EP1771687A1 - Vorrichtung zur konzentration von licht, insbesondere von sonnenlicht - Google Patents

Vorrichtung zur konzentration von licht, insbesondere von sonnenlicht

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EP1771687A1
EP1771687A1 EP05763326A EP05763326A EP1771687A1 EP 1771687 A1 EP1771687 A1 EP 1771687A1 EP 05763326 A EP05763326 A EP 05763326A EP 05763326 A EP05763326 A EP 05763326A EP 1771687 A1 EP1771687 A1 EP 1771687A1
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EP
European Patent Office
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units
reflector
reflector units
control unit
mirror
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05763326A
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English (en)
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Inventor
Frank Ansorge
Jörg WOLTER
Horst Hanisch
Bernhard Hoffschmidt
Markus Reinl
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Fachhochschule Aachen
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Fachhochschule Aachen
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Fachhochschule Aachen filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1771687A1 publication Critical patent/EP1771687A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24S30/40—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S2023/872—Assemblies of spaced reflective elements on common support, e.g. Fresnel reflectors
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the present invention relates to a device for concentrating incident light, in particular of sunlight, consisting of a plurality of adjacently arranged reflector units each having at least one movable reflective surface and a drive unit for moving the reflecting surface, and a control unit. which is connected to the drive units and which is designed such that it controls the drive units as a function of the incidence of light to the concentration of the incident light.
  • the present device is mainly used in solar energy technology, in particular for the concentration of sunlight in solar thermal or photovoltaic systems for energy production or for decentralized solar cogeneration.
  • the Vorrich ⁇ device allows the concentration of sunlight on any geometry, for example a saudi ⁇ dimensional absorber surface of a solar system or an approximately one-dimensional tube absorber, as it is known from parabolic trough concentrators.
  • the line-concentrating systems include the so-called parabolic trough concentrators, as they come from, for example, DE 197 44 767 C2 or US Pat. No. 4,423,719, in which the incident parallel solar radiation is line-shaped through one or more parabolic reflecting surfaces Absorber tube, for example described in DE 102 31 467 B4, kon ⁇ centered.
  • Parabolic trough concentrators are used in so-called SEGS power plants (Solar Energy Generating Systems), which achieve outputs in the order of magnitude of 50 MW and above.
  • the absorber tube is usually surrounded by an evacuated glass tube.
  • a cross section through a parabolic trough concentrator is shown in FIG. It shows how incident parallel light 7 is reflected by the parabolic shaped reflecting surface 2 onto the absorber tube 8.
  • the absorber tube 8 is surrounded by the evacuated glass tube 9.
  • the absorber tube 8 or the glass tube 9 is supported by a holder every 2 to 6 meters, depending on the size of the parabolic trough concentrator.
  • the glass tube 9 is connected at this point usually via a bellows with the absorber tube 8. In the case of today's parabolic trough concentrators, this area is subjected to the same radiation density as the area in between.
  • the point-concentrating plants include, for example, solar thermal power plants.
  • a heat transfer medium With the heat transfer medium, a conventional heat power process is operated. The resulting heat and the process steam can be stored, decoupled and converted into electricity.
  • the known heliostats of solar thermal systems have at least one, usually several reflector (mirror) with a mirror surface of several square meters to the order of 100 square meters and more.
  • the construction of a helicopter today usually comprises a steel girder construction which absorbs the wind and weight loads. Mounted thereon is one or several reflecting surfaces, which as a rule consist of a glass plate mirrored on the back side. Other reflective elements include silver-coated polymers and thin-glass mirrors.
  • the steel girder construction is connected with a linkage with corresponding drive, which allows movements of the steel girder construction by one or two independent axes.
  • the control unit controls the articulation of the steel girder construction of the respective heliostats depending on the position of the sun so that the sunlight is always concentrated on the absorber surface.
  • the articulation of the steel girder construction itself is usually mounted at a height of several meters above the ground, for example on a vertical mast.
  • the glass mirrors used today have a thickness of 3 mm to 5 mm for reasons of strength.
  • the dimensioning of the steel girder construction results from the maximum wind speed at which the mirrors are still to be used, whereby there is still sufficient
  • FIG. 4 shows five known forms of heliostats which have been developed for the concentration of solar radiation. The different sizes of the illustrated heliostats reflect the size relationships. The realized mirror surface ranges from a few square meters up to about 150 square meters per helicopter.
  • Figure 5 the principle of a known solar tower power plant is shown. It shows an array of heliostats 10 arranged on the earth's surface whose reflective surfaces 2 are arranged in the contour of a paraboloid which has a focal point 11 of the reflected radiation on the absorber surface for incident, parallel sunlight 7.
  • a disadvantage of the known parabolic trough concentrators as well as the known heliostats is also that they require a considerable effort for the cleaning of the plants, since the large Spiegelflä ⁇ chen are often accessible only via lifts for the madesper ⁇ sonal.
  • the solar energy concentrators described above in particular the heliostats used, have high material and manufac turing costs and a high weight. If one considers the specific weight in relation to the mirror surface of today's common heliostats, then this lies between 25 kg / m 2 and 60 kg / m 2 mirror surface. This weight is based on the necessary stiffness of the heliostats and can hardly be lowered for the same or similar embodiments for static reasons. Experiments with lightweight materials yielded no significant advantages because of the associated higher material costs.
