DE3117836A1

DE3117836A1 - Solarrad

Info

Publication number: DE3117836A1
Application number: DE19813117836
Authority: DE
Inventors: Janos Budapest Tiboldi
Original assignee: Villamos Automatika Intezet
Current assignee: Villamos Automatika Intezet
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1981-05-06
Publication date: 1982-03-04
Also published as: US4455833A; SU1355137A3; SE8103012L; GB2079965B; CA1174546A; GB2079965A; CH653119A5; HU181777B

Description

3117336

SOLAHRAD I

Die Erfindung bezieht eich auf ein f

Solarrad zur Auenutzung der Sonnenenergie. Unter j

dem Begriff "Solarrad" wird eine mechanische Ein- I

heit verstanden, mit deren Hilfe die Sonnenenergie · %

in eine andere aufwendbare Energie (ζ·Β· elektrische |

Energie) gewandelt werden kann. |

Wegen dem -immer unheilschwangeren Mangel |§

an Energie wird das Streben nach Erfüllung des f

Musses» die herkömmlichen Energiequellen durch neue |

zu ersetzten, mehr und mehr.dringeDd. Nach massge- |

benden "Voraussagen wird das Öl neben einer linearen |

Extrapolation des bisherigen Verbrauches im dritten Ϊ

Jahrzehnt des XXI« Jahrtausendes ausgehen. Bei diesem - f

Wachstum wird das fossile Energievorrat um den Jahr |

2100 geschnupft. Diese Drohung wird als eine reale . |

Gefahr angeschaut, sodase nach dem Sonnenenergie» I

program der Verinigten Staaten im 2000 .20 Prozent f

des Energiebedarfes und um 2040 praktisch das ganze ί

Energiebedarf aus solaren Energie erfüllt wird. |

_on liach den bisherigen Lösungen wird in den 1

Solarkraftwerken die Sonnenenergie mit einer aus |

Dampfkessel, Dampfturbine (Y/ärmekraftaaschine) und 1

Generator bestehenden Einheit umgewandelt. Die J

fokusierte Sonnenenergie kann auch auf anderer Weise, j

z.B. durch Kollektoren oder Solarzellen nutzbar gemacht werden.

In den bekannten Solarkraftwerkeη besteht das grösste Problem in Sammlung, Pokusierung
der Sonnenstrahlen· Auf einer geeigneten Bodenfläche,

ζ. B, am Hang einer ein Tal umkränzenden Gebierge
wurde in den bisherigen Lösungen ein Spiegelsystem
angeordnet, somit wurde eine riesige "natürliche
Spiegelfläche" ausgebildet, der aus einzelnen
Parabolenspiegel zusammengesetzt ist. Diese vielen

IParabolenspiegel werden um, zwei Achsen mit durch Rechner gesteuerte Motoren bewegt, um sie immer zur Sonne zu wenden. Die Fokalpunkte der Spiegel sind mit Hilfe von Laserstrahlen in einen Punkt, in den Brennpunkt des Systemes gerichtet. In diesem Brennpunkt ist der Strahlensammler des Systemes an der Spitze eine hohen Betonsäule angebracht. Wach diesem Prinzip wird für ein Kraftwerk von 100 MtV

2
eine Bodenfläche von 7 km benötigt. Der Wirkungsgrad der Ausnutzung der Bodenfläche ist 10-12 Prozent, - das bedeutet, daß die nutzbare Spiegelfläche 10-12 Prozent der besetzten Bodenflache ist. Das ist kein Nachteil bei Boden die landwirtschaftlich nicht viel . wert sind, z.· B. in V/üsten, aber wertvolle Bodenflächen können in dieser Weise nicht "verschwendet" werden. In der gemässigten Zone - wo die Sonnenstrahlung auch weniger intensiv ist - ist die Anwendbarkeit der vorbekannten Sonnenkraftwerken schon wegen den obigen fraglich.

