DE4126623A1 - Solarenergiewandler mit lichtleitelementen - Google Patents

Solarenergiewandler mit lichtleitelementen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Solarenergiewandler, bei denen die Einstrahlung gebündelt und auf einen Strahlungswandler gerichtet wird, wobei der Strahlungswandler von einer rotierenden, schwimmenden Plattform getragen wird.
Es sind Solarkraftwerke (zur Gewinnung von photovoltaischer Elektrizität) beschrieben, bei denen die Einstrahlung zu Strahlenbüscheln gebündelt wird, die durch mehrere lichtbrechende Schichten geleitet werden. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß jeder Eintritt in und Austritt aus einer transparen­ ten Scheibe zu Reflexionsverlusten führt, die den optischen Wirkungsgrad verringern.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem die Einstrahlung der Sonne während der Mittagsstunden nur einmal durch eine konzentrierende Scheibe hindurchgeleitet wird, wodurch ein optischer Wirkungsgrad von über 90 % erreichbar ist.
Mit abnehmender Sonnenhöhe ist ein zunehmender Anteil der Einstrahlung auf Flächen beidseitig neben dem Strahlungswandler gerichtet. Dieser Anteil wird durch zwei konzentrierende Spiegel aufgefangen und auf zwei Umlenkspiegel geleitet, die diesen Strahlungsanteil zum Strahlungswandler reflektieren.
Die Erfindung hat Solarkraftwerke zum Ziel, die keiner Nach­ führgetriebe bedürfen. Dies schließt nicht aus, daß bei Verwendung von kreisförmigen Plattformen Hilfsvorrichtungen sinnvoll sind, die bei Verschiebung der optischen Elemente zueinander z. B. durch Windkräfte eine Verschiebung der Brennlinie relativ zu den Strahlungsempfängerflächen ausgleichen. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die einem streifenförmigen Strahlungsempfänger zugeordnete konzentrierende Scheibe aus einer Vielzahl von Facetten, die zusammen mit der nach außen weisenden Oberfläche der Scheiben Prismen oder Linsenausschnitte bilden, die die in parallel zur Längserstreckung der Scheibe liegenden Vertikalebene verlaufenden Sonnenstrahlen in Richtungen brechen, die sowohl mit der Vertikalebene als auch mit der Horizontalebene je einen spitzen Winkel einschließen. Die Facetten sind dabei so einander zugeordnet, dass die Strahlenbüschel von steil auftreffenden Sonnenstrahlen einen Brennstreifen erzeugen, dessen Breite mit der Breite des Strahlungsempfangers zusammenfällt. Mit abnehmender Sonnenhöhe gelangt die Einstrahlung nur noch teilweise auf den Strahlungsempfänger. Der neben dem Strahlungs­ empfänger auftreffende Anteil eines Strahlenbüschels trifft auf zwei Spiegelelemente mit reflektierenden Streifen, wobei die Normalen dieser Streifen in Richtung zur Sonne weisend um einen Winkelbetrag (ähnlich einem Fresnelspiegel) geneigt sind.
Hierdurch wird der schräg auftreffende Strahl in einem Winkel zur Vertikalen, der kleiner ist als der Winkel, den der auftreffende Strahl mit der Vertikalen einschließt, nach oben gerichtet reflektiert. Dort wird er durch einen zweiten sich parallel zum Strahlungsempfänger erstreckenden streifenförmigen Spiegel auf den Strahlungsempfänger gelenkt. Die zu beiden Seiten des Strahlungsempfängers liegenden nach oben reflektierenden Spiegelelemente werden vorzugsweise gleichzeitig als Schwarz­ strahler in einem 300 K zugeordneten Infrarotbereich ausgebildet.
Sie verlaufen nahe einer auf dem Wasser liegenden Trennwand. Die primär als tragender Körper ausgebildete Wasserschicht wird während der Sonnenscheinstunden erwärmt. Die darin gespeicherte Energie wird durch Infrarot-Abstrahlung über 24 Stunden nach außen abgegeben.
Falls Brennstreifen und Strahlungsempfänger nicht mehr kongruent verlaufen, bewirkt ein von der ausgewanderten Strahlung gesteu­ ertes Element eine Verschiebung des Strahlungsempfängers, bis Strahlungsempfänger und Brennstreifen wieder zusammenfallen.
