WO2013026907A1 - Heliostat und solarpark mit einem solchen heliostaten - Google Patents

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WO2013026907A1
WO2013026907A1 PCT/EP2012/066447 EP2012066447W WO2013026907A1 WO 2013026907 A1 WO2013026907 A1 WO 2013026907A1 EP 2012066447 W EP2012066447 W EP 2012066447W WO 2013026907 A1 WO2013026907 A1 WO 2013026907A1
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heliostat
mirror
mirror elements
solar
dielectric medium
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PCT/EP2012/066447
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Martin Berz
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Ife Gmbh
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    • F24S2020/16—Preventing shading effects
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
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    • F24S2023/872—Assemblies of spaced reflective elements on common support, e.g. Fresnel reflectors
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a heliostat, which is arranged in a solar field and directs the sunlight onto a mounted on a solar tower solar collector.
  • the solar collector of the solar tower converts the energy of sunlight into electricity, either with the technology of photovoltaics or solar thermal energy.
  • the invention further relates to a solar park, which has a plurality of heliostats.
  • the invention relates to a heliostat comprising a dielectric medium having a light incidence surface and a refractive index greater than 1, 001, at least two mirror elements for deflecting light rays onto a collector, wherein the mirror elements are arranged below the light incidence surface, the mirror elements each having a reflective surface, wherein a second mirror element is disposed adjacent to a first mirror element, wherein the dielectric medium covers at least the reflective surfaces of the mirror elements, and wherein the mirror elements have an extension greater than 1 mm.
  • a dielectric or a dielectric medium is used to denote a dielectric other than air.
  • the refractive index can generally be a location-dependent and / or direction-dependent refractive index.
  • the square of the refractive index n is equal to the permittivity number or dielectric constant ⁇ ⁇ .
  • a medium is understood as meaning a medium which can have a location-dependent and / or direction-dependent refractive index.
  • This medium can be incoherent and inhomogeneous.
  • An inhomogeneous medium is understood to mean a medium which has different phases of the same substance or material or different states of matter of the same or different substances or materials.
  • a medium has a refractive index greater than a certain value
  • the medium has a refractive index greater than this value at each point of its matter and in each direction at that point. In general, normal pressure is assumed here.
  • the invention is based on the finding that, in particular for vertical incidence of the sunlight on a heliostat, the shading between adjacent mirror elements of the heliostat is substantially reduced if a dielectric different from air is located between an incident surface of the heliostat and the mirror elements the optical path of the sunlight passes between the entry into the heliostat and the exit from the heliostat in a dielectric different from air.
  • a dielectric different from air located between an incident surface of the heliostat and the mirror elements the optical path of the sunlight passes between the entry into the heliostat and the exit from the heliostat in a dielectric different from air.
  • the sunlight is perpendicular to a horizontal light entrance surface of the heliostat and that the mirror elements are identical plane and oblong mirrors, whose longitudinal axes are horizontal, i. perpendicular to the plane of the drawing of Fig. 1, and seen vertically, i. along the top-bottom direction of the drawing plane, at the same height.
  • FIG. 1A the case illustrated in FIG. 1A is explained, in which a heliostat without a dielectric is depicted. Since in this case no boundary layer between air and the Dielectric exists, the air-dielectric boundary layer of the case shown in Fig. 1 B is considered as the light incident surface 1 O l of the case shown in Fig. 1A.
  • a first beam 1 03 of the sunlight hits in this case perpendicularly, that is, at an angle of incidence a of 90 °, on the light incident surface 01 01, then strikes a first mirror element 1 05, is then reflected by this first mirror element 1 05 and in the direction steered by a solar collector.
  • the light beam with the light incident surface 1 01 forms an angle ⁇ and the mirror surface of the first mirror element 1 05 with the light incident surface 1 01 an angle of ß
  • a second mirror element 1 07 whose mirror surface is parallel to the mirror surface of the first mirror element 1 05, is arranged at a given distance from the first mirror element 1 05 in the direction of the solar collector.
  • a second beam 1 09 which in comparison to the first beam 1 03 further in the direction of the solar collector to the first mirror element 1 05 hits is like the first beam 1 03 at the same angle ⁇ directed to the solar collector.
  • This second beam 1 09 hits at landing point 1 1 1 of the boundary beam on the first mirror element 1 05. He is a so-called boundary beam, i.
  • the ratio of the shaded light to the light incident on the solar collector may be determined geometrically by the ratio of the length from the left edge of the first mirror element 105 to the point of impact 1100 to the length from the left edge of the first mirror element 105 a projection point 1 1 3, at which an exactly on the left edge of the second mirror element 1 07 employed fallender beam would fall on a fictitious vertical extension of the first mirror element 1 05, are calculated.
