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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere einen Heliostat
für Solar-Turmkraftwerke oder
eine Photovoltaikeinrichtung, welche einen Ständer und eine daran angeordnete
Trägervorrichtung
umfasst, die einen Reflektor aufnimmt, so dass der Reflektor um
eine Drehachse und um eine Schwenkachse in seiner Lage zum Sonnenstand
veränderbar
ist.
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Solche
Vorrichtungen wurden bereits mehrfach als Heliostaten für eine CO2-freie Stromerzeugung eingesetzt. Diese
umweltfreundliche Technologie findet mehr und mehr Einsatz. Dabei
ist gleichzeitig auch erforderlich, dass solche Heliostaten kostengünstig herzustellen
sind.
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Die
Reflektoren der Heliostaten werden in Abhängigkeit vom Stand der Sonne
ausgerichtet, so dass das auf den Reflektor einfallende Licht auf den Absorber
im Solar-Turmkraftwerk abgelenkt wird, um die Lichtenergie einem
Wärmeträgermedium,
wie beispielsweise Öl,
Luft oder Wasser, zuzuführen. Dieses
Wärmeträgermedium
kann gespeichert und/oder in Strom umgewandelt werden.
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Der
Reflektor wird von der Trägervorrichtung in
der Lage veränderbar
getragen und ist an dem Ständer
angeordnet. Die Trägervorrichtung
ist über ein
Drehlagergehäuse
drehbar und über
einen Drehbalken der Trägervorrichtung
schwenkbar angeordnet. Die Veränderung
der Lage wird bislang durch elektrische Antriebe mit einem Getriebe
durchgeführt.
Die Bewegung der Reflektoren ist sehr langsam. Innerhalb von acht
Stunden beträgt
im Mittel die Drehbewegung 100° und
die Schwenkbewegung 70°.
Damit der fokussierte Strahl innerhalb einer begrenzten Fläche auf
den Absorber fokussiert gehalten wird, ist nur eine Fokusabweichung
von 0,5 mrad erlaubt. Die hierfür
eingesetzten Getriebe haben Übersetzungen
von 17.000 : 1 und sind deshalb sehr teuer. Darüber hinaus können solche Übersetzungen auch
nicht spielfrei hergestellt werden, so dass bei wechselnden Windlasten
Abweichungen in der geforderten Genauigkeit gegeben sind. Solche
elektrischen Getriebeeinheiten sind darüber hinaus sowohl in der Anschaffung
als auch während
des Betriebes sehr teuer, da diese wegen ihres schlechten Wirkungsgrades
einen hohen Energieverbrauch für
die Stellbewegung des Reflektors aufweisen.
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Deshalb
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung,
insbesondere einen Heliostat oder eine Photovoltaikeinrichtung zu schaffen,
bei welchem die Herstellungskosten gering, die dauernden Betriebskosten
niedrig und eine exakte Ansteuerung des Reflektors ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
den Einsatz einer hydraulischen Antriebseinheit, welche wenigstens
einen hydraulischen Hubzylinder zur Einleitung einer Drehbewegung
und zumindest einen weiteren hydraulischen Hubzylinder zur Einleitung
einer Schwenkbewegung umfasst, ist ermöglicht, dass die Antriebsele mente
kostengünstig herstellbar
sind. Darüber
hinaus ist durch den Einsatz von hydraulischen Antriebselementen
eine Spielfreiheit gegeben. Die Kompressibilität von einem Hydraulikfluid
beträgt
weniger als 3 % des Volumens. Bei einem Hub von beispielsweise 1
mm entspricht dies einer Abweichung vom 3 μm, welche weit unterhalb der
zulässigen
Fokusabweichung von 0,5 mrad ist. Die hydraulische Antriebseinheit
weist erfindungsgemäß des Weiteren
ein Pumpaggregat und einen hydraulischen Speicher auf, wobei der
hydraulische Speicher mit einem Überdruck
beaufschlagt ist. Dadurch ist ermöglicht, dass mit einem geringen Energieaufwand
aufgrund des Überdruckes
eine Ansteuerung der hydraulischen Hubzylinder gegeben ist. Solche
hydraulischen Hubzylinder erfordern aufgrund der äußerst geringen
Fluidmengen zur Erzielung einer Stellbewegung nur geringe elektrische
Anschlusswerte. Diese elektrischen Anschlusswerte dienen dazu, um
den Speicher auf einen vorbestimmten Überdruck zu halten sowie nach
einer bestimmten Betriebsdauer den Speicher mit dem vorbestimmten Überdruck
wieder zu befüllen.
