DE69822062T2

DE69822062T2 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE69822062T2
Application number: DE69822062T
Authority: DE
Inventors: Katsushige Hachioji-shi Nakamura
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-06-06
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2018-06-07
Also published as: JPH11119105A; JP2951297B2; EP0909929A3; EP0909929B1; US5979438A; DE69822062D1; EP0909929A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sonnenlichtkollektorsystem zum Ausnutzen der Strahlung des Sonnenlichtes als Energie.
Die Sonnenenergie gilt schon lange als saubere und umweltfreundliche Energiequelle. Zur Nutzung der Sonnenenergie in der Praxis ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem Sonnenlicht empfangen und als Wärmeenergie gesammelt wird, die wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein solches System ist beispielsweise mit einem Wärmetauscher, der auf einem Kraftwerksturm angeordnet ist, und einer Mehrzahl reflektierender Spiegel (auf Heliostaten) ausgestattet, die um den Turm angeordnet sind, in denen die Sonnenlichtstärken, die auf die reflektierenden Spiegel reflektiert werden, zu dem Wärmetauscher gerichtet werden, wo sie zu Wärmeenergie angeregt werden, um in einem Stromgenerator elektrische Energie zu erzeugen (vgl. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. SHO57-63504 über Heliostat-Technologie).
Da aber ein Wärmetauscher in herkömmlichen Sonnenlichtkollektorsystemen auf einen Kraftwerksturm aufgesetzt wird, ist es schwierig und nicht sinnvoll, einen so großen Turm zu bauen.
Die vorliegende Erfindung soll die Probleme nach dem Stand der Technik lösen, und ihre Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Sonnenlichtkollektorsystem bereitzustellen, das das Bauen von Türmen, auf die ein Wärmetauscher aufgesetzt wird, nicht mehr erforderlich macht.
Nach Anspruch 1 umfasst ein Sonnenlichtkollektorsystem einen ovalen Spiegel, der nach unten gerichtet und in einer bestimmten Höhe angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Heliostaten, die auf dem Boden um den ovalen Spiegel herum angeordnet sind, wobei jeder Heliostat mit einem konkav ausgebildeten Spiegel zum Reflektieren und Konvergieren des Sonnenlichtes auf den ovalen Spiegel ausgestattet ist, wobei das auf dem konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten reflektierte Sonnenlicht zu einem Punkt an einem ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels fokussiert und zu einem zweiten Brennpunkt des ovalen Spiegels konvergiert wird, nachdem es durch den ovalen Spiegel reflektiert wurde.
Gemäß dem in Anspruch 1 beschriebenen System wird das Sonnenlicht, das von den Heliostaten nach oben gestrahlt wurde, durch den ovalen Spiegel nach unten reflektiert, so dass der Wärmetauscher auf dem Boden angeordnet werden kann, und kein herkömmlicher Kraftwerksturm gebaut werden muss, auf den ein Wärmetauscher aufgesetzt wird. Der konkav ausgebildete Spiegel des Heliostaten ist auch vorteilhaft zum Konvergieren des reflektierten Sonnenlichts, so dass der ovale Spiegel klein ausgelegt sein kann. Darüber hinaus wird das Sonnenlicht, das auf den konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten reflektiert wurde, zu einem Punkt in dem ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels fokussiert, und, nachdem es von dem ovalen Spiegel reflektiert wurde, zu dem zweiten Brennpunkt des ovalen Spiegels konvergiert. Dadurch kann das reflektierte Sonnenlicht in einem kleinen Konvergenzwinkel mit hoher Wirksamkeit gesammelt werden.
Das System nach Anspruch 2 umfasst weiter einen rohrförmigen Kondensatorspiegel, der neben dem zweiten Brennpunkt angeordnet ist, und dessen untere Öffnung kleiner ist als seine obere Öffnung.
In dem System nach Anspruch 2 ist die untere Öffnung des rohrförmigen Kondensatorspiegels, der neben dem zweiten Brennpunkt angeordnet ist, kleiner als seine obere Öffnung, wodurch Sonnenlicht mit einer höheren Wirksamkeit konvergiert wird.
Die konkav ausgebildeten Spiegel der Heliostaten sind nach Anspruch 3 jeweils höher angeordnet, je weiter sie von dem ovalen Spiegel entfernt angeordnet sind.
Gemäß dem System nach Anspruch 3 verringern die konkav ausgebildeten Spiegel der Heliostaten, die jeweils höher angeordnet sind, je weiter sie von dem ovalen Spiegel entfernt sind, den Verlust von Sonnenlicht durch Schattenbildung untereinander.
