DE19625204A1

DE19625204A1 - Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von Sonnenkollektoren

Info

Publication number: DE19625204A1
Application number: DE19625204A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Wimmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachführung von Vorrichtungen z. B. zur thermischen oder photovoltaischen Sonnen energienutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10.

Um die Sonnenenergie für thermische Anwendungen technisch zu nut zen, müssen meist hohe Prozeßtemperaturen erreicht werden, die eine Konzentration des Sonnenlichts erforderlich machen. Da diese Konzentratoren meist einen engen Öffnungswinkel aufweisen, müssen sie dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt werden.

Bekannte Heliostaten arbeiten mit einer zweiachsigen zeitgesteu erten Nachführung um z. B. Solarzellen optimal, d. h. senkrecht zur direkten Sonneneinstrahlung auszurichten. Dies erfolgt u. a. mittels Schrittmotoren, einer Steuerung für die Schrittmotoren, einem Mikroprozessor sowie Winkelgebern zur Positionskontrolle.

Die Position der Sonne wird nach Datum und Uhrzeit berechnet oder aus einem Speicher abgerufen der Schrittmotor wegen seines hohen Strombedarfs über eine Ansteuerung in Bewegung gesetzt und durch die Winkelgeber die aktuelle mit der errechneten Lage verglichen bzw. gegebenenfalls korrigiert.

Diese Heliostaten erfordern sowohl kostenintensive Stellglieder als auch eine teure An- und Steuerung, wodurch insbesondere eine Nutzung der Sonnenenergie für industrielle Zwecke in armen und meist sonnenreichen Entwicklungsländern ausscheidet. In den noch ärmeren Hochtechnologieländern insbesondere des europäischen Kon tinents rechnet man bei regenerativen Energiequellen auch zehn Jahre nach Tschernobyl, Windscale/Sellafield etc. noch mit äußerst spitzer Feder und ignoriert standhaft todsicher anfallende Folge kosten konventioneller Energiepolitik.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Steuerung und zum Antrieb eines Heliostaten etc. so wie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch ge löst, daß die Nachführung des Heliostaten in Abhängigkeit von der Position der Sonne erfolgt. Dies kann z. B. durch Differenzbildung zweier Photozellen geschehen, wie es aus der Robotik zur Ausbil dung phototropen oder photophoben Verhaltens bekannt ist, wobei für die Nachführung nach einer Achse mindestens zwei bzw. nach zwei Achsen mindestens vier Photozellen vonnöten sind.

Vorteilhaft ist es, eine automatische Vorwärtsbewegung längs dem Tagesdrehachse der Sonne vorzusehen, damit evtl. Schattenperioden keine langen Nachführungsphasen verursachen.

Weiterhin kann es insbesondere bei Solarzellen vorteilhaft sein, die Nachführung auf den optimalen Einfang direkter und/oder indi rekter Sonnenstrahlung, sozusagen auf den optisch hellsten Fleck am Himmel, auszurichten.

Der Antrieb erfolgt erfindungsgemäß nach dem Prinzip des bionischen Motors, indem die Auftriebskraft eines oder mehrerer Arbeitskörper in einer Flüssigkeit durch ein Seil auf eine Drehachse des Heliostaten einwirkt. Durch entsprechende Änderung des oder der Flüssigkeitspegel wird der Heliostat in einer Achse in die gewünschte Position gebracht und mit einer Kraft festgehal ten, die innerhalb eines gewissen Bereichs proportional zu einer einwirkenden Störgröße wächst. Eine Änderung des Flüssigkeitspe gels wird durch Umpumpen der Flüssigkeit zwischen den Behältern erreicht.

Ein entsprechender Motor wurde zum Antrieb von Maschinen in der DE-OS 44 40 018 vorgeschlagen, seine Vorzüge wie grobes Drehmoment bei kleinem Strom- und Leistungsbedarf kommen jedoch insbesondere bei Positionieraufgaben mit langsamen Verfahrgeschwindigkeiten erst voll zum Tragen.

Hierbei ist es vorteilhaft, die Flüssigkeitsbehälter so anzuord nen, daß eine selbsttätige Entleerung des einen bzw. Füllung des anderen Behälters stattfindet. Da die Zeitkonstante für die Ent leerung ca. zehn Stunden betragen kann, fällt die zusätzliche Pumpleistung nicht ins Gewicht, zumal dadurch ein Hahn bzw. Mag netventil eingespart wird. Bei einem Betrieb der Pumpe mittels Solarzellen, der sich hier wegen des zeitlichen Strombedarfs an bietet, nimmt der Heliostat selbsttätig über Nacht eine vorzugs weise östliche Grundstellung ein.

