DE3644450C2 - Vorrichtung zum Ausrichten strahlungsempfindlicher Flächen auf stellare Strahlungsquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten von strahlungsempfindlichen Flächen auf stellare Strahlungs­ quellen, z. B. von Parabolspiegeln auf die Sonne, um durch senkrecht auf diese Flächen einfallende Strahlung eine optimale Strahlungsenergie-Nutzung zu erzielen.

Es ist bekannt, strahlungsempfindliche Flächen zu diesem Zweck auf säulenartigen Tragwerken zu befestigen und das Ausrichten auf die stellare Strahlungsquelle durch Ver­ drehen der strahlungsempfindlichen Flächen um eine oder zwei unabhängige Achsen vorzunehmen. Nachteilig ist hierbei, daß die Windlast ungünstig auf das säulenartige Tragwerk wirkt, so daß dieses außerordentlich fest gebaut und auf­ wendig fundamentiert werden muß. Noch kritischer ist die Tatsache, daß die Gewichts- und Windlasten durch die Getriebe zum Ausrichten der strahlungsempfindlichen Flächen hindurchgehen, so daß diese außerordentlich stark dimensioniert werden müssen, was unter Einhaltung der not­ wendigen Präzision und Spielfreiheit hohe Kosten verursacht.

Es sind auch schon Tragwerke in Fachwerk-Bauweise ausgeführt worden. Diese haben neben dem Vorteil, leichter zu sein, bislang die Nachteile, komplex gebaut und damit teuer zu sein und je nach Breitengrad ihres Aufstellungsorts eine unterschiedliche Fundamentierung und eine veränderte Funktion der Antriebseinheiten erforderlich zu machen (siehe z. B.: "Parabolic Dish Concentrator, Design and Concepts, December 1980, Jet Propulsion Laboratory CIT, Passadena, California, USA").

Es ist auch schon eine Sonnennachführung skizziert worden, die auf einem Tetraeder-Fachwerk basiert, und zwar in F. Franc, V. Jirka, M. Maly and B. Nabelek: Concentrating collectors with flat linear fresnel Lenses. In: Solar & Wind Technology, Vol. 3. No. 2, 1986, S. 77-84.

Es wird dort vorgeschlagen, die strahlungsempfindlichen Flächen zum Ausrichten auf die Sonne um einen Tetraeder­ stab rotieren zu lassen, welcher parallel zur Erdachse verläuft. Entsprechend der Skizze müßten aber für Auf­ stellungsorte an unterschiedlichen Breitengraden verschieden dimensionierte Tetraeder-Fachwerke gebaut werden, um den unterschiedlichen Winkeln zwischen Erdachse und Erdober­ fläche zu entsprechen. Die Mechanik der Drehbewegung ist in der Skizze nicht gelöst.

Werden strahlungsempfindliche Flächen zur Energiegewinnung auf die Sonne ausgerichtet, so ist der Energieverbrauch zum Ausrichten von Nachteil, da er die Energieausbeute schmälert. Nach einem Vorschlag (US 4 328 411) werden 4 Solarzellenpaneele so verschaltet, daß bei Abweichung der Sonneneinstrahlung selbsttätig eine elektromagnetische Kraft entsteht, welche ohne zusätzlichen Energieverbrauch die strahlungsempfindli­ chen Flächen wieder in die gewünschte Lage zur Sonneneinstrah­ lung bringt. Die Erfindung benötigt allerdings zu ihrer Realisierung sehr große und aufwendige Ringmagnete sowie ein durch Windrotoren angetriebenes, aktives und aufwendiges Bremssystem, um Windlasten abzufangen.