  • the object of the present invention is to provide a device for concentrating incident light, in particular sunlight, in such a way that the listed disadvantages resulting from the prior art are avoided, and the device has a smaller effect on the reflective surface ⁇ che referred, specific weight and kos ⁇ ten redesigner is produced.
  • the device according to the invention for concentrating incident light, in particular sunlight consists of a plurality of reflector units arranged side by side, each having at least one movable reflective surface and a drive unit for moving the reflecting surface, and a control unit connected to the Drive units ver ⁇ is connected and which is designed such that it controls the drive units in dependence of the light incidence to the concentration of the incident light.
  • the device is characterized in that the at least one reflective surface of a respective reflector unit has an area between 10 -8 m 2 and 0.5 m 2 , in particular between 10 -8 m 2 and 10 -4 m 2 and is movable by at least 2 axes, and that the drive units are microactuators.
  • the reflector units of the present device with low heights are few Millimeters to a few decimetres producible bar.
  • microactuators can be used as microactuators.
  • the microactuator can also be a piezoelectric transducer or at least one piezoelectric transducer.
  • the microactuators are connected to and controlled by a control unit. After a corresponding signal from the control unit, the microactuators move the reflecting surface of a reflector unit to a desired position. By thus changing the angle between the direction of incidence of the incident light and the reflecting surface, the direction of the reflected radiation can be directly influenced and controlled.
  • the microactuators are designed and arranged such that, in the event of a power failure, they bring the reflecting surfaces of the reflector units into a starting position in which no concentrating effect for incident light occurs.
  • This starting position can be a horizontal position be. This prevents overheating of the absorber surface.
  • the reflective surface of a reflector unit is flat in the preferred embodiment and consists of a single mirror, in particular an anodized aluminum mirror, a membrane mirror or a silver-coated polymer mirror.
  • the reflecting surface may be formed differently two- or dreidimen ⁇ sionale, for example, be concavely curved or arched ge. In the latter case, an additional concentration of the incident light occurs due to the reflection at the reflecting surface.
  • the device according to the invention comprises a plurality of reflector units arranged side by side.
  • the reflector units are preferably arranged in one or more arrays horizontally or at ground level or only slightly inclined and firmly mounted.
  • the control unit is designed in such a way that it controls the reflector units combined into arrays, ie the respective drive units individually or in groups in at least two independent axes of motion.
  • the individual reflecting surfaces must, according to the existing, fixed arrangement geometry of the reflector units and the projection surface, depend on a possibly variable position of the light source, for example of the sun. controlled were ⁇ the.
  • the control unit is therefore designed in an embodiment for compensating the variable position of the sun such that it contains the microactuators and thus the reflecting surfaces of the reflector units controls according to a sun position algorithm.
  • the current position of the sun is determined by the control unit by means of one or more suitable radiation sensors and used to control the microactuators.
  • a light-transparent cover can be installed above the reflector units for additional protection against the influence of wind, soiling or other environmental influences.
  • lateral enclosures can be provided which can be provided for better protection of the device with the transparent cover.
  • the transparent cover should advantageously be mirrored on one or both sides.
  • the device in addition, it is possible to construct the device as a complete unit.
  • the reflector units are mounted on a base plate and, together with the lateral enclosures fixed thereto and the transparent cover, form a structural unit with a height of a few millimeters to a few decimetres.
  • an automatic or semi-automatic cleaning system can be provided for cleaning the transparent cover.
  • Main field of application of the present device is the solar energy technology.
  • it can also be used for optical systems for image projection, for example for advertising purposes or for daylighting and daylighting in buildings.
  • the device according to the invention fulfills the condition of a small radiation image to a particular extent by means of the very small and flat individual mirror.
  • the device according to the invention makes it possible to reduce the weight and thus the material cost to a few kg / qm mirror surface and thus offers a high cost reduction potential.
  • the individual reflecting surfaces move back into a horizontal orientation and defocus, for example the picture (radiation on the absorber surface).
  • the system costs, for example, of a solar thermal power plant are reduced, because a fast emergency power supply for the reflector units can be dispensed with.
  • the fast emergency power supply is required in today's heliostats, as they remain in position in case of power failure, which can lead to the destruction of the then uncooled absorber.
  • structural measures are taken to cool the absorber.
  • the achievable flat design allows integration of the concentrator as facade element or roof element. This results in completely new applications, e.g. in daylight use via light pipes.
  • the device according to the invention is able to generate high concentrations of light (> 1,000kw / m) in variable focal points. This makes it possible for the first time to create small decentralized power plant units (for example with Sterling Motor) that can be used on coaxial and flat roofs for combined heat and power generation.
  • small decentralized power plant units for example with Sterling Motor
  • the device according to the invention allows almost any illumination of a picture surface.
  • it is particularly suitable for combination with solar cells for the generation of photovoltaic electricity from concentrated solar radiation, since it guarantees a nearly homogeneous illumination of the solar cells with regard to the radiation density.
  • the energy input per cell or a number of cells can be detected, e.g. By resistance measurement, the radiation flux distribution to the cells can be controlled by controlling the individual reflector units according to an optimal energetic use of the radiation.
  • the device according to the invention is also suitable for generating a linear imaging of the incident radiation, as is the case in parabolic trough concentrators.
  • the radiation can be directed at any time so that all radiation falls exclusively onto the absorber tube and the bellows connections are excluded from the irradiation.
