EP2300753A1 - Rinnenkollektor für ein solarkraftwerk - Google Patents

Abstract

Gezeigt ist ein Rinnenkollektor (1) für ein Solarkraftwerk mit einer eine Tragstruktur (30) tragenden Lagerung (34), mit an der Tragstruktur (30) angeordneten Mitteln zu Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme, und mit einer an der Tragstruktur (30) festgelegten Verschwenkeinrichtung (40) zum Verschwenken der Tragstruktur (30) gegenüber der Lagerung (34), wobei die Schwerlinie (36) der mit den Mitteln zur Bereitstellung der Wärme versehenen Tragstruktur (30) ausserhalb der Verschwenkachse der Tragstruktur (30) liegt, und wobei die Verschwenkeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass die Schwerlinie (39) der vollständig bestückten Tragstruktur (30) im Bereich einer festen Verschwenkachse (35) liegt. Dadurch ergibt sich ein einfacher, kostengünstiger und spielfreier Verschwenkantrieb für den Rinnenkollektor.

Description

Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Solarthermische Kraftwerke produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugten Strom liegen.

In solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte- Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.

Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensyste- me.

Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Kon- zentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen, was diese in ihrer Konstruktion grundlegend von den Dish-Sterling- und Solarturmkraftwerken unterschiedet. Diese Rinnenkollektoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu .150 m, während die Breite 3 m, 5 m und mehr erreichen kann. In der Brennlinie verläuft eine Absorberleitung für die konzentrierte Wärme (bis gegen 400⁰C), wel- che diese zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt ein Fluid wie z.Bsp. Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage, welches in den Absorberleitungen zirkuliert.

Obschon ein Rinnenkollektor vorzugsweise als Parabolrinnenkollektor ausgebil- det ist, werden häufig Rinnenkollektoren mit sphärischem oder nur annährend parabolisch ausgebildetem Konzentrator verwendet, da ein exakt parabolischer Konzentrator mit den oben genannten Abmessungen nur mit grossem, damit wirtschaftlich kaum sinnvollen Aufwand herzustellen ist.

Die 9 SEGS-Rinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW; ein zusätzliches Kraftwerk in Nevada soll zur Zeit ans Netz gehen und über 60 MW liefern. Ein weiteres Beispiel für ein Rinnenkraftwerk ist das im Bau befindliche Andasol 1 in Andalusien, mit einer Kon- zentratorfläche von 510¹OOO m² und 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberleitungen ca. 400° C erreichen soll. Das Leitungssystem für die Zirkulation des wärmetransportierenden Fluids kann in solchen Kraftwerken eine Länge von bis zu 100 km erreichen, oder mehr, wenn die Konzepte für die künftigen Grossanlagen realisiert werden. Die Kosten für Andasol 1 werden auf mehrere hundert Millionen € veranschlagt.

Überschlagsmässig lässt sich festhalten, dass ein immer grosserer Anteil der Gesamtkosten, heute z.Bsp. 65% oder mehr, bei solch einem Solarkraftwerk auf die Rinnenkollektoren und das Leitungssystem für das Wärme transportie- rende Fluid entfallen.

Die Rinnenkollektoren der genannten Art sind verschwenkbar ausgebildet, um bei Nord-Süd Ausrichtung dem täglichen oder bei West-Ost Ausrichtung dem saisonalen Sonnenstand (aber mit ebenfalls täglicher, jedoch geringerer Ver- änderung des Sonnenstandes) nachgefahren werden zu können. Dabei ist eine exakte Ausrichtung auf den aktuellen Sonnenstand für einen hohen Wirkungsgrad des Kraftwerks entscheidend. Ein Fehler in der Ausrichtung von 3,5 mrad, d.h. 0,2°, gilt heute als Grenze des vernünftigerweise Tolerierbaren; dabei ist zu erwarten, dass angesichts der fortschreitenden Technologie die Anforderun- gen strenger werden.

Angesichts des hohen Gewichts des Kollektors insbesondere bei grossen Abmessungen (s. oben) ist der Verschwenkantrieb oft aufwendig herzustellen. Die Tragstruktur für den parabolisch oder sphärisch ausgebildeten Rinnenkon- zentrator muss diesen bekanntlich von hinten in der Art einer Klammer umfassen, um dessen vordere, der Sonne zugewendete reflektierende Fläche vollständig frei zu halten. Dies führt schnell zu aufwendigen Strukturen für die La- gerung und Bewegung des Konzentrators, die dann bei der manchmal uner- lässlichen Anwendung von Leichtbau zusätzlich kostenintensiv sind.

Dabei ist nicht nur zwischen hohem Gewicht und Präzision der Bewegung zu optimieren, sondern auch zu berücksichtigen, dass sich der Kollektor durch Bewegung oder Ausrichtung oder auch durch Windangriff nicht unzulässig verzieht. Zwar mag bei solchen Strukturen ein Verzug als solcher konstruktiv in der Regel unproblematisch sein, hat aber dann negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, da sich der Verzug zum Fehler in der Ausrichtung addiert.

