DE2619480A1

DE2619480A1 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus sonnenenergie

Info

Publication number: DE2619480A1
Application number: DE19762619480
Authority: DE
Inventors: Jean Robieux
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1975-05-09
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2310477A1; JPS51137053A; NL7604875A; BE840766A; NL181752C; GB1523532A; FR2310477B1; NL181752B; JPS59709B2; IT1059002B

Description

DlpL-ing. Jörgen WEINMILLER

PATENT ASSESSOR

SOSPI GmbH

80OO München 8O

Zeppellnstr. 63 261948 0

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich

VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE AUS SONNENENERGIE

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie.

Industrielle Kraftwerke verwenden als Primärenergieträger feste oder flüssige Brennstoffe wie beispielsweise Kohle oder Erdöl oder nutzen auch die kinetische Energie von Wasserfällen. Die voraussichtliche Erschöpfung der Brennstoffvorräte, die Preissteigerungen für fossile Energieträger und die Tatsache, daß in den industrialisierten Ländern für den Bau von Wasserkraftwerken geeignete Stellen immer rarer werden, haben zur intensiveren Erforschung der Anwendungsmöglichkeiten neuer Energiequellen im Hinblick auf die Erzeugung von elektrischem

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Strom geführt.

So wurden bereits elektrische Generatoren geschaffen, die Sonnenstrahlungsenergxe direkt in elektrische Energie umwandeln, wie beispielsweise Sonnenzellen, die den Sperrschichtfotoeffekt der p-n-Verbindungen von Halbleitern wie beispielsweise Silizium ausnutzen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Zellen sind jedoch wegen des geringen Wirkungsgrades und des hohen Preises auf sehr spezielle Fälle beschränkt, beispielsweise auf den Einsatz bei künstlichen Weltraumsatelliten.

Es wurde auch versucht. Sonnenenergie in Form von Wärme aufzufangen, um damit Kraftwerke bekannter Bauart zu betreiben, indem die aufgefangene Ttfärmeenergie zur Aufheizung eines Mediums eingesetzt wird, das eine Turbine antreibt, die ihrerseits einen elektrischen Generator in Drehung versetzt. Hierzu wurde vorgeschlagen, die Sonnenstrahlen mit Hilfe von geeigneten Flächenstrukturen aufzufangen. Es zeigt sich jedoch, daß man zur Erzielung einer industriell nutzbaren ausreichend hohen Temperatur Flächen mit beträchtlichen Ausmaßen vorsehen muß. Außerdem stellt sich dann das Problem des Wärmeenergietransports von den Auffangflächen zum Kraftwerk, bei dem es beim jetzigen Stand der Technik zu hohen Energieverlusten kommt.

Schließlich wurden bereits elektrische Generatoren geschaffen, die mehrere schwenkbare ebene Spiegel aufweisen, die die Sonnenenergie auf einen einzigen Parabolspiegel reflektieren, der die Sonnenenergie dann in seinem Brennpunkt konzentriert; in diesem Brennpunkt ist eine Wärmekraftanlage angeordnet, die diese konzentrierte Energie nutzt. Will man hierbei jedoch die zur Versorgung industrieller Stromverbraucher not-

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wendige Leistung erhalten, muß ein Parabolspiegel mit sehr großem Durchmesser eingesetzt werden, dessen Herstellung extrem teuer ist und erhebliche technologische Probleme mit sich bringt.

