EP2464918A2 - Vorrichtung zur lenkung von solarstrahlung - Google Patents

Vorrichtung zur lenkung von solarstrahlung

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Publication number
EP2464918A2
EP2464918A2 EP10740601A EP10740601A EP2464918A2 EP 2464918 A2 EP2464918 A2 EP 2464918A2 EP 10740601 A EP10740601 A EP 10740601A EP 10740601 A EP10740601 A EP 10740601A EP 2464918 A2 EP2464918 A2 EP 2464918A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
target
reflection
stage
auxiliary
heliostat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10740601A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Peter SÄCK
Boris Belhomme
Peter SCHWARZBÖZL
Björn SCHIRICKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP2464918A2 publication Critical patent/EP2464918A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20—Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the invention relates to a device for directing solar radiation along a beam path to a radiation receiver, having a reflection device which has a reflection stage which can be tracked for the position of the sun.
  • Solare Energy production facilities include different types of solar systems. These include, among others, tower power plants with numerous distributed on a plane heliostats, dish, ie concave mirrors that focus the sunlight on a focus, and solar ovens, which are equipped with a two-stage reflection device, the first stage is a trackable position of the sun, while the second stage has a focus function. In all cases, the aim is always to focus the solar energy despite changing direction of incidence on the radiation receiver.
  • the reflection device In solar tower power plants, the reflection device consists of a large number of biaxial heliostats tracking the sun's position, which reflect and concentrate sunlight onto a receiver plane. To achieve high efficiency as well as safety, it is necessary to control or influence the position of the sun image, which is generated by each heliostat, namely the target point of the heliostat. During the course of the day, the predetermined target points can only be complied with in an insufficient manner due to tracking errors. Tracking errors occur, for example, due to deviations in the sun position calculation or non-perpendicular alignment of the heliostat azimuth axes. With considerable effort and moderate success, it is attempted to minimize the tracking errors by elaborate calibration measures.
  • US 3,564,275 A describes an automatic heliostat tracking method for a tower power plant.
  • the heliostat is aligned so that the incident solar radiation hits a receiver, which is arranged on a tower.
  • a target At the tower is further attached a target.
  • the operation of the radiation utilization is interrupted and the heliostat is aligned so that the solar radiation now hits the target and not on the receiver.
  • a camera picks up the target and detects the position of the point of impact on the target.
  • the orientation of the heliostat is controlled so that the point of impact falls to a defined predetermined location of the target.
  • One Computer computes the angular adjustment of the heliostat, which is required to adjust the light beam, which has been aligned with the target, so that this light beam now hits the receiver at the same position of the sun.
  • Such a calibration process requires an interruption of the working operation and thus the generation of energy.
  • a double pivoting of the heliostat is required.
  • the invention has for its object to precisely detect the actual position of the sun image or the target point of the reflection device in a device for directing solar radiation in order to minimize the deviation between the target and actual target point via a control. This should be saved in the construction of the reflection device costs and be increased by achievable performance increases the efficiency of solar energy production.
  • the inventive device for directing solar radiation is defined by the patent claim 1. It is characterized in that in the beam path last reflection stage of the reflection device has an auxiliary mirror whose mirror surface forms such an angle with the reflection stage that when steering the solar radiation to the radiation receiver, a deflected from the solar radiation auxiliary beam falls on the target.
  • a small portion of the solar radiation striking the reflection device is to a certain extent deflected by an auxiliary mirror.
  • This auxiliary beam is directed to the target.
  • the relationship between the point of impact of the main beam on the radiation receiver and the point of impact of the auxiliary beam on the target is either fixed as a function of the type of the respective reflection device or changeable in the course of the day depending on the respective position of the sun, but at least calculable.
  • the computer can each specify a desired position of the point of impact of the auxiliary beam on the target. When the auxiliary beam reaches this desired position meets, the main beam hits exactly the focus on the radiation receiver.
  • a control of the reflection device can be made so that the actual position of the impact point is made equal to the desired position.
  • An advantage of the device according to the invention is that the tracking or regulation can be carried out during the operation of the radiation receiver. It is therefore not necessary to pivot the reflection device to another radiation receiver. In addition, the tracking can be done with very high precision and as often as desired.
  • the device according to the invention can be equipped with a single-stage or multi-stage reflection device.
