DE3490710C2 - Sonnenenergieanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenenergieanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Sonnen­ energieanlage ist aus der FR 14 75 393 bekannt.

Bei dieser bekannten Sonnenenergieanlage hat die Vorrichtung zur Verfolgung der sichtbaren Sonnenbewegung zwei Antriebs­ wellen zur Verfolgung des Azimut- und des Elevationswinkels, die sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω = 15°/Stunde entsprechend der Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation drehen. Die zur Erdachse parallele Antriebswelle ist über ein Hebelsystem mit einer Zugstange verbunden, an deren einem Ende unter einem rechten Winkel der Heliostat­ spiegel befestigt ist, während sich das zweite Ende der Zugstange längs einer Führung bewegen und drehen kann. Die Führung ist mit einem Ende eines Hebels fest verbunden, dessen zweites Ende mit der Antriebswelle gekuppelt ist, wobei dieser Hebel einen Schenkel eines gleichschenkligen Dreiecks mit der Spitze im Verbindungspunkt mit der Antriebs­ welle bildet, während die Grundlinie des Dreiecks durch die Zugstange mit dem daran befestigten Spiegel gebildet wird. Den anderen Schenkel des gleichschenkligen Dreiecks stellt ein Hebel dar, der mit einem Ende an die Antriebs­ welle und mit dem anderen Ende an die Zugstange mit dem daran befestigten Spiegel angelenkt ist. Bei diesem gleich­ schenkligen Dreieck ist ein Schenkel im Raum so orientiert, daß er mit der Richtung des am Heliostatspiegel reflektierten Sonnenstrahles zusammenfällt, während der andere Schenkel parallel zu den auf den Spiegel einfallenden Sonnenstrahlen liegt.

Die Grundlinie des gleichschenkligen Dreiecks wird durch die Zugstange mit daran befestigtem Spiegel gebildet und stellt die Halbierende des Winkels dar, der von dem von der Sonne auf den Heliostatspiegel einfallenden Strahl und dem am Spiegel zum Strahlungsempfänger reflektierten Strahl eingeschlossen ist. Ein zu den einfallenden Sonnenstrahlen parallel liegender Hebel ist mit einer Vorrichtung versehen, mit deren Hilfe die Korrekturgrößen für die Sonnendeklination während der Jahreszeiten eingeführt werden können.

Bei dieser Konstruktion der Nachlaufsteuerung des Heliostaten können Spiegel mit einem Durchmesser von über 700 bis 800 mm nicht benutzt werden, da sie keine genügende Steifheit besitzt. Die feste rechtwinklige Verbindung des Spiegels mit der Zugstange macht eine Vergrößerung der Spiegelfläche über die zur Beleuchtung des Strahlungsempfängers während der Tageshellzeit minimal erforderliche Spiegelfläche hinaus erforderlich. Somit ist diese Heliostatkonstruktion nicht geeignet für Sonnenenergieanlagen großer Leistung sowie für Anlagen, bei denen eine höhere Genauigkeit der Folge­ regelung während der sichtbaren Sonnenbewegung, z. B. bei Sonnenöfen, erforderlich ist.

Aus der DE-OS 29 43 944 ist die Anordnung eines Heliostaten auf einer Stütz- und Drehvorrichtung mit zwei zueinander rechtwinkligen Achsen bekannt. Auch hier sind zur Verfolgung der Sonnenbewegung zwei Antriebe erforderlich und es gilt Ähnliches wie vorstehend gesagt. Bei einer Nachführung durch Einzelantriebe getrennt nach Azimut- und Elevationswinkel, d. h. nach dem klassischen Azimut-Zenit-Schema, bei dem die Geschwindigkeiten der beiden Antriebe über die Zeit veränder­ lich sind, müssen die Flächen der Reflektorspiegel des Helio­ staten zur sicheren Beaufschlagung des Empfängers größer sein als minimal unumgänglich.