Um das Problem der notwendigen Überdimensionierung infolge von Windlasten zu umgehen, wurde auch schon vorgeschlagen, die komplette Vorrichtung zum Ausrichten strahlungsempfindlicher Flächen innerhalb eines transparenten Doms unterzubringen, siehe z. B. Vorrichtungen der Fa. "Bomin Solar, Leichtbau-Sonnenkraftwerk, 7850 Lörrach". Hierbei entsteht jedoch der Nachteil, daß der Zusatzaufwand eines Doms anfällt, der überdies einen Teil der zu empfangen­ den Strahlung zurückhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausrichten strahlungsempfindlicher Flächen auf stellare Strahlungsquellen ohne die geschilderten Nachteile zu ermög­ lichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Tragwerk ein Tetraeder-Fachwerk dient, bei dem zwei einan­ der gegenüberliegende Stäbe P und H einen rechten Winkel miteinander bilden, wobei das Tetraeder-Fachwerk so am Boden aufgestellt wird, daß der Tetraederstab H horizontal zur Erdoberfläche in Ost-West-Richtung weist, und der dazu senkrechte, gegenüberliegende Tetraederstab P durch Drehung des gesamten Tetraeder-Fachwerks um den Tetraederstab H in eine parallel zur Erdachse verlaufende und fixierbare Lage gebracht wird, wobei dieser Tetraederstab H als "Stundenachse" für die auf ihm zu befestigenden strahlungsempfindlichen Flächen dient. Die Ausrichtung der Stundenachse parallel zur Erdachse kann in vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung erzielt werden durch Aufstellung des Tetraeder-Fachwerks an einer Geländeböschung mit Neigung nach Nord oder Süd oder durch Anbringen eines weiteren Stabs oder Seils an einem Ende des Tetraederstabs P, wobei der weitere Stab oder das Seil so lang sind, daß nach Drehung des Tetraeder-Fachwerks um den Tetraederstab H und nach Befestigung des weiteren Stabs oder Seils am Boden die Stundenachse des Tetraederstabs P in die gewünschte Lage gebracht ist.

Beim Einsatz in polaren Regionen ist es auch möglich, die Enden des von Ost nach West laufenden Tetraederstabs H kollektiv erhöht an zwei Pfosten zu befestigen und das Tetraeder-Fachwerk mit einem Ende des Tetraederstabs P am Boden aufliegen zu lassen.

Durch das geschilderte Ausrichten läßt sich auf allen Breitengraden dasselbe unveränderte Tetraeder-Fachwerk einsetzen, die Bewegung der strahlungsempfindlichen Flächen um die Stundenachse ist auf allen Breitengraden identisch und entspricht der Erdrotation.

Das sich hinter der Stundenachse öffnende Tetraeder-Fach­ werk gewährt große Bewegungsfreiheit für das Ausrichten der strahlungsempfindlichen Flächen und erlaubt das An­ bringen eines Ausgleichsgewichts.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß auf einer über den Tetraederstab P geschobenen und drehbar gelagerten Röhre die auszurichtenden strahlungsempfindlichen Flächen montiert werden, wobei diese Röhre durch eine auf ihrem Ende befestigte Scheibe gedreht wird, und die Scheibe ihrerseits von zwei auf ihr abwickelnden Seilen bewegt wird, die symmetrisch über Umlenkrollen entlang zweier Nachbarstäbe weglaufen. Das eine Seil wird durch eine entlang einem Tetraederstab verlaufende gespannte Feder, das andere durch eine Seilwinde bewegt. Durch Vor- und Rücklauf dieser einen Seilwinde lassen sich somit die strahlungsempfindlichen Flächen um den Tetraederstab P und damit um die Stundenachse drehen. Getrie­ bespiel macht sich nicht bemerkbar, da beide Seile durch den Federzug immer gespannt sind, und ein ggf. bestehendes Getriebe­ spiel immer auf derselben Seite anliegt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in das von der Seilwinde kommende Seil ein mechanischer Seil­ kraftbegrenzer eingebaut. Dieser gibt ab einer bestimmten Kraft Seillänge frei. Nachdem im anderen Seil ohnehin nach Überschreiten der Feder-Vorspannkraft sich die Feder verlängert und Seillänge freigibt, ist in beiden Drehrichtungen der Stundenachse Kraftbegrenzung erzielt, was Überlastung infol­ ge Windlast von den Verdreheinrichtungen fernhält. Indem das Tetraeder-Fachwerk erfindungsgemäß unverändert an allen Breitengraden durch entsprechende Drehung als Ganzes um den Tetraederstab H mit unveränderter Antriebsanordnung eingesetzt wird, ist die beschriebene Windlastbegrenzung an allen Breitengraden gleichartig wirksam.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß auf dem Tetraederstab P eine senkrecht zu ihm verlaufende weitere Achse befestigt ist, um welche die strahlungsempfind­ lichen Flächen drehbar angeordnet sind. Diese zweite Achse, die "Monatsachse", ist notwendig, wenn auf die Sonne ausgerichtet wird, und dabei nicht nur der Erdrotation ent­ sprochen werden soll, sondern auch noch dem jahreszeitlich veränderten Sonnenstand. Eine Drehbewegung um diese Achse ist erzielbar durch eine weitere, auf dem Tetraederstab P be­ festigte Seilwinde, wobei ebenfalls ein Seilkraftbegrenzer in das Windenseil einbaubar ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bei ihrer Anwendung zum Ausrichten strahlungsempfindlicher Flächen auf die Sonne besteht darin, die Ausrichtung durch elektromotorisch betrie­ bene Seilwinden vorzunehmen, wobei die hierzu erforderliche Spannung die elektronisch verstärkte Spannungsdifferenz von zwei im Winkel zueinander angeordneten Fotozellen oder von zwei z. B. in einem bestehenden Brennpunkt angeord­ neten Thermoelementen ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können auf der nicht abgeschatteten Spitze des Tetraeder-Fachwerks Solarzellen befestigt werden, mit welchen die Energieversor­ gung der Anlage erfolgt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen anhand der Figuren beschrieben.