  • a single-stage reflection device is, for example, a heliostat field, which directs the solar radiation after a single reflection on the receiver of a tower.
  • Another single-stage reflection device is the dish, which also focuses the solar radiation on a focus after a single reflection.
  • a two-stage reflection device operates with two reflections that occur one behind the other in the beam path.
  • the first reflection stage in the beam path is tracked to the position of the sun.
  • the second reflection stage is a concentrator that concentrates the solar radiation onto a focus.
  • the auxiliary mirror is in this case attached to the last reflection stage of the beam path and the target is located near the focus of this last reflection stage, but offset therefrom. Based on the impact point of the auxiliary beam on the target, the orientation of the first reflection stage can be controlled.
  • the single reflection stage perceives both the function of trapping the solar radiation and that of focusing.
  • the auxiliary mirror is rigidly connected to the controlled movable reflection stage.
  • numerous heliostats are directed to the radiation receiver, with at least some heliostats have their own tracking.
  • Several heliostats can have a common auxiliary mirror.
  • light shut-off devices are provided according to a preferred embodiment of the invention, which make at a time only the light of one of several auxiliary mirrors on the target.
  • a time-selective control of each heliostat is possible, so to speak in time division multiplex mode.
  • the regulations of the individual heliostats do not influence each other.
  • the light shut-off devices may be shutters or simply obstacles that are temporarily introduced into the path of the sub-beam.
  • the evaluation of the impact points on the target is preferably done with a camera that generates an image of the target with the impact point of the auxiliary beam visible thereon.
  • a computer evaluates the position of the point of impact as an actual position.
  • a memory contains the associated setpoint position. The computer can then adjust the actual position of the desired position so as to obtain an exact alignment.
  • Figure 1 is a perspective view of a tower power plant with
  • FIG. 1 is a schematic representation of a dish concentrator
  • FIG. 1 shows a tower power plant 10 which has a stationary radiation receiver 12 on a tower 11.
  • the radiation receiver is a receiver that absorbs the concentrated incident solar radiation, converts it into heat and delivers it to a heat transfer medium.
  • the solar radiation emitted by the sun 13 strikes a reflection device RE, which here is a heliostat field, of which only one heliostat 14 is shown in FIG.
  • the heliostats are plane or slightly curved mirrors that direct the sunlight onto the radiation receiver 12.
  • Each heliostat 14 is mounted on a stand 15 and is pivotally controlled to change the azimuth angle about a vertical axis and about a horizontal axis to change the elevation angle.
  • the drive is not shown in FIG. It is controlled by a central computer 16.
  • the heliostat 14 includes a fixedly mounted auxiliary mirror 17 whose mirror plane is slightly tilted relative to that of the heliostat 14.
  • the auxiliary mirror 17 deflects an auxiliary beam 18 generated from the solar radiation onto a target 19, which is mounted on the tower 11 in the vicinity of the receiver 12, but offset from it.
  • the target 19 is a plate which is diffusely reflective, so that the point of impact of the auxiliary beam 18 is visually clearly visible.
  • the target 19 is like a projection screen. It is non-absorbent, so that it allows a flow density detection of the impact point of the auxiliary beam.
  • An image of the target 19 is taken by a video camera 20, which is connected to the computer 16 for image evaluation. With the camera, the impact point of the auxiliary beam is detected on the target and localized with image processing software based on a coordinate system relative to the target.
  • FIG. 1 shows a line 21 on the target, which indicates the respective desired position 22 of the target point of the auxiliary beam at different times of the day.
  • the reflection means RE consists of only a single reflection stage, namely the heliostat 14th
  • heliostats 14 of the heliostat field work together with the same target 19.
  • light shutters (not shown) which can selectively interrupt each sub-beam so that only the sub-beam of a single heliostat is transmitted at any one time. In this way, a time multiplex operation of the position tracking of the individual heliostats.
  • FIG. 2 shows another embodiment of a reflection unit RE, which is designed as a dish concentrator 25, which concentrates the incident solar radiation onto a focus 26.
  • the dish concentrator 25 is always aligned with a tracking device on the sun, that he is facing the sun substantially frontally.
  • Focus 6 is always on one Radiation receiver 12 directed. With this radiation receiver 12, a target 19 is rigidly connected, whose position relative to that of the radiation receiver 12 is discontinued.
