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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Spiegel-Einheiten von Heliostaten. Ein Heliostat ist eine mechanische Vorrichtung mit einer spiegelnden Fläche, die das Sonnenlicht unabhängig von der Änderung der Sonnenposition am Tageshimmel immer auf einen gleichen ortsfesten Punkt reflektiert. Die vermutlich früheste Erwähnung des Heliostaten findet sich in einem Buch des niederlandischen Physikers Willem J. Gravesande aus dem Jahre 1742.
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Aus der
DE 20 2007 008 593 U1 ist ein Heliostat für Solar-Turmkraftwerke mit einem Ständer und einer daran angeordneten Trägervorrichtung, die einen Reflektor aufnimmt, so dass der Reflektor um eine Drehachse und eine Schwenkachse in seiner Lage zum Sonnenstand veränderbar ist, bekannt. Bei dieser Vorrichtung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Heliostaten zu schaffen bei welchem die Herstellungskosten gering, die dauernden Betriebskosten niedrig und eine exakte Ansteuerung des Reflektors ermöglicht ist. Gelöst wird diese Aufgabe nach den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1 dadurch, dass die Einstellung der Lage des Reflektors mit einer hydraulischen Antriebseinheit vorgesehen ist, und dass die elektrische Antriebseinheit wenigstens einen hydraulischen Hubzylinder zur Einleitung einer Drehbewegung und wenigstens einen hydraulischen Hubzylinder zur Einleitung einer Schwenkbewegung umfasst. Weiterhin ist hierbei vorgesehen, dass die hydraulische Antriebseinheit ein Pumpenaggregat und zumindest einen hydraulischen Speicher zur Ansteuerung der daran angeschlossenen hydraulischen Hubzylinder aufweist, sowie, dass der hydraulische Speicher mit einem Überdruck beaufschlagt ist. Als Vorteil wird bei dieser Lösung weiter angesehen, dass bei Stromausfall mittels des vorgespannten Hydrauliksystems die Reflektoren schnell aus dem Fokus bewegt werden können um eine Überhitzung, bzw. eine Zerstörung, des Absorbers zu vermeiden. Aufgrund der Vielzahl der am jeweiligen Reflektor aufgebrachten Flanschplatten und der damit verbundenen Befestigungspunkte am Tragrahmen ist jedoch eine exakte Einstellung der Reflektoren hinsichtlich der Wölbung in Richtung zum Absorber des Solar-Turmkraftwerks nicht möglich, da der zeitliche Aufwand hierfür immens wäre. Dadurch erfolgt eine Verminderung des Wirkungsgrades, der jedoch aufgrund des enormen zeitlichen Einstellaufwandes bislang in Kauf genommen wurde. An einigen Gruppen von Reflektoren in einem Feld von Heliostaten einer solchen Heliostatenanlage wird eine Verwölbung des Reflektors vorgenommen. Durch die feste Einspannung des Reflektors zum Tragrahmen und die erzeugte Spannung im Reflektor nach Einstellung der Wölbung kann es durch äußere Einflüsse, wie Steinschlag oder Sturmböen, zu einer Zerstörung des Reflektors kommen. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Reflektorgehäuses und des Tragrahmens erhöhen dabei auch noch die Bruchgefahr.
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Aus der
DE 31 33 906 A1 ist eine Strahlungsreflektor-Stützkonstruktion und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, das unter anderem auch für den Einsatz bei Solarkollektoren gedacht ist. Sonnen- bzw. Solarkollektoren der hierbei betroffenen Art können in Form von Rotationsparaboloiden, die häufig als Flachschalen bezeichnet werden, ausgebildet sein, die reflektiertes Sonnenlicht auf einen einzigen Brennpunkt fokussieren, der sich mit der Flachschale bewegt. Weiter wird hier davon gesprochen, dass Zweiachsen-Heliostate reflektiertes Sonnenlicht auf einen Festbrennpunkt an der Spitze eines Turms fokussieren und alternativ solche Reflexionsflächen wannenförmig mit Parabolquerschnitt sein können, wobei Sonnenlicht auf einen Linearbrennpunkt fokussiert wird. In der
DE 31 33 906 A1 ist die Schaffung einer verbesserten rückseitigen Stützkonstruktion für Reflexionsflächen von, u. a. Sonnenreflektoren, beabsichtigt, wobei die Stützkonstruktion aus kostengünstigen Baustoffen herstellbar sein sollen, die doch ihren Zweck in ausreichendem Maß erfüllen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 14 ein wannenförmiger Sonnenreflektor mit einem Reflektor in Form einer parabolischen Wanne mit einer Längssymmetrieachse zur Reflexion von Sonnenlicht und zur Fokussierung des reflektierten Sonnenlichts auf einen Linear-Brennpunkt mit einer rückwärtigen Stützkonstruktion vorgeschlagen, wobei diese Stützkonstruktion die folgenden Merkmale aufweist.
