DE202009017729U1

DE202009017729U1 - Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld

Info

Publication number: DE202009017729U1
Application number: DE200920017729
Authority: DE
Inventors: Christoph Gruel
Original assignee: GRUEL CHRISTOPH
Current assignee: GRUEL CHRISTOPH
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2019-12-29

Abstract

EINRICHTUNG ZUM AUSRICHTEN IM GERICHTETEN STRAHLUNGSFELD, dessen Strahlungsrichtung variabel sein kann, gekennzeichnet durch Stellelemente, deren Stellbewegungen vorzugsweise über den ganzen Stellbereich kontinuierlich und erforderlichenfalls gedämpft erfolgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Ausrichtung von Einrichtungen im gerichteten Strahlungsfeld wird z. B. für das Ausrichten von Funkantennen oder in der Solartechnik benötigt, um Solarkollektoren, -reflektoren oder -blenden (im Folgenden Apertur genannt) optimal zur Ein-, ggf. auch Ausstrahlungsrichtung (etwa bei Reflektoren) auszurichten.
STAND DER TECHNIK, MÄNGEL, ABHILFEN

1. Seitens der Antriebstechnik werden häufig Stellantriebe verwendet, die mit externer elektrischer Energie betrieben werden. Zur Erzielung ausreichender Stellkräfte bei mäßigem Energieverbrauch müssen sie im allgemeinen intervallweise betrieben werden.

Probleme

a) Der Schrittcharakter im Stellverhalten herkömmlicher Antriebe wirkt sich nachteilig auf Laufruhe und Ausrichtungstreue von Solarnachführungen aus.
b) Die benötigte elektrische Energie zum Nachführen mindert zum einen die Ertragsbilanz und verlangt zum anderen nicht selten zusätzliche Elektro-Infrastruktur.

Lösungsansatz
Ein hydraulisches Antriebskonzept, das seine Stellenergie aus dem Strahlungsfeld beziehen kann, ist geeignet hier Abhilfe zu schaffen:

a) Das hydraulische Stellglied lässt sich mittels energetisch genügsamer Ventil- und volumetrischer Dosiereinheit kontinuierlich regeln und betreiben.
b) Ein der (Sonnen-)Strahlung ausgesetzter Druckbehälter, der ein Medium mit geeigneter Dampfdruck-Charakteristik enthält dient als lokale Energiewandler-Einheit zur Bereitstellung der Antriebsenergie

2. Seitens der Informationstechnik geschieht ein Ausrichten der Apertur-Fläche herkömmlicherweise entweder entsprechend dem kalendarisch und geografisch errechneten Sonnenstand, oder entsprechend der sensorisch ermittelten Abweichung von der Ist-Orientierung gegenüber der auftreffenden Einstrahlung. Eine Ablöseregelung als Kombination beider Kontroll-Strategien wird teils bei hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt.

Probleme

a) Bei höheren Windlasten und Setzungen in Fundament und Unterkonstruktion zeigt sich die Unzulänglichkeit kalendarischer Nachführung mit am Gestell orientierten Lagegebern.
b) Herkömmliche strahlungs-sensorische Geber erfahren Irritationen durch Störstrahlung wie Streulicht, Reflexionen, Wolken, Verschmutzung.

Lösungsansatz
Ein weitgehend störunempfindliches, evtl. um Luenberger-Beobachter ergänztes Sensorkonzept kann zur Verbesserung der Nachführgüte beitragen mit

a) Magnetfeld- bzw. GPS-basierte Azimut-Sensoren für die kalendarische Steuerung,
b) einer strahlungsrichtungsabhängigen, strahlungsintensitätsunabhängigen Sensoreinheit für die Ermittlung der Regeldifferenz zwischen Sonnenbild und Apertur-Ausrichtung