Die Erfindung soll anhand von Figuren beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftwerk;
Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch den Randbereich;
Fig. 3A zeigt den Strahlenverlauf senkrecht zum Brennstreifen;
Fig. 3B zeigt den Strahlenverlauf parallel zum Brennstreifen;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine kombinierte Zylinder­ linse;
Fig. 5 zeigt den Strahlenverlauf im Glasbereich einer Zylinderlinse;
Fig. 6 zeigt die Ausbildung der Scheibe mit Facetten;
Fig. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Energiewandler­ einheit.
Fig. 1 zeigt ein photovoltaisches Solarkraftwerk nach der Erfindung. Auf einer kreisförmigen Plattform, die von einem torusförmigen, schwimmenden Rohr 1 umgeben ist, verlaufen zu einem jeweils zur Sonne weisenden Durchmesser parallele, lichtdurchlässige, konzentrierende Dachelemente 9, die durch Seile 10 auf konstantem Abstand voneinander gehalten werden. Im Zentrum der Plattform befindet sich eine Übergabestation 15 mit Schleifringen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Randbereich der Plattform.
Auf dem Erdreich 4 ist eine Folie 5 aufgelegt, die längs der Peripherie mit einem Betonring 13 fest verbunden ist. Der dadurch gebildete Trog ist mit Wasser 2 gefüllt. In der ringförmigen Rinne 14 schwimmt das torusförmige Stahlrohr 1, welches durch luftbereifte Rollen 3 zentriert wird. Ein Teil der Rollen 3 wird durch synchron laufende Getriebemotoren angetrieben und bewirkt eine Drehung des Torusrohres 1 um die Hochachse mit einer durch die Bewegung der Sonne gesteuerten Winkelgeschwindigkeit.
Innerhalb des Rohres 1 befindet sich Ballastwasser in voneinander abgeschotteten Umfangsbereichen. Am Rohr 1 ist eine Kunststoff­ folie 6 befestigt, die auf der Wasserschicht 2, die nur wenige Zentimeter stark ist, schwimmt. Auf dieser Folie 6 liegen die Photozellen 7 und die Spiegel 11 auf. Über Ständer 16 werden die ebenfalls von der Folie 6 getragenen als Dachelemente ausgebilde­ ten Scheiben 9 und die Spiegel 12 getragen.
Fig. 3A zeigt die Projektion der Sonnenstrahlen 13, 14 und 16 sowie ihrer gebrochenen Fortsetzungen 13a, 14b, 16b, ferner die vom Spiegel 11 reflektierten Strahlen 14c, 16c sowie die vom Spiegel 12 gebündelten und auf den Strahlungswandler 7 gerichte­ ten Strahlen 14d und 16d in einer senkrecht zum Strahlungswand­ ler 7 verlaufenden Vertikalebene. Dargestellt ist lediglich der Strahlengang der halben Breite der Scheibe 9, die zweite Hälfte verläuft symmetrisch dazu.
Fig. 3 B zeigt die Projektion der gleichen Strahlen in einer senkrecht zur Projektionsebene gemäß Fig. 3 A verlaufenden Ebene. Der im Firstbereich 17 auftreffende Mittagstrahl 13 erfährt keine Brechung in der Vertikalebene gemäß Fig. 3 A und als Strahl 13a nur eine geringe Brechung in der Vertikalebene gemäß Fig. 3 B. Der in der Randzone der Scheibe 9 auftreffende Mittagsstrahl 13x wird zum Randstrahl 13ax eines Strahlen­ büschels, welches vollumfänglich fast senkrecht auf die Photo­ zelle 7 auftrifft. Von dem den Vormittags- und Nachmittagsstrah­ len 16 zugeordneten Strahlenbüschel 16ax und 16bx gelangt nur der Bereich 16ax direkt auf die Photozelle 7, während die übrigen Strahlen 16bx und 16by auf das Spiegelelement 11 auftreffen.