  • an auxiliary mirror 17 is connected by means of a rigid connection 27, so that the auxiliary mirror 17 is moved during pivoting of the dish concentrator.
  • the auxiliary mirror 17 is slightly concave curved in this embodiment, so that it focuses the auxiliary beam to the plane of the target.
  • the relationship between the impact point of the focus 26 on the radiation receiver 12 and the impact point 28 of the auxiliary beam 18 on the target 19 is fixed. Therefore, the target position 22 is fixed on the target 19. The impact point 28 is adjusted to the desired position 22. Then the point of impact of the main radiation is at the correct location of the radiation receiver 12.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a two-stage reflection device RE with a first reflection stage RE1 and a second reflection stage RE2, which are arranged one behind the other in the beam path of the sunlight.
  • the first reflection stage RE1 consists of a heliostat 30, which tracks the sun and directs the solar radiation onto a stationary concentrator 31, which has numerous curved mirror surfaces 32. The radiation incident in parallel on the concentrator 31 is focused on a focus 33 and converted into a stationary radiation receiver 12.
  • An auxiliary mirror 17, which directs an auxiliary beam 18 onto a target 19, is attached to the concentrator 31.
  • the focus 33 is located at the location of the radiation receiver 12 provided for this purpose.
  • a video camera 20 with image processing system detects the point of impact of the auxiliary beam 18 on the target 19.
  • a connected computer performs a control of the heliostat 30 in such a way that the actual position of the impact point on the target 19 is adjusted to the desired position 22.
  • the structure of Figure 3 is particularly suitable for the operation of a solar furnace, for example for melting materials.
  • the invention is not only applicable to the generation of energy, but also, for example, for directing solar radiation, for example, for the daylighting of buildings.

Landscapes

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Abstract

Die Solarstrahlung wird durch eine Reflexionseinrichtung (RE), die dem Sonnenstand nachführbar ist, auf einen Strahlungsempfänger (12) fokussiert. Die Nachführung wird mit Hilfe eines Hilfsspiegels (17) gesteuert, der einen Hilfsstrahl (18) auf ein Target (19) lenkt. Mit einer Videokamera (20) und einem Bilderfassungssystem wird die Position des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls (18) auf dem Target (19) erkannt und diese Ist-Position wird auf eine vorgegebene Soll-Position eingeregelt. Dadurch wird erreicht, dass die Hauptstrahlung stets exakt auf den Strahlungsempfänger (12) gerichtet ist.

Description

Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlunq
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung entlang eines Strahlenweges auf einen Strahlungsempfänger, mit einer Reflexionseinrichtung, die eine dem Sonnenstand nachführbare Reflexionsstufe aufweist.
Einrichtungen, die Solarstrahlung einfangen und auf einen Receiver übertragen, benötigen eine Nachführung, die gewährleistet, dass die Einrichtung stets auf den sich über den Tag verändernden Sonnenstand ausgerichtet ist. Solare Energiegewinnungseinrichtungen umfassen unterschiedliche Arten von Solaranlagen. Hierzu gehören unter anderem Turmkraftwerke mit zahlreichen auf einer Ebene verteilten Heliostaten, Dishs, d.h. Hohlspiegel, die das Sonnenlicht auf einen Fokus bündeln, sowie Sonnenöfen, die mit einer zweistufigen Reflexionseinrichtung ausgestattet sind, wobei die erste Stufe eine dem Sonnenstand nachführbare Reflexionsstufe ist, während die zweite Stufe eine Fokussierungsfunktion hat. In allen Fällen geht es darum, die Solarenergie trotz wechselnder Einfallsrichtung stets auf den Strahlungsempfänger zu bündeln. In solaren Turmkraftwerken besteht die Reflexionseinrichtung aus einer Vielzahl von zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführten Heliostaten, die das Sonnenlicht auf eine Receiver-Ebene reflektieren und konzentrieren. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sowie auch aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, die Lage des Sonnenabbildes, das durch jeden einzelnen Heliostaten erzeugt wird, nämlich den Zielpunkt des Heliostaten, zu kontrollieren bzw. zu beeinflussen. Im Tagesverlauf können die vorgegebenen Zielpunkte aufgrund von Trackingfehlern nur in ungenügender Weise eingehalten werden. Trackingfehler entstehen beispielsweise durch Abweichungen in der Sonnenstandsberechnung oder nicht lotrechte Ausrichtung der Heliostat-Azimut-Achsen. Mit beträchtlichem Aufwand und mäßigem Erfolg wird versucht, die Trackingfehler durch aufwändige Kalibrierungsmaßnahmen zu minimieren.