- Dazu kommen noch die Schwierigkeiten

der Steuerung. Jeder kleine Spiegel muss für das vertikale, bzw. horizontale Sonnenfolgesystera um zwei Achsen gesteuert verdreht werden können. Dazu ist für jeden Spiegel zwei Antriebe benötigt. Die

.25 Position der einzelnen Spiegel muss zusammengestimmt werden, sodass die Spiegel in den Brennpunkt des Kraftwerkes konzentrieren. Es muss also genau auf den Brennpunkt gezielt werden., Die vielen Motore können nur mit einer komplizierten Computersteuerung gleichzeitig, tändig und zusammengestimmt bewegt werden·

Es lohnt sich auch nicht, die Abmessungen der einzelnen Spiegel über eine gewisse Grenze zu höhen, die Spiegel würden dann einander abschatten, so müssten sie voneinander noch weiter angeordnet werden, damit würde der Platzbedarf noch größer.

Die bo gesteigerte Masse und der Gewicht würden ein fast unlösbares Problem mit Hinsicht auf die Tragkonstruktion und Lagerungen bedeuten.

Diese Paktoren haben bisher - neben ' vielen anderen - ein wesentliches Hindernis im Wege der Ausnutzung der Sonnenenergie bedeutet·

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Unzulänglichkeiten der vorbekan.nten Lösungen zu eliminieren und ein Solarrad, d.h. eine energieerzeugende, die Sonnenenergie ausnutzende Einheit zu schaffen, deren Plächennutzungsgrad viel besser ist, als der bisherigen, deren Steuerung kein kompliziertes Coraputersystem benötigt und die unter den meteorologischen Bedingungen der gemässigten Zone auch eine beträchtliche Menge von Energie erstellen kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind wir durch die Erkenntnis gekommen, daß die energiesammelnde Spiegelfläche und die energiewandelnde Kraftmaschine in einer mechanischen Einheit untergebracht werden sollen und daß die Spiegelfläche gross ausgeführt werden soll·

Die Erfindung bezieht sich also auf ein Solarrad zur Ausnutzung der Sonnenenergie, Die Weiterentwicklung, d. h. die Erfindung selbst besteht nun darin, daß das Solarrad mit einem die Sonnenenergie ausnutzenden Teil und einer diesen Teil tragenden Mechanik versehen ist, wobei die Tragmechanik ein vertikales Sonnenfolgesystem und ein horizontales Sonnenfolgesystem hat. Wie es noch später klargestellt wird, sichern diese relativ einfachen technischen Massnahmen restlos die Erfüllung der gestellten zusammengesetzten Aufgabe·

Infolge dieser mechanischen Konstruktion des Solarrades kann nach der Erfindung auch die

Windenergie ausgenutzt «erden:- auf den die fSoanenenergie ausnutzenden Teil tragende Mechanik kann nämlich mindestens eine Windkraftmaschine mon« tiert werden. Das ist besonders zweckmässig, da in diesem Falle die Energieerzeugung des Solarrades ' unter Wetterbedingungen der geraässigten Zone verzweifacht werden kann»

. Das vertikale Sonnenfolgesystem kann . sehr einfach realisiert werden, wenn es nach der Erfindung aus den die Sonnenenergie ausnutzenden Teil tragenden und fest zusamraengefixten Riesen» rädern, einem die Riesenräder unterstützenden Gestell und zwischen dem Gestell und den Riesenrädern angeordnetep, in dem Gestell gelagerten Tragrollen, sowie einem die Rissenräder über die Tragrollen ab» ■ rollenden Antrieb aufgebaut ist· Damit kann das vertikale Sonnenfolgen einfach realisiert werden, da einer Tragrolle mit so einem kleinen Gewicht belastet ist, das die Verdrehung des Systfeines in der vertikalen Ebene nicht hindert·

Pur das vertikale Sonnecfolgesystem ist es erfindungsgemäS zweckmäßig, wenn an dem Gestell ein Rundtisch angeschlossen ist, der in einem mit Flüssigkeit aufgefüllten Schwebbecken angeordnet ist, zwischen dem Rundtisch und dem Schwebbecken kippbehindernde Rollen und Zentrierrollen, sowie ein den Rundtisch relativ zu dem.Schwebbecken bewegender Antrieb versehen ist, wobei unter dem Rundtisch ein luftkissen ausgebildet ist. Diese Lösung hat eine grosse Bedeutung mit Hinsicht auf die Verschwenkung des Solarrades in einer horizontalen Ebene. Der Rundtisch ist mit dem ganzen, erheblichen Gewicht des Solarrades belastet· Das ganze System ist aber durch das Luftkissen in dem Becken "gelagert", und bei einer Bewegung muss daher nur die Flüssigkeits-

- 7 -■

reibung bekämpft werden.