Optimalerweise würde ein Kollektor dem Sonnenstand laufend nachgefahren, häufig wird der Kollektor jedoch der Einfachheit halber schrittweise nachgerichtet.

Für die Ausrichtung nach dem täglichen Sonnenstand (entsprechend einer Nord-Süd Ausrichtung des Kollektors) z.Bsp. bedeutet dies, dass der Kollektor nachgerichtet wird, wenn sich der Sonnenstand um 2 mal 3,5 mrad = 0,4° verändert hat (bei einer konkreten Ausrichtung befindet sich die Sonne zuerst um den zulässigen Fehler im Rückstand, steht dann genau über dem Kollektor und läuft dann um den zulässigen Fehler vor). Dies würde bedeuten, dass der KoI- lektor alle 69,12 Sekunden in der erforderlichen Genauigkeit nachzurichten ist. Es versteht sich dabei von selbst, dass die Richtbewegung exakt sein muss, d.h. Korrekturbewegungen nach erfolgter Richtung unerwünscht sind.

Auch bei einer West-Ost Ausrichtung des Kollektors ändert der Sonnenstand tagsüber um mehr als den zulässigen Fehlerbetrag, so dass der Kollektor täglich mehrfach nachzurichten ist.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für die Aus- richtbewegung verbesserten Rinnenkollektor zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe besitzt der erfindungsgemässe Rinnenkollektor die Merkmale von Anspruch 1.

Dadurch, dass die Schwerlinie der verschwenkbaren Anordnung 2 trotz der grundsätzlich asymmetrischen Konstruktion (die Struktur umklammert den Konzentrator von hinten) im Bereich der nun ortsfesten Verschwenkachse liegt, sind über den gesamten Verschwenkbereich die Haltekräfte zur Sicherung der jeweiligen Lage der Anordnung 2 konstant, was erlaubt, einen vereinfachten Verschwenkantrieb vorzusehen. Zudem sind die für die Ausrichtbewegung selbst notwendigen Kräfte nun auf die Reibung reduziert, und damit konstant, was den Weg zu einer kontinuierlichen Ausrichtbewegung öffnet. Dies wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad des Kollektors aus, der so dauernd, und nicht mehr intermittierend, optimal auf die Sonne ausgerichtet werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lagerung der Anordnung symmetrisch zu deren Schwerlinie angeordnet. Dadurch werden auch die Haltekräfte zur Sicherung der jeweiligen Verschwenklage der Anordnung 2 auf das Mi- nimum, d.h. das Gewicht der Anordnung 2 reduziert und sind konstant. Die Anordnung 2 befindet sich in jeder Lage in Ruhe, so dass über den gesamten Verschwenkbereich Haltekräfte zur Sicherung der jeweiligen Lage nicht notwendig sind. Geringere Anforderungen an die Konstruktion der Anordnung selbst und an den Verschwenkantrieb sind die Folge, welcher entsprechend ein- fach für die notwendigerweise präzise Bewegung ausgelegt werden kann.

Im Ganzen wird nebst der konstruktiven Vereinfachung der Tragstruktur auch ein verbesserter Wirkungsgrad durch die mögliche, kontinuierlich erfolgende Ausrichtung zur Sonne erreicht.

Dadurch, dass bei noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäs- sen Rinnenkollektors auf die Anordnung 2 wirkende Gegengewichte eingesetzt werden, um durch die veränderte Masseverteilung die Lage der Schwerlinie in den Bereich der Verschwenkachse zu bringen, können konventionelle Konstruktionen, erfindungsgemäss modifiziert, Verwendung finden. Damit sind auch Nachrüstungen möglich, was bei bestehenden Kraftwerken zu einem beträchtlichen Kostenvorteil führen kann. Totgewichte können bei noch einer mo- difizierten Ausführungsform eingespart werden, wenn die Masse des Ver- schwenkantriebs derart angeordnet wird, dass sie die Funktion eines Gegengewichts erfüllt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Rinnenkollektor bekannter Art

Rg. 2 einen Qerschnitt durch den Rinnenkollektor von Fig. 1

Rg. 3 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Rinnenkollektors,

Fig. 4 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Rinnenkollektors,

Rg. 5 den Schnitt AA durch die Tragstruktur von Rg. 3

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines im Stand der Technik bekannten Rinnenkollektors 1 mit einer Anordnung 2 zur Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme und einer Lagerung 3, auf welcher die Anordnung 2 ruht. Solche Kollektoren 1 können die oben genannten Abmessungen aufweisen (z.Bsp. eine Länge von 150m) oder diese sogar noch übertreffen, bei solch grossen Abmessungen liegt das Gewicht der Anordnung 2 ohne Weiteres zwischen 10 und 20 t.

