DE2635436A1

DE2635436A1 - Einrichtung zum auffangen und konzentrieren von sonnenenergie auf einen laenglichen wirkbereich

Info

Publication number: DE2635436A1
Application number: DE19762635436
Authority: DE
Inventors: Harald Liebi; Hans Zaugg
Original assignee: MARBACH WALTER
Current assignee: Polisolar Ag 3000 Bern Ch
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1976-08-06
Publication date: 1977-03-24
Also published as: US4116221A; IT1074136B; DE2635436C2; FR2323961B1; FR2323961A1; ATA581876A; JPS5235342A; GB1532674A; CH597573A5; AU502037B2; BR7606000A; AT358231B; AU1761376A

Description

PATENTANWÄLTE £

Dr. V. BUSSE · Dipi.-lng. D. BUSSE 2635436

45 Omabrück · Möserstraße 20-24 Osnabrück, 5, August 1976

TTR /T\n

EB/Do

Harald Liebi Böigen, 3770 Zweisimmen (Schweiz)

Walter Marbach Balmerstraße 32, 3006 Bern (Schweiz)

Mario Posnansky Pappelweg 4 3072 Ostermundigen (Schweiz)

Einrichtung zum Auffangen und Konzentrieren von Sonnenenergie auf einen länglichen Wirkbereich.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Auffangen und Konzentrieren von Sonnenenergie auf einen länglichen Wirkbereich mit mindestens einer,auf einer Tragvorrichtung angeordneten, die Sonnenstrahlen reflektierenden Schicht, welche eine zylindrisch-parabolische Spiegelfläche aufweist und eine Vorrichtung zum Nachführen der genannten Schicht in Abhängigkeit des Sonnenstandes.

Im weiteren" bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung der Einrichtung zum Bauen einer Anlage mit mehreren derartigen Einrichtungen.

Zylindrisch-parabolische, bzw. die Sonnenenergie konzentrierende Sonnenkollektoren sind bekannt. Sie werden vor allem dann eingesetzt, wenn ein Medium auf höhere Temperaturen gebracht werden soll, sei es z.B. für die Erzeugung von heissem Wasser, Dampf, Heissluft oder, in letzter Zeit, für die Bestrahlung von Sonnenzellen zur Direktumwandlung in Elektrizität. Ein gutes Beispiel derartiger Einrichtungen ist die Sonnenkollektoranlage der Sandia Laboratories, Albuquerque, USA (Report SAND 75-0278). Die erfolgreiche Nutzung von Sonnenenergie hängt zur Zeit davon ab, wie preisgünstig eine Anlage gebaut werden kann, damit es möglich wird, mit der sehr billigen Erzeugung von Energie aus der Verbrennung von OeI oder Gas zu konkurrieren. Nur die konstruktiv gutdurchdachten Anlagen haben eine Chance, wirtschaftlich zu sein. Vielseitige Anforderungen müssen dabei erfüllt werden: Grosse-Lebenserwartung, geringes Gewicht und kleine Störanfälligkeit sind allgemeine Bedingungen. Die präzise Bündelung von Sonnenstrahlung, auch unter dem Einfluss von Störungen, wie z.B. Windeinflüssen, stellt die wichtigste

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Forderung dar. Stabile Konstruktionen resultieren daraus.

Bisher bekannte Anlagen weisen in der Regel aufwendige und daher teure Spiegel- und Tragstrukturen auf, um die nötige Steifigkeit gewährleisten zu können. Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wird dadurch stark beeinträchtigt.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit möglichst geringem Fertigungs- und Materialaufwand ein Optimum an mechanischer Festigkeit, bzw. Stabilität erzielt wird, um ein günstiges Preisleistungsverhältnis zu erhalten.

Im wesentlichen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für die Erfüllung der Festigkeitsanforderungen nicht nur der Spiegel oder die Tragstruktur für sich allein optimiert wird, sondern das gesamte System, bestehend aus den Spiegelelementen,der Tragstruktur und dem Antriebssystem. Erfindungsgemäss wird ' wird nun lediglich die Biegesteifigkeit für das längliche Spiegelelement in der Längs- und Querachse von einer vereinfachten Spiegelstruktur verwirklicht, während die Torsionssteif igkeit des Spiegelelementes dadurch zustande kommt, dass der Antrieb gleichzeitig und mindestens an den beiden Enden des länglichen Spiegelelementes erfolgt. Durch die Aufteilung der Festigkeitsfunktionen zwischen Spiegel- und Antriebssystem mit Tragstruktur wird einerseits erreicht, dass ein erheblicher Strukturanteil (für die Aufnahme von Torsionsmomenten infolge Eigengewicht, Antrieb und ausserer Kräfte) beim Spiegelelement wegfällt (keine Schalen- oder Fachwerkkonstruktion notwendig). Andererseits gewährleistet der beidseitige Antrieb des Kollektorelementes immer einen Parallellauf seiner beiden Enden, was insbesondere unter dem Einfluss von Wind oder dem Antriebsmoment wichtig ist, um eine präzise Bündelung der Sonnenstrahlung über die gesamte Länge des Kollektorelementes zu gewährleisten. Von den Zugstangen des Antriebssystems können dabei relativ grosse Zugkräfte aufgenommen werden. Das Antriebssystem bekommt somit erfindungsgemäss eine Doppelfunktion, indem es