In einer anderen vorzüglichen Aueführungsform ist die mindestens eine Windkraftmaschine auf einem äusseren Riesenrad montiert,

deren Propellerdurchmesser zweckmässigerweise
kleiner ist als 50 m, vorzüglicherweise zwischen
18 und 22 m ist. Dabei bekommen die Windmaschinen ΊΞ--:
einen ungestörten Wind und sie können leicht zum
Wind windwärts gedreht werden. Die zweckmässigen "

Abmessungen, sind so festgelegt worden, daß neben _
ihnen einerseits der höhste Wirkungsgrad der Windausnutzung verwirklicht wird und anderseits mehrere EEEJ Windkraftmaschinen angeordnet werden können· J|

Der Sonnenenergie exploitierende Teil " - l§

15. kann entweder als ein Kollektor und/oder Solarzelle Γ || oder aber als eine mechanische Einheit ausgebildet -1| sein, die mit einem Spiegel und einer energieum- J|

wandelnden Kraftmaschinengruppe versehen ist, wo- Γ -_ ^f bei der Spiegel ein aus planaren Spiegelstticken -^

zusammengesetzter parabolischer Spiegel ist, in |

dessen Pokalpunkt die Kraftmaschinengruppe ange- I

ordnet ist. Mit dieser Anordnung können die Sonnen- f strahlen bei einem hohen Wirkungsgrad fokusiert I

werden^ ί

' Weitere Einzelheiten der Erfindung 1

werden mit Bezug auf Ausführungebeispiele im Zu- . |

nammflnhong 5?1ΐ de? bfiicrßfiicrfcftn Zelchnunc naher· ez>— ί

läutert. In der Zeichnung, · |

Pig. 1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungs- i beispiels des erflndungegemäßen Solarradea} |

Pig· 2 ist eine Vorderansicht des Ausführungebeispiels in Pig. I;

Pig. 3 ist eine Seitenansicht eines anderen Aus-

führungsbeispieles, teilweise im Schnitt} schliesslieh

fig. 4 eic Aufstellungsplan des erfindungsge-' mäßen Solarrades iß Draufsicht .

In Fig. 1 ist ein Ausführuagsbeispiel des Solarrades dargestellt, in dem ein parabolischer Spiegel 1 vorgesehen ist, um die eintreffenden Sonnenstrahlen zu fokusieren· Xn dem Brennpunkt des Spiegele 1 ist eine Kraftmaschinengruppe 2 angeordnet, mit der die Wärmeenergie der Sonnenstrahela in - in diesem ^Beispiel - elektrische Energie umgewandelt wird· Der Spiegel 1 und die Kraftmaschinengruppe 2 wird der die- ' Sonnenenergie ausnutzende Teil des Spnnenrades genannt· Sie sind durch die Tragmechanik des Solarrades aufgenommen, die - wie aus Pig· 2 ersichtlich - aus zu-' einander parallel angeordneten Riesenrädern 3 zusammengesetzt ist. Die Riesenräder 3 bilden mit den Halteelementen zusammen ein Gitterwerk. Die Versteifung ist dre»ch Radspeichen 4 und die Kreuz versteifung durch Distanzhalter 5 und Spanner 6 (Pig· 2) gelöst. Die Radspeichen 4 und die Spanner 6 sind mit Zugabeanspruchung belastet, sie müssen also nicht notwendig aus steifem Material sondern sie können r· B. vom Drahtseil gefertigt werden· Diese Fakten tragen erheblich zu einer genügend festen Konstruktion mit äusserst niedrigem Selbstgewicht bei·