  • the present loss due to the irradiation of the bellows corresponds to about 5% of the concentrated radiation of a parabolic trough power plant.
  • parabolic trough concentrators known today are tilted / rotated only in one axis according to the instantaneous position of the sun, part of the radiation always passes at the ends of the parabolic concentrator due to the non-perpendicular incidence of the radiation in the axial direction of the parabolic trough concentrator lost. This can also be avoided by the device according to the invention by controlling the individual reflecting surfaces.
  • the ability to concentrate and direct the reflected light better achieves an increase in efficiency. As a result, mirror surface can be saved or a higher light output can be achieved with the same mirror surface.
  • the reflector units can also be operated at higher wind speeds, which results in options for use on the coast or in the offshore area.
  • FIG. 1 a array-shaped arrangement of reflector units with square reflecting surfaces, 1b, c show cross sections through the array of FIG. 1a along the section lines AA (FIG. 1b) and BB (FIG. 1c), FIG.
  • FIG 3 is a schematic cross-sectional view of a parabolic trough concentrator with beam path (prior art)
  • FIG. 4 schematic representation of known heliostats (prior art).
  • Fig. 5 is a schematic representation of a solar thermal power plant with arranged heliostats and a raised attached absorber surface
  • FIG. 1 a schematically illustrates an array-shaped arrangement of reflector units 1 according to the invention with individual rectangular reflecting surfaces 2.
  • the reflecting surfaces 2 of the individual reflector units 1 are movable about two independent axes of movement 3.
  • FIGS. 1 b and 1 c the positions of the individual reflecting surfaces 2 along the section lines AA and BB are represented by the array of reflective surfaces.
  • Gate units 1 represents in the case of a nearly point-like concentration of the incident parallel light darge.
  • the reflector units 1 are mounted on a bottom plate 4.
  • the array of reflector units 1 is encompassed by a lateral border 5 and a transparent cover plate 6 which are firmly fixed to each other and to the bottom plate 4.
  • FIG. 2 shows schematically the beam path which occurs according to FIGS. 1 b and 1 c.
  • the reflector units can be controlled individually or in groups in other, not shown, applications of the device according to the invention Vor ⁇ direction by an appropriately trained Steuer ⁇ that from arbitrary radiation sources such as spotlights (light bulb) tube radiators (fluorescent tube) or pa ⁇ rallelem light (sun) Images with almost beechi ⁇ ger geometry (punctiform, rectangular, linear, broken lines, etc.) is generated.
  • arbitrary radiation sources such as spotlights (light bulb) tube radiators (fluorescent tube) or pa ⁇ rallelem light (sun)
  • FIGS. 3 to 5 represent devices of the prior art and have already been described in greater detail in the description of the description.

Abstract

Vorrichtung zur Konzentration von einfallendem Licht (7), insbesondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche (2) und einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche (2) und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden und derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes (7) steuert, wobei die mindestens eine reflektierende Oberfläche (2) einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwischen 10<SUP>-8 </SUP>m<SUP>2</SUP> und 0,5 m<SUP>2</SUP> aufweist und um mindestens 2 Achsen (3) bewegbar ist, und wobei die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.

Description

Vorrichtung zur Konzentration von Licht, insbesondere von Sonnenlicht
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrich- tung zur Konzentration von einfallendem Licht, insbe¬ sondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren neben¬ einander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflektierenden Oberfläche und einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektie- renden Oberfläche, und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausge¬ bildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängig¬ keit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallen¬ den Lichtes steuert.
Die vorliegende Vorrichtung kommt hauptsächlich in der Solarenergietechnik, insbesondere zur Konzentration von Sonnenlicht bei solarthermischen oder photovoltai- schen Anlagen zur Energiegewinnung oder zur dezentralen solaren Kraftwärmekopplung zur Anwendung. Die Vorrich¬ tung ermöglicht die Konzentration von Sonnenlicht auf eine beliebige Geometrie, beispielsweise einer zweidi¬ mensionalen Absorberfläche einer Solaranlage oder eines näherungsweise eindimensionalen Röhrenabsorbers, wie er von Parabolrinnenkonzentratoren bekannt ist.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vorrichtungen wurden insbesondere nach der ersten Ölkrise (1973/74) entwickelt, als welt- weit Forschungsprogramme zur Energieerzeugung aus sola¬ rer Strahlung umgesetzt wurden. Die Forschung und Ent- wicklung konzentrierte sich dabei u.a. auf solarthermi¬ sche Anlagen zur Nutzbarmachung der Energie des Sonnen¬ lichts. Bei den dabei entwickelten Anlagen kann zwi¬ schen punkt- und linienkonzentrierenden Anlagen unter- schieden werden.
Zu den linienkonzentrierenden Anlagen zählen die so genannten Parabolrinnenkonzentratoren, wie sie bei¬ spielsweise aus DE 197 44 767 C2 oder US 44 23 719 her- vorgehen, bei denen die einfallende parallele Sonnen¬ strahlung durch eine oder mehrere parabelförmig reflek¬ tierende Oberflächen linienförmig auf ein Absorberrohr, beispielsweise beschrieben in DE 102 31 467 B4, kon¬ zentriert wird. Parabolrinnenkonzentratoren werden in so genannten SEGS Kraftwerken (Solar Energy Generating Systems) eingesetzt, welche Leistungen in der Größen¬ ordnung von 50 MW und darüber erreichen.