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auch die Torsionsfestigkeitsanforderungen,die an das Spiegelelement gestellt werden, übernimmt.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Nachführvorrichtung Mittel (3,4) zum Uebertragen der Antriebskraft für die Nachführbewegung an wenigstens zwei Stellen der Tragvorrichtung aufweist.

Die gesamte Kollektoranlage, d.h. eine Anlage, die aus mehreren parallel angeordneten Spiegelelementen aufgebaut ist, ist im weiteren dadurch gekennzeichnet, dass zum synchronen Bewegen aller parallel zueinander angeordneten Einrichtungen wenigstens eine längs gleichliegenden Enden der Einrichtung verlaufende Zahnstange (3) vorgesehen ist, und dass die Zahnstangen in die üebertragungsmittel eingreifen.

Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Kollektoranlage, welche eine Vielzahl von erfindungsgemässen Einrichtungen aufweist;

Fig. 2 einen Querschnitt durch zwei verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Spiegelelement gemäss Linie III-III der Fig. 1;

Fig. 4 eine Halterung für ein Spiegelelement.

In Fig. 1 sind mehrere Einrichtungen zum Auffangen und Konzentrieren der Sonnenenergie mit einer Vorrichtung zum Nachführen von Spiegelelementen (1) dargestellt. Jedes der länglichen Spiegelelemente (1) ist von einem gemeinsamen Träger (2) gehalten und wird mittels Zahnstangen (3) an beiden Enden angetrieben. Die Bewegungsimpulse wirken gleichzeitig von einer zentral angeordneten Antriebswelle (5) über Zahnräder (17) an beide Zahnstangen (3), so dass ein synchroner Antrieb aller an der Zahnstange befestigten Spiegelelementpartien erfolgt. Die Welle (5) wird vom Motor (12) in Bewegung versetzt. In Fig. 2 ist rechts ein Spiegelelement mit einer kontinuierlichen Spiegeloberfläche (9)

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links ein in Abschnitte (8) unterteiltes Spiegelelement dargestellt. Die Zahnstange (3) greift in das Zahnrad 4 ein, welches an den Endrippen (7) der Spiegelstruktur in der Brennachse (10) befestigt ist. Ersichtlich sind die Biegeträger der Spiegel struktur (14,15,16), die imi, vorliegenden Fall auch gleichzeitig die Führung mit der parabolisch gekrümmten Spiegelfläche (8,9) übernehmen. Im Längsschnitt durch ein Spiegelelement gemäss Fig. -3 ist der Sonnensensor (13) ersichtlich. Dieser kann ,beispielsweise in Form von zwei Photodioden, welche durch eine geeignete Zwischenwand getrennt sind, realisiert werden. Die Spiegelelemente werden sich dabei so nach dem jeweiligen Sonnenstand ausrichten, bis beide Photoelemente gleich ausgeleuchtet sind. In der Brennachse (10) ist ein Absorbersystem (11) installiert, worin einflüssiges oder gasförmiges Medium erwärmt wird. Die Halterung für ein einzelnes Spiegelelement gemäss Fig. 4 umfasst die Endrippen (7), die Biegeträger (14,15,16) und das in der Brennachse an den Endrippen befestigte Zahnrad (4).

Für den Antrieb von mehreren Zylinderelementen (1) haben die Versuche ergeben, dass die Verwendung von Zahnstangen < (3) angezeigt ist, da diese neben den Bedingungen für einen synchronen Antrieb aller Elemente noch, wie zuvor erwähnt, auch Zugkräfte als Folge von äusseren Einwirkungen auf die Spiegelelemente aufnehmen müssen. Das ist dann von besonderer Bedeutung, wenn eine grosse Anzahl von Spiegelelementen zu einem System zusammengefasst wird. Die Verzahnung wird vorteilhafterweise nur abschnittweise auf der Stange angebracht, nämlich immer nur dort, wo sie mit dem Zahnrad (4) des anzutreibenden Elementes in Eingriff stehen muss. Vollständigkeitshalber sei erwähnt, dass die Drehung des einzelnen Spiegelelementes jeweils um die Brennlinie erfolgen muss, d.h. die Zahnräder müssen auf der Brennachse (lo) der Spiegelstruktur angebracht sein.