Nach Anspruch 4 enthält der Heliostat eine Antriebseinrichtung zum Drehen des konkav ausgebildeten Spiegels sowohl in der Höhe als auch in der Azimutrichtung und eine Fühlereinrichtung. Die Fühlereinrichtung umfasst eine Richtungsfühlereinheit mit zwei getrennten, eingebauten optischen Fühlern für die Azimutrichtung und eine Höhenfühlereinrichtung mit zwei getrennten, eingebauten optischen Fühlern für die Höhe. Die Richtungsfühlereinheit und die Höhenfühlereinheit sind L-förmig über die optische Achse miteinander verbunden, die sich von dem konkav ausgebildeten Spiegel zu dem ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels erstreckt. Die Antriebseinrichtung wird durch Signale von der Fühlereinrichtung gesteuert, um das Sonnenlicht, das von dem konkav ausgebildeten Spiegel reflektiert wird, konstant zum ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels zu richten.
In dem in Anspruch 4 beschriebenen System wird die Antriebseinrichtung durch die Signale von der Fühlereinrichtung gesteuert, um das Sonnenlicht, das auf den konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten reflektiert wird, auf den ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels zu richten. Wenn sich das Sonnenlicht mit dem Lauf der Zeit verschiebt, kann seine Reflexion vom konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten konstant zu dem ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels gerichtet werden.
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen noch verständlicher.
1 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines Sonnenlichtkollektorsystems, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Gesamt-Seitenansicht des Sonnenlichtkollektorsystems.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die die Reflexion des Sonnenlichtes auf ovale Spiegel zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensatorspiegels.
5 ist ein Querschnitt durch den Kondensatorspiegel.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Heliostaten.
7 ist ein teilweiser Querschnitt durch den Heliostaten entlang seiner Gabel.
8 ist ein vergrößerter Querschnitt entlang der Linie D-A in 7.
9 ist ein teilweiser Querschnitt durch den Heliostaten im rechten Winkel zu seiner Gabel.
10 ist eine perspektivische Ansicht einer Fühlereinrichtung.
11 ist ein Querschnitt entlang der Linie SA-SA in 10, und
12 ist ein Querschnitt entlang der Linie SB-SB in 10.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist genauer in Verbindung mit den 1 bis 12 beschrieben. Die Bezugszahl 1 bezeichnet einen ovalen Spiegel, der zu drei Trägertürmen 2 in einer festgelegten Höhe nach unten gerichtet angeordnet ist. Der ovale Spiegel 1 ist mit zwei Brennpunkten ausgestattet, einem ersten Brennpunkt f1 und einem zweiten Brennpunkt f2 darunter. Eine Wärmetauschereinrichtung 3 zum Umwandeln der Strahlung des Sonnenlichtes L in Wärmeenergie ist unter dem ovalen Spiegel 1 angeordnet. Ein zylindrischer Kondensatorspiegel 4 ist direkt auf der Wärmetauschereinrichtung 3 angeordnet. Eine Mehrzahl von Heliostaten 5 ist auf dem Boden um die Wärmeaustauschereinrichtung 3 herum angeordnet, die so den ovalen Spiegel 1 umgeben.
Der Heliostat 5 ist mit einer Gabel 7 ausgestattet, die an dem obersten Teil seines Säulenträgers 6 angeordnet ist, um in einer Azimutrichtung (gezeigt durch den Doppelpfeil A in 6) beweglich zu sein. Eine ringförmige Verbindung 8 ist um den Säulenträger 6 angeordnet. Ein Paar Dreh-Riemenscheiben 9 ist nach unten gerichtet an der Gabel 7 einander gegenüberstehend um den Säulenträger 6 angeordnet. Jede Dreh-Riemenscheibe 9 ist einer Halte-Riemenscheibe 10 zugeordnet, die durch eine Feder S vorgespannt ist. Die ringförmige Verbindung 8 ist zwischen den Dreh-Riemenscheiben 9 und den Halte-Riemenscheiben 10 angeordnet. Ein Zahnriemen 12 ist zwischen den Dreh-Riemenscheiben 9 angeordnet und wird durch einen Motor 11 angetrieben, der als Antriebseinrichtung dient. Während sich die Dreh-Riemenscheiben 9 drehen, wird die Gabel 7 in Azimutrichtungen gedreht. Da die ringförmige Verbindung 8 mit den Halte-Riemenscheiben 10 heruntergehalten wird, rutscht sie kaum auf den Dreh-Riemenscheiben 9.
