DE3633172A1

DE3633172A1 - Verfahren zur nutzung von sonnenenergie und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3633172A1
Application number: DE19863633172
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Dipl Ing Bruegmann; Johannes Dipl Ing Friedlin
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: Friedlin Johannes Dipl-Ing 8037 Olching De B
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3633172C2; ES2008231A6

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Sonnen energie mittels einer solarthermischen Anlage, bestehend aus konzentrierenden Kollektoren und einem Energiewandlersystem.

Derartige Anlagen sind in verschiedenen Ausführungsformen be kannt. Diesen ist gemeinsam, daß sie zur Erzeugung von Tempe raturen bis ca. 450°C aus Sonnenenergie genutzt werden, wobei der direkte Strahlungsanteil von konzentrierenden Reflektoren auf Absorber gelenkt wird, die die Strahlungs energie in Wärmeenergie umwandeln. Die Wärmeenergie wird hier bei von einem durch den Absorber fließenden Wärmeträgermedium zum Energiewandler abtransportiert. Reflektor und Absorber sind geometrisch fest zueinander angeordnet und bilden eine Einheit, den Kollektor. Der Kollektor wird dem Sonnenverlauf über eine Stellvorrichtung nachgeführt, so daß die auf den Kollektor treffenden Sonnenstrahlen stets am Absorber konzen triert werden.

Die Kollektorfelder bekannter Bauart weisen vielfältige Nach teile auf. Wesentlich hierbei ist, daß diese Solarsysteme bisher hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit mit konventionel len, nicht regenerativen Energieerzeugern nicht konkurrenzfä hig sind. Ein sehr großer Kostenblock entsteht durch die Nachführsysteme, die es bei einachsigen und zweiachsigen Ausführungen gibt. Die zweiachsig der Sonne nachgeführte Va riante, die selbstverständlich den größten Wirkungsgrad hat, zeigte, daß der Nutzen/Kosteneffekt sehr gering ist, benö tigt doch jede Kollektoreinheit in einem Feld mit einer sehr großen Anzahl von Kollektoren zwei Antriebe mit vielen Ver schleißteilen wie Motor, Getriebe, Lagerungen sowie eine empfindliche Meß- und Regelelektronik für das Nachführsy stem. Dies macht den Kollektor und somit die Anlage teuer sowohl hinsichtlich der Anschaffungskosten wie auch der Nachfolgekosten, Ersatzteile und Wartung betreffend und resultiert auch in einer niedrigen Verfügbarkeit und Be triebssicherheit sowie in einem hohen Personalbedarf für die Wartung der Anlage.

Da außerdem jeder Kollektor einzeln geregelt und gesteuert sowie intermittierend der Sonne nachgeführt wird (hohe Einschaltströme), ergibt sich auch ein sehr hoher parasitä rer Eigenenergiebedarf.

Der erste Schritt in Richtung auf eine größere Wirtschaftlich keit wurde getan, als man von der zweiachsigen Kollektornach führung auf eine einachsige, jetzt in praxi noch gebräuchliche überging, und zwar unter bewußtem Verzicht auf die optimale Ausnutzung der eingestrahlten Energie, bezogen auf den jeweiligen Sonnenstand. Diese Maßnahme ergab zwar eine spürbare Redu zierung der hohen Anschaffungs-, Wartungs- und Ersatzteil kosten, jedoch blieb auch bei der abgespeckten Ausführung der Kostenblock noch beträchtlich hoch. Zudem ist der Flächennutzungsfaktor (Kollektorfläche/bebauter Landfläche) sehr niedrig, da zur Vermeidung von Abschattung die Kollek toren in Abständen montiert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine solarthermische Anlage zu schaffen, die bei hoher Ver fügbarkeit relativ geringe Anschaffungs-, Wartungs- und Er satzteilkosten verursacht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der direkte Strahlungsanteil der Sonne über konzentrierende Reflektoren auf Absorber gelenkt und das gesamte, fest installierte Kollektorfeld der Sonne azimuthal nachgeführt wird und daß das Kollektorfeld fest auf einem schwimm fähigen Ponton montiert ist, der in einem mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser oder mit Druckluft gefüllten gegen den Ponton abgedichteten Becken drehbar gelagert ist und daß die Kollektoren auf dem Ponton derart angeordnet sind, daß die Sonnenstrahlen jeweils parallel zu den Absorbern auf die Reflektoren treffen. Solcherart enthält das Kollektorfeld nicht mehr eine Vielzahl von Motoren, Getrieben, Lagerungen, Nachführsystemen, Drehdurchführungen und elektri schen Verkabelungen und ist somit bis auf eine zentral ange ordnete Drehdurchführung frei von beweglichen Verschleißtei len.

Durch die Reduzierung der beweglichen Verschleißteile steigen die Betriebssicherheit, die Verfügbarkeit und somit die Wirt schaftlichkeit in erheblichem Maße.

Da der Ponton und mit ihm das gesamte Kollektorfeld nur noch von einem bis wenigen Motoren angetrieben ist und kontinuier lich dreht, d. h. entweder umläuft oder sich in Halbkreisen mit Richtungswechsel bewegt, wobei nur die geringe Wasser oder Luftreibung überwunden werden muß, ist der parasitäre Energieverbrauch minimal.