In der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 780 722 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Konzentration von Sonnenenergie beschrieben, die mehrere Lichtwellenleiter aufweist. Jeder Lichtwellenleiter umfaßt zunächst einen Kollektor, der aus einem Bündel von Lichtleitfasern besteht. Der Gesamtquerschnitt des Kollektorbündels nimmt von einer gekrümmten Auffangoberfläche zum Ausgang des Kollektors hin ab, so daß die Sonnenenergie, die in Höhe der Auffangfläche in die Lichtleitfasern eindringt, räumlich konzentriert wird. Der Wellenleiter nimmt daraufhin in seiner Verlängerung einen relativ kleinen Querschnitt an, der gleich dem Querschnitt am Ausgang des Kollektors ist; über diese Verlängerung erfolgt der Transport der Lichtenergie zum Nutzorgan. Die Kollektoren sind so zusammengefaßt, daß sie eine Auffangsfläche für das Sonnenlicht bilden; beim Nutzorgan kann es sich dann um einen thermoelektrxschen Generator handeln.

Die in dieser Druckschrift dargestellte Vorrichtung weist einen niedrigen Wirkungsgrad bei der Aufnahme der Sonnenenergie auf, weil einerseits die optischen Fasern notwendigerweise voneinander in Höhe der Auffangsfläche Abstände aufweisen, und weil andererseits lediglich ein Bruchteil der Auffangsfläche zu einem gegebenen Zeitpunkt wegen der Krümmung dieser Fläche die Sonnenstrahlung aufnimmt. Diese Vorrichtung kann daher nicht für die Bereitstellung von thermischer Energie eingesetzt werden,

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wie sie zum Betrieb eines industriellen Kraftwerks mit turbinengetriebenem Generator notwendig wäre, weil bei dieser Vorrichtung periodisch die Auffangsflachen verstellt werden müssen und vor allem weil die Auffangsflächen wegen ihres geringen Wirkungsgrades zu viel Platz beanspruchen würden.

Die Erfindung zielt darauf ab, die oben genannten Nachteile bekannter, die Sonnenenergie nutzender elektrischer Generatoren zu beheben und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie zu schaffen, die durch Konzentration der Sonnenergie betrieben wird, einen guten Wirkungsgrad besitzt und relativ einfach hergestellt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie mit

- Mitteln zum Auffangen und Konzentrieren des Sonnenlichtes,

- einem Bündel von optischen Wellenleitern, die die an ihrem Eingang konzentrierte Energie aufnehmen und diese Energie bis zu ihren Ausgängen weiterleiten,

- Mitteln, die die am Ausgang der Lichtwellenleiter verfügbare Lichtenergie aufnehmen und diese Energie nacheirmder zuerst in thermische und dann in elektrische Energie umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufnehmen und Konzentrieren der Sonnenenergie mehrere nebeneinander angeordnete und über eine Fläche verteilte konkave Spiegel, von denen jeder in seinem Brennpunkt die von ihm empfangene Lichtenergie konzentriert, und Mittel,umfassen, mit denen die reflektierende Seite jedes dieser Spiegel auf die Sonne ausrichtbar ist, wobei Eingänge der Wellenleiter jeweils an diese Brennpunkte angeschlossen sind, und daß die Mittel, die die Sonnenenergie nacheinander

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in thermische Energie und dann in elektrische Energie umformen können, eine Leitung umfassen, in der ein Medium fließt, wobei diese Leitung in der Mitte der Fläche liegt, über die die Spiegel verteilt sind, ferner Mittel, mit denen die Anschlußenden der Wellenleiter so auf die Außenwand der Leitung einstellbar sind, daß diese Wandung aufgeheizt und das Medium auf eine hohe Temperatur gebracht wird, weiterhin eine durch das auf die hohe Temperatur gebrachte Medium betriebene Turbine sowie einen elektrischen Generator umfassen, der durch die Turbine in Drehung versetzt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf drei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen einstellbaren Reflektor, der zur in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gehört.