Die Gabel 7 ist an ihrem oberen Ende mit einem konkav ausgebildeten Spiegel 13 versehen, der in der Höhe (Doppelpfeil B in 6) beweglich ist. Der konkav ausgebildete Spiegel 13 hat einen vierseitigen (oder runden) Aufbau, und seine Fläche ist kugel- (oder parabol-)förmig ausgebildet. Der konkav ausgebildete Spiegel 13 ist auf der Rückseite mit einem ringförmigen Rohr 14 befestigt. Das ringförmige Rohr 14 ist auf einem Paar Schwenkachsen 15 angeordnet, die sich einander gegenüberliegen, um an den oberen Enden der Gabel 7 schwenkbar zu sein, so dass der konkav ausgebildete Spiegel 13 in der Höhenrichtung gedreht wird.
Darüber hinaus ist eine bogenförmige Verbindung 16 an zwei gegenüberliegenden Enden an dem ringförmigen Rohr 14 auf der Rückseite des konkav ausgebildeten Spiegels 13 in einem Abstand von 90 Grad zu den Schwenkachsen 15 angeordnet. Zwei Paare Dreh-Riemenscheiben 17 und Halte-Riemenscheiben 18, die durch die Federn S vorgespannt sind, sind an der untersten Mitte der Gabel 7 angeordnet. Die bogenförmige Verbindung 16 ist zwischen den Dreh-Riemenscheiben 17 und den Halte-Riemenscheiben 18 angeordnet. Zwischen den Dreh-Riemenscheiben 17 ist eine Antriebs-Riemenscheibe 19 angeordnet, die direkt mit der Dreh-Riemenscheibe 17 in Eingriff steht und von einem Zahnriemen 21 angetrieben wird, der mit einem Motor 20 verbunden ist, der als Antriebseinrichtung dient. Wenn sich der Motor 20 dreht, kann der konkav ausgebildete Spiegel 13 mit den Schwenkachsen 15 in der Höhe gedreht werden.
Besonders zu erwähnen ist, dass die konkav ausgebildeten Spiegel 13 der Heliostaten 5 des vorhergehend beschriebenen Aufbaus entsprechend ihrem Abstand zu dem ovalen Spiegel 1 in höheren Ebenen an geordnet sind. Dadurch verringert sich der Verlust an Sonnenlicht, der auf die Schattenbildung der konkav ausgebildeten Spiegel 13 untereinander zurückzuführen ist.
Eine Fühlereinrichtung 23 ist durch einen Arm 22 fest an dem Säulenträger 6 angeordnet. 10 zeigt, dass die Fühlereinrichtung 23 eine Richtungsfühlereinheit 24 mit zwei getrennten, eingebauten optischen Fühlern 24a und 24b und eine Höhenfühlereinheit 25 mit zwei getrennten, eingebauten optischen Fühlern 25a und 25b umfasst. Beide Fühlereinheiten 24 und 25 sind L-förmig über eine optische Achse P miteinander verbunden, die sich von dem konkav ausgebildeten Spiegel 13 zum ersten Brennpunkt f1 des ovalen Spiegels 1 erstreckt.
Die Richtungsfühlereinheit 24 und die Höhenfühlereinheit 25 sind mit Fenstern 26 und 27 ausgestattet, die jeweils an deren Vorderseiten angeordnet und mit durchsichtigen Glasscheiben abgedeckt sind. Weiterhin sind mehrere lichtabdeckende Wände 28 und 29 jeweils in den Fühlereinheiten 24 und 25 angeordnet, um eine ungleichmäßige Lichtreflexion zu verhindern, da sie in einer Reihe entlang des Sonnenlichtweges L ausgerichtet sind, der sich durch die Fenster 26 und 27 erstreckt. Die Richtungsfühlereinheit 24 und die Höhenfühlereinheit 25 sind synchron mit den Motoren 11 und 20 beweglich. Wenn beispielsweise der Empfang von Sonnenlicht unter den getrennten optischen Fühlern 24a, 24b, 25a und 25b ausgeglichen ist, erhalten die Motoren 11 und 20 kein Antriebssignal und bleiben ausgeschaltet. Wird die Ausgeglichenheit gestört, erzeugt die Fühlereinrichtung 23 Antriebssignale und gibt diese an die Motoren 11 und 20 weiter, um das Sonnenlicht L, das von dem konkav ausgebildeten Spiegel 13 empfangen wird, zu dem ersten Brennpunkt f1 des ovalen Spiegels 1 zu richten. Genauer gesagt, bleibt der Weg L von dem konkav ausgebildeten Spiegel 13 jedes Heliostaten 5 zu dem ersten Brennpunkt f1 des ovalen Spiegels 1 unverändert, auch wenn sich die Strahlung des Sonnenlichtes verschiebt.