Die Anordnung 2 umfasst einen Rahmen 4 für eine Druckzelle 5, die ihrerseits mindestens teilweise aus einer flexiblen Membran 6 besteht, deren kissenartige Wölbung durch die Hilfslinien 7 angedeutet ist. Bevorzugt wird der Rahmen 4 (einschliesslich der Lagerung 3) aus Beton ausgeführt, was Vorteile im Hinblick auf die kostengünstige Herstellung vor Ort, insbesondere in unwegsamen Ge- bieten, mit sich bringt.

Der Aufbau der in die Anordnung 2 eingespannten Druckzelle 5 ist beispielhaft in Figur 2 näher erläutert; die aus dem Sonnenlicht gewonnene Wärme wird über ein zur Entlastung der Figur nicht dargestelltes, konventionelles Leitungs- netz vom Kollektor 1 abgeführt und im Solarkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt.

Die Lagerung 3, hier bestehend aus Stützen 8 und Füssen 9, trägt die Anordnung 2, wobei an letzterer eine Verschwenkeinrichtung 10 teilweise festgelegt ist, die hier einen gebogenen Verschwenkbügel 11 aufweist, über den der Rahmen 4, d.h. die Anordnung 2, gegenüber der Lagerung 3 verschwenkt werden kann, bis diese dem Sonnenstand nach ausgerichtet ist.

Solch eine Anordnung ist dem Fachmann bekannt, z. Bsp. aus der WO 2008/0037108, oder aus den oben erwähnten Solarkraftwerken, insbesondere im Hinblick auf die Verschwenkantriebe des Stands der Technik.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung ist beispielhaft für den Stand der Technik; die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen Rinnenkol- lektor der gezeigten Art (hier: mit einer Druckzelle, die mit einem Sekundär- konzentrator ausgerüstet ist) eingeschränkt. Ebenso kann irgendein geeignetes Fachwerk zur Aufnahme des Konzentrators vorgesehen sein, der auch aus Metall bestehen kann.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor 1 von Figur 1, wie er näher in der schweizerischen Patentanmeldung CH 2008/0462 dargestellt ist.

Die Druckzelle 5 ist im Rahmen 4 eingespannt und besteht mindestens teilwei- se aus einer flexiblen Membran, nämlich hier aus einer für Sonnenstrahlung 20 transparenten Membran 21 sowie aus einer mit einer reflektierenden Schicht 22 bedeckten Membran 23, welche zusammen den Konzentrator 24 des Rinnenkollektors 1 bilden. Über einen Sekundärkonzentrator 25 wird die Sonnen- Strahlung 20 zu einer Absorberleitung 26 reflektiert, welche die Wärme der Sonnenstrahlung 20 auf bekannte Weise abführt.

Die Druckzelle 5, insbesondere mit dem Konzentrator 24, der Sekundärkonzentrator 25 und der Absorberleitung 26 gehören zur Anordnung zur Bereitstel- lung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme.

Es versteht sich aber von selbst, dass die genannte Anordnung 2 zur Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme alles umfasst, was im konkreten Fall dem genannten Zweck dient, seien dies konventionelle, in den Rahmen 4 eingelegte Konzentratoren aus Metall, verschiedene Konstruktionen zur Aufhängung des Konzentrators, verschiedene Systeme für die Absorberleitungen oder weitere solche Elemente, wie sie im jeweiligen .Rinnenkollektor für ein bestimmtes Solarkraftwerk verbaut sind. Es handelt sich - abgesehen von Teilen der Lagerung - um diejenige Ausrüstung, welche die Lage des Schwerpunkts bzw. der Schwerlinie der des verschwenkbaren Teils, d.h. der Anordnung 2 des Rinnenkollektors 1 mitbestimmt.

Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Verschwenkantrieb 12 (bestehend z.Bsp. aus angetriebenen Rollen 13, die den Verschwenkbügel 11 zwischen sich hin- durchziehen) geeignet ist, den Konzentrator 24 zwischen den Positionen horizontal / annähernd vertikal zu verschwenken. Der Schwerpunkt der mit den Mitteln zur Bereitstellung der Wärme versehenen Anordnung 2 liegt bei solch einer konventionellen Konstruktion ausserhalb der momentanen Verschwenk- achse der Anordnung 2 (oder liegt, je nach Geometrie der Verschwenkeinrich- tung 10, in einer einzelnen Verschwenklage nur zufällig auf dieser). Es folgt, dass der Verschwenkantrieb 12 je nach Verschwenkposition durch das gemeinsame Gewicht der Tragstruktur 2 und den Mitteln zur Bereitstellung von Wärme unterschiedlich, aber dauernd unter Last gehalten wird und entsprechend aufwendig konstruiert sein muss.

Figur 3 zeigt einen Qerschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Rinnenkollektor 70 gemäss einer ersten Ausführungsform. Dargestellt ist eine Anordnung 71 zur Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme und Mittel 72 zur verschwenkbaren Lagerung der Anordnung 71.