3. Die Formstabilität der Apertur unterliegt variablen statischen, meteorologischen und materialbedingten Einflüssen.

Probleme
Vor allem bei größeren lichtlenkenden Anwendungen erweisen sich wechselnde Lasten oft als nachteilig hinsichtlich Zielgenauigkeit und Abbildungsgeometrie.
Lösungsansatz
Zusätzliche Einrichtungen zur lokalen Lagekorrektur von Teilabschnitten der Aperturfläche können für die passende Ausrichtung aller Teilabschnitte aufkommen.
Zur Realisierung kann zusätzliche Sensorik, welche die lokalen Missweisungen gegenüber der Aperturflächen-Bezugsachse detektiert, eingesetzt werden in Verbindung mit lokalen Aktoren.
Die lokalen Aktoren können bestehen aus kleinhubigen, schnell und präzise reagierenden Elementen wie hydraulischen oder pneumatischen Membran- oder Balg-Zylindern, Piezo Aktoren, Formgedächtnislegierungen, technischen Muskeläquivalenten wie Drehschaft-in-Hüllkordel-Systemen, elektro-aktiven Polymeren oder dielektrischen Elastomeren.
Die Vorteile eines solarnachführenden Kollektorsystems, das mit den Konzepten und Mitteln, die in den „Lösungsansätzen” aufgeführt sind, ausgestattetet ist, liegen in erhöhter Systemverfügbarkeit auch unter rauen Betriebsbedingungen, Lebensdauerverlängerung durch reduzierte u. a. fehlorientierungsbedingte Komponentenbeanspruchung und somit insgesamt einer verbesserten Energie- und Wirtschaftlichkeitsbilanz.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
im Überblick:

1) Eine in zwei Achsen der Sonne folgende Kollektoreinheit a) wird durch robuste und ruckfrei arbeitende Hydraulikzylinder bewegt. b) Die Energie zur Betätigung der Stellglieder wird aus der Solareinstrahlung gewandelt und zwischengespeichert.
2) Die Regelung bewerkstelligt eine störungsminimierte Ablöseregelung mit Luenberger Beobachtern. a) Die Sensoren geben relative Lage und b) Einstrahlungsrichtung wieder. Störgrößen werden ebenfalls sensorisch erfasst.
3) Zur Formerhaltung der Kollektor-Fläche sind zusätzliche Stellglieder eingebaut.

