreiundfünfzig Sekunden. Ein gewisses Gleichgewicht wird bevorzugt, da das Glas 212 die Formgestalt annimmt und die Kanten 211 gerollt werden. Nach dem Abschluss der Formung wird das Glas 212 durch Abstrahlen auf eine kalte absorbierende Fläche 213 von etwa 710°C auf etwa 500°C abgekühlt, was bei einer 4 mm dicken Platte etwa fünfzig Sekunden dauert, gefolgt von etwa dreißig Sekunden bis zum Erreichen des Gleichgewichts bei 500°C, bevor die Platte entfernt wird.
Ein Formzyklus zum Formen von 4 mm dickem Glas gemäß den obenstehenden Schritten in Abfolge kann beispielsweise fünfzig Sekunden für das Erwärmen durch Strahlung bei 900°C, zwanzig Sekunden für das Absacken, dreißig Sekunden für den Ausgleich, das Setzen auf der Form und die Kantenformung, fünfzig Sekunden für das Strahlungskühlen, dreißig Sekunden für den Ausgleich vor dem Entfernen und sechzig Sekunden für das Zurückführen der Form 201 für die Neubeladung und damit insgesamt 240 Sekunden in Anspruch nehmen. Bei einer Glaszykluszeit von zehn Sekunden werden vierundzwanzig Formen auf einmal benutzt, wobei der thermische Verarbeitungsteil, das Heißformen und das Abkühlen 180 Sekunden dauern. Bei einem Abstand zwischen den Formen von vier Meter und damit einer Straßengeschwindigkeit von 0,4 m/Sek. beträgt die Länge der Formungsstraße etwa zweiundsiebzig Meter.
Während der Entwicklung des obenstehenden Prozesses für große Produktionsmengen können aus gestapelten kalten Glasplatten 200 außerhalb der Fertigungsstraße bei geringerer Geschwindigkeit Glasreflektoren 1 hergestellt werden. Die Anfangsstufen sind unterschiedlich und verlangen, dass die kalten Glasplatten 200 sicher gehandhabt und zur Absackform 201 gebracht werden, ohne zu zerbrechen. Die kalten Platten 200 werden mit einer Vakuumhebevorrichtung mit mehreren Saugnäpfen, die das Glas 200 in einem Bereich von wenigen Millimeter an jeder Stelle flach und in einem belastungsarmen Zustand hält, von einem vertikalen Stapel genommen. Die Platte 200 wird dann horizontal gedreht und mithilfe von Eckgreifern 202 an einem Handhabungsrahmen an den Ecken ergriffen. Die Vakuumhebevorrichtung wird freigegeben, um die Platte 200 abzuladen, woraufhin sich das Glas im ergriffenen Zustand leicht entspannt. Der Plattenladevorgang und verschiebungsfreie Eckgreifer 202 halten die maximale Zugbelastung unter dem Sicherheitsgrenzwert von 3,5 MPa.
Glasplatten 200, die auf diese Weise in Handhabungsrahmen geladen wurden, werden durch einen üblichen Vorwärmtunnel befördert und auf eine Temperatur von etwa 500°C gebracht. Von diesem Punkt an wird eine Glasplatte 200 mithilfe ihrer Handhabungsrahmen mit einer Form 201 wie in 26 zusammengeführt, woraufhin der Prozess wie zuvor beschrieben fortläuft.
Fachleute, die sich diese Offenbarung zunutze machen, werden verstehen, dass an den hier beschriebenen Ausführungsformen Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können. An den Schritten des Herstellungsprozesses können Änderungen vorgenommen werden, zusätzliche Schritte können hinzugefügt werden, andere Materialien und äquivalente Merkmale können benutzt werden, ohne damit vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die Offenbarung hat lediglich bestimmte gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, und es wurde nicht versucht, jede Abwandlung und Ausführungsform zu beschreiben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt. Der Umfang der Erfindung wird daher durch die beiliegenden Ansprüche definiert und ist nicht auf die in der obenstehenden Beschreibung aufgeführten spezifischen Beispiele beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG
Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen von monolithischen Glasreflektoren zum Konzentrieren von Sonnenlicht in einem Solarenergiesystem. Das Herstellungsverfahren ermöglicht es, große monolithische Glasreflektoren aus Floatglas herzustellen, um auf diese Weise signifikante Kosteneinsparungen für die Gesamtsystemkosten eines Solarenergiesystems zu erreichen. Das Herstellungsverfahren umfasst Schritte des Erwärmens einer Platte aus Floatglas, die über einer konkaven Form positioniert ist, bis die Glasplatte herabsackt und sich dehnt, um sich an die Gestalt der Form anzupassen. Die Kanten des schüsselförmigen Glases werden für eine strukturelle Versteifung am Umfang gerollt. Das schüsselförmige Glas wird dann versilbert, um einen schüsselförmigen Spiegel zu erzeugen, der Sonnenstrahlung auf einen Brennpunkt reflektiert. Die Fläche der Form, die mit dem Floatglas in Kontakt gelangt, weist vorzugsweise ein gekehltes Flächenprofil auf, das mehrere Scheitel und konkave Täler umfasst. Dieses gekehlte Profil minimiert die Kontaktfläche und das Beschädigen der Spiegelglasfläche, reduziert parasitische Wärmeübertragung in die Form und erhöht die Formlebensdauer. Das offenbarte Herstellungsverfahren kann hohe Produktionsraten erreichen, die schnell genug sind, um den Ausstoß einer üblichen Floatglasfertigungsstraße zu erreichen, weshalb monolithische Glasreflektoren ebenso schnell produziert werden können, wie die Floatglasfertigung die in dem Prozess verwendeten Floatglasplatten herstellen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3885943 [0128]
US 3930825 [0128]
US 3934995 [0128]