Dieses Spiegelelement 11 besteht aus einer Vielzahl zur Sonnen­ richtung geneigt verlaufenden Streifen 11a, die bewirken, daß die Strahlen 16bx und 16by als Strahlen 16c annahernd parallel zur Vertikalebene gemäß Fig. 3A auf den Spiegel 12 gelangen und von dort als gebündelte Strahlen 16d und 16e annähernd senkrecht zur Horizontalebene gemäß Fig. 3A auf die Photozelle 7 auftreffen. Von den horizontnahen Strahlen 14 und 14x gelangt ebenfalls nur die im Zenitbereich 17 von der Scheibe 9 gebrochene Strahlung 14a direkt auf die Photozelle 7, während der überwie­ gende Teil des zugeordneten Strahlenbüschels als Strahlen 14bx und 14by auf das Spiegelelement 11 auftrifft, um von dort, wie an den Strahlen 14c und 14d gezeigt, wiederum annähernd senkrecht auf die Photozelle 7 zu gelangen.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Photozelle 7 und durch die zugeordneten Zylinderlinsen 41 und 42. Die Photozelle 7 ist gut wärmeleitend mit einem Strang 40 aus Aluminium verbunden, der die Wärme auf eine dünne Aluminiumplatte leitet, die einen Teil der Verlustwärme auf die Wasserschicht überträgt. Oberhalb der Photo­ zelle 7 befindet sich eine in direktem Kontakt mit der Photozelle stehende Zylinderlinse 41 aus Glas, darüber eine aus Kunststoff bestehende Zylinderlinse 42. Die gebündelten Strahlen 43 werden in der Kunststoff-Zylinderlinse 42 in Richtung zur Mittelebene 44 hin gebrochen und gelangen dann in die Glas-Zylinderlinse 41, die aus horizontalen Schichten von Glas mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht. Die Randstrahlen 45 werden dadurch gemäß Strahl 46 so gebrochen, daß diese fast senkrecht auf die Photozelle 7 auftreffen, die mit der Unterseite der Glas- Zylinderlinse 41 ohne Luftspalt verbunden ist.
Fig. 5 zeigt in räumlicher Darstellung die gläserne Zylinder­ linse 41. Das von der konzentrierenden Scheibe 9 gebildete Strahlenbüschel 50 erfährt einerseits die in Fig. 4 beschriebene Umlenkung, so daß die im Glaskörper verlaufenden Strahlen 46 in einem steilen Winkel auf die Oberfläche der Photozelle 7 auftreffen. In der Figur ist jedoch auch gleichzeitig symboli­ siert dargestellt, daß die einzelnen zur Längsachse 51 geneigt eintreffenden Strahlen 52 und 53 eine Brechung erfahren wodurch der gebrochen auf einer Kurvenlinie 54 verlaufende Strahl ebenfalls wesentlich steiler auf die Photozelle 7 auftrifft als der in seiner Verlängerung 53a gezeigte Strahl 53 auftreffen würde. Es hat sich gezeigt daß ein wie in Fig. 4 dargestelltes geschichtetes Glas vorteilhaft ist gegenüber einem homogenen Glaskörper, daß jedoch auch der homogene Glaskörper gegenüber einer nicht abgedeckten Photozelle zu einer vorteilhaften Aufrichtung des im Glas verlaufenden Strahles führt.
In Fig. 6 ist ein Eckbereich einer das Dachelement bildende Scheibe 9 dargestellt. Neben der Funktion einer Fresnellinse bricht die Scheibe 9 außerdem die Strahlenbüschel zur Vertikalen hin. Die plane Oberseite 120 der Scheibe 9 bildet die Eintritts­ fläche. In den senkrecht zur Sonneneinstrahlung verlaufenden Ebenen bilden die Rechteckbereiche 121 mit der Horizontalen die Winkel x1, x2, x3 . . ., die in der Brennebene zu null werden. Die zum Energiewandler weisenden Flächen der Rechteckbereiche 121 sind jedoch gleichzeitig in zur Sonne weisenden Ebenen um den konstant bleibenden Winkel y geneigt. Es entstehen dadurch Strahlenbüschel, die gleichzeitig zur Vertikalen hin gebrochen sind. Wie bei konventionellen Fresnellinsen bilden die Flanken 122 mit der planen Oberseite 120 den ebenfalls zur Brennlinien­ ebene hin abnehmenden Winkel v mit der Vertikalen. Die senkrecht dazu verlaufenden Flanken 124 schließen mit der Vertikalen den Winkel w ein, der dem Strahlenverlauf innerhalb des Dachelementes nach Eintritt der Vormittags- bzw. Nachmittagsstrahlen durch die Oberfläche 120 entspricht. Die optimalen Winkel y und w sind jeweils nur einer geografischen Breite zugeordnet. Gleichzeitig beeinflußt die Wahl dieser Winkel das Verhältnis von Mittagslei­ stung zur Tagesdurchschnittsleistung. Aus Herstellungsgründen ist die Verwendung transparenter Thermoplaste vorgesehen, die gegebenenfalls unterhalb einer die UV-Strahlung absorbierenden Glasscheibe angeordnet sind.