Die Dicke d jeder Richtungsfühlereinheit 24 und der Höhenfühlereinheit 25 wird so dünn wie möglich festgelegt, damit eine Übertragung des Sonnenlichtes L zum konkav ausgebildeten Spiegel 13 in geringerem Maß durch die Fühlereinrichtung 23 unterbrochen wird. Das ist darauf zurückzuführen, dass, da das Sonnenlicht L nicht parallel läuft, sondern geringfügig (um einen Winkel von im Wesentlichen 0,5 Grad) divergiert, je kleiner die Dicke d der Fühlereinheiten 24 und 25 ist, umso mehr Sonnenlicht L kann hinter die Fühlereinheiten 24 und 25 (auf ihre konkav ausgebildete Spiegelseite 13) gelangen.
Das reflektierte Sonnenlicht L auf dem konkav ausgebildeten Spiegel 13 jedes Heliostaten 5 wird zu dem ersten Brennpunkt f1 des ovalen Spiegels 1 gerichtet und dann auf den ovalen Spiegel 1 reflektiert, um auf den zweiten Brennpunkt f2 unter dem ovalen Spiegel 1 fokussiert zu werden. Da das Sonnenlicht L, das zu dem zweiten Brennpunkt f2 fokussiert wird, mit einer bestimmten Breite einfällt, ist der Kondensatorspiegel 4 unter dem zweiten Brennpunkt f2 angeordnet, um die Breite zu verringern. Der Kondensatorspiegel 4 ist rohrförmig ausgebildet, wobei eine Breite W1 einer/s oberen Öffnung oder Eingangs 30 größer ist als W2 einer/s unteren Öffnung oder Ausgangs 31. Durch diese Ausführung kann die Breite W1 des Sonnenlichtes L an dem zweiten Brennpunkt f2 auf W2 am Ausgang des Kondensatorspiegels 4 verkleinert und so mit einer höheren Effizienz konvergiert werden.
Im Hinblick auf den damit verbundenen Verlust ist es vorteilhaft, dass das Sonnenlicht einmal auf die Innenfläche des Kondensatorspiegels 4 reflektiert wird, bevor es von der unteren Öffnung 31, wie in 5 gezeigt, abgeht. Die Breite der unteren Öffnung 31 kann aber weiter verkleinert werden, so dass die Reflexion des Sonnenlichtes zweimal oder öfter wiederholbar ist. Das von der unteren Öffnung 31 abgehende Sonnenlicht L wird zu der Wärmetauschereinrichtung 3 gerichtet, damit es zur Erzeugung von Strom in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Gemäß der Ausführungsform wird das Sonnenlicht L, das von den konkav ausgebildeten Spiegeln der Heliostaten 5 gesammelt wird, durch den ovalen Spiegel 1 zum Boden gerichtet. Da die Wärmetauschereinrichtung 3 auf dem Boden angeordnet ist, muss kein herkömmlicher Kraftwerksturm gebaut werden, auf den ein Wärmetauscher gesetzt wird.
Vorteilhaft ist auch, dass der konkav ausgebildete Spiegel 13 jedes Heliostaten 5 eine Konvergenz des Sonnenlichtes L erzeugt, so dass der ovale Spiegel 1 klein ausgelegt D (2) sein kann. Dadurch ist der ovale Spiegel 1 leicht auf den Trägertürmen 2 montierbar.
Darüber hinaus, da das Sonnenlicht L, das auf den konkav ausgebildeten Spiegel 13 jedes Heliostaten 5 reflektiert wird, zum ersten Brennpunkt f1 des ovalen Spiegels 1 gerichtet und dann auf den zweiten Brennpunkt f2 fokussiert wird, wenn es durch den ovalen Spiegel 1 reflektiert worden ist, kann das Sonnenlicht L auf den zweiten Brennpunkt f2 mit einem kleinen Konvergenzwinkel Θ einfallen, um das Licht wirkungsvoll zu kondensieren.
Der Kondensatorspiegel 4 ist neben dem zweiten Brennpunkt f2 des ovalen Spiegels 1 angeordnet, so dass das Sonnenlicht L mit einer höheren Effizienz konvergiert werden kann.
Obwohl die Bewegung in der Ausführungsform in Richtung der Höhe des konkav ausgebildeten Spiegels 13 durch die bogenförmige Verbindung 16 und die Dreh-Riemenscheiben 17 gesteuert wird, kann sie durch jedes andere geeignete Kraftübertragungsmittel, einschließlich Ketten und Zahnriemen, gesteuert werden.