Aus der US 40 63 543 ist eine Sonnenenergieanlage mit Zugstangen und Teleskopstangen zur Bewirkung der Nachführbe­ wegung bekannt, wobei Teleskopantriebe mit dem Reflektor mittels Gelenkstangen kinematisch verbunden sind. Dabei geschieht die Nachführbewegung durch Änderung der Länge von Kolbenstangen, die in völlig andersartiger Ausbildung des Nachführantriebs beaufschlagt werden vom Druck zweier Sensoren, die über einen kleinen Hilfsspiegel dann vom Sonnen­ licht beaufschlagt werden, wenn der Hauptspiegel seine richtige Ausrichtung zur Reflexion zum Hauptziel hin verloren hat. Auf diese Weise geschieht die Nachführung in Einzelschritten, was dynamische Überlastungen der Konstruktion des Heliostaten und eine Verringerung der Genauigkeit der Nachführung zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heliostaten für Sonnenenergieanlagen zu entwickeln, bei dem das kinematische Schema der Vorrichtung zur Verfolgung der sichtbaren Sonnen­ bewegung eine höhere Genauigkeit der Nachlaufsteuerung ergibt, wobei eine minimale Fläche der reflektierenden Spiegeloberfläche des Heliostaten die Beleuchtung des Sonnenstrahlungsempfängers während der ganzen Betriebszeit gewährleistet und der Ein­ fluß der astronomischen Refraktion der Sonnenstrahlen berück­ sichtigt wird.

Ausgehend von einer Sonnenenergieanlage der vorausgesetzten Bauart wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung geschieht die Nachführung durch Drehung nur einer Antriebswelle mit konstanter Winkel­ geschwindigkeit, wobei diese mit dem Heliostaten kinematisch verbunden ist über eine feste Zugstange und eine Teleskopstange, deren Länge während eines Sonnentages nicht geändert wird. Die Länge dieser Teleskopstange braucht nur einmal in der Saison geändert zu werden und die Länge der festen Zugstange sowie der Abstand zwischen ihrer Anlenkstelle an der getriebenen Welle sowie dem Schnittpunkt der Hauptwelle mit der zusätz­ lichen Querwelle der Stütz- und Drehvorrichtung wird nur geändert bei der Umrüstung der Anlage auf das Winterhalbjahr zur Berücksichtigung der Refraktion.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung ist, daß die Hauptwelle in Verlängerung der reflektierten Sonnenstrahlung ausgerichtet ist. Diese Raumlage der Hauptwelle erlaubt es, den Strahlungs­ empfänger während des gesamten Sonnentages mit einem Helio­ statspiegel minimaler Fläche zu beaufschlagen. Dies wiederum ermöglicht eine Verringerung der Gesamtspiegelfläche, die zur Beleuchtung des Sonnenstrahlungsempfängers während der ganzen Tagesbetriebszeit der Sonnenenergieanlage erforderlich ist, wobei die Anzahl der für die Erzeugung einer vorgegebenen Wärmeleistung erforderlichen Einzelheliostaten verringert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Sonnenenergieanlage;

Fig. 2 das kinematische Schema der Brechungskorrekturein­ richtung;

Fig. 3 eine axonometrische Darstellung der Sonnenenergieanlage.

Die Sonnenenergieanlage hat einen Sonnenstrahlungsempfänger (Konzentrator) 1 und einen Heliostaten 2 auf einer Stütz- und Drehvorrichtung, die aus zwei zueinander rechtwinklig angeordneten Wellen 4 und 5 besteht. Die Hauptwelle 4 fällt mit der Linie 6 zusammen, welche die geometrischen Mittelpunkte des Strahlungsempfängers 1 und des Heliostaten 2 verbindet, und die andere zusätzliche Welle 5 verläuft rechtwinklig zur Hauptwelle 4.