In US 3,564,275 A ist ein automatisches Heliostat-Nachführverfahren für ein Turmkraftwerk beschrieben. Während des Betriebes wird der Heliostat so ausgerichtet, dass die einfallende Sonnenstrahlung auf einen Receiver trifft, der auf einem Turm angeordnet ist. An dem Turm ist femer ein Target angebracht. Während eines Kalibrierschrittes wird der Betrieb der Strahlungsausnutzung unterbrochen und der Heliostat wird so ausgerichtet, dass die Solarstrahlung nunmehr auf das Target trifft und nicht mehr auf den Receiver. Eine Kamera nimmt das Target auf und erkennt die Position des Auftreffpunktes auf dem Target. In Abhängigkeit hiervon wird die Ausrichtung des Heliostaten so geregelt, dass der Auftreffpunkt an eine definierte vorgegebene Stelle des Target fällt. Ein Computer berechnet diejenige Winkelverstellung des Heliostaten, die erforderlich ist, um den Lichtstrahl, der anhand des Target ausgerichtet worden ist, zu verstellen, damit dieser Lichtstrahl bei demselben Sonnenstand nunmehr den Receiver trifft. Ein solches Kalibrierverfahren erfordert eine Unterbrechung des Arbeitsbetriebes und damit der Energiegewinnung. Außerdem ist ein zweimaliges Verschwenken des Heliostaten erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung die tatsächliche Lage des Sonnenabbildes bzw. des Zielpunktes der Reflexionseinrichtung präzise zu erfassen, um über eine Regelung die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Zielpunkt zu minimieren. Dadurch sollen bei der Errichtung der Reflexionseinrichtung Kosten eingespart und durch erzielbare Leistungssteigerungen die Wirtschaftlichkeit der Solarenergiegewinnung erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Strahlenweg letzte Reflexionsstufe der Reflexionseinrichtung einen Hilfsspiegel aufweist, dessen Spiegelfläche einen solchen Winkel mit der Reflexionsstufe bildet, dass bei Lenkung der Solarstrahlung auf den Strahlungsempfänger ein aus der Solarstrahlung abgelenkter Hilfsstrahl auf das Target fällt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird von der die Reflexionseinrichtung treffenden Solarstrahlung gewissermaßen ein kleiner Teil durch einen Hilfsspiegel abgelenkt. Dieser Hilfsstrahl wird auf das Target geleitet. Die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Hauptstrahles auf den Strahlungsempfänger und dem Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf das Target ist in Abhängigkeit von dem Typ der jeweiligen Reflexionseinrichtung entweder fest vorgegeben oder in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sonnenstand im Tagesverlauf veränderbar, jedenfalls aber berechenbar. Der Computer kann jeweils eine Soll-Position des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls auf dem Target vorgeben. Wenn der Hilfsstrahl diese Soll-Position trifft, trifft der Hauptstrahl genau den Fokus auf dem Strahlungsempfänger. Eine Regelung der Reflexionseinrichtung kann so vorgenommen werden, dass die Ist- Position des Auftreffpunktes gleich der Soll-Position gemacht wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Nachführung bzw. Regelung während des Betriebes des Strahlungsempfängers durchgeführt werden kann. Es ist also kein Verschwenken der Reflexionseinrichtung auf einen anderen Strahlungsempfänger nötig. Außerdem kann die Nachführung mit sehr hoher Präzision erfolgen und auch beliebig oft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer einstufigen oder mehrstufigen Reflexionseinrichtung ausgestattet sein. Eine einstufige Reflexionseinrichtung ist beispielsweise ein Heliostatfeld, das die Solarstrahlung nach einmaliger Reflexion auf den Receiver eines Turmes lenkt. Eine andere einstufige Reflexionseinrichtung ist der Dish, der ebenfalls nach einmaliger Reflexion die Solarstrahlung auf einen Fokus konzentriert. Eine zweistufige Reflexionseinrichtung arbeitet mit zwei im Strahlenweg hintereinander erfolgenden Reflexionen. Die im Strahlenweg erste Reflexionsstufe wird dem Sonnenstand nachgeführt. Die zweite Reflexionsstufe ist ein Konzentrator, der die Solarstrahlung auf einen Fokus konzentriert. Der Hilfsspiegel ist in diesem Fall an der letzten Reflexionsstufe des Strahlenweges angebracht und das Target befindet sich in der Nähe des Fokus dieser letzten Reflexionsstufe, jedoch hiervon abgesetzt. Anhand des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls auf dem Target kann die Ausrichtung der ersten Reflexionsstufe kontrolliert werden.