Fig. 3 zeigt ein Schema eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 sind mehrere Parabolspiegel 1, 2 und nebeneinander über eine von einem Kreis 5 begrenzte Fläche verteilt angeordnet. Es sind in der Figur lediglich einige dieser Spiegel angedeutet, jedoch besetzen sie in Wirklichkeit praktisch die gesamte Kreisfläche 4 mit Ausnahme eines den Mittelpunkt 7 des Kreises 5 umgebenden Bereichs, in dem ein System 6 angeordnet ist, das weiter unten näher beschrieben wird. Diese Spiegel sind so nahe wie möglich nebeneinander montiert, so daß die Gesamtfläche ihrer reflektierenden Seiten einen möglichst hohen Anteil an der Fläche des Kreises 5 ausmacht. Die Kreisfläche 4 kann beispielsweise ein Gelände in

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einer sonnigen Ebene sein.

Jeder dieser Spiegel ist mit einer Vorrichtung versehen, mit der seine reflektierende Seite auf die Sonne ausgerichtet werden kann. In Fig. 2 ist zu sehen, daß der Parabolspiegel 1 mit zwei Zapfen 8 bestückt ist, die einander diametral gegenüber liegen und in der Nähe des Randes der reflektierenden Spiegelfläche liegen. Diese Zapfen sind in kreisförmige, in einen Halter 9 des Spiegels 1 gebohrte Öffnungen eingesetzt, so daß der Spiegel 1 um eine mit dem Halter 9 verbundene horizontale Achse gedreht werden kann. Dieser Halter 9 ist seinerseits um eine mit einem Podest 10, das auf dem Boden steht, fest verbundene verti-

auf kale Achse drehbar. Somit kann der Spiegel l/jede gewünschte Ausrichtung eingestellt werden, indem einerseits dieser Spiegel zum Halter 9 um die horizontale von den Zapfen 8 gebildete Achse und andererseits der Halter 9 im Verhältnis zum Podest lO um seine vertikale Achse gedreht wird. Die reflektierende Fläche des Spiegels 1 wird mit Hilfe bekannter Steuermittel, die hier nicht dargestellt sind, ständig auf die Sonne ausgerichtet; zu diesen Mitteln gehören elektrische Motoren und Steuerkreise für diese Motoren. Die Sonnenstrahlen 12 und 13 werden somit zu jedem Zeitpunkt im Brennpunkt 14 des Spiegels 1 gebündelt.

Im Brennpunkt 14 wird ein Ende eines optischen Wellenleiters 15 zur Übertragung der durch den Spiegel 1 konzentrierten optischen Sonnenenergie durch diesen Lichtwellenleiter zum System 6 hin angeordnet. Hierzu wird eine Hülse 16, die das Ende des Wellenleiters 15 aufnehmen kann* in der Nähe des Brennpunkts mit Hilfe von Armen 17, 18 und 19 befestigt, die sich auf den Rändern des Spiegels 1 abstützen. Der Wellenleiter 15 besitzt

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eine starre Hülle 20, aus der elastische Abschlußenden 21 herausragen. Eines dieser Enden steckt in der Hülse 16.

Der Wellenleiter 15 enthält lediglich eine Paser großen Durchmessers, deren Hülle 20 aus einem Glas, beispielsweise einem Kalzium-Borosilikat, oder aus Kunststoff besteht und dessen Kern aus einem Glas gebildet wird, dessen Brechungsindex von dem des ersten Glases verschieden ist,bzw. aus einer Flüssigkeit wie beispielsweise Brombenzol oder Tetrachloräthylen. Dieser steife Abschnitt kann auch aus einem Glaszylinder mit uniformem Brechungsindex bestehen. Die elastischen Anschlußenden 21 des Wellenleiters 15 werden aus einem Bündel mehrerer optischer Fasern geringen Durchmessers gebildet.

