DE19927839A1 - Tragkonstruktion für eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Um die Sonnenstrahlung zur Energieerzeugung zu nutzen, ist es bekannt, großflächige Parabolspiegel entweder polar oder azimutal aufzuhängen. Sie werden über entsprechende Stellmotoren zweiachsig der Sonne nachgeführt.

Bei einer Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser nach der EP 0 593 465 B1 (deutsche Übersetzung der Europäi­ schen Patentschrift unter der Veröffentlichungs-Nr. DE 691 21 916 T2) ist ein Kollektor (vgl. Fig. 6c) über eine Tragkonstruktion abgestützt. Das Gewicht des Kollek­ tors wird über ein Kugelgelenk auf einer Grundfläche abge­ stützt. Teleskopisch längenveränderliche Stellglieder, die gelenkig an der Grundfläche bzw. an der Unterseite des Kol­ lektors befestigt sind, ermöglichen eine Nachführung des Kollektors nach dem Sonnenstand. Die teleskopisch längen­ veränderlichen Stellglieder weisen jeweils einen ein- und ausfahrbaren Abschnitt auf, der in einer Halterung über Führungsrollen geführt ist. Jeder ausfahrbare Abschnitt weist zwei Zahnstangen auf, in die seitlich angeordnete Zahnräder eingreifen. Zum Ein- und Ausfahren der Stellglie­ der werden die Zahnräder elektromotorisch angetrieben.

Die vorstehend erläuterte Tragkonstruktion setzt einen beträchtlichen konstruktiven und baulichen Aufwand voraus, der sich in entsprechenden Systemkosten niederschlägt. Die­ se Tragkonstruktion ist im Zusammenhang mit einer Vorrich­ tung zur Konzentration von Sonnenstrahlen in preiswerten Stromerzeugungsanlagen nicht zu gebrauchen.

Bei der Anordnung nach der US-A 3,118,437 kommen zwei Parabolspiegel zum Einsatz, die die Sonnenstrahlen unter zweifacher Umlenkung in einem Brennpunkt bündeln, der au­ ßerhalb der Begrenzungslinien des Spiegel-Systems liegt. Die Spiegel sind über Führungsrollen auf einer kreisrunden Führungsschiene abgestützt. Zur Nachführung nach dem Son­ nenstand kann das System zusätzlich geneigt werden. Eine vergleichbare Tragkonstruktion zeigt ferner noch die US-A 1,951,404. Auch bei diesen Tragkonstruktionen ist der hohe bauliche Aufwand nachteilig.

Allgemein bekannt sind ferner Stellglieder, die bei­ spielsweise als Stellspindeln in Form von Trapez-Gewinde­ spindeln, Kugelrollspindeln oder dergleichen oder als Hy­ draulik-Zylinder ausgebildet sind. Bei den Stellspindeln bewegt sich eine Mutter entlang der nutzbaren Länge, wobei die Gesamtlänge der Stellspindel immer größer als der er­ zielbare Verstellweg ausfällt. Die Herstellung dieser Stellspindeln ist zeitaufwendig und entsprechend teuer. Hydraulik-Zylinder benötigen ein Hydraulik-Aggregat und ein Weg-Meßsystem. Auch hier ist der Preis hoch, außerdem be­ steht die Gefahr einer Leckage.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Tragkonstruktion für eine gattungsgemäße Vor­ richtung zu schaffen, die mit hoher Genauigkeit und gerin­ gen Investitionskosten eine Nachführung des Systems nach dem Sonnenstand ermöglicht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlen ge­ löst, die neben den Merkmalen des Gattungsbegriffs zusätz­ lich die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptan­ spruchs aufweist. Da die Tragkonstruktion ausschließlich aus Stellgliedern besteht, die so ausgebildet bzw. angeord­ net sind, daß eine Nachführung des Konzentrators im Raum nach dem Sonnenstand möglich ist, wird der bauliche Aufwand gegenüber den Konstruktionen nach dem Stand der Technik erheblich reduziert. Somit ist es möglich, die Systemkosten insgesamt vertretbar zu gestalten.