Zur Entlastung der Figur nur schematisch angedeutet ist eine Druckzelle 5 mit dem Konzentrator 24, dem Sekundärkonzentrator 25 und dem Absorberrohr 26. Die Druckzelle ist zwischen Längsträgern 75, 76 angeordnet und wird durch diese aufgespannt, die Längsträger 75,76 wiederum ruhen auf Querverstrebungen 77,78, die in einen Lagerkraπz 79 mit einem kreisbogenförmigen Abschnitt 79' übergehen, welcher seinerseits auf Auflagern 80,81 ruht.

Der Lagerkranz 79 ist somit endseitig mit je einem Längsträger 75,76 verbunden, derart, dass die Längsträger 75,76 und damit der Konzentrator 24 über eine Bewegung des Lagerkranzes 79 um die Verschwenkachse 88 herum verschwenkbar sind.

Der kreisbogenförmige Abschnitt 79' ist senkrecht zur Verschwenkachse 84 der Anordnung 2 und gegen unten abstehend angeordnet. Die Auflager 80,81 sind geeignet ausgebildet, hier mit Rollen 82, 83, so dass der Lagerkranz 79 in den Auflagern 80,81 gedreht werden kann, womit die Anordnung 2 als Ganzes betriebsfähig gegenüber den stationären Auflagern 80,81 verschwenkbar ist. Zur Entlastung der Figur ist ein Verschwenkantrieb weggelassen; dieser kann aus einem Motor bestehen, der über ein Ritzel auf einen am Abschnitt 79' angeordneten Zahnkranz wirkt). Die Auflager 80,81 wiederum sind auf einem Fundament 85 verankert, also gegenüber dem Untergrund 86 stationär. Die Höhe des Fundaments 85 ist auf den gewünschten Verschwenkbereich des Kollektors 70 abgestimmt: die minimale Höhe h wird derart bestimmt, dass die Längsträger 75,76 (bzw. die am weitesten aussen liegenden Elemente der Anordnung 2) bei maximaler Verschwenkung immer noch den gewünschten Abstand vom Untergrund 86 aufweisen. Aufgrund der dargestellten Geometrie der Anordnung 2, insbesondere des kreisbogenförmigen Abschnitts 79' des Lagerkranzes 79, ergibt sich eine ortsfeste Verschwenkachse 88 der Anordnung 2, die durch das Krümmungszent- rum 85 des kreisbogenförmigen Abschnitts 79' verläuft.

Der Schwerlinie 89 der langgestreckten Anordnung 2 ist gegeben durch deren Masseverteilung, die wiederum von der Auslegung der verschiedenen Bestandteile der Anordnung 2 (Druckzelle 5, Längsträger 75,76, Querverstrebungen 77,78 etc.) und insbesondere auch von der Länge des Krümmungsradius 90 abhängt. Die Länge des Krümmungsradius 90 kann in Verbindung mit den genannten Elementen vom Fachmann nun derart bestimmt werden, dass die Verschwenkachse 84 im Bereich der Schwerlinie 89 der liegt.

Obschon die genannten Parameter sich alle gegenseitig beeinflussen ist es dem Grundsatz nach so, dass die Lage der Verschwenkachse 88 gezielt so bestimmt wird, dass sie in dem Bereich liegt, in dem die Schwerlinie 89 auf Grund der allgemeinen konstruktiven Bedürfnisse liegt. Die Verschwenkachse 88 folgt der Schwerlinie 89 nach.

Mit anderen Worten ist es bei dieser Ausführungsform erfindungsgemäss möglich, die Anordnung 2 im konkreten Fall ihrer Funktion gemäss optimal auszulegen, ohne dass auf den Ort der Schwerlinie 89 Rücksicht genommen- werden muss. Dann kann einfach durch geeignete Dimensionierung des Lagerkranzes 79 die Verschwenkachse 88 in den Bereich der Schwerlinie 89 gelegt werden.

Die Verwendung des Lagerkranzes 79 ermöglicht, die Verschwenkachse 88 günstig im Bereich der Druckzelle 5 anzuordnen, was bei konventionellen Konstruktionen aufgrund der in der Verschwenkachse anzuordnenden Lager nur unter erheblichem konstruktivem Aufwand realisiert werden kann oder gar nicht möglich ist.

Es resultiert eine Konstruktion, die im Hinblick auf Aufwand, Kosten und Ge- wicht optimiert ist und gleichzeitig hochpräzis ausgerichtet werden kann.

Bevorzugt fallen Verschwenkachse 88 und Schwerlinie 89 zusammen, so dass sich die erfindungsgemässen Vorteile optimal realisieren (z.B. konstante Halte- kräfte für die Anordnung 2, Kräfte für die Ausrichtbewegung auf die Reibung reduziert). Fallen Verschwenkachse 88 und Schwerlinie 89 nicht zusammen, kann dies aus den im Zusammenhang mit Figur 5 geschilderten Gründen

(Windangriff, sonstige Randbedingungen) geschehen. Der Fachmann bestimmt dann, wie in Zusammenhang mit Figur 5 dargelegt, den Distanzbereich von Verschwenkachse 88 und Schwerlinie 89 z.B. aufgrund von Windbelastung oder anderen lokal auftretenden Faktoren.