- 1) eine auf die Rückfläche des Reflektors haftend aufgebrachte dünne Schicht aus glasfaserverstärktem Beton,
- 2) einen auf diese Schicht monolithisch gegossenen Drehmomentträger, der parallel zur Längsachse des Reflektors verläuft und in einer den Reflektor halbierenden Ebene liegt, und
- 3) eine Mehrzahl Querrippen, die von dem Drehmomentträger nach außen zu beiden Rändern des Reflektors verlaufen,
wobei der Drehmomentträger und die Querrippen rohrförmig sind und jeweils eine mit einer dünnen Schicht aus glasfaserverstärktem Beton beschichtete Form aufweisen.
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Diese aufgezeigten Beispiele aus dem Stand der Technik eignen sich nicht für eine Serienfertigung von präzise gefertigten Spiegel-Einheiten.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Spiegel-Einheiten für Heliostaten zu schaffen, die eine präzise und spannungsfreie Fertigung gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1, gelöst.
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Im Wesentlichen besteht diese Lösung darin, dass mittels konstruktiver Maßnahmen die spannungsfreie Lagerung und Platzierung der verwendeten Spiegel auf dem Grundkörper bei einer hohen Taktrate der Fertigung von Spiegel-Einheiten erreicht wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: eine Draufsicht auf die Fertigungsanlage
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2: einen Querschnitt des Grundkörpers der Spiegel-Einheit
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3: eine Draufsicht auf eine Spiegel-Einheit
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4: eine Schräg-Ansicht auf den Aufnahmebereich einer Fixier-Lafette
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5: einen Schnitt A-A aus dem Fixier und Drehbereich
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6: eine Schräg-Ansicht auf den Fixierbereich einer Fixier-Lafette
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7: einen Querschnitt aus dem Andruckbereich der Spiegel-Einheit
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Fertigungsanlage von Heliostaten-Spiegeleinheiten 1, bestehend aus fünf nebeneinander liegenden Spiegeln 11, die hier jedoch der Übersicht wegen nicht bezeichnet sind. Diese Heliostaten-Spiegel-Einheit 1 ist in einer Fixier-Lafette 2 gelagert.
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Im linken Bereich der 1 ist hier eine Messvorrichtung 9 dargestellt, in der die Qualitätsprüfung der, von der Fertigungslinie gelieferten, Heliostaten-Spiegeleinheiten 1 erfolgt. Ihre Funktion wird später erläutert. Es werden hier sämtliche Toleranzfelder der relevanten Fertigungsmasse überwacht und, wenn notwendig, fehlerhafte Exemplare aussortiert. Die hier gezeigte Heliostaten-Spiegeleinheit 1 kennzeichnet mit ihrer Lage die zentrale Fertigungslinie in deren Bereich von beiden Seiten die benötigten Werkstücke zugeliefert werden und Zugriffe auf die im Fertigungsprozess stehenden Werkstücke erfolgen. Im rechten Bereich der in der 1 gezeigten Anlage ist eine, auf die zentrale Fertigungslinie zuführende, Spiegelträger-Lieferungszuführung 3 gezeigt. Ein Spiegelträger besteht aus einem, an den beiden Längsseiten spitz zulaufenden, länglichen Formkörper dessen Länge in etwa der Länge von fünf aneinander gelegten Spiegeln 11 entspricht. Sein Querschnitt ist in der 2 mit der Bezeichnung Grundkörper 13 bezeichnet. Er wird dort näher beschrieben. Ein Spiegelträger wird jeweils in eine Fixierlafette 2 gesetzt und dort auf erfindungsgemäße Weise spannungsfrei fixiert, wie später beschrieben wird. Die benötigten Fixierlafetten 2 werden auf den Laufschienen 4 zugeführt. Entsprechende Vorrichtungen sind dem Fachmann geläufig. Auf der anderen, der Spiegelträger-Lieferungszuführung 3 gegenüberliegenden, Seite der Fertigungslinie ist eine Klebe-Vorrichtung 5 dargestellt. Diese Vorrichtung 5 beliefert die Oberfläche der jeweiligen Spiegelträger, die Spiegelträger-Fläche 12, in Längsrichtung mit Kleberaupen 10, wie später in der 2 besser zu zeigen ist. In der skizzenartigen Darstellung der 1 ist lediglich eine rohrähnliche Zufuhrstelle für Klebstoff gezeigt. Es versteht sich, dass zum schnelleren Auftrag von Klebstoff jeweils jede Kleberaupe eine solche Zufuhrstelle zugeteilt bekommt. Im mittleren Bereich der in der 1 gezeigten Anlage sind zu beiden Seiten dieser Fertigungslinie Einrichtungen 7 zum Spiegel-Auflegen dargestellt. Diese Einrichtungen 7 bestehen hier beispielhaft aus Greifrobotern die die benötigten Spiegel jeweils einem skizzenartig dargestellten Vorratslager entnehmen, wobei die generelle Zufuhr an Spiegeln 11 mittels der Spiegel-Zuführung 8 erfolgt. Das Fixieren und Andrücken der Spiegel auf die mit Kleberaupen 10 versehene Spiegelträger-Fläche 12 erfolgt mittels einer Einrichtung 6.