DETAILIERUNG des Ausführungsbeispiels

1) Ein im Untergrund einbetonierter senkrechter Mast schließt nach oben mit zwei in Azimut-Richtung schwenkbaren Wälzlagern ab. Das obere Ende dieser Lager ist fest verbunden mit aufspreizenden Tragarmen einer horizontalen Welle, an deren Enden weitere Wälzlager montiert sind, um den Kollektortragrahmen in Elevations-Richtung neigbar zu halten. a. Die Bewegung in beiden Achsen wird durch robuste und ruckfrei arbeitende (stickslipp minimierte) Hydraulikzylinder bewirkt. b. Der Druck des Hydraulikmediums entstammt einem als druckverstärktem thermischem Solarkollektor ausgeführten Druckbehälter, der ein Medium beinhaltet, das thermische Energie vermittels seiner geeigneten Temperatur-Dampfdruck Charakteristik in ein Druck-Volumen-Produkt umsetzt. Das Medium ist ein Kohlenwasserstoff-Gemisch. Dessen Dampf expandiert in einer Seite eines Zweikammer-Membrangefäßes und treibt das inerte Medium/Gas (N2) der anderen Seite durch ein absperrbares (bzw. Rückschlag-)Ventil in einen weiteren Druckbehälter, der das Hydraulikmedium für die Antriebe bevorratet. Ein gespiegeltes System Kollektor/Druckgefäß-System mit einer zusätzlichen steuerventilvermittelten Zwischenspeicher-Kammer für das Inertgas auf der Abgangsseite der Stellhydraulik (oder optionaler „fremd” energiebetriebenen Heizeinrichtung für das Kollektor-Funktionselement) sorgt für die Rückleitung des Hydraulik-Mediums und der Drehstrukturen. An zentralen Stellen des Hydraulik-Rohrleitungsnetzes sind Rohrbruchdrosseln eingebaut.
2) Die Regelung bewerkstelligt eine störungsminimierte Ablöseregelung mit Luenberger Beobachtern. a. Beschleunigungs-Sensoren geben relative Lage und Schwingungen wider, ein berührungsloser Drehgeber die Azimut-Ausrichtung gegen den Mast. Störgrößen Wind, Niederschlag, Schwingungen werden ebenfalls sensorisch erfasst für Luenberger-Beobachter und Sicherheitsfunktionen. b. Zur Fein-Justierung der Kollektororientierung zur Sonne wird ein besonders störarmer und genauer Einstrahlungsrichtungssensor verwendet. Dieser besteht aus einem achssymmetrischen, in der Kollektorebene liegenden Vierfach-Fotodiodenarray mit in Symmetrieachsrichtung, senkrecht zur Diodenebene stehender Kreuzblende zwischen den einzelnen Dioden. Diese Sensoreinheit gibt Positions-Abweichungen zur Sonne entsprechend ihren Differenz-Signalen (Kurzschlussstömen) wider. Die zu je einer Achse gehörenden Differenzsignale werden bezogen auf ihren Mittelwert. So entsteht ein der Regelabweichung annähernd proportionales Regelsignal. Störgrößen wie durch Reflexionen, Wolken oder Verschmutzung lassen sich durch Vergleich der Halbraum-Einstrahlung mit und ohne Sonnenscheibe ausgleichen. Entsprechend ist der Sensor mit ein- und auskoppelbarer Sonnenscheibenblende (mit dem Funktionsmechanismus eines automatischen mechanischen Filterrads) versehen. Ein regelmäßiger intelligenter Abgleich der achsbezogenen Sensorsignalverläufe der unterlagerten Regelebene mit den Signalen der Sensoreinheit der überlagerten Ebene ermöglicht höhere Genauigkeit und verbesserte Störgrößenerkennung.
3) Kurzhubige Balgzylinder mit lokaler Ventilsteuerung sind zur Formerhaltung der Kollektor-Fläche unabhängig von wechselnden Verformungskräften durch Gravitation, Wind und Materialeigenschaften an den Kollektor-Aussenrändern dem eigentlichen Kollektor und seiner tragenden Unterkonstruktion zwischengeschaltet. Die Kollektor-Tragstruktur besteht also aus zwei Ebenen, deren obere durch regelbare Verspannung gegen die untere in ihrer Form stabil gehalten wird. Die Regelung erfolgt lokal und autonom durch Einstrahlungsrichtungs-Sensoren wie oben beschrieben.