Die Auflager 80,81 sind, wie aus der Figur ersichtlich, gegenüber einer strichpunktiert angedeuteten, vertikalen Ebene 91, die durch die Schwerlinie 89 ver- läuft, symmetrisch ausgebildet. Sie liegen unter der Schwerlinie 89, und symmetrisch zu dieser. Ein allfälliges einziges Auflager würde vertikal unter der Schwerlinie 89 angeordnet, mehrere Auflager unter dieser und symmetrisch zu dieser. Damit reduzieren sich die Haltekräfte für die Anordnung 2 auf deren Gewicht; Momente durch exzentrische Lagerung treten nicht mehr auf.

Wie oben erwähnt, können Rinnenkollektoren eine erhebliche Länge aufweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besitzt deshalb die tragende Struktur der Anordnung 2 (jedoch nicht notwendigerweise die Druckzelle 5) einen mo- dularen Aufbau. Bevorzugt besitzen die Module dieselbe Grundstruktur mit je zwei gegenüberliegenden Längsträgern von z.B. 10 m Länge und einen zu diesen senkrecht angeordneten Lagerkranz, dem dann mindestens ein Auflager zugeordnet ist. Entsprechend wird das Gewicht jedes Moduls über seinen Lagerkranz gelagert, was erlaubt, die tragende Struktur der Anordnung 2 zu vereinfachen, da sie an den gewünschten Orten über einen Lagerkranz abgestützt werden kann, also im Hinblick auf das Gewicht des Rinnenkollektors 70 keine grosse Steifigkeit besitzen muss. Auch wenn die endseitigen Module gegenüber den innen liegenden Modulen der Natur der Sache nach modifiziert ausfallen müssen, besitzen doch alle Module vorteilhafterweise im Wesentlichen die- selbe Grundstruktur.

Figur 4 zeigt eine Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Rinnnenkollektors 100. Dargestellt ist eine Anordnung 30 zur Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme mit einem zweiteiligen Trägerrahmen 31,31' in welchen z.Bsp. eine Druckzelle 5 (Figur 2) eingespannt oder ein konventioneller, metallischer Konzentrator angebracht werden kann. Solch eine Druckzelle bzw. solch ein Konzentrator und die weiteren jeweiligen Mittel zur Bereitstellung von Wärme sind zur Entlastung der Figur weggelassen; sie sind grundsätzlich konventioneller Natur und können vom Fachmann für die konkrete Anwendung definiert werden.

Der Trägerrahmen 31,31' ruht auf einer Anzahl Querverstrebungen 32, die der Tragstruktur 30 angehören, und deren konkave Form vom Zweck bestimmt ist, einen parabolischen bzw. sphärischen Konzentrator oder eine Druckzelle 5 aufzunehmen. Die Querverstrebungen 32 sind ihrerseits über Verschwenkteger 33 von Stützen 34 an diesen gelagert. Alle Verschwenklager 33 sind somit stationär und bestimmen eine gemeinsame, durch die strichpunktierte Linie angedeutete, feste Verschwenkachse 35. Diese liegt, konstruktiv bedingt, unter dem Konzentrator.

Jede Querverstrebung 32 besitzt zusammen mit den ihr zugeordneten Teilen des Trägerrahmens 31,31' einen Schwerpunkt 37. Es ist ersichtlich, dass die durch die punktierte Linie angedeutete Schwerlinie 36 dank der notwendiger- weise konkaven Ausbildung der Querverstrebungen 32 nicht mit der Verschwenkachse 35 zusammenfallen kann, sondern oberhalb der Verschwenklager 33 liegen muss. Dies gilt um so mehr, wenn auf der Anordnung 30 die be- stimmungsgemässen Mittel zur Bereitstellung von Wärme angeordnet sind.

Die Anordnung 30 ist erst dann vollständig bestückt, wenn die ihr zugeordneten Teile der Verschwenkeinrichtung 40 (Figur 5) ebenfalls an ihr angeordnet sind. Diese beeinflussen dann durch ihr Gewicht die Lage der Schwerlinie ebenfalls, vorliegend hauptsächlich durch die Kapselung 38 für eine Kette 44 (Figur 4).

Es ist mit anderen Worten so, dass hier die Kapselung 38 als Gegengewicht zur Ausbalancierung der Anordnung 30 dient, derart, dass deren Schwerlinie 36 im Bereich der Verschwenkachse 35 liegt und vorzugsweise mir dieser zusammenfällt.

Deshalb wird im Gegensatz zur ersten bevorzugten Ausführungsform gemäss Figur 3 die Schwerlinie 36 in den Bereich der Verschwenkachse 35 gebracht; die Schwerlinie 36 folgt der Verschwenkachse 35 nach. Dieses Prinzip kann auch zur Nachrüstung bestehender Konstruktionen Verwendung finden und realisiert erfindungsgemässe Vorteile.