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt des Grundkörpers der Spiegel-Einheit. Der Grundkörper 13 einer Heliostaten-Spiegeleinheit besteht aus zwei, in der 2 im Querschnitt gezeigten, Endplatten, in der Form eines an den beiden Längsseiten spitz zulaufenden Formkörpers. Die Spiegelträger-Fläche 12 ist mit Kleberaupen 10 beaufschlagt. In der 2 sind lediglich auf der linken Seite vom linken Rand bis zur Mitte beispielhaft drei Kleberaupen 10 bezeichnet. Die rechte Seite ist entsprechend mit weiteren Kleberaupen beaufschlagt. Die Funktion der mit 14 bezeichneten Befestigungspunkte wird bei der Beschreibung der 3, 4 und 5 erläutert werden.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Spiegel-Einheit. Hier sind die eine Heliostaten-Spiegeleinheit repräsentierenden beispielhaft fünf nebeneinander liegenden Spiegel 11 gezeigt, die von mehreren Kleberaupen 10 beaufschlagt sind. Auf der linken Seite sind die Befestigungspunkte 14 markiert, die sich auch auf der rechten Seite an der entsprechenden Stelle befinden.
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In der 4 ist eine Schräg-Ansicht auf den Aufnahmebereich einer Fixier-Lafette dargestellt. Hierbei sind in dem Rahmen 15 einer Fixier-Lafette zwei Laufbuchsen 22 zur Horizontalführung 19 einer Aufnahme und Fixier-Einrichtung eingelassen, wobei ein Druckzylinder 23 mit einer Kolbenstange 24 in der Mitte der beiden Laufbuchsen 22 zur Horizontalbewegung der Aufnahme- und Fixiereinrichtung vorgesehen ist. Die Dreheinrichtung zur spannungsfreien Aufnahme des Grundkörpers 13 besteht aus einer vorderen Drehscheibe 17 die verbunden ist mit einer Aufnahmeplatte 18, die wiederum zwei Zentrierkegel 16 trägt und einer hinteren Drehscheibenaufnahme mit Feststellbremse 21, die verbunden ist mit einer Verbindungsplatte 20.
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Die 5 zeigt einen Schnitt A-A aus dem Fixier und Aufnahmebereich der in der 4 dargestellten Anordnung von hinten aus der Richtung der Kolbenstange 24. Die Verbindungsplatte 20 ist hierbei kleiner ausgeführt als die Aufnahmeplatte 18 der vorderen Drehscheibe. Die Bezeichnungen entsprechen den in der 4 beschriebenen. Die in der rechten Ecke der 5 gezeigten Pfeile sollen auf eine eventuelle zulässige Verdrehung des Grundkörpers (13) hinweisen. Die Verdrehung wird mittels Drehscheibenaufnahme und Feststellbremse 21 fixiert. Eine solche Verdrehung wird mittels eines, nicht dargestellten, Drehwinkel-Sensors erfasst.
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Die 6 zeigt eine Schräg-Ansicht auf den Fixierbereich einer Fixier-Lafette 2 auf den beiden Laufschienen 4, wie sie in der 1 dargestellt sind. Der hier dargestellte Bereich der Fixier-Lafette entspricht dem anderen Ende des in der 4 gezeigten Rahmens 15, wobei der Grundkörper 13 zwischen den beiden gezeigten Endbereichen des Rahmens 15 eingespannt wird. Auch auf dieser Seite sind zwei Horizontalführungen 26, entsprechend den Horizontalführungen 19 der 4, eine Aufnahmeplatte 28, entsprechend der Aufnahmeplatte 18 in der 4, und eine Kolbenstange 27, entsprechend der Kolbenstange 24 in der 4, vorgesehen. Dem Druckzylinder 23 in der 4 entspricht hier der Druckzylinder 25. Die den Zentrierkegeln 16 entsprechenden Zentrierkegel auf der Aufnahmeplatte 28 sind hier nicht zu erkennen. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Fixierung des Spiegelträgers, bzw. eines Grundkörpers 13 besteht darin, dass der Spiegelträger absolut spannungsfrei fixiert wird. Eine eventuell vorhandene leichte Verspannung des Grundkörpers 13 wird mittels einer Verdrehung der vorderen Drehscheibe 17 in Relation zu der Stellung der hinteren Drehscheibenaufnahme 21 ausgeglichen und mittels Feststellbremse fixiert. Hierbei wird zweckmäßig zuerst der Grundkörper 13 in der in der 6 gezeigten Aufnahmeeinrichtung eingesetzt und dann mittels der Aufnahme und Dreheinrichtung, wie sie in der 4 gezeigt ist eingespannt und ohne Torsionskräfte zu der Längsachse des Grundkörpers 13 spannungsfrei durch die Feststellbremse 21 Fixiert.