Die Anordnung der Stellglieder, wie im Anspruch 2 vor­ geschlagen, ist besonders vorteilhaft, weil diese Konstruk­ tion eine sehr genaue Nachführung des Konzentrators ermög­ licht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Tragkonstruk­ tion sind den Ansprüchen 3 bis 7 zu entnehmen.

Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Herstel­ lung von teleskopisch längenveränderbaren Stellgliedern, die aus Rohren zusammengefügt sind, ist Gegenstand des ne­ bengeordneten Anspruchs 8.

Weitere, für die Erfindung wesentliche Merkmale sowie die hieraus resultierenden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Konzentration von Son­ nenstrahlen mit einer Tragkonstruktion in perspektivischer, stark vereinfachter Dar­ stellung;

Fig. 2 ein Stellglied in Form einer Teleskopspindel im Längs-Quer-Schnitt und

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Herstellung von teles­ kopisch längenveränderbaren Stellgliedern in schematischer Darstellung, gesehen im Längs- Quer-Schnitt.

Die Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlen weist ein Spiegel-System auf, das aus einem Unterspiegel 1 und einem oberen Gegenspiegel 2 gebildet wird. Der Unter­ spiegel 1 und der Gegenspiegel 2 sind über Stützen 3 mit­ einander verbunden. Zur zusätzlichen Stabilisierung sind Spannseile 4 vorgesehen, die die Eckpunkte von Unter- 1 und Gegenspiegel 2 miteinander verbinden. Das Spiegel-System ist in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet.

Das Spiegel-System wird über eine Tragkonstruktion 5, die unterhalb des Unterspiegels 1 liegt, gegenüber einer Grundfläche 6 (schraffiert angedeutet) abgestützt.

Wesentliche Elemente der Tragkonstruktion 5 sind bau­ gleich ausgebildete Stellglieder 7, die als Teleskopspin­ deln 7 ausgebildet sind. Insgesamt werden sechs dieser Stellglieder 7 verwendet.

Die Stellglieder 7 weisen untere Anlenkpunkte 8 zur Befestigung an der Grundfläche 6 auf.

Die unteren Anlenkpunkte 8 sind an der Grundfläche 6 paarweise so angeordnet, daß sie die Eckpunkte eines ersten Dreiecks 9 bilden, das mit strichpunktierten Linien kennt­ lich gemacht ist.

Zur Befestigung der Stellglieder 7 an der Unterseite des Konzentrators (Unterspiegel 1) sind weitere Anlenkpunk­ te 10 vorgesehen. Die beiden oben liegenden Anlenkpunkte 10 zweier Stellglieder, die ein Paar bilden, sind an der Un­ terseite des Unterspiegels 1 beabstandet angeordnet. Je­ weils die aufeinanderfolgenden Anlenkpunkte 10 zweier Stellglieder-Paare bilden die Eckpunkte eines zweiten Drei­ ecks 11, das ebenfalls mit strichpunktierten Linien hervor­ gehoben ist. In der Projektion ist das zweite Dreieck 11 gegenüber dem ersten Dreieck 9 um etwa 60° verdreht ange­ ordnet.

Die Stellglieder 7 sind jeweils über untere und obere Kreuzgelenke 12, 13 mit den unteren und oberen Anlenkpunk­ ten 8 bzw. 10 verbunden.

Jedes Stellglied 7 weist an seinem, dem unteren Kreuz­ gelenk 12 zugewandten Ende einen Schrittmotor 14 auf. Die Schrittmotore sind an eine elektrische Energiequelle ange­ schlossen und erlauben ein Ein- und Ausfahren der Stell­ glieder 7.

