DE19630201C1 - Selbstausrichtender Heliostat für Solar-Turmkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstausrichtenden Heliostaten für ein Solar- Turmkraftwerk.

Neben der Nutzung solarer Wärme durch Kollektoren und der direkten Erzeugung von Elektrizität mit photovoltaischen Bauelementen ist seit langem das Prinzip des solar-thermischen Kraftwerkes, meist realisiert in der Ausbildung als Solar- Turmkraftwerk, bekannt.

Bei einem Solar-Turmkraftwerk, das in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wird die von der Sonne (10) kommende Strahlung durch ein Feld von Spiegeln, genannt Heliostaten (11), auf einen Absorber (12) fokussiert, der sich auf einem Turm (13) befindet. Dessen bestrahlungsbedingte starke Erwärmung kann unter anderem genutzt werden, indem die thermische Energie durch ein Kühlmittel über eine Leitung (14) zu einem konventionellen thermischen Kraftwerk (15) transpor­ tiert wird, das über Wärmetauscher/Verdampfer, Turbine und Generator mit einem typischen Wirkungsgrad Strom erzeugt. Dabei fällt zudem Abwärme an, die eventuell auch nutzbar ist.

Für den Betrieb eines Solar-Turmkraftwerkes ist zwingend direkte Sonnenein­ strahlung erforderlich, da eine Fokussierung von diffusem Licht nicht möglich ist. Damit kommen als Einsatzort nur extrem sonnenreiche Regionen der Erde in Frage. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Kraftwerk wird z. B. in der kalifornischen Mojave-Wüste unter der Bezeichnung "Solar Two" mit Erfolg betrieben. Die Anlage ist ein Gemeinschaftsprojekt, an dem unter anderem das US Department of Energy, die Califormia Energy Commission, das Electric Power Research Institute, das Energieversorgungsunternehmen PacifiCorp und andere beteiligt sind.

Da sich der Einstrahlungswinkel der Sonne aufgrund der Erdrotation und der Erdbewegung um die Sonne ständig ändert, ist eine ständige Nachführung der Heliostaten erforderlich, so daß das reflektierte Licht auf den Absorber fokussiert bleibt.

Ein zentraler Aspekt für die Erfolgsaussichten einer alternativen Energiequelle ist deren Wirtschaftlichkeit. Diese ist heute wie bei allen Konzepten zur Elektrizi­ tätsgewinnung aus Sonnenenergie auch für das Solar-Turmkraftwerk aufgrund der hohen Investitionskosten noch nicht erreichbar.

Einen Hauptbeitrag zu diesen Kosten stellen die Heliostaten dar, deren Nachfüh­ rung nach der Sonne bisher nur mit großem technischen Aufwand möglich ist: So wird z. B. die Einstrahlungsrichtung der Sonne in kurzen Zeitintervallen gemessen oder vorausberechnet und dann mit Hilfe eines Computers jeder einzelne Heliostat über eine digitale Datenverbindung angesteuert und mit Hilfe von Elektromotoren ausgerichtet. Da diese Ausrichtungsansteuerung und -mechanik sehr teuer ist, tendiert man zu verhältnismäßig wenigen, großen Heliostaten.

Das macht aber eine Krümmung jedes einzelnen Spiegels erforderlich, um einen hinreichend kleinen Fokus zu erhalten, was wiederum sehr teuer ist. Außerdem widerstrebt dieser Ansatz einer Verbilligung der Heliostaten durch Massen­ produktion.

Durch die US 39 06 927 sind auch Solar-Turmkraftwerke bekannt geworden, die vor jedem Heliostaten einen Photodetektor zur Regelung der Sonnennachführung aufweisen. Hierbei ist es ungünstig, daß die Photodetektoren getrennt von den Heliostaten aufgestellt sind, somit zusätzlichen Raum, zusätzliche Fundamente und lange Verbindungsleitungen erfordern. Der entscheidende Nachteil ist jedoch die relativ große Entfernung des Photodetektors vom Heliostatenspiegel, was nach einem Wegfall der direkten Sonneneinstrahlung (z. B. durch Vorbeizug von Wolken) dazu führen kann, daß das reflektierte Licht der inzwischen weitergezo­ genen Sonne den Detektor nicht mehr trifft und dieser damit kein korrektes Nachführsignal mehr erzeugen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakteren Aufbau jedes Heliostaten, eine bessere Justierbarkeit der Detektoren und eine größere Unemp­ findlichkeit des Regelkreises gegen vorübergehenden Wegfall der direkten Sonnen­ einstrahlung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß für die Heliostaten nur noch eine Versorgung mit einer niedrigen Gleichspannung kleiner Leistung für die Stellmotore erforder­ lich ist. Diese Versorgung kann durch einfaches Parallelschalten vieler Heliostaten zu Gruppen bewerkstelligt werden. Durch einfaches Ausschalten dieser Versor­ gungsspannung können Gruppen von Heliostaten außer Betrieb genommen werden, was eine Steuerung der Einstrahlungsleistung am Absorber ermöglicht. Auf Umpolung dieser Versorgungsspannung z. B. in der Nacht hin können die Helio­ staten mit Hilfe einer einfachen Schaltung in die Ausgangsposition für den nächsten Morgen zurücklaufen.