Das Absorberrohr ist dabei meist mit einem eva- kuierten Glashüllrohr umgeben. Ein Querschnitt durch einen Parabolrinnenkonzentrator ist in der Figur 3 dar¬ gestellt. Sie zeigt, wie einfallendes paralleles Licht 7 durch die parabelförmig geformte spiegelnde Oberflä¬ che 2 auf das Absorberrohr 8 reflektiert wird. Das Ab- sorberrohr 8 ist umgeben von dem evakuierten Glashüll¬ rohr 9. Das Absorberrohr 8, bzw. das Glashüllrohr 9, wird dabei je nach Größe des Parabolrinnenkonzentrators alle 2 bis 6 Meter von einer Halterung gestützt. Gleichzeitig ist das Glashüllrohr 9 an dieser Stelle in der Regel über einen Faltenbalg mit dem Absorberrohr 8 verbunden. Dieser Bereich wird bei den heutigen Para¬ bolrinnenkonzentratoren mit der gleichen Strahlungs¬ dichte beaufschlagt, wie der dazwischen liegende Be¬ reich. Dies hat den Nachteil, dass zum einen die Strah- lungsenergie, da sie nicht auf das Absorberrohr trifft, so gut wie nicht genutzt wird und zum anderen die Me¬ tallverbindungen stark thermisch beansprucht werden, was zu Ausfällen (Bruch des Glashüllrohrs) gerade an diesen Stellen führt.
Ein weiterer Nachteil resultiert daraus, dass die heute bekannten Parabolrinnenkonzentratoren nur in ei¬ ner Achse gemäß dem momentanen Sonnenstand geneigt oder gedreht werden. Dadurch geht an den Enden des Parabol- rinnenkonzentrators durch den nicht senkrechten Einfall der Strahlung in der axialen Richtung des Parabolrin- nenkonzentrators immer ein Teil der Strahlung verloren.
Zu den punktkonzentrierenden Anlagen zählen bei¬ spielsweise solarthermische Kraftwerke. Sie bestehen heute meist aus einer Vielzahl von Reflexionseinheiten, den so genannten Heliostaten, die das Sonnenlicht punktförmig, d.h. auf eine kleine Fläche eines Absor- bers, konzentrieren, dem Absorber selbst, welcher in erster Näherung als Wärmeübertrager (Wärmetauscher) be¬ trachtet werden kann, der die konzentrierte Sonnen¬ strahlung absorbiert und die Energie einem Wärmeträger¬ medium, beispielsweise Wasser, Luft, Salzschmelze oder Thermoöl, zuführt, und einer Steuereinheit, die die re¬ flektierende Fläche der Heliostaten dem Sonnenstand entsprechend ausrichtet. Mit dem Wärmeträgermedium wird ein konventioneller Wärmekraftprozess betrieben. Die dabei entstehende Wärme und der Prozessdampf können ge- speichert, ausgekoppelt und in Strom umgewandelt wer¬ den.
Die bekannten Heliostaten von solarthermischen An¬ lagen weisen zumindest eine, meistens mehrere reflek- tierende Oberflächen (Spiegel) mit einer Spiegelfläche von mehreren Quadratmetern bis in die Größenordnung von 100 Quadratmetern und mehr auf. Der Aufbau eines Heli¬ ostaten umfasst heute zumeist eine Stahlträgerkonstruk- tion, die die Wind- und Gewichtslasten aufnimmt. Daran montiert ist eine oder sind mehrere spiegelnde Oberflä¬ chen, die in der Regel aus einer rückseitig verspiegel¬ ten Glasplatte bestehen. Als weitere reflektierende E- lemente sind mit Silber beschichtete Polymere und Dünn- glasspiegel bekannt. Die Stahlträgerkonstruktion ist dabei mit einer Anlenkung mit entsprechendem Antrieb verbunden, die Bewegungen der Stahlträgerkonstruktion um eine oder zwei unabhängige Achsen ermöglicht. Die Steuereinheit steuert die Anlenkung der Stahlträgerkon- struktion der jeweiligen Heliostaten in Abhängigkeit des Sonnenstandes derart, dass das Sonnenlicht immer auf die Absorberfläche konzentriert wird. Die Anlenkung der Stahlträgerkonstruktion selbst ist in der Regel in der Höhe von mehreren Metern über dem Erdboden, bei- spielsweise an einem vertikalen Mast, montiert. Die heute verwendeten Glasspiegel weisen aus Festigkeits- gründen eine Dicke von 3 mm bis 5 mm auf. Die Dimensio¬ nierung der Stahlträgerkonstruktion ergibt sich aus der maximalen Windgeschwindigkeit, bei der die Spiegel noch zum Einsatz kommen sollen, wobei noch eine ausreichende
Steifigkeit der Konstruktion zum Zweck der eindeutigen Abbildung der reflektierten Sonnenstrahlung auf die Ab¬ sorberfläche gegeben sein muss. Die maximale Windge¬ schwindigkeit für den Betrieb der heute bekannten HeIi- ostate liegt zwischen 40 und 50 km/h. Bei höheren Wind¬ geschwindigkeiten müssen sie in eine die Windlast redu¬ zierende Stellung gebracht werden. In Figur 4 sind fünf bekannte Formen von Heliosta¬ ten dargestellt, die zur Konzentration von Sonnenstrah¬ lung entwickelt wurden. Die unterschiedlichen Größen der dargestellten Heliostaten geben die Größenrelatio- nen wieder. Dabei reicht die realisierte Spiegelfläche von einigen Qudratmetern bis zu ca. 150 qm pro Heli¬ ostat.