Dagegen nimmt bei einer einstufigen Reflexionseinrichtung die einzige Reflexionsstufe sowohl die Funktion des Einfangens der Solarstrahlung als auch diejenige der Fokussierung wahr. In diesem Fall befindet sich der Hilfsspiegel starr an der gesteuert beweglichen Reflexionsstufe. Im Falle eines Turmkraftwerks sind zahlreiche Heliostaten auf den Strahlungsempfänger gerichtet, wobei mindestens einige Heliostaten eine eigene Nachführung haben. Es können mehrere Heliostaten einen gemeinsamen Hilfsspiegel haen.
Um nicht für jeden Heliostaten ein eigenes Target vorsehen zu müssen, sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Lichtabsperrvorrichtungen vorgesehen, die zu einem Zeitpunkt nur das Licht eines von mehreren Hilfsspiegeln auf das Target treffen lassen. Damit ist eine zeitselektive Regelung jedes einzelnen Heliostaten möglich, gewissermaßen im Zeitmultiplexbetrieb. Die Regelungen der einzelnen Heliostaten beeinflussen sich nicht gegenseitig. Die Lichtabsperrvorrichtungen können Verschlüsse (Shutter) sein oder einfach Hindernisse, die vorübergehend in den Weg des Hilfsstrahls eingeführt werden.
Die Auswertung der Auftreffpunkte auf dem Target geschieht vorzugsweise mit einer Kamera, die ein Abbild des Target mit dem darauf sichtbaren Auftreffpunkt des Hilfsstrahls erzeugt. Ein Computer wertet die Position des Auftreffpunktes als Ist-Position aus. Ein Speicher enthält die zugehörige Soll-Position. Der Computer kann dann die Ist-Position der Soll-Position angleichen, um so eine exakte Ausrichtung zu erhalten.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Turmkraftwerks mit
Heliostatfeld unter Verdeutlichung der Nachführung eines Heliostaten in Abhängigkeit vom Sonnenstand, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Dish-Konzentrators mit
Hilfsspiegel und
Figur 3 eine Darstellung einer mehrstufigen Reflexionseinrichtung mit
Heliostat und Konzentrator.
In Figur 1 ist ein Turmkraftwerk 10 dargestellt, das auf einem Turm 11 einen ortsfesten Strahlungsempfänger 12 aufweist. Der Strahlungsempfänger ist ein Receiver, der die konzentriert auftreffende Solarstrahlung absorbiert, in Wärme umsetzt und an ein Wärmeträgermedium abgibt.
Die von der Sonne 13 ausgesandte Solarstrahlung trifft auf eine Reflexionseinrichtung RE, die hier ein Heliostatfeld ist, von dem in Figur 1 nur ein Heliostat 14 dargestellt ist. Die Heliostaten sind plane oder leicht gekrümmte Spiegel, die das Sonnenlicht auf den Strahlungsempfänger 12 lenken. Jeder Heliostat 14 ist auf einem Ständer 15 angebracht und gesteuert um eine vertikale Achse schwenkbar, um den Azimutwinkel zu verändern, und um eine horizontale Achse, um den Höhenwinkel zu verändern. Der Antrieb ist in Figur 1 nicht dargestellt. Er wird von einem zentralen Computer 16 gesteuert.