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Die 7 zeigt einen Querschnitt aus dem Andruckbereich der Spiegel-Einheit mittels einer Vorrichtung zur Verpressung der Spiegel (11), Hier ist im Querschnitt zu erkennen wie mittels einer Druckplatte (29) zur Spiegelfixierung der Spiegel 11 solange auf die Spiegelträger-Fläche 12 gedrückt wird, bis die Kleberaupen 10 ausgehärtet sind. Diese den Anpressdruck realisierende Vorrichtung erhält für ihre Steuerung ein Signal von einem Drehwinkel-Sensor der im Bereich der beiden Aufnahmeplatten 18, 20 installiert ist und der eine relative Verdrehung dieser beiden Aufnahmeplatten 18, 20, und damit des Grundkörpers 13, registriert. Mittels der eingestellten Wölbung der absolut biegesteifen Druckplatte 29 und in der Dicke unterschiedlich verteilten, Kleberaupen 10 wird somit die gewünschte Wölbung der jeweiligen Spiegel 11 dauerhaft erhalten. Weitere mittels der Dreh und Fixiereinrichtung ausgeglichene Verspannungen werden über eine entsprechende Verteilung der Klebemasse ausgeglichen. Da die Stellung einer Fixier-Lafette und der Druckplatte 29 zueinander fest eingestellt sind, ist die Stellung der Spiegel 11 entsprechend den gewünschten Vorgaben exakt mittels des Klebstoffes dauerhaft fixiert auch wenn ein Grundkörper 13 leicht verzogen ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass jeder Grundkörper spannungsfrei mit den entsprechenden Spiegeln verbunden ist.
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Die abschließende Qualitätsprüfung der Spiegeleinheit findet ebenfalls spannungsfrei um Messfehler zu vermeiden mit der Fixier-Lafette in der Messvorrichtung 9 statt. Es werden mittels weiterer Sensoren nicht nur die Abmessungen und die Belastbarkeit der hergestellten Spiegeleinheit sondern auch die relevanten Parameter der Spiegel 11 registriert und es wird für jede Spiegeleinheit ein Messprotokoll erstellt.
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Die Steuerung der komplexen Bewegungsvorgänge und die Signalverarbeitung der verwendeten Sensoren erfordern ein spezielles Steuerungsprogramm der Anlage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heliostaten-Spiegeleinheit
- 2
- Fixier-Lafette
- 3
- Spiegelträger-Lieferungszuführung
- 4
- Laufschienen für die Fixier-Lafetten
- 5
- Klebe-Vorrichtung
- 6
- Einrichtung zum Fixieren und Andrücken der Spiegel
- 7
- Einrichtung zum Spiegel-Auflegen
- 8
- Spiegel-Zuführung
- 9
- Messvorrichtung
- 10
- Kleberaupen
- 11
- Spiegel
- 12
- Spiegelträger-Fläche
- 13
- Grundkörper einer Heliostaten-Spiegeleinheit
- 14
- Befestigungspunkte einer Heliostaten-Spiegeleinheit
- 15
- Rahmen einer Fixier-Lafette
- 16
- Zentrierkegel (Befestigungs-Verankerung)
- 17
- vordere Fixier-Drehscheibe
- 18
- Aufnahmeplatte der vorderen Fixier-Drehscheibe
- 19
- Horizontalführung der Aufnahme und Fixier-Einrichtung
- 20
- Verbindungsplatte (für Horizontalführung und hintere Drehscheibenaufnahme)
- 21
- hintere Drehscheibenaufnahme mit Feststellbremse
- 22
- Laufbuchsen der Horizontalführung
- 23
- Druckzylinder der Dreh und Fixier-Einrichtung
- 24
- Kolbenstange
- 25
- Druckzylinder der Fixierungsseite
- 26
- Horizontalführung der Fixierungsseite
- 27
- Kolbenstange der Fixierungsseite
- 28
- Verbindungs- und Aufnahmeplatte der Fixierungsseite
- 29
- Druckplatte der Spiegelfixierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007008593 U1 [0002]
- DE 3133906 A1 [0003, 0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Physikers Willem J. Gravesande aus dem Jahre 1742. [0001]