Da alle Kollektoren direkt nebeneinander montiert werden können, ist der Flächennutzungsfaktor optimal. Dies be deutet eine drastische Reduzierung der Materialintensität von Fundamenten, Verrohrungen u. ä.

Die Lagerung des Pontons auf Wasser oder Luft hat ferner den Vorteil - und dies ist wesentliches erfinderisches Merkmal - daß gegenüber konventionellen Lagerungen, z. B. über Kugeln oder Rollen die Kosten minimiert sind und Ersatzteile und Wartung entfallen. Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß neben Wasser und Luft auch eine elektromagnetische Lagerung für den Ponton denkbar ist.

Da die Kollektorfeldverrohrung ohne druckbegrenzte Drehdurch führungen an den einzelnen Kollektoren ausgeführt ist, ist auch der Betrieb mit anderen Wärmeträgermedien als Öl, z. B. mit Wasser oder Luft möglich.

Ein erheblicher Vorteil bei der Anlage nach der Erfindung ist es, daß wesentliche Teile, wie Fundamente, Wasserbecken, Pon ton und Reflektortragkonstruktionen vom Betreiber selbst er stellt werden können, wodurch eine weitere Senkung der Anlage herstellkosten erzielt werden kann.

Für die Drehbarkeit des Pontons mit optimaler Flächennutzung in dem mit einer Flüssigkeit gefüllten Becken ist es wesentliche Voraussetzung, daß beide Elemente eine derartige geometrische Konfiguration aufweisen, daß sie entweder kreisrund oder als Polygon ausgebildet sind.

Der Ponton kann von am Beckenrand angeordneten Motoren, z. B. über einen Zahnstangen-/Zahnritzeltrieb oder über ein Reibrad getriebe in Drehbewegung versetzt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen Beckenrand und Ponton Stützrollen angeordnet. Solcherart soll eine direkte Berührung von Becken und Ponton vermieden und Seitenkräfte abgefangen werden.

Nach einer Variante der Erfindung wird der Ponton von einem oder mehreren auf der zentralen Plattform des Beckens angeordneten Motoren angetrieben. Dies gestattet einen lage fixierten, einfachen Antrieb, bei dem z. B. als Antriebsmo tor ein hydraulischer Radialkolbenmotor eingesetzt ist, der den Vorteil aufweist, daß er auch beim Anfahren gleich ein hohes Drehmoment aufbaut, um die hohen Massenmomente des Pontons sofort beschleunigen oder abbremsen zu können.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Ring spalt zwischen Becken und Ponton bei dem tragenden Medium Wasser mit Öl bedeckt. Durch diese Maßnahme wird, da Öl leichter ist als Wasser, eine Dichtwirkung erzielt und das Verdunsten des Wassers vermieden. Wird als tragendes Medium Luft eingesetzt, so wird der Ringspalt zwischen Becken und Ponton mit einer Dichtung, z. B. einer Faltenbalgmanschet te versehen. Außerdem wird am Becken ein Kompressor angeord net, der Druck- und Volumenverluste im Becken ausgleicht.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Energiewandler, z. B. ein Kraftwerk, eine Entsalzungsanlage, ein Dampferzeuger o. ä. außerhalb des Beckens angeordnet. Dabei ist das Kollek torfeld über Rohrleitungen, die durch die in der Mitte des Pontons angeordnete Drehdurchführung und einen nach außen füh renden Kanal verlaufen, mit dem Kraftwerk verbunden. Der Kanal dient ferner als Zugang zur Pontonmitte und den dort angebrach ten Elementen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiewandler direkt auf dem Ponton, vorzugsweise in dessen Mitte angeordnet, so daß eine Drehdurchführung für das Wärme trägermedium und lange Rohrleitungswege vermieden werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Becken an seinen Rändern schräg angestellte Windschutzschürzen auf. Solcherart soll es vermieden werden, daß unter Windlast, vor allem bei Sturm, das Kollektorfeld die Windkräfte aufnimmt und den Ponton in eine Schräglage drückt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den An sprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die solarthermische Anlage

Fig. 2 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab durch die solarthermische Anlage

Fig. 3 eine Perspektivzeichnung der solarthermischen Anlage

Fig. 1 zeigt ein in Modulen aufgeteiltes Kollektorfeld (2), das starr auf einem schwimmfähigen Ponton (3) in zueinander paralle len Reihen angeordnet ist, wobei ein Kollektor (1) im wesentli chen eine Tragkonstruktion (14), einen Reflektor (7) und einen Absorber (5) umfaßt. Der Ponton (3) ist in einem Becken (4) auf Wasser gelagert. Er ist vom Beckenrand durch einen Ringspalt (8) getrennt, der mit einem Ölfilm bedeckt ist, um ein Verdunsten des Wassers zu vermeiden. Der Ponton (3) wird von am Beckenrand angebrachten Motoren (9) angetrieben und zwar derart, daß der Ponton (3) mit seinem Kollektorfeld (2) immer azimuthal der Son ne nachgeführt wird. Dies geschieht mittels eines Nachführsy stems, das die Drehgeschwindigkeit der Motore (9) regelt. Zwi schen der Peripherie des Pontons und dem Beckenrand sind Stütz rollen (10) angeordnet, die die Seitenkräfte, z. B. bei Sturm, aufnehmen könnnen. Das Kollektorfeld (2) ist über Rohr leitungen, die mit einer im Zentrum des Pontons angeordneten Drehdurchführung (11) verbunden sind und durch den Kanal (13) führen, mit dem Energiewandler (12) verbunden.