Selbstverständlich weist jeder auf der Kreisfläche angeordnete Spiegel Mittel zur Ausrichtung seiner reflektierenden Fläche auf die Sonne und einen dem Lichtwellenleiter 15 gleichenden Wellenleiter zum Transport der in seinem Brennpunkt konzentrierten Sonnenenergie zum System 6 hin auf. Das in Fig. 3 gezeigte System 6 besteht im wesentlichen aus einer die Sonnenenergie nutzenden Wärmekraftanlage. Diese Wärmekraftanlage umfaßt eine Leitung 22, die im Längsschnitt dargestellt ist und in der ein Medium zirkuliert, das über eine Zuleitung 24 einem Speicher 23 entnommen wird. Bei diesem Medium kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Um die gesamte Außenwandung der Leitung 22 herum sind elastische Anschlußenden 25, 26 der verschiedenen Wellenleiter angeordnet. Die verschiedenen Anschlußenden 25, 26 durchqueren die Wandung eines zylindrischen Behälters 27, der die Leitung 22 umgibt. Diese Durchführung erfolgt praktisch senkrecht zur Achse des Rohres 22, so daß die aus den

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Wellenleitern austretenden Lichtstrahlen senkrecht auf die Außenwandung der Leitung 22 treffen. Die Enden der verschiedenen Anschlüsse sind gleichmäßig um die Leitung 22 herum verteilt, damit die Lichtenergie eine homogene Erwärmung der Leitung 22 bewirkt. Auf der der Zuleitung 24 gegenüberliegenden Seite steht die Leitung 22 mit einer Turbine 29 über eine Leitung 30 in Verbindung. Das aus der Turbine 29 austretende Medium kann über eine mit dem Speicherbehälter 23 verbundene Leitung 31 zurückgewonnen werden,die eine Pumpe 32 enthalten kann. Schließlich wird durch die Turbine 29 ein Generator 33 in Drehung versetzt.

Die in den Pig. 1, 2 und 3 gezeigte und oben beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie arbeitet folgendermaßen : Die verschiedenen auf der Kreisfläche 4 verteilten Spiegel bleiben stets auf die Sonne ausgerichtet, und die im Brennpunkt dieser Spiegel konzentrierte Lichtenergie der Sonne wird über die verschiedenen Lichtwellenleiter 15 zur Leitung 22 des Kraftwerks geführt. Obwohl diese Wellenleiter über den größten Teil ihrer Länge hinweg steif sind, besteht keinerlei Bruchgefahr während der Rotation der Spiegel, wenn die Anschlüsse 21 und 25 hinreichend verformbar gehalten werden.

Die Erwärmung der Leitung 22 unter der Wirkung der aus den Wellenleitern tretenden Strahlungsenergie ruft eine Erwärmung des Mediums hervor, mit dem das Kraftwerk arbeitet; hierbei können Temperaturen von 500 bis 15OO C entstehen. Damit ist das aus der Leitung 22 tretende Medium in der Lage, die Turbine zu betreiben, die ihrerseits den Generator 33 in Drehung versetzt.

Die Abmessungen der verschiedenen Bestandteile der

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optischen Einrichtung (Spiegel, Wellenleiter) werden in Abhängigkeit von den technischen Kenndaten der zu bauenden Anlage gewählt. Der Durchmesser der Wellenleiter hängt vo» Durchmesser der Spiegel ab. Für einen Spiegel mit 2,5 m Durchmesser verwendet man bevorzugt einen Wellenleiter mit etwa 2cm Durchmesser, und für einen Spiegel mit einem Meter Durchmesser beträgt der Durchmesser des Wellenleiters 8 mm. Der Abstand des Brennpunkts der Spiegel wird so gewählt, daß die im Brennpunkt konzentrierten Lichtstrahlen in den Wellenleiter unter einen Winkel eintreten, der im Verhältnis zur Achse des Wellenleiters bis zu 6O° beträgt. Wenn der Durchmesser des Kreises 5, der die Kreisfläche 4 begrenzt, 50 m, und der Durchmesser der Spiegel 2,5 m beträgt, dann können auf dieser Kreisfläche etwa 200 Parabolspiegel untergebracht werden. Die gesamte von den Spiegeln aufgefangene Lichtenergie beträgt dann etwa 1,2 MW. Bei einer Dämpfung der Lichtwellenleiter von etwa 40 db pro km ist der Energieverlust in den Pasern relativ gering, d.h. etwa 10%. Dann kann die elektrische Ausgangsleistung der Kraftanlage etwa 400 kW betragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für elektrische Kraftwerke zur Speisung von Industrieanlagen eingesetzt werden, die während des Tages arbeiten, oder Zusatzkraftwerke, die in das Netz der bestehenden herkömmlichen elektrischen Kraftwerke eingekoppelt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