Fig. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch den sich über den gesamten Durchmesser erstreckenden streifenförmigen Energiewand­ leraufbau. Die die Strahlung brechende Scheibe 9 entspricht dem Aufbau, der in Fig. 6 beschrieben ist. Die Scheibe 9 wird durch Ständer 16 getragen, die in einem axialen Abstand voneinander angeordnet sind, der etwa der Breite der Einheit entspricht.
Längs der Oberkante dieser Ständer verläuft ein Metall-Profil 71, in das die Enden 9a von zwei benachbarten Scheiben 9 durch ein keilförmiges Element 72 eingespannt sind. Die Ständer 16 werden durch Stahlseile 10 und senkrecht dazu verlaufende Seile 10a auf konstantem Abstand zueinander gehalten. Die Ständer 16 bilden mit den Spiegeln 11 und 12 eine Einheit. Zwischen zwei benachbarten Ständern 16 wird die auf dem Wasser aufliegende Folie 6 einge­ klemmt. Längs des hochgezogenen Bereiches 6a sind benachbarte Folienstreifen miteinander verschweißt, so daß die Schweißnaht oberhalb der Oberfläche der Wasserschicht 2 liegt. Durch einen Strang 6b sind die Folien formschlüssig gehalten, so daß auf die Scheibe 9 wirkende Unterdruckkräfte, die die Ständer 16 anheben gleichzeitig eine Anhebung des unter der Folie befindlichen Wasserkörpers nach sich ziehen. Unter benachbarten Ständern 16 verläuft ein Profil 73 aus Aluminiumblech, welches die Gewichts­ kräfte auf die Folie überträgt. Die Photozelle 7 ist auf einem gut wärmeleitenden Strangprofil 40 montiert, welches die Verlustwärme auf ein Aluminiumblech 74 überträgt. Die aus Photozelle 7, dem Strangprofil 40 und dem Aluminiumblech 74 bestehende Einheit liegt zwischen den Bereichen 75, in denen die Folie 6 gewellt ist. Hierdurch ist diese Einheit 7, 40, 74 einschließlich der darunter befindlichen Folienfläche um die Wege 76a und 76b verfahrbar. In Abständen von mehreren Metern sind Laschen 77 angeordnet, die über eine Schubstange 78 zu einer Hülse 79 führen, welche ein Innengewinde aufweist. Am Ende der Schubstange 78 ist ein Außengewinde 78a angeordnet, so daß bei einer ersten Drehrichtung des Motors 80 die Schubstange 78 den Abstand 76b verkleinert, während bei der entgegengesetzten Drehrichtung der Abstand 76a verkürzt wird. Der Elektromotor 80 ist als Gleichstrommotor mit permanenten Magneten ausgebildet. Die Stromversorgung wird von zwei Photowiderstände 81x und 81y gesteuert. Die Verschiebung erfolgt jeweils nur dann, wenn einer der beiden Photowiderstände in den Bereich der konzentrierten Strahlung gelangt. Die Verschiebung endet, sobald der bestrahlte Photowiderstand 81 den konzentrierten Bereich wieder verlassen hat.

Claims (20)

1. Konzentrationsvorrichtung für Sonnenstrahlen mit einer langge­ streckten Scheibe, die parallel zu einer in der Längsachse der Scheibe liegenden Vertikalebene bestrahlt wird und auf einen streifenförmigen Energiewandler gerichtete Strahlenbüschel erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß längs und beidseitig des Energiewandlers (7) nach oben reflektierende Spiegel (11) verlaufen, die den Teil (14b, 16b) von Strahlenbüscheln, der nicht auf den Strahlungswandler (7) auftrifft, auf eine zweite Gruppe von ebenfalls parallel zum Strahlungswandler und über diesem verlaufend an ihrer Unterseite reflektierenden Spiegeln (12) lenken, wobei diese Spiegel (12) so ausgerichtet sind, daß sie den auf sie auftreffenden Teil der Strahlung (14c, 16c) auf den Strahlungswandler (7) richten.
2. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die nach oben reflektierenden Spiegel (11) aus einer Vielzahl annähernd senkrecht zum Energiewandler (7) sich erstreckenden, reflektierenden Streifen (11a) bestehen, die mit einer Horizontalebene einen spitzen Winkel einschließend zur Sonnenseite weisend geneigt sind.
3. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die nach oben reflektierenden Spiegel (11) in einer senkrecht zum Energiewandler (7) verlaufenden Vertikalebene gekrümmt verlaufen und daß der mittlere Bereich jedes der Spiegel unter einem seiner Endbereiche liegt.
4. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich auf den spiegelnden Oberflächen eine im sichtbaren Bereich transparente und im langwelligen Infrarotbe­ reich absorbierende Schicht befindet.
5. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei nach unten reflektierende Spiegel (12) außerhalb der Strahlenbüschel (13a) und (13ax) angeordnet sind und so gekrümmt sind, daß sie die von den nach oben reflektierenden Spiegeln (11) reflektierten Strahlen auf den Strahlungswandler (7) lenken.
6. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die reflektierenden Streifen (11a) mit der Horizontal­ ebene einen spitzen Winkel einschließen.
7. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich über dem Strahlungswandler (7) eine Glasschicht (41) befindet.
8. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Glasschicht (41) aus horizontal verlaufenden Schichten von Gläsern unterschiedlicher Brechungsindizes besteht.
9. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahlungswandler (7) eine Photozelle ist, die ohne Zwischenraum an die Unterseite der Glasschicht (41) angrenzt.
10. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der Glasschicht (41) eine Zylinderlinse (42) aus transparentem, organischem Werkstoff ohne Zwischenraum angeordnet ist, die die Randstrahlen (43) von Strahlenbüscheln zur Mittel­ ebene (44) hin bricht.
11. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die konzentrierende Scheibe (9) eine nach oben gerichtete glatte Oberfläche (120) besitzt und eine dem Energie­ wandler (7) zugewandte, in im wesentlichen rechteckige Bereiche (121) aufgegliederte Oberfläche besitzt, daß die rechteckigen Bereiche (121) sowohl zur Sonne gerichtete Flanken (124) als auch senkrecht dazu der Fresnellinsen-Forderung folgende Flanken (122) aufweisen und in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen zu der der Sonne zugewandten Oberfläche (120) geneigt sind, wobei die Neigungen so verlaufen, daß die Sonnenstrahlen sowohl auf einen in einer zur Sonne weisenden Vertikalebene liegenden Brennstreifen gerichtet werden, gleichzeitig aber auch zum Lot auf die Brennlinie hin gebrochen werden.
12. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die auf dem Wasser (2) aufliegende Folie (6) hochge­ zogene Bereiche (6a) aufweist, die durch Ständer (16) in dieser Lage gehalten werden.
13. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von die Scheiben (9) tragenden Ständern (16) zwischen der Folie (6) und den Scheiben (9) angeordnet ist.
14. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spiegel (11 und 12) mit den Ständern (16) eine Einheit bilden.
15. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß im Torusring (1) befestigte, parallele Stahlseile (10) senkrecht zur Längserstreckung der streifenförmigen Energiewand­ lereinheiten gespannt und gegenüber diesen fixiert sind.
16. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die als Photozellen ausgebildeten Energiewandler (7) mit einer die Wärme leitenden Platte (74) eine Einheit bilden, die durch einen mittleren Bereich der Folie (6) vom Wasser getrennt einen Teil der Verlustwärme in die Wasserschicht (2) einleitet.
17. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der mittlere Bereich der Folie (6) durch gewellte Abschnitte (75) von den Bereichen getrennt ist, die die Ständer (16) und die Scheibe (9) tragen.
18. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die Photozelle (7) mit der Platte (74) und dem darunterliegenden Bereich der Folie (6) senkrecht zur Photozel­ lenerstreckung verschieblich ist und durch mit dem nicht verschieblichen Teil verbundene Vorrichtungen verschoben wird, falls der Brennstreifen nicht mit dem Strahlungswandler (7) zusammenfällt.
19. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verschiebevorrichtung einen Motor (80) aufweist, der durch einen ersten an den Strahlungswandler (7) angrenzenden Photowiderstand (81x) gesteuert in eine erste Richtung und durch einen zweiten Photowiderstand (81y) in Gegenrichtung gesteuert wird, sobald einer der Photowiderstände (81x oder 81y) in den Brennstreifen gelangt.
20. Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß der Motor (80) unter Zwischenschaltung eines Gewindes die Verschiebung der aus Strahlungswandlereinheit (7) und der Platte (74) bestehenden Einheit bewirkt.
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