Bezugszeichenliste 1 Kollektor
2 Kollektorfeld
3 Ponton
4 Becken
5 Absorber
6 Plattform
7 Reflektor
8 Ringspalt
9 Motor
10 Stützrolle
11 Verteiler/Sammler (Drehdurchführung)
12 Energiewandler (Kraftwerk)
13 Kanal
14 Tragkonstruktion

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von Sonnenenergie mittels einer solarthermischen Anlage, bestehend aus konzentrieren den Kollektoren und einem Energiewandler, dadurch gekenn zeichnet, daß der direkte Strahlungsanteil der Sonne über konzentrierende Reflektoren auf Absorber gelenkt und das gesamte auf einem Ponton fest installierte Kollektorfeld der Sonne azimuthal nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Absorber ein Wärmeträgermedium geleitet wird, das von den Absorbern erwärmt wird und die aufgenommene Energie abtransportiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das kalte Wärmeträgermedium über einen zentralen Verteiler dem Kollektorfeld zugeführt und das warme Medium über einen zentralen Sammler abgeführt wird, wobei Verteiler und Sammler vorzugsweise in einer Einheit baulich zusammengefaßt sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kollektorfeld mit Hilfe eines Antriebs systems durch Drehen des Pontons der Sonne nachgeführt wird.

5. Solarthermische Anlage zur Nutzung von Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorfeld (2) fest auf einem schwimmfähigen Ponton (3) montiert ist, der in einem mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, oder mit Druck luft gefüllten, gegen den Ponton abgedichteten Becken (4) drehbar gelagert ist und daß die Kollektoren (1) auf dem Ponton (3) derart angeordnet sind, daß das einfallende direkte Sonnenlicht von Reflektoren (7) reflektiert und in einem Strahlungsempfänger, dem Absorber (5), konzentriert wird.

6. Solarthermische Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Ponton (3) und/oder Becken (4) kreisrund und/oder polygon ausgebildet sind und zwischen Ponton (3) und Becken (4) sich ein Ringspalt (8) befindet.

7. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, da durch gekennzeichnet, daß der Ponton (3) mittels eines oder mehrerer am Beckenrand angeordneter Motoren (9) antreibbar ist.

8. Solarthermische Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als Antriebseinrichtung für den Ponton (3) ein Zahnstangen/Zahnritzel-Getriebe oder ein Reib radgetriebe vorgesehen ist.

9. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 7 und 8, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Ponton (3) und Becken (4) Stützrollen (10) angeordnet sind.

10. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, da durch gekennzeichnet, daß der Ponton (3) über einen oder mehrere auf einer zentralen Plattform (6) angeordnete Motoren antreibbar ist.

11. Solarthermische Anlage nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß für den Antrieb ein oder mehrere hydraulische Radialkolbenmotore vorgesehen sind.

12. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (8) zwischen Becken (4) und Ponton (3) beim tragenden Medium Wasser zur Vermeidung von Verdunstung mit einem Dichtmedium, z. B. Öl bedeckt ist.

13. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring spalt (8) zwischen Becken (4) und Ponton (3) beim tragen den Medium Luft eine Dichtung, z. B. eine Faltenbalgman schette aufweist und etwaige Druck- und Volumenverluste durch Druckluftzufuhr mittels eines mit dem Becken wahl weise verbindbaren Kompressors ausgleichbar sind.

14. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur weite ren Nutzung des Energieinhaltes des Wärmeträgermedi ums ein Energiewandler (12), z. B. ein Kraftwerk außerhalb des Beckens (4) angeordnet ist oder daß der Energie wandler oder Teile des Energiewandlers auf dem Ponton (3), vorzugsweise in der Mitte, angeordnet sind.

15. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des Wärmeträgermediums zwischen Kollektorfeld (2) und dem feststehenden Teil der Anlage über eine in der Mitte des Pontons (3) angeordnete Verteiler- Sammlereinheit (11), z. B. eine Drehdurchführung, flexible Schlauchverbindungen oder einen Wärmetauscher mit einem gegenüber dem Sekundärkreislauf drehbaren Primärkreis lauf erfolgt.

16. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorfeld (2) in Module unterteilt ist.

17. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Becken rand und/oder der Ponton (3) an seinen Rändern vorzugs weise schräg angestellte Windschutzschürzen aufweist.

18. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende direkte Sonnenlicht über Linsen konzentriert wird.

19. Solarthermische Anlage nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Behältnis für einen schwimmend gelagerten Ponton ein natürliches oder künstlich angelegtes Gewässer, z. B. ein Teich, ein See o. ä. verwendet wird.