Die erläuterte Abstützung des Spiegel-Systems über die gelenkig angeordneten Stellglieder entspricht einem Hexapod, das eine sehr genaue Nachführung des Spiegel- Systems nach dem Sonnenstand ermöglicht.

Um die Präzision der Nachführung sicherzustellen und um die Stellglieder preiswert bauen zu können, sind diese als Teleskopspindeln ausgebildet, wie dies in Fig. 2 im schematischen Längs-Schnitt zu sehen ist. Jedes Stell­ glied 7 besteht aus mindestens zwei, vorzugsweise jedoch drei Rohren 15, 16 und 17. Die Mantelfläche des Rohres 15 weist insgesamt drei Gewindeprofil-Abschnitte 18, 19 und 20 auf. Jeder Gewindeprofil-Abschnitt weist ein Innen- und Außengewinde auf, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist.

Prinzipiell sind die Rohre gleich ausgebildet, ledig­ lich die Durchmesser der Gewindeprofile sind abgestuft und jeweils so aufeinander abgestimmt, daß das Außengewinde mit dem größten Durchmesser des Rohrs 16 in das Innengewinde des mittleren Gewindeprofils 19 des Rohrs 15 eingreift. Umgekehrt gilt, daß das Innengewinde des Gewindeprofils 20 des Rohrs 15 (also dasjenige mit dem kleinsten Durchmesser) mit dem Außengewinde des mittleren Gewindeprofils des Rohrs 16 zusammenarbeitet. Gleiches gilt für das Rohr 17.

Aus der Zeichnung sind Anlaufschrägen 21 und 22 er­ sichtlich. Die Anlaufschrägen 21 befinden sich jeweils zwi­ schen den Gewindeprofilen mit dem größeren und dem kleine­ ren Durchmesser eines der Rohre 15, 16 oder 17. Das Gleiche gilt für die Anlaufschrägen 22.

Ein ringförmiges Begrenzungselement 23 begrenzt die Verstellbewegung zweier Rohre im eingefahrenen Zustand.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres für ein Stellglied ist der schematischen Abbildung entsprechend Fig. 3 zu entnehmen. Ein hydraulisch betätigbares Spannfut­ ter 24 trägt einen Kolben 25, der bei Beaufschlagung eines Kolbenringraums 26 mit Hydraulikmedium nach rechts - bezo­ gen auf die Zeichnung - verschiebbar gelagert ist. Bei Druckbeaufschlagung wird eine kegelförmige Spreizhülse 27 gegen einen Spanndorn 28 gedrückt, so daß dieser in Radial­ richtung aufgeweitet wird. Hierzu ist er aus einzelnen Seg­ menten gebildet, die miteinander wendelförmig und - mit Hinblick auf die kegelförmig verlaufenden Durchmesser - spiralförmig verbunden sind. Der Spanndorn 28 weist an sei­ ner äußeren Mantelfläche Abschnitte mit Gewindeprofilen mit unterschiedlichen Längen und Durchmessern auf.