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Darüber hinaus
weist eine solche Antriebseinheit den Vorteil auf, dass bei einem
Stromausfall eine Sicherheitsfunktion gegeben ist. Beim Stromausfall
müssen
die Reflektoren eines Heliostatenfeldes schnell aus dem Fokus bewegt
werden, da ein Stromausfall einen Stillstand des Wärmeträgermediums
im Absorber bewirkt und zur Überhitzung und
Zerstörung
führen
würde.
Durch das erfindungsgemäße vorgespannte
Hydrauliksystem beziehungsweise durch den Überdruck im hydraulischen Speicher
können
die einzelnen Hubzylinder zumindest derart angesteuert werden, dass
die Reflektoren aus dem Fokus durch die Beaufschlagung von einer Schwenk-
oder Drehbewegung oder beidem ermöglicht ist.
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Darüber hinaus
weist die hydraulische Antriebseinheit den Vorteil auf, dass hohe
Stellkräfte
bei wechselnden und hohen Windlasten aufgenommen werden können, da
das Hydraulikfluid inkompressibel ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Hydraulikzylinder als doppelseitig beaufschlagbare Hubzylinder ausgebildet
sind. Dadurch kann der apparative Aufbau gering gehalten und die
Ansteuerung vereinfacht vorgesehen sein. Darüber hinaus können die
Material- und Montagekosten durch solche doppelseitig beaufschlagbare
Hubzylinder verringert werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein erster Hubzylinder mit seinem Hubgehäuse am Ständer angeordnet ist und dessen
Hubkolben an einem Drehbalken der Trägervorrichtung zur Einleitung
einer Drehbewegung angreift und dass der weitere Hubzylinder mit
seinem Hubzylindergehäuse
an einem Drehlagergehäuse
der Trägervorrichtung
befestigt ist und an einem Tragrahmen des Reflektors der Trägerkonstruktion
zur Einleitung einer Schwenkbewegung des Reflektors angreift. Dadurch
kann in einfacher Weise eine Ansteuerung der Beweglichkeit des Reflektors
in zwei Achsen gegeben sein.
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Zur
Ansteuerung der Hubzylinder ist bevorzugt vorgesehen, dass jeweils
ein Mehrwegmagnetventil, insbesondere ein 4/3-Wege-Ventil, eingesetzt wird.
Ein solches 4/3-Wege-Ventil weist den Vorteil auf, dass durch Beauschlagung
mit Strom jeweils eine Schaltstellung einstellbar ist, bei welcher
der Hubzylinder eine Ausfahr- oder Einfahrbewegung durchführt. Sofern
das Magnetventil stromlos geschalten wird, werden die jeweiligen
Zuleitungen zu den Kammern des doppelseitig beaufschlagbaren Hubzylinders
gesperrt, und die Kolbenstange steht still, beispielsweise in einer
eingestellten Fokuslage.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Magnetventile elektrisch
ansteuerbar und mindestens 1 Magnet mit einem Akkumulator ausgestattet
ist. Dadurch kann bei einem Stromausfall in einfacher Weise eine
Ansteuerung der 4/3-Wege-Ventile erfolgen, und zwar solange, bis
eine Bewegung aus dem Fokus erfolgt ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Ansteuerung des Hydraulikzylinder eine Steuereinheit vorgesehen
ist, welche mit dem hydraulischen Speicher und dem damit in Verbindung
stehendes Pumpenaggregat verbunden ist. Dadurch kann nach dem Absinken
des Druckniveaus in dem hydraulischen Speicher aufgrund der Beaufschlagung
von einzelnen Hydraulikzylindern das Pumpenaggregat gestartet werden,
bis der maximal vorgesehene Druck durch Nachfüllen von Hydraulikfluid in
dem hydraulischen Speicher wieder erreicht ist. Bevorzugt ist ein
zentrales Pumpenaggregat zur Versorgung der Heliostaten in einem
Heliostatenfeld vorgesehen.