In Fig. 1 ist eine Ausführung der Vorrichtung für den Aufstellungsort "mittlerer Breitengrad" dargestellt. Das Tetraeder- Fachwerk, bei dem zwei einander gegenüberliegende Tetraeder­ stäbe P und H einen rechten Winkel zueinander bilden, besteht aus weiteren Tetraederstäben 2 und ist so ausgerichtet, daß der Tetraederstab P in die parallel zur Erdachse verlaufende Stundenachse 9 fällt, und der Tetraederstab H in Ost-West- Richtung weist, indem er in Ost-West-Richtung am Boden auf­ liegt, wobei an einem Ende des Tetraederstabs P ein Stab 16 befestigt ist, welcher mit entsprechender Länge zum Boden ver­ läuft, wo er verankert ist.

Über den als Stundenachse 9 dienenden Tetraederstab P ist eine drehbar gelagerte Röhre 14 geschoben, auf welcher die strahlungsempfindlichen Flächen 1 befestigt sind, und zwar zusätzlich drehbar um die Monatsachse 11. Die Drehbewegung um die Stundenachse 9 wird in der einen Richtung durch ein Seil 5 erzeugt, welches auf einer Antriebsscheibe 8 ab­ wickelt, über Umlenkrollen 7 entlang Tetraeder­ stäben 2 geführt wird und über einen Seilkraftbegrenzer 6 zur Seilwinde 3 verläuft. Die Drehbewegung in die andere Richtung wird durch ein ebenfalls auf der Antriebs­ scheibe abwickelndes Seil 5 erzeugt, welches über Umlenkrollen 7 entlang Tetraederstäben 2 zu einer vorgespannten Schrau­ benfeder 4 läuft. Zur Entlastung dieses Antriebs um die Stundenachse 9 ist auf der den strahlungsempfindlichen Flächen 1 gegenüberliegenden Seite des Tetraederstabs P ein Ausgleichsgewicht 10 befestigt, z. B. eine Batterie.

Die Drehbewegung um die Monatsachse 11 wird in der einen Richtung durch ein Seil 5 erzeugt, wel­ ches an den strahlungsempfindlichen Flächen 1 befestigt ist und entlang der Röhre 14 über einen Seilkraftbe­ grenzer 6 zu einer weiteren Seilwinde 3 verläuft, und in der anderen Richtung durch das exzentrisch zur Monatsachse 11 wirkende Eigengewicht der strahlungsempfindlichen Flächen 1.

Die Steuerung der Ausricht-Bewegungen erfolgt über Fotozellen 12, welche im Winkel zueinander auf den strahlungsempfindlichen Flächen 1 um deren Flächennormale 15 herum angeordnet sind, wobei die verstärkte Spannungsdifferenz der Fotozellen die Betriebsspannung der vor- und zurücklaufen­ den Seilwinde 3 ist. Die Energieversorgung erfolgt über ein Solarzellenpaneel 13, welches auf der Spitze des Tetraeder- Fachwerks befestigt ist.

In Fig. 2 ist die Ausrichtung der Vorrichtung am Aufstellungsort "Äquator" dargestellt. Der Tetraederstab H läuft horizontal am Boden in Ost-West-Richtung entlang dem Äquator, der Tetraederstab P ist in die parallel zur Erd­ achse verlaufende Lage ausgerichtet worden, indem zwei Stäbe oder Seile 16 an seinen Enden befestigt wurden, welche zum Bo­ den laufen und dort verankert sind.