Eines der Rohre 15, 16 oder 17 wird wie folgt gefer­ tigt:
Im entspannten Zustand des Spanndorns 28 befindet sich die Spreizhülse 27 in ihrer inneren (linken) Ausgangslage. Die Spreizhülse 27 zieht sich im unbelasteten Zustand nach Art einer Spiralfeder zusammen. Es ist somit möglich, ein Rohr über die Spreizhülse zu streifen. Im Anschluß an die­ sen Vorgang wird die Spreizhülse aufgeweitet, so daß das Rohr durch Einwirkung von Radialkräften gespannt wird. Von außen werden selbst nicht dargestellte Rollwerkzeuge, die der Kontur der Außengewinde eines Rohres entsprechen, gegen die Gewindeprofil-Abschnitte mit den abweichenden Durchmes­ sern gedrückt. In einem Arbeitsgang werden durch Rollen die Innen- bzw. Außengewinde eines Rohres hergestellt. Nach dem Zurückfahren des Spanndorns in seine Ausgangslage kann das fertig profilierte Rohr vom Spanndorn abgenommen werden.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Rohre aus Blech mit einer Wandstärke von 2 mm herzustellen. Die Wirklänge eines Stellgliedes, gebildet aus drei Rohren, kann bis zu 3500 mm betragen. Neben der einfachen, kosten­ günstigen Herstellung ist von Vorteil, daß zum Ein- und Ausfahren der Stellglieder kein Hydraulikmedium erforder­ lich ist, so daß Leckagen nicht auftreten können.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlen mit mindestens einem zweiachsig parabolisch gekrümmten Kon­ zentrator (1), der die einfallende Sonnenstrahlung auf ei­ nen im Brennpunkt angeordneten Wärmetauscher bündelt und der über eine Tragkonstruktion (5) mit teleskopisch längen­ veränderlichen, an einer Grundfläche angeordneten Stell­ gliedern (7) dem Sonnenstand nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (5) ausschließlich aus Stellgliedern (7) besteht, die einenends an der Grundfläche (6) und anderenends am Konzentrator (1) gelenkig angelenkt sind und die eine Nachführung des Kon­ zentrators (1) in allen sechs Freiheitsgraden im Raum zu lassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (5) aus sechs Stellgliedern (7) besteht, deren Anlenkpunkte (8) an der Grundfläche (6) paarweise so angeordnet sind, daß sie die Eckpunkte eines ersten Dreiecks (9) bilden und de­ ren konzentratorseitige Anlenkpunkte (10) voneinander beab­ standet so angeordnet sind, daß jeweils die aufeinanderfol­ genden Anlenkpunkte (10) zweier benachbarter Stellglieder (7) die Eckpunkte eines zweiten Dreiecks (11) bilden, das gegenüber dem ersten Dreieck (9) um etwa 60° verdreht ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (7) in ihren unteren und oberen Anlenkpunkten (8, 10) über Kreuzge­ lenke (12, 13) mit der Grundfläche (6) bzw. dem Konzentrator (1) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied (7) durch einen Schrittmotor (14) verstellbar ist, wobei der Schrittmotor (14) zwischen dem unteren Kreuzgelenk (12) und dem Stellglied (7) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stellglieder (7) Teleskopspindeln sind, die aus mindestens zwei Rohren (15, 16) bestehen, deren Mantelfläche als Gewindeprofile (18, 19, 20) mit je einem Innen- und Außengewinde ausgebildet sind, wo­ bei das zweite Rohr (16) im ersten Rohr (15) so geführt ist, daß seine Außengewinde in die Innengewinde des ersten Rohrs (15) eingreifen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohre (15, 16, 17) zur Begrenzung des Verstellwegs beim Ausfahren der Teleskop­ spindel Anlaufschrägen (21) zwischen jeweils den Gewinde­ profilen mit dem größeren und kleineren Durchmesser aufwei­ sen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich der Anlaufschrä­ gen (21) ringförmige Begrenzungselemente (23) vorgesehen sind, die im eingefahrenen Zustand der Teleskopspindel die Verstellung zweier Rohre begrenzen.

8. Vorrichtung zur Herstellung von teleskopisch län­ genveränderbaren, aus Rohren (15, 16, 17) zusammengefügten Stellgliedern (7), dadurch gekennzeichnet, daß ein Spanndorn (28) aus in Radialrichtung durch eine Spreizhülse (27) aufweitbaren Wendeln (29) gebildet ist, die an ihrem Außenumfang Gewindeprofile bilden, die den Innendurchmessern eines Rohres entsprechen, und daß Roll­ werkzeuge zum Herstellen der Außengewinde des Rohres vorge­ sehen sind, die gegen die Gewindeprofile der Spreizhülse gedrückt werden, um die Innen- bzw. Außengewinde eines Roh­ res in einem Arbeitsgang zu rollen.