In Figur 5 ist das Prinzip eines an sich bekannten Solarturmkraftwerkes dargestellt. Es zeigt ein Array von auf der Erdoberfläche angeordneten Heliostaten 10 , deren reflektierende Oberflächen 2 in der Kontur eines Paraboloiden angeordnet sind, der für einfallendes pa¬ ralleles Sonnenlicht 7 einen Fokalpunkt 11 der reflek- tierten Strahlung auf der Absorberfläche besitzt.
Nachteilig an den bekannten Parabolrinnenkon- zentratoren wie auch an den bekannten Heliostaten ist zudem, dass sie einen erheblichen Aufwand für die Rei- nigung der Anlagen erfordern, da die großen Spiegelflä¬ chen häufig nur über Hebebühnen für das Reinigungsper¬ sonal erreichbar sind.
Neben den angegebenen Nachteilen weisen die be- schriebenen, heute in der Solarenergietechnik einge¬ setzten Konzentratoren für Sonnenlicht, insbesondere die verwendeten Heliostate, hohe Material- und Herstel¬ lungskosten sowie ein hohes Gewicht auf. Betrachtet man das spezifische Gewicht in Bezug auf die Spiegelober- fläche der heute üblichen Heliostate, dann liegt dieses zwischen 25 kg/m2 und 60 kg/m2 Spiegeloberfläche. Die¬ ses Gewicht basiert auf der notwendigen Steifigkeit der Heliostate und kann bei gleichen oder ähnlichen Ausfüh¬ rungsformen aus statischen Gründen kaum gesenkt werden. Versuche mit Leichtbaumaterialien erbrachten wegen der damit einhergehenden höheren Materialkosten keine sig¬ nifikanten Vorteile.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Konzentration von einfal¬ lendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht derart aus¬ zubilden, dass die aufgeführten, sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vermieden werden und die Vorrichtung ein geringeres, auf die reflektierende Flä¬ che bezogenes, spezifisches Gewicht aufweist und kos¬ tengünstiger herstellbar ist.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patent¬ anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrati¬ on von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnen¬ licht, besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoreinheiten mit jeweils mindestens einer beweg¬ baren reflektierenden Oberfläche und einer Antriebsein- heit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche, und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten ver¬ bunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die Antriebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes steuert. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die mindes¬ tens eine reflektierende Oberfläche einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwischen 10"8 m2 und 0,5 m2, insbesondere zwischen 10'8 m2 und 10"4 m2, aufweist und um mindestens 2 Achsen bewegbar ist, und dass die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.
Durch den Einsatz von Mikroaktuatoren zur Bewegung der mindestens einen reflektierenden Oberfläche einer Reflektoreinheit in mindestens zwei unabhängigen Achsen und die Verwendung von kleinen reflektierenden Flächen zwischen 10"8 m2 und 0,5 m2, sind die Reflektoreinheiten der vorliegenden Vorrichtung mit geringen Bauhöhen von wenigen Millimetern bis zu einigen Dezimetern herstell¬ bar.
Als Mikroaktuatoren können bspw. an sich bekannte hydraulische, insbesondere mikrofluidische Stellelemen- te zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann der Mikroak- tuator auch ein piezoelektrischer Wandler sein oder zu¬ mindest einen piezoelektrischen Wandler enthalten. Die Mikroaktuatoren sind mit einer Steuereinheit verbunden und werden von dieser gesteuert. Die Mikroaktuatoren bewegen nach einem entsprechenden Signal der Steuerein¬ heit die reflektierende Oberfläche einer Reflektorein¬ heit in eine gewünschte Stellung. Durch die damit ein¬ hergehende Änderung des Winkels zwischen der Einfalls¬ richtung des einfallenden Lichts und der reflektieren- den Oberfläche kann die Richtung der reflektierten Strahlung direkt beeinflusst und gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Mikroaktuatoren derart ausgebildet und angeordnet, dass sie bei Stromausfall die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten in eine Ausgangslage bringen, in der keine konzentrierende Wirkung für einfallende Licht auftritt. Diese Ausgangslage kann eine horizontale Lage sein. Dies verhindert ein Überhitzen der Absorberflä¬ che.