Erfindungsgemäß wird der Heliostat durch eine Haltevorrichtung ge gen auf seine Lage einwirkende Störgrößen wie z. B. Windlast gesi chert, die periodisch gelöst wird, solange die Windgeschwindigkeit unter einem Grenzwert bleibt.

Vorteilhaft ist es auch, die Bremse nur dann zu aktivieren, wenn der Windgeschwindigkeitsgrenzwert oder die zulässige Seilkraft überschritten wird.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist wesentlich, daß auf ei nem Träger zwei Photozellen angeordnet sind, zwischen denen sich eine Trennwand befindet, so daß eine senkrechte Ausrichtung der Anordnung zur Sonnenstrahlung bezüglich einer Achse möglich ist.

Vorteilhaft kann dabei sein, den Träger an der Stelle der Trenn wand zusammen- oder auseinanderzubiegen, wobei die Trennwand ent fallen kann. Die Entfernung der Photozellen von der Trennwand oder Knicklinie bestimmt dann die Ansprechtoleranz der Einrichtung.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Einrichtung in einem Gehäuse an zuordnen, wobei der Lichteinfall durch eine Öffnung bzw. Lochblen de erfolgt. Eine lichtdurchlässige Abdeckung schützt den Innenraum vorteilhaft vor Verschmutzung und Witterungseinflüssen.

Ein allseitig geschlossenes Gehause ist nicht unbedingt erforder lich, da sich ein Blendschutz auch bei einem oben offenem Gehäuse bzw. einer zweiseitig offenen rohrförmigen Einfassung ergibt.

Vorteilhaft ist es auch, zwei Einrichtungen orthogonal zueinander auf einem Träger zu kombinieren, der dann die Augen- bzw. Innen fläche einer Pyramide ausbildet, bzw. bei ebenem Träger eine kreuzförmige Trennwand aufweist.

Eine Anwendung findet der Heliostat im Heizungsbereich, da er her vorragend geeignet ist, die gegebenen Fakten, wie die jahreszeitliche Sonneneinstrahlung und die beim Hausbau vergessene Niedertemperatur heizung zu kompensieren. Erfindungsgemäß geschieht dies durch Kombination mit bekannten Sonnenkollektoren, wobei der Heliostat sozusagen als Nachbrenner arbeitet, der für eine höhere Vorlauf temperatur im Winter sorgt, während er im Sommer abgeschaltet wird, indem er 180° zur Sonne gedreht wird und/oder zusätzlich als Strahlungskühler dient, um eine Überhitzung der stationären Kol lektoren insbesondere bei zu kleiner Kapazität des Wärmespeichers zu verhindern. Bei einachsiger Nachführung wird der Aufstellwinkel sinnvollerweise auf den Winterbetrieb optimiert. Vorteilig ist dabei auch der kleinere, nicht abgeschattete Flächenbedarf am Boden, der für ein vollständiges Kollektorfeld oft nicht ausreicht.

Eine weitere Anwendung bietet sich für den Heliostaten als Sonnen herd, der im Gegensatz zu bekannten Ausführungen diesen Namen ver dient. Durch ein hochsiedendes Medium wie z. B. vorzugsweise Sesam öl wird die Kochstelle räumlich vom Spiegel entkoppelt, so daß auch ein Kochen in der Küche bzw. zumindest im Schatten möglich ist. Da der Heliostat eine relativ große Spiegelfläche aufweist, können auch größere bzw. mehrere Kochstellen nebeneinander ange ordnet werden. Als kostengünstige Pumpe bietet sich eine archime dische Schraube an, wobei die Herdtemperatur durch die Pumpe und/ oder die Stellung des Heliostaten z. B. durch einen Offset zum Nachführungssignal regelbar ist.

Vorteilhaft ist es, einen Wärmespeicher vorzusehen, der etwa in der Wüste nachts als Ofen genutzt werden kann, und der zwecks schnellerem Kochen zu- und abschaltbar ist.

Eine weitere Anwendung findet der erfindungsgeinäße Heliostat schließlich zur Sterilisation von Wasser, Samen etc., wobei der UV-Anteil des Sonnenlichts genutzt wird. Die Strahlungsdosis kann z. B. durch eine mit Solarstrom betriebene Pumpe geregelt werden, die die Flüssigkeit oder das Schüttgut durch ein Quarzglasrohr fördert. Auch in unseren Breiten ist solch eine Trink- und Abwas serbehandlung denkbar, die derzeit mit UV-Lampen z. B. zur Verrin gerung des Zyanidgehalts oder Entkeimung des Wassers erfolgt.