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Die
Steuereinheit ist bevorzugt mit einem Impulsgeber zur Erfassung
der Schwenk- und Drehbewegung des Reflektors vorgesehen. Zusätzlich umfasst
die Sensoreinheit vorteilhafterweise einen Sonnensensor, so dass über die
Impulsgeber die Lage des Reflektors erfassbar ist und gleichzeitig
durch den Sonnensensor die Lage zur maximalen Energiereflektion überwachbar
ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Pumpenaggregat zweistufig ausgebildet ist. Aufgrund des Zusammenwirkens
mit dem hydraulischen Speicher kann dadurch eine zusätzliche
Sicherheit bei Sturmwarnung gegeben sein. Durch diese Zweistufigkeit kann
erzielt werden, dass beispielsweise bei einer Sturmwarnung eine
wesentlich erhöhte
Fördermenge
an Hydraulikfluid in den Speicher und die Versorgungsleitungen für die Hydraulikzylinder
eingespeist werden kann, so dass eine erhöhte Verfahrgeschwindigkeit
des Reflektors zum Überführen in
eine waagerechte Lage angesteuert werden kann. Die erste Stufe ist
dabei derart ausgelegt, dass diese im Normalbetrieb ein geringes
Nachfüllvolumen
für den Speicher
zur Verfügung
stellt. Im Notbetrieb wird die zweite Stufe oder beide Stufen zusammen
mit dem Speicher eingesetzt, wodurch ein Vielfaches, wie beispielsweise
das fünffache
Volumen der ersten Stufe, an gefördertem
Hydraulikfluid, erzielt wird. Die zweite Stufe weist die erhöhte Förderleistung
auf, und bei deren Inbetriebnahme kann auch alternativ ein Abzweig
zur ersten Stufe geschlossen werden. Alternativ können auch
beide Stufen betrieben werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Speicher eine
Kammer mit einer flexiblen Membran aufweist, welche das Hydraulikfluid
von der Kammer trennt. In Abhängigkeit
des Fluidstandes des Hydraulikfluides wird der Überdruck in den Speicher erzeugt.
Bevorzugt ist in der flexiblen Kammer ein Gas, insbesondere Stickstoff,
vorgesehen, welches eine geringe Ausdehnung bei einer Erwärmung aufweist
und somit für
wechselnde Betriebslasten als auch für unterschiedliche thermische äußere Bedingungen
nahezu gleichbleibende Eigenschaften aufweist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass als Hydraulikfluid ein pflanzliches oder synthetisches Öl vorgesehen
ist, das insbesondere biologisch abbaubar ist. Dadurch können solche
hydraulischen Antriebseinheiten den gesetzlichen Ansprüchen zur
Wasserreinhaltung im Falle von Leckagen entsprechen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass der Reflektor als ein ein- oder mehrteiliger
Spiegel ausgebildet ist. Beim Einsatz eines ein- oder mehrteiligen
Spiegels als Reflektor wird die Vorrichtung als Heliostat ausgebildet,
wobei der Spiegel insbesondere zur Reflektion eines einfallenden
Lichtes auf einen Absorber eines Solar-Turmkraftwerkes eingesetzt wird. Insbesondere
bei solchen Heliostaten ist der Einsatz der erfindungsgemäßen hydraulischen
Antriebseinheit von besonderem Vorteil.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Reflektor als Photovoltaikelement oder als Photovoltaikpanel
zur Ausgestaltung einer Photovoltaikeinrichtung ausgebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der hydraulischen Antriebseinheit lassen sich das Photovoltaikelement
bzw. die Photovoltaikelemente oder das bzw. die Photovoltaikpanel
exakt zum Sonnenstand ausrichten. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass diese
Photovoltaikelemente orthogonal zum Sonnenstand ausgerichtet werden,
soweit dies im vorgesehenen Schwenk- und Drehachsenbereich der Trägervorrichtung
liegt.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können einzeln
für sich oder
zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Heliostaten in einer Ruhelage,
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2 eine
schematisch vergrößerte Ansicht einer
am Ständer
des Heliostaten angeordneten Trägerkonstruktion
und
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3 eine
weitere schematische Ansicht einer Trägerkonstruktion des Heliostaten.