Claims

EINRICHTUNG ZUM AUSRICHTEN IM GERICHTETEN STRAHLUNGSFELD, dessen Strahlungsrichtung variabel sein kann, gekennzeichnet durch Stellelemente, deren Stellbewegungen vorzugsweise über den ganzen Stellbereich kontinuierlich und erforderlichenfalls gedämpft erfolgt.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stellelemente von hydraulischer oder elektrisch angeregter Art wie ein- oder zweiseitig wirkende Plungerzylinder, Balg- oder Membranzylinder, piezoelektrische Aktoren, elektrostriktive Polymere oder dielektrische Elastomere. Pufferspeicher, ggf. um unsymmetrische Ventile ergänzt, bei den hydraulischen Stellglied-Varianten und elastomere Dämpfungselemente bei den übrigen Stellglied-Varianten sorgen im Bedarfsfall für angemessene passive Dämfung.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine kontinuierliche oder quasikontinuierlich getaktete (z. B. pulsweitenmodulierte) Stellelementansteuerung, im Fall von durch ein flüssiges oder gasförmiges Medium betätigten Aktoren angesteuert mittels etwa piezoelektrischen Ventil/en und/oder durchflussregelnden Elementen wie volumetrischen Förderern bzw. Reglern
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Energieversorgung der Stell- und Regelelemente, die im Wesentlichen aus dem umgebenden Strahlungsfeld erfolgt. Sowohl Energiewandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie als auch in thermische Energie kommt dabei in Betracht.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Umwandlung von dem Strahlungsfeld entnommener thermischer Energie in Druck vermittels eines Mediums mit geeigneter Temperatur-Dampfdruck-Charakteristik, z. B. einem Kohlenwasserstoff-Medium wie Propan, Butan oder Pentan.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zwischenspeicherung der aus dem Strahlungsfeld gewonnenen Energie, um auch in Zeiten weniger nutzbarer Strahlung manövrierfähig zu sein. Die Zwischenspeicherung von Stellenergie erfolgt in Form potentieller Energie in Federspeicher oder Druckgaspuffer.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Hydraulikmedium-Rücktransport mithilfe der potentiellen Energie eines zweiten Energiezwischenspeichers wie oben beschrieben
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein störungsminimiertes Sensorkonzept, das sich weitgehend berührungsloser
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Absolutwertgeber bedient.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ,Sensoreinheit zur Feinregelung' im Bereich kleiner Regelabweichungen, die aus wenigstens zwei Einstrahlungsintensitäts-Sensoren besteht, deren Strahlungsexposition durch eine optisch richtungsabhängige Einrichtung wie eine Blenden- oder Linsenanordnung abhängig ist von der Einstrahlungsrichtung in Bezug auf die Sensoreinheit und die alternierend einen zentralen Sichtfeldbereich ab- bzw. ausblendet.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein störungsminimiertes Ablöse-Regelungskonzept durch Einbeziehung von Regelstreckenbeobachtern in's Regelkonzept.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Einbeziehung von Störgrößen-Erkennung und -verarbeitung in's Regelkonzept.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen unterlagerten Regelkreis, der das Ist-Signal der Regelgröße ,Ausrichtungsabweichung im Strahlungsfeld' von den weitgehend berührungslos arbeitende Absolutwertgebern der bezieht.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen unterlagerten Regelkreis, der als Sollsignal eine entsprechend bekannten Gesetzmäßigkeiten errechnete Richtung des Strahlungsfeldes einsetzt.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ,überlagerten' Ablöse-Regelkreis, der seine Regeldifferenz nach einem zweckmäßigen Algorithmus errechnet aus den Signalen der Einstrahlungsintenitäts-Sensorelemente der ,Sensoreinheit zur Feinregulierung'.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen regelmäßigen intelligenten Abgleich der Sensorsignale der unterlagerten Regelebene mit denen der ,Sensoreinheit zur Feinregulierung'.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine systemimmanente Konzeption zur Erhaltung der funktionell definierten Form, beispielsweise der rotationsparabolischen im Fall eines Reflektors im homogenen Strahlungsfeld zur Punktfokusierung.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine systemimmanente Konzeption zur Erhaltung der funktionell definierten Ausrichtung einzelner Module, beispielsweise im Fall in sich starr fokusierender Module.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auslegung des Tragstruktur-Funktionselement-Verbandes derart, dass die Formerhaltung bzw. konstante Modulausrichtung im Strahlungsfeld durch lokale Stellglieder mit kleinem Stellbereich und ggf. leistungsminimierender Haltefunktion erzielt werden kann.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch autonom die Soll-Form bzw. modulare Soll-Ausrichtung regelnde und stellende lokale Regler-Untereinheiten.
Einrichtung zum Ausrichten im gerichteten Strahlungsfeld nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Parallelogramm-Gestänge oder Seil- bzw. Bowdenzug-Lenkvorrichtungen im Zusammenspiel mit geringfügig kippbar gestalteten Segmenten bzw. Modulen mit dem Zweck der Form- bzw. modularen Ausrichtungserhaltung optional anstelle lokaler autonom geregelter Stellglieder.