Die reflektierende Oberfläche einer Reflektorein- heit ist dabei in der bevorzugten Ausführungsform eben ausgebildet und besteht aus einem Einzelspiegel, insbe¬ sondere aus einem eloxierten Aluminiumspiegel, einem Membranspiegel oder einem silberbeschichteten Polymer¬ spiegel. In weiteren Ausführungsformen kann die spie- gelnde Oberfläche unterschiedlich zwei- oder dreidimen¬ sionale geformt sein, bspw. konkav gekrümmt oder ge¬ wölbt sein. Im letztgenannten Fall tritt durch die Re¬ flexion an der reflektierenden Oberfläche eine zusätz¬ liche Konzentration des einfallenden Lichtes auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Reflektoreinheiten. Die Re¬ flektoreinheiten sind dabei vorzugsweise in einem oder mehreren Arrays horizontal oder ebenerdig bzw. nur leicht geneigt angeordnet und fest montiert. Die Steu¬ ereinheit ist derart ausgeführt, dass sie die zu Arrays zusammengefassten Reflektoreinheiten, d.h. die jeweili¬ gen Antriebseinheiten individuell oder in Gruppen in mindestens zwei unabhängigen Bewegungsachsen steuert. Damit die Vorrichtung erfindungsgemäß als Konzentrator für Licht einsetzbar ist, müssen die einzelnen reflek¬ tierenden Oberflächen gemäß der bestehenden, festen An¬ ordnungsgeometrie der Reflektoreinheiten und der Pro¬ jektionsfläche abhängig von einer ggf. variablen Posi- tion der Lichtquelle, bspw. der Sonne, gesteuert wer¬ den. Die Steuereinheit ist daher in einer Ausführungs- form zur Kompensation des variablen Sonnenstandes der¬ art ausgebildet, dass sie die Mikroaktuatoren und damit die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten nach einem Sonnenstandsalgorithmus steuert . In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung wird der aktuelle Sonnenstand von der Steuerein¬ heit mittels eines oder mehrerer dafür geeigneter Strahlungssensoren ermittelt und zur Steuerung der Mikroaktuatoren verwendet .
Durch die gegenüber den bekannten Heliostaten ver¬ gleichsweise geringe Bauhöhe, verlieren die von den Re- flektoreinheiten bei Installation in freier Umgebung aufzunehmenden Windlasten ihren wesentlichen Einfluss auf die Dimensionierung der Reflektoreinheiten hin¬ sichtlich Materialauswahl und Strukturfestigkeit. Hier¬ durch werden vor allem Gewichtseinsparungen und damit erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung er¬ zielt.
Aufgrund der bevorzugten ebenen Anordnung der Re¬ flektoreinheiten kann oberhalb der Reflektoreinheiten zum zusätzlichen Schutz gegen Windeinfluss, Verschmut¬ zung oder andere Umwelteinflüsse eine lichttransparente Abdeckung installiert werden. Zudem können seitliche Einfassungen vorgesehen werden, die zum besseren Schutz der Vorrichtung mit der transparenten Abdeckung verfügt werden können. Die transparente Abdeckung sollte vor¬ teilhafterweise ein- oder beidseitig verspiegelt sein.
Darüber hinaus ist es möglich, die Vorrichtung als komplette Baueinheit aufzubauen. Dabei sind die Reflek- toreinheiten auf einer Bodenplatte montiert und diese bildet zusammen mit daran fest verfügten seitlichen Einfassungen und der transparenten Abdeckung eine Bau¬ einheit mit einer Bauhöhe von wenigen Millimetern bis einigen Dezimetern. Zur Reinigung der transparenten Abdeckung kann in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ein automati¬ sches oder halbautomatsich.es Reinigungssystem vorgese- hen werden.
Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung ist die Solarenergietechnik. Darüber hinaus ist sie auch für optische Anlagen zur Bildprojektion, bspw. für Werbezwecke oder zur Tageslicht-Leitung und Tageslicht- Lenkung in Gebäuden einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik zusammenfassend folgende Vorteile auf:
Bei Solarturmanlagen hängt heute die Variabilität der Strahlungsflussverteilung auf der Absorberfläche von der Größe des Strahlungsbildes eines einzelnen Heliostaten auf der Absorberfläche ab. Je kleiner das Bild ist, umso besser können gewünschte meist möglichst homogene Strahlungsflussverteilungen unter extremen Einstrahlungsbedingungen erzielt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt die Bedin¬ gung eines kleinen Strahlungsbildes im besonderen Maße durch die sehr kleinen und flachen Einzelspie¬ gel .
Durch eine ebenerdige bzw. nur leicht geneigte aber feste Montage der Refektoreinheiten verlieren die Windlasten ihren wesentlichen Einfluss auf die Di- mensionierung der Refektoreinheit, wodurch die Re- fektoreinheiten auch bei höheren Windgeschwindigkei¬ ten zum Einsatz kommen können und die Effizienz von Solaranlagen erheblich gesteigert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Re¬ duktion des Gewichts und damit des Materialaufwands auf wenige kg/qm Spiegeloberfläche und bietet da¬ durch ein hohes Kostenreduktionspotential, Bei einem Stromausfall fahren die einzelnen reflek¬ tierenden Oberflächen bspw. in eine horizontale Aus¬ richtung zurück und defokussieren die Abbildung (Strahlung auf der Absorberfläche) . Hierdurch ver¬ ringern sich die Anlagenkosten bspw. eines Solar- thermischen Kraftwerks, da auf eine schnelle Not- stromversorgung für die Reflektoreinheiten verzich¬ tet werden kann. Die schnelle NotStromversorgung ist bei den heutigen Heliostaten erforderlich, da diese bei Stromausfall in ihrer Position verharren, was zur Zerstörung des dann ungekühlten Absorbers führen kann. Zusätzlich werden bauliche Maßnahmen ergrif¬ fen, um den Absorber zu kühlen.