J^y Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie mit

- Mitteln zum Auffangen und Konzentrieren des Sonnenlichtes,

- einem Bündel von optischen Wellenleitern, die die an ihrem Eingang konzentrierte Energie aufnehmen und diese Energie bis zu ihren Ausgängen weiterleiten,

- Mitteln, die die am Ausgang der Lichtwellenleiter verfügbare Iiichtenergie aufnehmen und diese Energie nacheinander zuerst in thermische und dann in elektrische Energie umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufnehmen und Konzentrieren der Sonnenenergie mehrere nebeneinander angeordnete und über eine Fläche (4) verteilte konkave Spiegel (1, 2, 3), von denen jeder in seinem Brennpunkt (14) die von ihm empfangene; Lichtenergie konzentriert, und Mittel (8, 9, 1O) umfassen, mit denen die reflektierende Seite (11) jedes dieser Spiegel (1) auf die Sonne ausrichtbar ist, wobei Eingänge der Wellenleiter (15) jeweils an diese Brennpunkte (14) angeschlossen sind, und daß die Mittel, die die Sonnenenergie nacheinander in thermische Energie und dann in elektrische Energie umformen können, eine Leitung (22) umfassen, in der ein Medium fließt, wobei diese Leitung in der Mitte der Fläche (4) liegt, über die die Spiegel verteilt sind, ferner Mittel, mit denen die Anschlußenden (25, 26) der Wellenleiter (15) so auf die Außenwand der Leitung (22) einstellbar sind, daß diese Wandung aufgeheizt und das Medium auf eine hohe Temperatur gebracht wird.

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weiterhin eine durch das auf die hohe Temperatur gebrachte Medium betriebene Turbine (29) sowie einen elektrischen Generator (33) umfassen, der durch die Turbine (29) in Drehung versetzt wird.

2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtwellenleiter (15) eine starre Hülle (20) aufweist, die sich über den größten Teil seiner Länge erstreckt und aus der zwei elastische Anschlußenden (21, 25) herausragen.

3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Anschlußenden (21, 25) aus einem Bündel von Lichtleitfasern besteht.

4 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (20) und der Kern des Wellenleiters (15) aus zwei Gläsern verschiedenen Brechungsindexes bestehen.

5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (20) aas Glas ist, das einen Kern aus einem flüssigen Material umschließt.

6 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (2O) aus einem Kunststoff gebildet ist und einen flüssigen Kern umschließt.

7 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (15) aus einem Glaszylinder mit uniformem Brechungsindex besteht.

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8 - Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dai3 es sich bei dem flüssigen Material um Brombenzol handelt.

9 - Vorrichtung gemäß Anspruch i , dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem konkaven

(1) um einen Parabolsnieael handelt.

10 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (4), auf der die Spiegel angeordnet sind, praktisch kreisförmig ist.

11 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Medium um Wasser handelt.

12 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit denen die Anschlußenden (25, 26) der Wellenleiter (15) auf die Außenwandung der Leitung (22) eingestellt werden, einen Behälter (27) umfassen, der die Leitung (22) umgibt, wobei die Wellenleiter (15) durch die Wandung des Behälters (27) hindurchgeführt werden.

13 - Vorrichtung gemäß Anspruch IO, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußenden (25, 26) der Wellenleiter (15) gleichmäßig um die Leitung (22) herum angeordnet sind, so daß das aus den Ausgängen austretende Licht eine homogene Erwärmung der Leitung (22) bewirkt.

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