Der Heliostat 14 enthält einen fest daran angebrachten Hilfsspiegel 17, dessen Spiegelebene gegenüber derjenigen des Heliostaten 14 leicht gekippt ist. Der Hilfsspiegel 17 lenkt einen aus der Solarstrahlung erzeugten Hilfsstrahl 18 auf ein Target 19, das in der Nähe des Receivers 12, jedoch von diesem abgesetzt, am Turm 11 angebracht ist. Das Target 19 ist eine Platte, die diffus reflektierend ausgebildet ist, so dass der Auftreffpunkt des Hilfsstrahls 18 optisch deutlich sichtbar ist. Das Target 19 ist wie eine Projektionswand. Es ist nicht absorbierend, so dass es eine Flussdichteerkennung des Auftreffpunktes des Hilfsstrahls ermöglicht. Ein Bild des Target 19 wird von einer Videokamera 20 aufgenommen, die zur Bildauswertung mit dem Computer 16 verbunden ist. Mit der Kamera wird der Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf dem Target erkannt und mit einer Bildverarbeitungssoftware anhand eines Koordinatensystems in Bezug auf das Target lokalisiert.
Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Hilfsstrahls auf dem Target und dem Auftreffpunkt des Hauptstrahls auf dem Strahlungsempfänger 12 nicht konstant. Vielmehr ändert sie sich in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Sonnenlichts, die sich über den Tag verändert. Diese Abhängigkeit ist im Computer 16 gespeichert. In Figur 1 ist eine Linie 21 auf dem Target dargestellt, die die jeweilige Soll-Position 22 des Zielpunktes des Hilfsstrahls zu unterschiedlichen Tageszeiten angibt. Wenn der Auftreffpunkt zu der betreffenden Tageszeit die Soll-Position erreicht, ist der Hauptstrahl exakt auf den Strahlungsempfänger 12 ausgerichtet. Die Soll- Position ist bei diesem Ausführungsbeispiel also kein fest vorgegebener Punkt auf dem Target 19.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 besteht die Reflexionseinrichtung RE aus nur einer einzigen Reflexionsstufe, nämlich dem Heliostaten 14.
Mehrere Heliostaten 14 des Heliostatfeldes arbeiten mit demselben Target 19 zusammen. Damit die Hilfsstrahlen der einzelnen Heliostaten sich nicht überlagern und stören, sind (nicht dargestellte) Lichtabsperrvorrichtungen vorgesehen, die jeden Hilfsstrahl selektiv unterbrechen können, so dass nur der Hilfsstrahl eines einzigen Heliostaten zu jedem Zeitpunkt durchgelassen wird. Auf diese Weise erfolgt ein Zeitmultiplexbetrieb der Positionsnachführung der einzelnen Heliostaten.
Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Reflexionseinheit RE, die als Dish-Konzentrator 25 ausgebildet ist, der die einfallende Solarstrahlung auf einen Fokus 26 konzentriert. Der Dish-Konzentrator 25 wird mit einer Nachführvorrichtung stets so auf die Sonne ausgerichtet, dass er im Wesentlichen frontal der Sonne zugewandt ist. Der Fokus 6 ist stets auf einen Strahlungsempfänger 12 gerichtet. Mit diesem Strahlungsempfänger 12 ist ein Target 19 starr verbunden, dessen Position gegenüber derjenigen des Strahlungsempfängers 12 abgesetzt ist.
Mit dem Dish-Konzentrator 25 ist ein Hilfsspiegel 17 mittels einer starren Verbindung 27 verbunden, so dass der Hilfsspiegel 17 beim Verschwenken des Dish-Konzentrators mit bewegt wird. Der Hilfsspiegel 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel leicht konkav gekrümmt, so dass er den Hilfsstrahl auf die Ebene des Target fokussiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen dem Auftreffpunkt des Fokus 26 auf dem Strahlungsempfänger 12 und dem Auftreffpunkt 28 des Hilfsstrahls 18 auf dem Target 19 fest. Daher ist die Soll-Position 22 auf dem Target 19 fest. Der Auftreffpunkt 28 wird auf die Soll-Position 22 eingeregelt. Dann befindet sich der Auftreffpunkt der Hauptstrahlung an der richtigen Stelle des Strahlungsempfängers 12.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Reflexionseinrichtung RE mit einer ersten Reflexionsstufe REl und einer zweiten Reflexionsstufe RE2, die im Strahlengang des Sonnenlichts hintereinander angeordnet sind. Die erste Reflexionsstufe REl besteht aus einem Heliostaten 30, der der Sonne nachgeführt wird und die Solarstrahlung auf einen stationären Konzentrator 31 lenkt, welcher zahlreiche gekrümmte Spiegelflächen 32 aufweist. Die parallel auf den Konzentrator 31 auftreffende Strahlung wird auf einen Fokus 33 konzentriert und in einem ortsfesten Strahlungsempfänger 12 umgesetzt.