Durch die Selbststeuerung können während des Betriebs der Gesamtanlage einzelne Heliostaten repariert bzw. ausgetauscht werden oder weitere Heliostaten hinzugefügt werden. Auch die Plazierung der Heliostaten kann noch nach Inbe­ triebnahme der Anlage optimiert werden, was die Kosten für Vorausberechnung und -planung drastisch reduziert und eine Anwendung z. B. in klimatisch begün­ stigten Entwicklungsländern vereinfacht und nahelegt.

Schließlich ermöglicht die technische Einfachheit der Ausführung gemäß den in Patentanspruch 3 formulierten Merkmalen in Kombination mit einer Herstellung z. B. in Spritzgußtechnologie eine billige Massenproduktion.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführung des Heliostaten unter Verwendung des in Patentanspruch 3 beschriebenen Kugelgelenkes. Ein zweiter Stellmotor für die Nachführung in der Richtung senkrecht zu der gezeigten wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Vor Inbetriebnahme eines jeden Heliostaten muß dessen Detektor (1) einmal auf den Absorber ausgerichtet werden. Dafür ist er mit der in Fig. 1 gezeigten verstellbaren Befestigung (2) versehen. Bei der Ausrichtung kann ein handels­ üblicher Laserpointer nützlich sein, der für die Dauer des Ausrichtvorganges achsparallel auf den Detektor gesteckt wird und von der Eintrittsöffnung des Detektors weg auf den Absorber zeigt.

Der Detektor besteht, wie allgemein üblich, aus zwei Paaren photoempfindlicher Bauteile wie Phototransistoren, die jeweils durch eine Abschattungsvorrichtung getrennt sind. Bei schrägem Lichteinfall liegt jeweils einer der Phototransistoren stärker im Schatten, als sein Gegenüber. Nun wird mit Hilfe einer einfachen elektronischen Schaltung für jedes Paar die Differenz der beiden Einzelsignale gebildet, die genau dann null wird, wenn das Licht beide Bauteile gleich stark trifft, also parallel einfällt.

Ist dies nicht der Fall, wird das Differenzsignal eines jeden Transistorenpaares verstärkt dazu benutzt, den zugehörigen Stellmotor (6) anzusteuern und dadurch den Spiegel (3) so lange nachzuführen, bis die Bedingung des parallelen Lichtein­ falls wieder erfüllt ist. Bei richtig justiertem Detektor bedeutet dies zugleich, daß das reflektierte Licht auch den Absorber trifft.

Claims (3)

1. Selbstausrichtender Heliostat für ein Solar-Turmkraftwerk mit einem Photo­ detektor (1), der entlang einer Verbindungslinie zum Empfänger (Absorber) des Kraftwerks ausgerichtet das (Sonnen-)Licht empfängt, das vom Heliostatenspiegel (3) reflektiert wurde und zwei Signale erzeugt, die nach Betrag und Polarität der Abweichung des einfallenden Lichtes von der Achsparallelen in zwei aufeinander und der Symmetrieachse senkrecht stehenden Richtungen entsprechen und die zur Ansteuerung der Stellmotore (6) des Heliostaten verwendet werden, womit eine ständige Reflexion des Lichtes auf den Empfänger (Absorber) des Kraftwerks erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (1) orts- und richtungsfest an der Trägerstruktur (2) des Heliostaten angebracht ist.

2. Heliostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung (2) für den Detektor (1) durch eine zentrale Öffnung im Heliostatenspiegel (3) hindurch­ geführt und mit dem Standrohr (8) verbunden ist.

3. Heliostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgelenk für die Schwenkung des Heliostaten aus einem Auflagering (4) besteht, der auf einem halbkugelförmigen Lagerstück (5) gleitet und den Heliostatenspiegel (3) trägt, wobei der Spiegelschwerpunkt mit dem Mittelpunkt der Kugelkappe zusammen­ fällt.