Figur 5 zeigt die Verschwenkeinrichtung 40 für die Anordnung 30 im Detail, anhand eines Schnittes durch eine Querverstrebung 32 mit der zugehörigen Kapselung 38. Die Querverstrebung 32, der Trägerrahmen 31,31' und die Kapselung 38 sind kastenförmig aufgebaut und deren in der Figur geschnitten dargestellten Wände 41, 41' (vom Trägerrahmen 31,31'), 42 (der Querverstrebung 32) und 43 (der Kapselung 37) schraffiert dargestellt. Dargestellt ist weiter ein vorzugsweise als Kette 44 ausgebildetes Verschwenkglied der Verschwenkeinrichtung 40, die mit ihren beiden Enden 45,45' über seitlich der Verschwenkachse 36 gelegene Befestigungsstellen 46,46' an der Tragstruktur 30 angreift bzw. an ihr festgelegt ist und diese dadurch gegenüber der Ver- schwenklagerung 33 verschwenken kann. Die Kette 44 liegt auf einer bogen- förmig verlaufenden Stützfläche 47 auf und wird durch ein Spannrad 48 gespannt. Zwei Antriebsräder 49,50 sind zu einander in Richtung der eingezeichneten Pfeile 51,52 vorgespannt, mit der Folge, dass die Verschwenklage der Tragstruktur 2 über den ganzen Verschwenkbereich spielfrei definiert ist. Die Räder 48,49,50 sind in der Stütze 34 gelagert und gehören deshalb nicht zu den an der Anordnung 30 angeordneten Teilen der Verschwenkeinrichtung 40. Alternativ zur Verwendung einer Kette 44 ist z.B. ein Zahnkranz möglich, der dann durch ein an der Stütze 34 festgelegtes Zahnrad angetrieben wird^". Die Verschwenkung der Anordnung 30 erfolgt über einen synchronen, ebenfalls in der Stütze 34 (d.h. generell an der Lagerung der Tragstruktur 30) vorgesehenen Antrieb beider Antriebsräder 49,50 im Uhr- oder Gegenuhrzeigersinn, wobei vorzugsweise die Vorspannung entsprechend der Pfeile 51,52 beibehal- ten wird. Ein Antriebsmotor für die Antriebsräder 49,50 sowie eine Vorspanneinrichtung (Pfeile 51,52) sind zur Entlastung der Zeichnung weggelassen, und können durch den Fachmann im konkreten Fall dem Stand der Technik entsprechend bestimmt werden.

Die Kapselung 38 schliesst die Kette 44 ein und schützt diese vor Witterung und Verschmutzung, ebenso teilweise die weiteren Elemente der Verschwenk- einrichtung 40, soweit diese nicht durch die Stütze 34 geschützt sind. Grundsätzlich besitzt die Kapselung 38 an ihrer konkaven Aussenseite einen Schlitz 53, der die Verschwenkung der Kapselung 38 gegenüber den Antriebsrädern 49,50 erlaubt. Der Schlitz 53 kann ohne weiteres durch konventionelle Mittel verschlossen werden, die eine der Verschwenklage entsprechend verschiebbare Öffnung für die Räder 49,50 frei lassen.

Eine Verschwenkung ist im Prinzip soweit möglich, bis eine Befestigungsstelle 46,46' an ein Antriebsrad 49,50 anstösst. Soll die Tragstruktur 30 auf einer Seite im Wesentlichen bis zur Vertikalen verschwenkt werden, können die Antriebsräder 49,50 entsprechend in der Stütze 34 gegen die andere Seite hin versetzt werden.

Es ist nun mit geringem Aufwand und geringsten Kosten möglich, die Masse der Kapselung 37 derart zu bemessen und anzuordnen, dass die Schwerlinie 39 der vollständig bestückten Anordnung 30 mit der Verschwenkachse 35 zusammenfällt oder im Bereich der festen Verschwenkachse 35 liegt.

Natürlich kann der oben gezeigte, spielfreie Antrieb als solcher (d.h. abgesehen von der Masseverteilung über die Kapselung) auch in der Ausführungsform gemäss Fig. 3 Verwendung finden. Wie oben erwähnt, ist die Anordnung 30 dann vollständig bestückt, wenn alle Mittel zur Bereitstellung der Wärme und zudem alle an ihr anzuordnenden Elemente der Verschwenkeinrichtung 40 betriebsfähig auf ihr angeordnet sind.