An dem Konzentrator 31 ist ein Hilfsspiegel 17 befestigt, der einen Hilfsstrahl 18 auf ein Target 19 lenkt. Wenn der Hilfsstrahl auf eine Soll-Position 22 am Target 19 trifft, befindet sich der Fokus 33 an der hierfür vorgesehenen Stelle des Strahlungsempfängers 12. Eine Videokamera 20 mit Bildverarbeitungssystem erkennt den Auftreffpunkt des Hilfsstrahls 18 auf dem Target 19. Ein angeschlossener Computer führt eine Regelung des Heliostaten 30 in der Weise durch, dass die Ist-Position des Auftreffpunktes am Target 19 auf die Soll-Position 22 eingeregelt wird.
Der Aufbau von Figur 3 eignet sich insbesondere für den Betrieb eines Sonnenofens, beispielsweise zum Schmelzen von Materialien.
Generell ist die Erfindung nicht nur für die Energiegewinnung anwendbar, sondern beispielsweise auch zum Lenken von Solarstrahlung, beispielsweise auch für die Tageslichtbeleuchtung von Bauwerken.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Lenkung von Solarstrahlung entlang eines Strahlenweges auf einen Strahlungsempfänger (12), mit einer ein- oder mehrstufigen Reflexionseinrichtung (RE), die eine dem Sonnenstand nachführbare, im Strahlenweg erste Reflexionsstufe aufweist, und mit einem fest mit dem Strahlungsempfänger (12) verbundenen, räumlich von diesem abgesetzten Target (19), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die im Strahlenweg letzte Reflexionsstufe der Reflexionseinrichtung einen Hilfsspiegel (17) aufweist, dessen Spiegelfläche einen solchen Winkel mit der Reflexionsstufe bildet, dass bei Lenkung der Solarstrahlung auf den Strahlungsempfänger (12) ein aus der Solarstrahlung abgelenkter Hilfsstrahl (18) auf das Target (19) fällt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsspiegel (17) an einer letzten Reflexionsstufe (RE2) der Reflexionseinrichtung (RE) angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die letzte Reflexionsstufe aus ein und derselben Reflexionsstufe bestehen.
4. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseϊnrichtung (RE) mehrere einzeln dem Sonnenstand nachführbare Heiiostaten (14) enthält, von denen mindestens einige einen Hilfsspiegel (17) aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtabsperrvorrichtungen für die Hilfsspiegel (17) vorgesehen sind, die zu einem Zeitpunkt nur das Licht eines von mehreren Hilfsspiegeln (17) auf das Target (19) treffen lassen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (RE) mindestens einen, dem Sonnenstand nachführbaren Heliostaten (14) enthält, und dass ein Computer (16) vorgesehen ist, der für verschiedene Tageszeiten unterschiedliche Soll- Positionen (22) auf dem Target (19) vorgibt und die Nachführung des Heliostaten entsprechend der jeweiligen Soll-Position regelt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Videokamera (20) ein Abbild des Target (19) mit dem darauf sichtbaren Auftreffpunkt des Hilfsstrahles (18) erzeugt und ein Computer (16) die Position des Auftreffpunktes als Ist-Position auswertet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (RE) einen Dish-Konzentrator (25) als nachführbare Reflexionsstufe aufweist, wobei der Hilfsspiegel (17) an dem Dish-Konzentrator befestigt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computer (16) eine feste Position auf dem Target (19) als Soll- Position vorgibt und die Nachführung des sichtbaren Auftreffpunktes des Hilfsstrahls (18) auf dem Target (19) entsprechend der Soll-Position vornimmt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Reflexionsstufe (REl) mindestens einen nachführbaren Heliostaten (30) und eine zweite Reflexionsstufe (RE2) einen stationären Konzentrator (31) enthält, wobei der Hilfsspiegel (17) an dem Konzentrator (31) angebracht ist.
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