Die Vorrichtung zur Verfolgung der sichtbaren Sonnenbewegung besteht aus einer Antriebswelle 7 sowie aus einer festen Zugstange 8 und einer an dieser angelenkten Zugstange (Teleskopstange) 9. Ein Ende der festen Zugstange 8 ist im Schnittpunkt A der Achse der Hauptwelle 4 und der Achse der Antriebswelle 7 mit einer getriebenen Welle 14 gekuppelt, die gleichachsig mit der Hauptwelle 4 der Stütz- und Drehvorrichtung ange­ ordnet ist. Das andere Ende der festen Zugstange 8 ist mit dem Heliostaten 2 mit Hilfe von Gleitschuhen 10 gekuppelt, die mit Führungsschienen 11 zusammenwirken, welche am Heliostaten 2 befestigt sind.

Die Antriebswelle 7 bewirkt eine synchrone Drehung mit der sichtbaren Sonnenbewegung. Die Länge L der festen Zugstange 8 ist einstellbar. Die Teleskopstange 9 ist an der Antriebs­ welle 7 angelenkt und mit der festen Zugstange 8 über ein schwenkbares Gelenk 15 verbunden.

Die Brechungskorrektureinrichtung 13 (Fig. 2) besteht aus einem Gelenk 16, das die Verbindung der festen Zugstange 8 mit der getriebenen Welle 14 bewirkt und längs der getriebenen Welle 14 verschoben werden kann. Außerdem gehören zur Ein­ richtung 13 eine Vorrichtung 17 zur Verschiebung des Gelenks 16 und eine Teleskopzugstange 18, welche die Einstellung der Länge der festen Zugstange 8 ermöglicht.

Die Antriebswelle 7 (Fig. 3) der Vorrichtung zur Verfolgung der sichtbaren Sonnenbewegung ist in bezug auf die Erdoberfläche unter einem Winkel ϕ eingebaut, welcher der geografischen Breite des Aufstellungsortes des Heliostaten 2 entspricht. Die feste Zugstange 8 und die Linie AB bilden einen spitzen Winkel, dessen Spitze im Punkt A liegt. Die Normale zur Oberfläche des Heliostaten 2 ist die Halbierende dieses spitzen Winkels.

Der Betrieb der betrachteten Sonnenenergieanlage verläuft wie folgt:

Zu Beginn des Arbeitstages wird die feste Zugstange 8 durch Änderung der Länge der Teleskopstange 9 auf die Tagesdeklination der Sonne eingestellt. Dabei ist die feste Zugstange 8 zur Sonne gerichtet. Die Antriebswelle 7 beginnt, sich mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit von ω = 15°/Stunde zu drehen.

Die feste Zugstange 8 vollführt eine von der Antriebswelle 7 ausgehende Drehbewegung, wobei die Gleitschuhe 10 längs der Führungsschienen 11 verschoben werden. Die Verschiebung der Gleitschuhe 10 bewirkt die Drehung des Heliostaten 2 in bezug auf die Achsen der Wellen 4 und 5 der Stütz- und Drehvorrichtung. Infolgedessen führt der Heliostat 2 in bezug auf den Punkt B (Rotationszentrum) eine komplizierte Bewegung aus, während die Normale zur Oberfläche des Heliostaten 2 immer die Halbierende des spitzen Winkels bleibt, der von der die geo­ metrischen Mittelpunkte des Strahlungsempfängers 1 und des Heliostaten 2 verbindenden Linie AB und von der festen Zugstange 8 gebildet ist.

Folglich bleiben die vom Spiegel des Heliostaten 2 reflek­ tierten Sonnenstrahlen in der durch den Mittelpunkt der Sonnen­ scheibe und die Linie 6 gelegten Ebene und sind längs der Linie 6 gerichtet.