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In 1 ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 als
Heliostat dargestellt. Diese Vorrichtung 11 umfasst einen
Ständer 12,
an welchem eine Trägervorrichtung 14 zur Aufnahme
eines Reflektors 16 vorgesehen ist. Der Ständer 12 kann
durch Streben 13 verstärkt
sein. Die Trägervorrichtung 14 weist
einen Tragrahmen 17 auf, der den Reflektor 16 aufnimmt.
Dieser Tragrahmen 17 ist schwenkbar an einem Drehbalken 18 vorgesehen,
der fest mit einem Drehlager 19 in Verbindung steht. Der
Tragrahmen 17 ist über
das Drehlager 19 drehbar zum Ständer 12 aufgenommen.
Durch diese Anordnung ist der Reflektor 16 zweiachsig gelagert, um
eine Reflektionslage des einfallenden Lichtes zur Fokussierung auf
einen nicht näher
dargestellten Absorber in einem Solar-Turmkraftwerk zu ermöglichen.
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Zur
Ansteuerung der Lage des Reflektors 16 ist eine hydraulische
Antriebseinheit 21 vorgesehen. Diese elektrisch betriebene
hydraulische Antriebseinheit 21 umfasst ein Pumpenaggregat 22,
welches mit einem hydraulischen Speicher 23 in Verbindung steht.
Von diesem hydraulischen Speicher 23 aus gelangen Druckleitungen 24 zu
einem ersten hydraulischen Hubzylinder 26 und zumindest
einem weiteren hydraulischen Hubzylinder 27. Der hydraulische Speicher 23 kann
alle Heliostaten 11 eines Heliostatenfeldes mit Hydraulikfluid
versorgen. Alternativ können
auch mehrere hydraulische Speicher 23 vorgesehen sein,
um eine Heliostatengruppe mit Hydraulikfluid zu versorgen. Am Ständer 12 ist
eine Steuereinheit 28 vorgesehen, welche zumindest Magnetventile,
insbesondere 4/3-Wege-Ventile zur Ansteuerung der Hydraulikzylinder 26, 27,
umfasst. Diese Magnetventile sind elektrisch ansteuerbar und sind
bevorzugt mit Akkumulatoren verbunden, welche bei einem Stromausfall
die Magnetventile ansteuern.
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Die
Anordnung der Hubzylinder 26, 27 zur Einleitung
einer Dreh- und Schwenkbewegung des Reflektors 16 ist in 2 näher dargestellt.
Ein erster Hubzylinder 26 ist mit seinem Gehäuse an dem
Ständer 21 befestigt.
Eine Hubstange 29 des Hubzylinders 26 greift an
einem Mitnehmer 31 an, der starr an dem Drehbalken 18 befestigt
ist. Dadurch wird eine Drehbewegung des Drehbalkens 18 um
eine vertikale Achse, also Drehachse 36, des Ständers 12 über das
Drehlager 19 eingeleitet. An dem Drehbalken 18 ist
ein Gehäuse
des weiteren Hubzylinders 27 befestigt. Dessen Kolbenstange 32 greift
an einem Tragrahmen 17 des Reflektors 16 an, wodurch
eine Schwenkbewegung des Reflektors 16 um eine horizontale
Achse, also eine Schwenkachse 37, erzielt wird. Durch eine
solche Anordnung und Ausgestaltung ist ein einfacher und kostengünstiger
Antrieb vorgesehen. Bevorzugt kommen doppelseitig beaufschlagbare
Hubzylinder zum Einsatz. Dadurch wird gleichzeitig erzielt, dass
eine spielfreie Einstellung ermöglicht
wird.