Die Masse der Kapselung 38 ist abhängig von deren Material und der Verteilung des Materials. Wie oben ebenfalls erwähnt, ist im dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel die Tragstruktur 30 aus Beton hergestellt, ebenso auch die Kapselung 38, deren Wände nun mit derjenigen Dicke hergestellt sind, die bewirkt, dass die Schwerlinie 39 der vollständig bestückten Tragstruk- tur 30 mit der Verschwenkachse 35 zusammenfällt. Der Fachmann kann aber nicht nur die Wanddicke entsprechend wählen, sondern die Geometrie der Kapselung 38 überhaupt so verändern, dass bei Wahrung der bestimmungsgemäs- sen Funktion der Verschwenkeinrichtung 40 die gewünschte Massenverteilung resultiert. Weiter ist es auch möglich, Materialien mit verschiedenem Gewicht einzusetzen. Es ist mit anderen Worten so, dass der Fachmann im Hinblick auf die konkrete Ausbildung des Rinnenkollektors die Verschwenkeinrichtung 40, insbesondere deren Kapselung 38, im Hinblick auf die Lage der Schwerlinie 36 konstruiert.

Die Schwerlinie 39 kann nun im Sinn der optimalen Lösung mit der Verschwenkachse 35 zusammenfallen oder auch "nur" im Bereich der Verschwenkachse 35 angeordnet sein. Darunter wird eine geringe Versetzung in dem Mass verstanden, dass die erfindungsgemässen Vorteile zwar wirksam sind, aber dennoch eine vergleichsweise geringe, gewollte Dauerbeanspru- chung der Verschwenkeinrichtung 40 verbleibt. So z.B. um die Verschwenkeinrichtung 40 über einseitige Belastung spielfrei zu halten (im Fall der Verwendung einer Zahnstange als Verschwenkglied), oder um die eine Verschwenk- richtung der Tragstruktur 2,30 im Wesentlichen über den Antrieb und deren andere Verschwenkrichtung im Wesentlichen über ihr Gewicht auszulösen. Oder generell dann, wenn der Fachmann im Hinblick auf eine andere konstruktive Optimierung zwar die erfindungsgemässen Vorteile realisiert, aber dennoch die geometrisch genaue Überdeckung von der Schwerlinie 39 der vollständig bestückten Tragstruktur 2,30 und der Verschwenkachse 35 vermeidet. Ein weiterer Grund, die Schwerlinie 39 im Bereich der Verschwenkachse 35 anzuordnen, aber nicht mit dieser zusammenfallen zu lassen, ist durch die im Fall eines Windangriffs auf die Tragstruktur entstehenden Kräften zu sehen. Zwar ist im Grundsatz davon auszugehen, dass aufgrund der symmetrischen Form der vollständig bestückten Tragstruktur solche Kräfte kaum auftreten. Einerseits aber wird die Verschwenkachse 35 häufig etwas exzentrisch zur Tragstruktur liegen, und andererseits kann die konkrete Ausbildung der Tragstruktur, die Verformbarkeit der aus einer flexiblen Membran bestehenden Druck- kamer 5 etc. zu einem (eventuell momentanen) Strömungsbild führen, das ei- ne erhebliche resultierende Kraft auf die vollständig bestückte Tragstruktur zur Folge hat. Diesbezüglich kann der Fachmann einen vorbestimmten Windangriff definieren, sei dies als maximale reale Sturmstärke oder als maximal zugelassener Normwert, und daraus die resultierende Kraft (eventuell näherungsweise), die auf die Tragstruktur wirkt, ableiten. Dann kann die Schwerlinie 39 der vollständig bestückten Tragstruktur 2,30 von der Verschwenkachse 35 entfernt angeordnet werden, maximal soweit, dass die Tragstruktur 2,30 unter den aufgrund der resultierenden Kraft des vorbestimmten Windangriffs erzeugten Verschwenkkräften im Gleichgewicht gehalten ist. Mit anderen Worten ist es dann so, dass ohne Windangriff die Tragstruktur etwas einseitig in der Lage- rung "hängt", und unter dem vorbestimmten Windangriff ausbalanciert ist. Je nach Auslegung im konkreten Fall kann der Fachmann den Abstand zwischen der Schwerlinie 39 und der Verschwenkachse 35 auch in einem Bereich von Null bis zu der beschriebenen maximalen Entfernung wählen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Tragstruktur zusätzlich mit Mitteln versehen, die die auf sie durch den Windangriff einwirkenden Kräfte verändert. Dadurch können die durch den Windangriff erzeugten Kräfte reduziert oder auch in ihrer Richtung beeinflusst werden, was allein oder in Verbindung mit den oben beschriebenen Massnahmen zur verbesserten Auslegung der Trag- Struktur führt. Solche Mittel können als an der Tragstruktur angeordnete Spoiler bzw. Windabweiser aller Art ausgebildet bzw. an der Tragstruktur eingeformt oder an dieser angeformt sein (so z.Bsp. durch strömungstechnisch bestimmte Formgebung von Rahmenteilen oder sonstigen Oberflächen). Bevor- zugt sind diese beweglich angeordnet, so dass sie ihre Wirkung auch dann entfalten können, wenn Winde aus verschiedener Richtung angreifen.

Diese Überlegungen gelten sämtlich auch für die in Figur 3 gezeigte Ausfüh- rungsform.