In den Tagen und Stunden des Betriebs der Sonnenenergieanlage, in denen die Sonnenhöhe weniger als 30° beträgt, übt die Refraktion einen bemerkbaren Einfluß auf die Genauigkeit der Folgeregelung aus. Zur Berücksichtigung der Refraktion ist die Brechungskorrektureinrichtung 13 vorgesehen, welche die Einführung einer Korrekturgröße in die Verfolgung der Sonnenbewegung ermöglicht. Zu diesem Zweck dreht man die Kurbel der Verschiebevorrichtung 17, so daß das Gelenk 16 längs der Linie 6 verschoben wird. Gleichzeitig wird die Länge L der festen Zugstange 8 mit Hilfe der Teleskopzugstange 18 so eingestellt, daß sie gleich dem Abstand S zwischen den Gelenkpunkten A und B bleibt. So wird der Winkel zwischen der früheren Lage der festen Zugstange 8 und ihrer neuen Lage gleich der maximalen Refraktionsgröße am betreffenden Tage eingestellt.

Die Drehbewegung der Antriebswelle 7 wird über die Teleskop­ stange 9 und das schwenkbare Gelenk 15 auf die feste Zugstange 8 übertragen, die zusammen mit der getriebenen Welle 14 rotiert. Dies führt, wie oben beschrieben, zu der komplizierten Bewegung der Reflexionsfläche des Heliostaten 2 in bezug auf das Ro­ tationszentrum im Punkt B.

Durch die Anwendung der getriebenen Welle 14 in der Vorrichtung zur Verfolgung der sichtbaren Sonnenbewegung und durch die Verbindung dieser Welle 14 mit der festen Zugstange 8 sowie durch Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle 7 auf die feste Zugstange 8 über die Teleskopstange 9 ergibt sich eine hohe Steifheit der Konstruktion. Zusammen mit der Berück­ sichtigung der Sonnenstrahlenrefraktion wird so eine höhere Genauigkeit der Folgeregelung erzielt.

Die Drehbewegung der Reflexionsfläche des Heliostaten 2 in bezug auf den Schnittpunkt der Wellen 4 und 5 der Stütz- und Drehvorrichtung gewährleistet die Koinzidenz der Reflexions­ fläche mit der großen Halbachse einer Ellipse, die durch die Projektion des Empfängers 1 auf die Ebene des Heliostaten 2 bei Beginn oder am Ende des Arbeitstages gebildet wird. Dadurch wird es möglich, den Strahlungsempfänger 1 während der Betriebstageszeit der Sonnenenergieanlage mit minimaler Spiegelfläche des Heliostaten 2 zu beleuchten. Dies ist ins­ besondere bei Sonnenenergieanlage für Hochtemperatur-Sonnen­ öfen oder bei Turmanlagen von Interesse.

Claims (1)

1. Sonnenenergieanlage mit einem Sonnenstrahlungsempfänger (1) und einem auf einer Stütz- und Drehvorrichtung montierten Heliostaten (2) mit einer Vorrichtung zur Verfolgung der Sonnenbewegung, deren Antriebswelle (7) in bezug auf die Erdoberfläche unter einem Winkel ϕ gleich der geografischen Breite des Aufstellungsortes der Sonnenenergieanlage angeordnet und mittels Gleitschuhen (10) sowie eines Systems von Zugstangen (8, 9) mit dem Heliostaten (2) kinematisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
   daß die Stütz- und Drehvorrichtung eine Hauptwelle (4) und eine rechtwinklig zu dieser verlaufende zusätzliche Welle (5) aufweist,
   und daß die Vorrichtung zur Verfolgung der Sonnenbewegung eine getriebene Welle (14) aufweist, die koaxial zur Hauptwelle (4) der Stütz- und Drehvorrichtung im Schnittpunkt (A) der Achsen der Hauptwelle (4) und der einzigen Antriebswelle (7) verschiebbar längs der Achse der Hauptwelle (4) eingebaut ist, wobei die feste Zugstange (8) an der getriebenen Welle (14) im Schnittpunkt (A) angelenkt ist und längeneinstellbar ausgebildet ist,
   und daß das geometrische Zentrum des Spiegels des Heliostaten (2) und dessen Drehzentrum im Schnittpunkt (B) der Hauptwelle (4) und der zusätzlichen Welle (5) der Stütz- und Drehvor­ richtung vereinigt sind.