In dem in Anspruch 1 definierten System wird das Sonnenlicht, das von den Heliostaten nach oben gestrahlt wird, durch den ovalen Spiegel nach unten reflektiert. Dadurch kann der Wärmetauscher auf dem Boden angeordnet sein, so dass es nicht erforderlich ist, einen herkömmlichen Kraftwerksturm zu bauen, auf den ein Wärmetauscher gesetzt wird. Der konkav ausgebildete Spiegel des Heliostaten ist auch vorteilhaft zum Konvergieren des reflektierten Sonnenlichts und erlaubt, dass der ovale Spiegel klein ausgelegt ist. Darüber hinaus wird das Sonnenlicht, das auf den konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten reflektiert wird, auf einen Punkt an dem ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels fokussiert und, nachdem es von einem ovalen Spiegel reflektiert wurde, zu dem zweiten Brennpunkt des ovalen Spiegels konvergiert. Dadurch kann das reflektierte Sonnenlicht in einem kleinen Konvergenzwinkel mit hoher Effizienz zusammengefasst werden.
In dem System nach Anspruch 2 ist der rohrförmige Kondensatorspiegel, in dem die obere Öffnung kleiner ist als die untere Öffnung, neben dem ovalen Spiegel angeordnet, und konvergiert dadurch das Sonnenlicht mit einer höheren Effizienz.
In dem System nach Anspruch 3 verringert die Anordnung der konkav ausgebildeten Spiegel der Heliostaten, die jeweils höher angeordnet sind, je weiter sie von dem ovalen Spiegel entfernt sind, die Schattenbildung untereinander.
In dem System nach Anspruch 4 wird die Antriebseinrichtung durch die Signale von der Fühlereinrichtung gesteuert, damit das Sonnenlicht, das auf den konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten reflektiert wird, konstant zum ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels gerichtet wird. Wenn sich das Sonnenlicht im Lauf der Zeit verschiebt, kann seine Refle xion vom konkav ausgebildeten Spiegel jedes Heliostaten ständig auf den ersten Brennpunkt des ovalen Spiegels gerichtet werden.

Claims

Sonnenlichtkollektorsystem zum Sammeln von Sonnenlicht durch Reflexion von einer Mehrzahl von Spiegeln, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen ovalen Spiegel (1), der nach unten gerichtet und in einer bestimmten Höhe angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Heliostaten (5), die auf dem Boden um den ovalen Spiegel (1) herum angeordnet sind, aufweist, wobei jeder Heliostat mit einem konkav ausgebildeten Spiegel (13) zum Reflektieren und Konvergieren des Sonnenlichtes (L) auf den ovalen Spiegel (1) ausgestattet ist, und dass das auf den konkav ausgebildeten Spiegel (13) jedes Heliostaten (5) reflektierte Sonnenlicht (L) zu einem Punkt an einem ersten Brennpunkt (f1) des ovalen Spiegels (1) fokussiert und zu einem zweiten Brennpunkt (f2) des ovalen Spiegels (1) konvergiert wird, nachdem es von dem ovalen Spiegel (1) reflektiert wurde.
Sonnenlichtkollektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter einen rohrförmigen Kondensatorspiegel (4) umfasst, der neben dem zweiten Brennpunkt (f2) angeordnet ist und dessen untere Öffnung (31) kleiner ist als seine obere Öffnung (30).
Sonnenlichtkollektorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav ausgebildeten Spiegel (13) der Heliostaten (5) jeweils höher angeordnet sind, je weiter sie von dem ovalen Spiegel (1) entfernt angeordnet sind.
Sonnenlichtkollektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Heliostat (5) Folgendes um fasst: eine Antriebseinrichtung zum Drehen des konkav ausgeführten Spiegels (13) sowohl in der Höhe als auch in Azimut-Richtung (B, A); und eine Sensoreinrichtung (23), die eine Richtungsfühlereinheit (24) und eine Höhenfühlereinrichtung (25) aufweist, wobei die Richtungsfühlereinheit (24) zwei getrennte, einbebaute optische Fühler (24a, 24b) für die Azimutrichtung und die Höhenfühlereinheit (25) zwei getrennte, eingebaute optische Fühler (25a, 25b) für die Höhenrichtung aufweist, wobei beide miteinander L-förmig über die optische Achse (P) verbunden sind, die sich von dem konkav ausgebildeten Spiegel (13) zu dem ersten Brennpunkt (f1) des ovalen Spiegels (1) erstreckt, wobei die Antriebseinrichtung durch Signale von der Sensoreinrichtung (23) zum konstanten Richten des Sonnenlichtes (L), das auf den konkav ausgebildeten Spiegel (13) zum ersten Brennpunkt (f1) des ovalen Spiegels (1) gerichtet wird, gesteuert wird.