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Antler« Lösungsmüglichkeiten für den Antrieb, uie beispielsweise Schneckentriebe, Kegeltriebe, Ketten- und Riementriebe uurden nicht verwendet, da sie die Bedingungen für die synchrone Nachführung der Spiegelelemente nicht erfüllen konnten, bzw. z.Teil auch aus Uirtschaftlichkeitsüberlegungsn ausschieden.

Dia gewählte Antriebsvorrichtung mittels Zahnstange gestattet somit eine genaue und spielfreie Uebertragung der Beuiegungsimpulsa auf alle Kollektorspiegelslemente 'und kann gleichzeitig auch grosse Kräfte aufnehmen, uie sie z.B. von Uindkräften herrühren können. Insbesondere ist die Zahnstange auch uegen ihrer Doppelfunktion, die sie zu erfüllen hat, uie früher erwähnt, ein geeignetes Element.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung sind besonders prägnant, uenn das längliche Spiegelslement,bedingt durch -fertigungstechnische Gründe, aus einzelnen Spiegelabschnitten aufgebaut werden muss. In diesem Fall werden beispielsweise Längsträger verwendet, um die Biegesteifigkeit zu erfüllen, die gleichzeitig auch zur präzisen Führung der einzelnen Spiegelabschnitte dienen. Solche- Träger können, mit Muten für die Führung der Spiegel versehen, sehr billig durch Extrusion hergestellt werden. Die Montage des Spiegels ist ebenfalls sehr einfach. Es braucht keinerlei weitere festigkeitsverleihende Strukturelemente, da ja der mindestens an beiden Enden wirkende Antrieb dem Element die nötige Torsionssteifigkeit verleiht.

Da bei'einem Spiegelsystem aus Gründen der Lebensdauer, der Reinigungsprobleme etc. Glasspiegel vorteilhaft sind, und diese rationell in Halbparabolabschnitten gefertigt werden können, erweist sich die geschilderte Einrichtung als besonders einfach. Ebenso ist eine Baukastenkonstruktion (verschiedene Spiegeielementlängen) möglich, da die Längsträger auf die jeweilige Lange abgeschnitten werden können. Bei einer Fachuerkkonstruktion wäre eine solche Bauweise kaum denkbar. Das Trägersystem für die Spisgelschicht kann aber, wie schon erwähnt, auch eine Schalankonstruktion sein, die eine verminderte Torsionsfestigkeit besitzen darf.

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Claims

ι !»JjEinrichtung zum Auffangen und Konzentrieren der Sonnenenergie auf einen länglichen Uirkbereich, mit mindestens einer auf einer Tragvorrichtung angeordneten, die Sonnenstrahlen reflektierende Schicht, uelche eine jxylindrisch-parabolischs Spiegelfläche aufuaist und eine Vorrichtung zum Nachführen der genannten Schicht in Abhängigkeit des Sonnenstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführvorrichtung Mittel (3,4) zum Ijebertragen der Antriebskraft für die Nachführbeuegung an wenigstens zwei Stellen dar Tragvorrichtung (7,14,15,16) aufweist.
2.Einrichtung nach Anspruch 1, mit einem die reflektierende Schicht aufweisenden Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel in Abschnitte unterteilt ist, und dass die Uebartragungsmittel mindestens an den Enden der Tragvorrichtung angordnet Sind.
3·Einrichtung nach Anspruch. 2, ~, dadurch gekennzeichnet, dass Der Spiegel längs und quer in die Abschnitte unterteilt ist, dass die Tragvorrichtung wenigstens drei Träger (14,15,16) umfasst, deren gleich liegende Enden über je ein Endstück (?) starr miteinander verbunden sind, und dass einer der Träger (15) längs dus Scheitels des Spiegels angeordnet ist.

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4,. Einrichtung nach 'Anspruch 1 , dadurch gekannzeichnet,

dass die UebertrngungsmLttel ein verschiedenen Stellen längs der

Eirennachse angeordnet sind und zum synchronen Beuegen der Ueber-

tragungsmittel miteinander drehfest verbunden sind.
5· Einrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass dia Übertragungsmittel über eine durch einen Motor (12) antreibhare Uelle (5) miteinander verbunden sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spiegelabschnitte Glas als die reflektierende Schicht tragendes Material aufweisen.
7. Ueruandung der Einrichtung nach Anspruch 1, - zum Bauen einer Anlage mit mehreren derartigen Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass zum synchronen Beuegen aller parallel zueinander angeordneten Einricntungen wenigstens eine längs gleich liegenden
Enden der Einrichtungen verlaufende Zahnstage (3) vorgesehen ist, und dass die Zahnstangen in die übertragungsmittel eingreifen.
8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
• .ein einziger Motor zum Antreiben der Zahnstange vorgesehen ist,
und dass der Motor im Zentrumsbereich der Antriebsanlage
angeordnet ist.

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