Sämtliche Anwendungen sind ebenso mit bekannten Verfahren und Ein richtungen zur Konzentration von Sonnenstrahlung durchführbar.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die er findungsgemäße Einrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels der Ein richtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heliostaten,

Fig. 2-4 das Schema verschiedener Sonnendetektoren, und

Fig. 5 einen weiteren Heliostaten.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Heliostat 1 dargestellt, an dessen Spiegelwanne 2 ein Antriebsrad 3 befestigt ist, das mittels des Seils 6 um die Achse 4 gedreht wird, so daß die Spiegelwanne 2 senkrecht zur Sonne 5 ausgerichtet ist. Diese Drehung erfolgt durch einen bionischen Motor, der zwei Behältern 7 gebildet wird, in denen je ein Arbeitskörper 9 durch das Wasser 10 eine Auf triebskraft erfährt, die auf das Seil 6 und über Umlenkrollen 8 auf das Antriebsrad 3 und die Spiegelwanne 2 wirkt. Das durch den Arbeitskörper geführte Seil 6 ist über weitere Umlenkrollen 8 ge führt und an seinem Ende mit einem Spanngewicht 11 verbunden, das für eine senkrechte Lage des Arbeitskörpers 9 sorgt. Die beiden Behälter sind in unterschiedlicher Höhe angeordnet und stehen über zwei Rohre 14 miteinander in Verbindung. Durch die Pumpe 13 wird während des Tages Wasser aus dem unteren in den oberen Behälter 7 gepumpt, wodurch dessen Wasserpegel und Arbeitskörper 9 angehoben werden, da gleichzeitig im anderen, unteren Behälter 7 der umge kehrte Vorgang abläuft, und die Spiegelwanne 2 wird mathematisch positiv bzw. gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Das Ventil 12 unter bindet dabei einen Rücklauf durch die Pumpe 13, falls diese nicht läuft. Am Tagesende oder z. B. bei einer Überdrehung wird das Ma gnetventil 15 geöffnet, wodurch das Wasser selbsttätig aus dem oberen in den unteren Behälter 7 flieht und die Spiegelwanne 2 in eine vorzugsweise östliche Grundstellung schwenkt. Statt des Magnet ventils 15 kann ein einfacher Hahn vorgesehen werden, der am Abend geöffnet wird oder dauernd auf minimalen Durchfluß eingestellt ist, wodurch sich der obere Behälter 7 nachts selbsttätig entleert. Bei entsprechend großen Öffnungs- bzw. zulässigem Ar beitswinkel der nachzuführenden Vorrichtung kann der Rückfluß durch die Pumpe 13 zur Entleerung genutzt werden, wobei die Venti le 12 und 15 sowie ein Rohr 14 wegfallen.

Fig. 2 bis 4 zeigen einen Sonnendetektor 16, der aus zwei Photo zellen 22 besteht, die auf einem Träger 20 angeordnet sind. In Fig. 20 wird durch die zwischen den Photozellen 22 angeordnete Trennwand 17 eine einachsige Richtwirkung erzielt, da sie bei schräger Stellung des Trägers 20 zur Sonne eine Photozelle 22 zu mindest teilweise abschattet. Der Ansprechwinkel läßt sich durch den Abstand der Photozellen 22 zur Trennwand 17 und/oder die Höhe der Trennwand 17 einstellen. In Fig. 3 wurde der Träger 20 an Stelle der Trennwand 17 geknickt, wodurch bei einer Schrägstellung ebenfalls eine unterschiedlich starke Beleuchtung der Photozellen erfolgt, allerdings in umgekehrter Weise wie in Fig. 2.

In Fig. 4 wurde der Träger 20 an Stelle der Trennlinie 17 nach oben geklappt und in einem Gehäuse 18 untergebracht, das eine Öff nung oder Lochblende 19 aufweist, die durch das Glas 21 abgedeckt wird, das eine Verschmutzung der Photozellen 22 verhindert und evtl. auch als Sammellinse ausgebildet sein kann.

In Fig. 5 wird ein Heliostat 1 dargestellt, der die einfallende Strahlung 23 mittels einer Spiegelwanne 2 auf ein Rohr 14 konzen triert, in dem ein Medium erhitzt wird, dessen Strömungsrichtung bei selbsttätiger Konvektion entgegen der eingezeichneten Richtung verläuft. Das Rohr 14 bleibt im Tagesablauf starr, d. h. die Spie gelwanne 2 wird der Sonne durch das Antriebsrad 3 nachgeführt, wo bei die Drehung durch einen im Behälter 7 untergebrachten Antrieb, vorzugsweise einen bionischen Motor, mittels des bzw. der um die Umlenkrollen 8 geführten Seile 6 erfolgt. Das Rohr 14 wird in den Lagern 24 gehalten und kann bei entsprechender teilweisen Flexibi lität durch eine z. B. manuell verstellbare Stütze 25 dem jahres zeitlichen Sonnenstand angepaßt werden. Die Spiegelwanne 2 kann insbesondere bei trogförmiger bzw. halbgeschlossener Ausführung durch eine oder mehrere lichtdurchlässige Abdeckungen gegen Ver schmutzung und Strahlungs- sowie Konvektionsverluste abgeschirmt werden.