Die in der oben abgeschriebenen W_eise zu·» sammengebauten Riesenräder 3 sind durch Tragrollen 7 mit einem Gestell 8 unterstützt. Das Gestell S ist dabei so ausgebildet, daß es die Riesenräder 3 etwa wiegenartig um einem Teil ihrer Umfassung umschliesst· Die Trsgrolloü 7 sind rotierbar in dem Gestell 3 gelagert, die Riesenräder 3 liegen auf diesen Tragrdlen

abrollbar auf. Mit dieser Auslegung der Riesenräder 3, der Tragrollen 7 und des Gestells 8 wird das vertikale Sonnetafolgesystem des Solarrades verwirklicht, Dazu kommt noch ein in den Figuren nicht gezeigter " Antrieb, womit die Riesenräder 3 relativ zu dem Gestell 8 gesteuert und geschwenkt «erden können·

Bank dieser Lösung werden zur Schwenkung ^keine allzugrosse Kraft und keine speziellen Lagerungen der Tragrollen 7 im Gestell 8 benötigt. Das Gewicht des Solarrades wird nämlich in so viele Teile geteilt, jrieviele Riesenräder 3 eingebaut werden* Ein Riesenrad ■^v:. 3 liegt ferner auf vielen Tragrollen 7 auf, sodass eine Tragrolle 7 nur mit einem Bruchteil des Gesammtgewichtes belastet ist·

Der Abrollenantrieb kann auf an einer oder

* mehreren Tragrollen 7 angeschlossen werden, wobei zwischen den treffenden Tragrollen 7 und Riesenrädern 3 eine momentübertragende Verbindung hergestellt werden muss.

Für das horizontale Sonnenfolgesystem ist das Gestell 8 auf einem Rundtisch 9 angeordnet. Der Rundtisch 9 schwimmt in einem Schwebbecken 10, wozu unter dem Rundtisch 9 ein Luftkissen ausgebildet ist. Das Luftkissen ist hier so gelöst, dass der Rundtisch· 9 eisen u-fösaaigen Querschnitt (Fig. i) hat, wobei die Schenkel der U nach unten sehen. Der Rundtisch 9 kann auch mit einem Ventil versehen werden, wodurch Lurt eingepumpt oder ausgelassen werden kann. Damit wird das Solarrad aus dem Schwebbecken 10 besser ausgehoben oder darin eingelassen. Dadurch wird eine Möglichkeit gegeben, das Solarrad bei übermässiger Windbelastung auf den Boden des Beckens 10 zu unterlassen, wodurch das Umkippen des Solarrades vermieden wird *

Die Position des Rundtisches 9 des Solar-

- ίο -

rädes im Schwebbecken 10 wird mit den kippbehindernden Rollen 11 und den Zentrierrolien 11 eingestellt. Diese sind einerseits an der vertikalen und der horizontalen Kante· des Sun&iü ^hes 9» anderseits an dem Schwebbeckeo 10 angeschloe~3r._t Die Achsen der kippbehinderndefc Rollen 11 «iuü also senkrecht, zu den Achsen der Zentris .T-oIlen 12. Eine oder mehrere dieser Rollen könnea sit einem Antrieb versehen werden, wodurch die Steuerung des horizontalen Sonnenfolgesystems sichergestellt werden kann.

Diese Lösung macht keinerlei Lagerung nötig« Die Flüssigkeit im Schwebbecken 10 kann auch einfaches Wasser sein, das daran auf einem Luftkissen schwebende Solarrad kann mit einem minimalen .Kraft gedreht werden* auch unter extremen Wetterbedingungen. Das hat eine ' grosse Bedeutung bei einem sich rasch erhebenden ¥/ind, das Solarrad soll dann so verdreht werden, daß sei'ne Längsachse zu der Windrichtung parallel gestellt wird· Dabei bekommen eine bedeutendere Rolle in einem anderen Ausführungsböispiel der Erfindung die auf einem a'ussereo Riesenrad 3 montierten Windkraftmaschioen (Fig* 3)* BAe Eotorabese der Wlndkraft= maschinen 13 ist parallel zu der Ebene des die Windkraftmaschinen 13 haltenden Riesenrades 3, die in der oben abgeschriebenen Position senkrecht zur Windrichtung ist. ^e