Durch die erzielbare flache Bauweise wird eine In¬ tegration des Konzentrators als Fassadenelement oder Dachelement ermöglicht. Hierdurch ergeben sich völ¬ lig neue Anwendungen z.B. bei der Tageslichtnutzung über Light-Pipes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bereits in kleinen Baugrößen von wenigen Quadratmetern in der Lage, hohe Konzentrationen von Licht (>l000kw/m) in variablen Brennpunkten zu erzeugen. Hierdurch wird es erstmalig möglich, kleine dezentrale Kraftwerks- einheiten (z.B. mit Sterling Motor) zu schaffen, die auf Schräg- und Flachdächern zur Kraftwärmekopplung eingesetzt werden können.
Wegen der nahezu horizontalen Anordnung der Reflek¬ toreinheiten und der beschriebenen Verkapselung las- sen sich diese einfach mit einem automatischen Rei¬ nigungsSystem reinigen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht wie schon ausgeführt eine nahezu beliebige Ausleuchtung einer Bildfläche. Hierdurch eignet sie sich beson¬ ders für die Kombination mit Solarzellen zur foto¬ elektrischen Stromerzeugung aus konzentrierter So¬ larstrahlung, da sie hinsichtlich der Strahlungs¬ dichte eine nahezu homogene Ausleuchtung der Solar- Zeilen garantiert. Lässt sich der Energieeintrag pro Zelle oder einer Anzahl von Zellen erfassen, z.B. durch Widerstandsmessung, dann kann die Strahlungs- flussverteilung auf die Zellen über die Ansteuerung der einzelnen Reflektoreinheiten gemäß einer optima- len energetischen Nutzung der Strahlung gesteuert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch zur Erzeugung einer linienförmigen Abbildung der einfallenden Strahlung, wie dies in Parabolrinnen- konzentratoren der Fall ist. Mit der erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung kann die Strahlung zu jeder Zeit so gelenkt werden, dass alle Strahlung ausschließlich auf das Absorberrohr fällt und die Faltenbalgverbin- dungen von der Bestrahlung ausgenommen werden. Der heutige Verlust durch die Bestrahlung der Faltenbäl¬ ge entspricht etwa 5% der konzentrierten Strahlung eines Parabolrinnenkraftwerks.
Da heute bekannte Parabolrinnenkonzentratoren nur in einer Achse gemäß dem momentanen Sonnenstand ge- neigt/gedreht werden, geht an den Enden des Parabo- rinnenkonzentrators durch den nicht senkrechten Ein¬ fall der Strahlung in der axialen Richtung des Para- bolrinnenkonzentrators immer ein Teil der Strahlung verloren. Auch dies lässt sich durch die erfindungs- gemäße Vorrichtung durch Steuerung der einzelnen re¬ flektierenden Oberflächen vermeiden.
Auf Grund der planar ausgerichteten Bauweise und der kleinen Spiegelflächen ergibt sich eine Gewichtsre¬ duzierung, wodurch sich völlig neue Anwendungsgebie¬ te erschließen. Die Nutzung im häuslichen Bereich zur dezentralen Energie- und Wärmeversorgung wird möglich, da die Reflektoreinheiten platzsparend und ohne die Notwendigkeit einer massiven Unterkonstruk¬ tion auf Dachflächen montiert werden können.
Durch die Fähigkeit, das reflektierte Licht besser konzentrieren und leiten zu können, wird eine Effi¬ zienzsteigerung erreicht. Dadurch kann Spiegelfläche eingespart werden bzw. mit der gleichen Spiegelflä¬ che eine höhere Lichtausbeute erzielt werden.
Die Reflektoreinheiten können durch die erheblich reduzierten Windlasten auch bei höheren Windge¬ schwindigkeiten betrieben werden, wodurch sich Mög- lichkeiten des Einsatzes an der Küste oder im Offs- hore-Bereich ergeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des durch die Ansprüche vorgegebenen Schutzbereichs an¬ hand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Dabei zeigt
Fig. Ia arrayförmige Anordnung von Reflektoreinheiten mit quadratischen reflektierenden Oberflä¬ chen, Fig. Ib,c Querschnitte durch das Array der Figur Ia entlang der Schnittlinien A-A (Figur Ib) und B-B (Figur Ic) ,
Fig. 2 schematische Darstellung des Strahlengangs bei der Konzentration von einfallendem paral¬ lelem Licht nach Reflexion an den reflektie¬ renden Oberflächen der Reflektoreinheiten,
Fig. 3 schematische Querschnittsdarstellung eines Parabolrinnenkonzentrators mit Strahlengang (Stand der Technik) ,
Fig. 4 schematische Darstellung bekannter Heliosta¬ ten (Stand der Technik) , und
Fig. 5 schematische Darstellung eines solarthermi¬ schen Kraftwerks mit angeordneten Heliostaten und einer erhoben angebrachten Absorberfläche
(Stand der Technik) .
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Figur Ia ist eine erfindungsgemäße arrayförmige Anordnung von Reflektoreinheiten 1 mit einzelnen quad¬ ratischen, reflektierenden Oberflächen 2 schematisch dargestellt. Die reflektierenden Oberflächen 2 der ein- zelnen Reflektoreinheiten 1 sind um zwei unabhängige Bewegungsachsen 3 bewegbar.