Bezugszeichenliste

1 Heliostat
2 Spiegelwanne
3 Antriebsrad
4 Achse
5 Sonne
6 Seil
7 Behälter
8 Umlenkrolle
9 Arbeitskörper
10 Wasser
11 Spanngewicht
12 Ventil
13 Pumpe
14 Rohr
15 Magnetventil
16 Sonnendetektor
17 Trennwand
18 Gehäuse
19 Lochblende
20 Träger
21 Glas
22 Photozelle
23 Strahlung
24 Lager
25 Stütze

Claims

1. Verfahren zur ein- oder zweiachsigen Nachführung eines Helio staten, Sonnenkollektors, Solarpaneels oder anderen Vorrichtungen zur Sonnenenergienutzung mittels einem oder zwei Paar Solarzellen, Photodioden, -Transistoren oder -Widerständen, einer Steuerung und einem Stellglied, wobei jeder Achse ein Paar Solarzellen oder ent sprechender Photosensoren zugeordnet ist, deren Differenzsignal gebildet und dem Stellglied von der Steuerung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführung nach dem jeweiligen Sonnenstand durch die von der Sonne ausgehende Strahlung erfolgt, und
daß die Photosensoren und der Heliostat (1) oder Vorrichtung zur Sonnenenergienutzung vorzugsweise senkrecht oder in einem Winkel dazu zur einfallenden Sonnenstrahlung ausgerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein automatischer Vorschub in einer Achsrichtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung nach dem Maximum der einfallenden Gesamt strahlung erfolgt.

4. Verfahren zum Antrieb eines Heliostaten mittels der Auftriebs kraft eines oder mehrerer in einer Flüssigkeit schwimmender Ar beitskörper, die über Umlenkrollen geführte Seile am Heliostaten angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Heliostaten (1) durch Änderung des Flüssig keitspegels eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie durch Solarzellen aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat (1) selbsttätig eine Grundposition einnimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der bewegliche Teil des Heliostaten (1) durch eine periodisch gelöste Bremse fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse ab einer gewissen Windgeschwindigkeit nicht gelöst wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse ab einer gewissen Windgeschwindigkeit und/oder Seilkraft blockiert.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ebenen Träger (20) zwei Photozellen (22) angeordnet sind, zwischen denen sich eine zum Träger (20) lotrechte Trennwand (17) befindet.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) längs der Fußlinie der Trennwand (17) eine Biegung aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (17) weggelassen ist.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) in einem Gehäuse (18), das eine Linse auf weist, angeordnet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) in einem oben offenen Gehäuse (18) angeordnet ist.

15. Einrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) durch ein lichtdurchlässiges Material abge deckt ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Träger (20) vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind.

17. Anwendung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat (1) im Verbund mit stationären Sonnenkollektoren arbeitet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs zugeschaltet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs aus der Son ne gedreht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs als Kühler verwendet wird.

21. Sonnenherd nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) mit einem Medium mit hoher Siedetemperatur arbeitet,
daß diese selbsttätig und/oder mittels einer archimedischen Schraube umläuft, und
daß die Arbeitstemperatur durch die Fließgeschwindigkeit des Medi ums und/oder die Ausrichtung des Heliostaten (1) zur Sonne gere gelt wird.

22. Sonnenherd nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Wärmespeicher aufweist.

23. Sonnenherd nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher zu- bzw. abschaltbar ist.

24. Sterilisation für Flüssigkeiten und Schüttgut feiner Granula tion nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu sterilisierende Gut einer konzentrierten Sonnenstrah lung ausgesetzt wird, und
daß die Bestrahlungsdosis in Abhängigkeit einer Voreinstellung und/oder der einfallenden Strahlungsmenge durch die Durchflußge schwindigkeit oder Verweildauer des Guts in der konzentrierten Sonnenstrahlung geregelt wird.

25. Sterilisator für Flüssigkeiten und Schüttgut feiner Granulati on nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelwanne (2) des Heliostaten (1) das Sonnenlicht auf ein UV-durchlässiges Rohr (14) vorzugsweise ein Quarzglasrohr, konzentriert.

26. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelwanne (2) durch eine oder mehrere lichtdurchlässige Schichten abgedeckt ist und einen im wesentlichen geschlossenen Hohlraum ausbildet.

27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelwanne (2) um das Rohr (14) drehbar ist, und daß das Rohr (14) als Lager für die Spiegelwanne (2) dient.