Durch Versuche p»urde nachgewiesen, daß die Windenergie mit solchen Wiüdkraftmaschinen ac besten ausgenutzt werden kann, deren Rotordurchmesser um 20 m ist» Es können also mehrere Windkraftmaschinen 13 an dem äusseren Riesenrad 3 montiert werdens, das dafür mit Brücken 14 ergänzt wird, wodurch auch die Festigkeit dieser' mehr belasteten Riesenrades 3 gesteigert wird. Dabei können die Windkraftmaschinen 13 so angeordnet werden, daß die durch

~ Ii *■>

sie an dem Riesenrad 3 erzeugten zusätzlichen Belastungen sich teilweise ausgleichen, die zusätzliche Gesamtebelastung wird daher nicht bedeutend· Hit dieser Maßnahme wird das Solarrad nicht nur für Sonnenenergie-, sondern auch für WiQdenergieausnutzung geeignet gemacht·

Im weiteren wird ein Aueführungsbeispiel mit konkreten Abmessungen abgeschrieben» Im Solsrrad werden fünf Riesenräder in einer Entfernung von 20 α voneinander zusammengebaut, die einen Durchmesser von 80 ta haben. Die Radspeichen 4 sind aus Rundeisen, die Distanzhalter 5 als Gitterwerk ujd die Spanner 6 aus Drahtseil gefertigt« JSs werden sechzig Radspeichen 4_t sechzig Distanzhalter-5 und hundert und zwanzig Spanner 6 eingebaut» Die Riesenräder 3 aind mit fünfhundert, also je Riesenrad 3 mit hundert Tragrollen 7 unterstützt .

Der Spiegel hat eine parabolische Fora» er besteht aus sechzehn Tragtafeln mit Gitterwerkkonstruktion von je 20 m χ 20 ο, auf denen planere Spiegelstücke von je 1 m χ 1 m gefestigt sind· Die Position dieser Spiegelstücke wird bei der Fertigung einmal eingestellt, es tnuS nicht mehr verändert werden. Der in dieser Weise ausgebildete Spiegel 1

hat eine Nutzfläche von 564-0 m²· Bei diesen Abmessungen wird der Wind bei einer Stärke von 8,5 m/s gefährlich, über diese Windstärke muß die Längsachse des Solarrades zu der Windrichtung parallel gestellt werden.

Der Rundtisch 9 hat einen Durchmesser von 90 m, eine Höhe von 1,5 m und eine Konstruktion aus Eisenbetongerippe, woran mit Fiberglas gestärkten Kunststoffkuppeln angeordnet sind, an der Zahl zweihundert und vierzig Stücke. Das luftkissen hat einen überdruck von 230 mmWS (sun Wassersäule), was bis

- 12-

einer Windgeschwindigkeit von 33 m/s das umkippen des Solarrades verhindert (im Falle, wenn die Langsachse des Sblarrades zur Windrichtung parallel gestellt ist).

Das Schwebbecken 10 hat einen Innen» durchmesser von 90,2 zn und eine Seitenhöhe- von 1 m. Seine Wände sind als ein mit Steifbalken versehenes ' Eisenbetongerippe, sein Boden aus Beton-Kunststoff-- -Sandbett ausgebildet·

Im Brennpunkt des parabolischen Spiegele 1 ist eine Maschinengruppe 2 angeordnet» die aus . einer mit einem Kohlenstaub-Lufterhitzer verbundenen Yiarmlufttur-bine und einem Generator besteht« Sie hat einen* abgegebene Leistung von 2,5 MW. An einem äusseren Riesenrad 3 sind dreizehn Windkraftmaschinen -13 angeordnet, die je Windkraftmaschine 13 eine Durchschnittsleistung von 100 kW haben. i Unter den Watterbedingucgsn von Ucgsrn I können 1000 nutzbaren Sonnenstunden pro Jahr und in einer Höhe von 20 m eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 3,6 m/s in Rechnung genommen werden. Somit erzeugen das Sonnenkraftwerk eine Energie von 2,5 Millionen kWh, das Windkraftwerk 2,5 Millionen kWh in einem Jahr. Mit einem Solarrad kann also 5 Millionen kWh Energie in einem Jahr ausgewonnen werden·