Die gezeigte Anordnung ermöglicht einen spielfreien Verschwenkantrieb für kontinuierliche Verschwenkung des Konzentrators oder für eine Verschwenkung in diskreten Schritten, wobei dann nur die Haftreibung in den Verschwenkla- gern zu überwinden ist, somit ein einfacher und kostengünstiger, zugleich aber hochpräziser Antrieb zur Verfügung steht.

Claims

Patentansprüche

1. Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk mit einer zur Ausrichtung gegenüber dem Sonnenstand verschwenkbaren Anordnung (2;30,71) zur Bereitstellung von aus der Sonneneinstrahlung stammender Wärme, und mit Mitteln (40;79',81,82) zur verschwenkbaren Lagerung der Anordnung (2,30,71), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkachse (36,88) der Anordnung (2,30,71) im wesentlichen ortsfest angeordnet ist und dass sie im Bereich der Schwerlinie (39,89) der verschwenkbaren Anordnung (2,30,71) liegt.

2. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Mittel mindestens eine gegenüber dem Untergrund stationäre Auflager (80,81) aufweisen, auf der die Anordnung (71) verschwenkbar ruht, und wobei ein einziges Auflager vertikal un- ter der Schwerlinie (91), mehrere Auflager unter dieser, und symmetrisch zu dieser angeordnet sind.

3. Rinnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel mindestens einen an der Anordnung senkrecht zur Verschwenkachse (88) angeordneten, gegen unten abstehenden Lagerkranz (79) mit einem kreisbogenförmigen Abschnitt (79')aufweisen, über den die Anordnung (71) betriebsfähig verschwenkbar auf gegenüber dem Untergrund stationären Auflagern (80,81) ruht, und wobei das Krümmungszentrum (85) des kreisbogenförmigen Abschnitts im Bereich der Schwerlinie liegt.

4. Rinnenkollektor nach Anspruch 3, wobei die Anordnung (71) Längsträger (75,76) aufweist, zwischen denen ein Konzentrator (24) angeordnet ist, und wobei der mindestens eine Lagerkranz (79*) endseitig mit je einem Längsträger (75,76) verbunden ist, derart, dass die Längsträger (75,76) und damit der Konzentrator (24) über eine Bewegung des Lagerkranzes (79) um die Verschwenkachse (88) herum verschwenkbar sind.

5. Rinnenkollektor nach Anspruch 3 und 4, wobei die tragende Struktur der Anordnung (71) zur Bereitstellung von Wärme, in der der Konzentrator (24) angeordnet ist, modular aufgebaut ist, und wobei die Module im Wesentlichen dieselbe Grundstruktur aufweisen, mit je zwei gegenüberliegenden Längsträgern (75,76) zur Aufnahme des Konzentrators (24) sowie einem Lagerkranz (79), der senkrecht zu diesen angeordnet ist, und wobei jedem Lagerkranz (79) mindestens ein Auflager zugeordnet ist.

6. Rinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schwerlinie (89) und die Verschwenkachse (88) zusammenfallen.

7. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Lagerung der verschwenkbaren Anordnung zur Bereitstellung von Wärme auf letztere wirkende Gegengewichte derart aufweisen, dass deren Schwerlinie (36) im Bereich der Verschwenkachse (35) liegt.

8. Rinnenkollektor nach Anspruch 7, wobei die Verschwenkachse (35) unterhalb des betriebsfähig aufgespannten Konzentrators liegt.

9. Rinnenkollektor nach Anspruch 7, wobei die Gegengewichte als Kapselung für ein Verschwenkglied ausgebildet sind, über welches die Anordnung ver- schwenkt werden kann.

10. Rinnenkollektor nach Anspruch 9, wobei das Verschwenkglied flexibel, vorzugsweise als Zahnkranz und besonders bevorzugt als Kette ausgebildet ist.

11. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Bereitstellung der Wärme eine Druckzelle (5) aufweisen, die den Konzentrator enthält, und wobei die Druckzelle zwischen Längsträgern eingespannt ist, welche Bestandteile der Anordnung zur Bereitstellung von Wärme sind.

12. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Schwerlinie (39,89) der vollständig bestückten Anordnung (2,30,71) von der Verschwenkachse (35,88) entfernt verläuft, maximal soweit, dass die auf die Tragstruktur wirkenden Ver- schwenkkräfte eines vorbestimmten Windangriffs die Anordnung (2,30,71) gegenüber der Verschwenkachse (35,88) im Gleichgewicht halten.

13. Rinnenkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die An- Ordnung (2,30,71) Mittel aufweist, um die auf sie aufgrund eines Windangriffs einwirkenden Kräfte zu verändern.

14. Rinnenkollektor nach Anspruch 12, wobei die Mittel zur Veränderung der aufgrund eines Windangriffs einwirkenden Kräfte als vorzugsweise beweglich an der Anordnung (2,30,71) angeordnete Strömungskörper wie Spoiler und / oder Windabweiser aufweisen.

15. Rinnenkollektor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Mittel in die Anordnung (2,30,71) eingeformt oder an diese angeformt sind.