Fig. 3 stellt die Ausrichtung der Vorrichtung am Aufstellungsort "Polarregion" dar. Der Tetraederstab P liegt mit einem Ende am Boden auf und weist parallel zur Erdachse nach oben. Die Enden des Tetraederstabs H sind, an zwei aus dem Boden ragenden Pfosten 17 befestigt. Die Größe der stra­ lungsempfindlichen Flächen 1 ist so bemessen, daß 360°-Drehungen um die Stundenachse 9 ohne Behinderung möglich sind.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Ausrichten strahlungsempfindlicher Flächen auf stellare Strahlungsquellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tetraeder-Fachwerk, bei dem zwei einander gegenüberliegende Tetraederstäbe P und H einen rechten Winkel miteinander bilden, so am Boden ausgerichtet wird, daß der Tetraederstab H in Ost-West- Richtung weist, und der Tetraederstab P durch Drehung des gesamten Tetraeder-Fachwerks um den Tetraederstab H in eine parallel zur Erdachse verlaufende fixierbare Lage gebracht wird, wobei die auszurichtenden strahlungsempfindlichen Flächen auf dem Tetraederstab P und um seine Achse drehbar be­ festigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tetraederstab H mit seinen zwei Enden am Boden aufliegt, und daß ein Ende des Tetraederstabs P ebenfalls am Boden aufliegt, wobei der Boden in Nord-Süd-Richtung geneigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tetraederstab H mit seinen zwei Enden am Boden aufliegt, und daß zwischen dem Ende des Tetraederstabs P und dem Boden ein weiterer Stab be­ festigt ist, dessen Länge so bemessen ist, daß der Tetrae­ derstab P parallel zur Erdachse verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tetraederstab H an seinen Enden an zwei aus dem Boden ragenden Pfosten befestigt ist, und daß ein Ende des Tetraederstabs P am Boden aufliegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den Tetraederstab P eine drehbar gelagerte Röhre geschoben ist, auf welcher die strahlungsempfindlichen Flächen befestigt sind, wobei an einem Ende der Röhre eine Antriebsscheibe befestigt ist, welche nach der einen Richtung gedreht wird durch ein auf ihrem Umfang befestigtes und darauf abwickelndes Seil, welches von dem einen benachbarten Tetraederstab über eine Umlenkrolle herangeführt wurde, und wobei dieses Seil bewegt wird durch eine auf dem Tetraederfachwerk befestigte Seilwinde, und daß die Antriebsscheibe nach der anderen Richtung ge­ dreht wird durch ein weiteres auf ihrem Umfang befestigtes und darauf abwickelndes Seil, welches von dem anderen benachbarten Tetraederstab über eine Umlenkrolle herange­ führt wurde, wobei dieses weitere Seil von einer auf dem Tetraeder-Fachwerk befestigten Feder gespannt und bewegt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Feder gehende Seil entlang Tetraederstäben geführt wird, daß die Feder eine ebenfalls entlang Tetraederstäben geführte Schraubenfeder ist, und daß das zur Seilwinde gehende Seil ebenfalls entlang Tetraederstäben geführt wird, wobei in dieses Seil ein mittels vorgespannter Schraubenfeder hergestell­ ter und ebenfalls entlang Tetraederstäben verlaufender Seilkraftbegrenzer eingebaut ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den strahlungsempfind­ lichen Flächen gegenüberliegenden Seite des Tetraederstabs P an einem mit den strahlungsempfindlichen Flächen verbun­ denen Ausleger ein Ausgleichsgewicht befestigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tetraederstab P und den strahlungsempfindlichen Flächen eine senkrecht zum Tetraederstab P verlaufende weitere Achse befestigt ist, auf welcher die strahlungsempfindlichen Flächen montiert sind und um welche sie eine weitere Drehung ausführen können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Drehung nach der einen Drehrichtung durch ein Seil erfolgt, welches von einer auf dem Tetraederstab P befestigten Seilwinde kommt und entlang diesem Tetraederstab P weiter­ läuft, über eine Umlenkrolle zu den strahlungsempfindli­ chen Flächen geht und dort befestigt ist, wobei im Bereich seines Verlaufs entlang dem Tetraederstab P ein mittels vorgespannter Schraubenfeder hergestellter Seilkraftbegrenzer eingebaut ist, und daß die weitere Drehung nach der anderen Richtung durch das exzentrisch wirkende Eigengewicht der strahlungsempfindlichen Flächen erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Ausrichtung der strahlungsempfindlichen Flächen durch Vor- und Zurücklaufen elektrisch betriebener Seilwinden erfolgt, welche mit einer elektrischen Spannung gespeist werden, die aus der Verstärkung der Spannungs­ differenz entsteht, welche von im Winkel zueinander auf den strahlungsempfindlichen Flächen angeordneten Fotozellen abgegeben wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Ausrichtung der strahlungsempfindlichen Flächen durch Vor- und Zurücklaufen elektrisch betriebener Seilwinden erfolgt, welche mit der Spannung gespeist werden, die aus der Verstärkung der Spannungsdifferenz entsteht, welche von auf den strahlungs­ empfindlichen Flächen angeordneten Thermoelementen abge­ geben wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der elektrischen Einrichtungen mit Hilfe von auf der Spitze des Tetraeder-Fachwerks angeordneten und befestigten Solarzellen erfolgt.