Ein der wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen Solarrades ist bei Anwendung in der geraässigten Zone, daß mit ihm eine Flächenausnutzung von 85 Prozent erreicht «erden kann» Das bedeutet, daß die nützliche Spiegelfläche 85 Prozent der besetzten Erdfläche ist· Die mit Solarrädern aufgebaute Kraftstation muß noch dazu aus der landwirtschaftlichen Produktion nicht ausgeschlossen werden· Wie aus Pig. 4 ersichtlich, muß zwischen den Reihen der Solarräder eine Entfernung von 400 m frei gehalten

- 13 -

«erden, um.das Abschatten zu vermeiden· Dieses Gebiet iat schon auch für eine industrielle Auenutzung in der Landwirtschaft gut brauchbar·

Das erfindungsgemäße Solarrad hat noch den nicht weniger wichtigen Vorteil* daß die Windenergieausnutzung ohne etwaiger komplizierter Mechanik mit derselben Konstruktion verwirklicht werden kann, somit kann die Energieerzeugung des Solarrades unter Wetterbedingungen der gemässigtec Zone verzweifacht werden·

Das Solarrad beduetet schliesslich keine Kontaminationsquelle für die Umgebung oder für die Landschaft·

Claims

1. Solarrad zur Ausnutzung der Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem die Sonnenenergie ausnutzenden Teil und mit einer diesen Teil tragenden Mechanik versehen ist, wobei die Tragmechanik ein vertikales Sonnenfolgesystem und ein horizontales Sonnenfolgesystem hat·

ir

2. Solarraa nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß auf der Tragmechanik

mindestens eine die Windenergie ausnutzende Windkraftmaschine (13) montiert ist.

3· Solarrad nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das vertikale Sonnenfolgesystem aus den die Sonnenenergie ausnutzenden Teil tragenden und fest zusammengefixten Riesenrädern (3), einem die Riesenräder (3) unterstützenden Gestell (8) und zwischen dem Gestell

(8) und den Riesenrädern (3) angeordneten, in dem ^Gestell (δ) gelagerten Tragrollen (7), sowie einem

die Riesenräder (3) über die Tragrollen (7) abrollenden Antrieb aufgebaut ist.

4. Solarrad nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß für das horizontale Sonnenfolgesystera an dem Gestell (δ) ein Rundtisch (9) angeschlossen ist, der in einem mit Flüssigkeit aufgefüllten ächwebbecken (lO) angeordnet ist, zwischen dem Rundtisch (9) und dem Schwebbecken (lO) kippbehindernde Rollen (ll) und Zentrierrollen (12), sowie ein den Rundtisch

(9) relativ zu dem Schwebbecken (lO) bewegender Antrieb vorgesehen! sind, wobei unter dem Rundtisch (9) ein Luftkissen ausgebildet ist*

5* Solarrad nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Windkraftmaschine (13) an einen; äusseron Riesenrad (3) des Solarrades montiert ist und sis QiD^Q Propellerdurchmesser kleiner alß 50 m, vor«ügl'" *u zwischen 18 und 22 m hat.

6· Solarrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichne daß der die Sonnenenergie ausnutzende Teil als tor und/oder Solarzelle ausgebildet ist*

7· Solarrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch. g e k e η η ζ e i c h α e t'_?

daß der die Sonnenenergie ausnutzende Teil mit einem. Spiegel (l) und einer energieunmandelndsn Kraftmaschinengruppe (2) versehen ist, wobei der Spiegel (l) als ein aus planaren Spiegelstücken zusammengesetzter parabolischer Spiegel ausgebildet ist und die Eraftmaschinengruppe (2) in dem Pokalpunkt des Spiegels (l) angeordnet ist.