In den Figuren Ib und Ic sind die Stellungen der einzelnen reflektierenden Oberflächen 2 entlang der Schnittlinien A-A und B-B durch das Array der Reflek- toreinheiten 1 für den Fall einer nahezu punktförmigen Konzentration des einfallenden parallelen Lichts darge¬ stellt. Die Reflektoreinheiten 1 sind auf einer Boden¬ platte 4 montiert. Das Array der Reflektoreinheiten 1 ist von einer seitlichen Umrandung 5 und einer transpa¬ renten Abdeckplatte 6 umfasst, die miteinander und mit der Bodenplatte 4 fest verfügt sind. Die Figur 2 zeigt schematisch den gemäß der Abbildungen Ib und Ic auftre¬ tenden Strahlengang.
Die Reflektoreinheiten können bei weiteren, nicht dargestellten Anwendungen der erfindungsgemäßen Vor¬ richtung durch eine entsprechend ausgebildete Steuer¬ einheit einzeln oder in Gruppen so angesteuert werden, das aus beliebigen Strahlungsquellen wie Punktstrahlern (Glühbirne) Röhrenstrahlern (Leuchtstoffröhre) oder pa¬ rallelem Licht (Sonne) Abbildungen mit nahezu beliebi¬ ger Geometrie (punktförmig, rechteckig, linienförmig, unterbrochene Linien etc.) erzeugt wird.
Die Figuren 3 bis 5 stellen Vorrichtungen des Standes der Technik dar und wurden bereits in der Be¬ schreibungseinleitung näher erläutert.
Bezugszeichenliste
I Array von Reflektoreinheiten 2 Reflektierende Oberfläche
3 Unabhängige Bewegungsachsen
4 Bodenplatte
5 Seitliche Umrandung / Einfassung
6 Abdeckplatte 7 Einfallendes (paralleles) Licht
8 Absorberrohr
9 Glashüllrohr
10 Array von Heliostaten
II Fokalpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Konzentration von einfallen- dem Licht (7), insbesondere von Sonnenlicht, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Reflektorein¬ heiten mit jeweils mindestens einer bewegbaren reflek¬ tierenden Oberfläche (2) und einer Antriebseinheit zur Bewegung der reflektierenden Oberfläche (2) , und einer Steuereinheit, die mit den Antriebseinheiten verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass sie die An¬ triebseinheiten in Abhängigkeit des Lichteinfalls zur Konzentration des einfallenden Lichtes (7) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine reflektierende Oberfläche (2) einer jeweiligen Reflektoreinheit eine Fläche zwi¬ schen 10 m u uniidu. 0 υ,,53 r uni , , i XniIsobJJetJsi-SoLJnXidUetUre e z -swwixstsctJhiieenii 1 x0υ~" π inr und 10 -4 m , aufweist und um mindestens 2 Achsen (3) be¬ wegbar ist, und dass die Antriebseinheiten Mikroaktuatoren sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die Reflektoreinheiten nach einem Sonnenstandsalgorithmus steuerbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mit min¬ destens einem Strahlungssensor verbindbar ist, dass die Steuereinheit und der Strahlungssensor derart ausgebil¬ det sind, dass sie die Ermittlung des Sonnenstandes er¬ möglichen, und dass die Steuereinheit die Antriebsein¬ heiten und damit die reflektierenden Oberflächen (2) abhängig von dem mit dem Strahlungssensor erfassten Sonnenstand steuert.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren hyd¬ raulische, insbesondere mikrofluidische Stellelemente sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren piezo¬ elektrische Wandler sind oder zumindest einen piezo¬ elektrischen Wandler enthalten.
6. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Reflektorein¬ heiten eine transparente Abdeckung (6) , insbesondere aus Glas oder Plexiglas, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitliche Einfassung
(5) und eine transparente Abdeckung (6) vorgesehen sind, die miteinander zum Schutz der Reflektoreinheiten verfügt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten auf einer Bodenplatte (4) aufgebracht sind und zusammen mit der seitlichen Einfassung (5) und der daran angefügten transparenten Abdeckung (6) eine Baueinheit mit einer Bauhöhe von wenigen Millimetern bis einigen Dezimetern bilden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein automatisches Reini- gungssystem zur Reinigung der transparenten Abdeckung (6) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung
(6) ein- oder beidseitig entspiegelt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten in einer Ebene oder annähernd eben angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheiten in einem Array (1) oder in mehreren Arrays angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende O- berflache aus einem Einzelspiegel besteht, insbesondere aus einem eloxierten Aluminiumspiegel, einem Membran¬ spiegel oder einem silberbeschichteten Polymerspiegel, wobei der Einzelspiegel eben, zwei- oder dreidimensio¬ nal geformt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit der¬ art ausgeführt ist, dass die Reflektoreinheiten indivi¬ duell oder in Gruppen in mindestens zwei Achsen steuer¬ bar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroaktuatoren derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie bei einem Stromausfall die reflektierenden Oberflächen der Reflektoreinheiten in eine Ausgangslage bringen, in der keine konzentrierende Wirkung für das einfallende Licht auftritt.
16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der An¬ sprüche 1 bis 15 zur Konzentration von Sonnenlicht bei Solaranlagen.
17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der An- Sprüche 1 bis 15 zur Konzentration von Licht aus Punkt¬ quellen, Linienquellen, oder Parallelstrahlungsquellen auf eine beliebige Geometrie.
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Inventor name: ANSORGE, FRANK

Inventor name: REINL, MARKUS

Inventor name: WOLTER, JOERG

Inventor name: HOFFSCHMIDT, BERNHARD

Inventor name: HANISCH, HORST

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