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In 3 ist
am äußeren Ende
des Tragbalkens 18 ein Impulsgeber 30 vorgesehen,
der die Schwenkbewegung des Reflektors 16 erfasst. In dem Drehlager 19 ist
des Weiteren ein Impulsgeber vorgesehen, der die Drehbewegung des
Reflektors 16 erfasst. Dadurch kann die Lage des Reflektors 16 absolut
ermittelt werden. In einer Steuereinheit 38 werden die
Daten der Impulsgeber 30 sowie die Daten eines gegebenenfalls
vorhandenen Sonnensensors erfasst und ausgewertet, um den Reflektor 16 in
einer optimalen Lage zur maximalen Energiereflexion auszurichten.
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Der
hydraulische Speicher 33 ist mit einem Überdruck beaufschlagt. In dem
hydraulischen Speicher sind Hydraulikfluid und eine Kammer vorgesehen,
die durch eine flexible Membran getrennt sind, wobei die Kammer
vorzugsweise mit Stickstoff befüllt ist.
Aufgrund des mit einem Hochdruck versehenen Hydraulikspeichers wird
ein vorgespanntes Hydraulik system geschaffen. Dadurch sind mehrere
Sicherheitsfunktionen gewährleistet
und sichergestellt. Überdruck
und Volumen im Hydraulikspeicher 23 werden beispielsweise
derart bemessen, dass bei einem Stromausfall ein hinreichender Druckstrom
vorhanden ist, um die Reflektoren 16 schnell aus dem Fokus
des Absorbers zu bewegen, um eine Überhitzung und/oder Zerstörung des
Absorbers zu vermeiden. In dem hydraulischen Speicher 33 verbleibt nach
einem Stromausfall ein noch hinreichender Überdruck, so dass bei einem
gegebenenfalls nachfolgenden Sturm die mit dem Hydraulikspeicher 23 in Verbindung
stehenden Hubzylinder 26, 27 die Heliostaten 11 anzusteuern,
damit die Reflektoren 16 in relativ kurzer Zeit in eine
waagerechte Lage übergeführt werden
können,
in welcher der Wind die geringste Angriffsfläche aufweist. Durch dieses
vorgespannte System kann somit auch in kostengünstiger Weise eine Sicherung
gegen Stromausfall und Sturmwarnung gegeben sein, die bei elektrischen Antriebsversionen
nicht ermöglicht
ist.
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Darüber hinaus
weist eine solche hydraulische Antriebseinheit 21 den Vorteil
auf, dass nicht nur die Anschaffung wesentlich kostengünstiger
ist als elektrische Antriebsversionen mit sehr kostenintensiven
Getrieben, sondern, dass auch der Betrieb dieser hydraulischen Antriebseinheit 21 zur
Ansteuerung der Reflektoren günstig
ist. Der elektrische Anschlusswert der Reflektorfläche beträgt beim
hydraulischen Antrieb circa 2 Watt/qm. Bekannte elektrisch angetriebene
Heliostaten weisen hingegen einen elektrischen Antriebsanschlusswert
von 5 bis 12 Watt/qm auf. Diese Differenz wird bei Heliostatenfeldern
mit beispielsweise Quadratmeterzahlen von 20.000 m2 bis
150.000 m2 oder größer erheblich.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
der hydraulischen Antriebseinheit 21 kann somit der Vorteil
erzielt werden, dass eine spielfreie Bewegung des Reflektors 16 geschaffen
ist, ein geringer Anschlusswert durch den Einsatz von Pumpenaggregaten 22 gegeben
ist, die Sicherheitsfunktionen bei Stromausfall und Sturmwarnung
gegeben sind, wobei insbesondere bei Sturmwarnung auch kurze Stellzeiten
erzielt werden und hohe Steifigkeiten und hohe Stellkräfte bei
wechselnden und hohen Windlasten aufgenommen werden können.