  • the constellation shown in FIG. 1 B with a dielectric, in particular a liquid dielectric has significant advantages.
  • Dielektriku m meets a first beam 1 03 perpendicular to the light incident surface 1 01 and then to the first mirror element 1 05.
  • the first beam 1 03 is reflected after reflection from the first mirror element 1 05 to the air-dielectric interface back where the light is broken and directed towards the collector.
  • the in Fig. 1 A is shown If is.
  • the second beam 1 09 is as shown in FIG. 1 A is a boundary ray. It can be clearly seen that the impact point 1 1 1 is substantially closer to the right edge of the first mirror element 1 05 as in Fal l of FIG. 1 A. This means that the shading in the case shown in FIG. 1 B is represented Fal l is substantially lower than in the case of FIG. 1 A.
  • a heliostat with mirror elements located in a dielectric has a significantly reduced shading.
  • Typical values for shading for cases without and with dielectric are 85% and 33%, respectively.
  • the helostat with dielectric has a shading reduced by a factor of 2 to 4.
  • absorption losses also play a role here. If as dielectric Mediu m z. As water is used, it absorbs light in a wide range, with the losses between 400 and 900 nm are the lowest. These absorption losses must be considered together with the sensitivity range of the respective photovoltaic converter, in particular losses a outside the sensitivity coefficient are irrelevant. In this case, absorption losses for a silicon solar cell of 1 5% and for a GaAs solar cell of 5% reside.
  • reflection losses on the antireflection layer also play a role.
  • the refractive index of 1.05 typically 5% reflection losses occur, with a higher value of the refractive index of 1.25 35% reflective loss.
  • the attenuation of the shading decreases less strong than in the case of complete filling with dielectric.
  • the feature that the mirror elements have an extension greater than 1 mm causes the diffraction losses in the dimension of the expansion to be less than 1 percent.
  • expansion here is understood to mean a length along an x, y or z axis of any coordinate system, in particular a rectangular coordinate system.
  • the long wavelengths are the most critical for the diffraction effects, in this case about 1000 nm. If one assumes, to a good approximation, that diffraction losses occur at diffraction on a flat mirror surface at the edges in a range of 5 wavelengths (5 ⁇ ), the unused area corresponds to approx. 1 0 / im. To reduce these losses to less than one percent of the total length, one needs a total length greater than 1 mm.
  • the dielectric medium at least partially, in particular completely, fills a space between the reflective surfaces of the mirror elements and the light incident surface. This leads to a stronger deflection or refraction of the light rays and thus to a greater reduction of shading.
  • the light incident surface is a plane, in particular a horizontal plane.
  • a plane in particular a horizontal plane.
  • This case is advantageous since in this case the solar radiation is incident over the entire plane at the same angle of incidence, ie the incident conditions are identical at each point of the plane.
  • the case of the horizontal plane is advantageous because the heliostat can be made particularly simple in this case.
  • the mirror elements are flat or oblong, in particular rectangular. These shapes have the advantage that the mirror elements can be arranged next to one another.
  • the longitudinal axes of the mirror elements preferably run parallel to one another. This has the advantage that at the same angle of inclination of the mirror elements, the light beams are deflected in each case in the same direction.
  • the longitudinal axes of the mirror elements are arranged in a mirror arrangement plane.
  • the heliostat may thus have a flat outer shape so that it shallow on the earth's surface Solar parks can be laid. This in turn has the advantage that sunlight, which is directed by a heliostat on the solar collector, is not shadowed by another heliostat.
  • At least one mirror element is rotatable about its longitudinal axis. This has the advantage that the angle of reflection of the sunlight from the heliostats is individually adjustable or adjustable for each mirror element.
  • the planes of the mirror elements are arranged relative to one another such that the entirety of the mirror elements forms a Fresnel mirror.
  • the respective angles of inclination of the mirror elements of a heliostat depend on the location of this heliostat in the solar field.
  • the advantage of a Fresnel mirror is that a reflection at this approximately corresponds to the reflection at a parabolic mirror, the Fresnel mirror but unlike a parabolic mirror is flat, and does not take up as much space in the vertical as the parabolic mirror.
  • the planes of the mirror elements are parallel to each other. This has the advantage that the mirror elements are easy to control.
  • the mirror assembly plane is arranged horizontally.
  • the advantage of this is that it reduces the shading between the heliostats.
  • an entirety of the mirror elements in the mirror assembly plane has a round outer contour.
  • the heliostat is rotatable about a normal to the mirror assembly plane, in particular around the center of the round outer contour. This has the advantage that the heliostat can be aligned or tracked according to the position of the sun in the sky. In connection with the adjustability of the inclination angle of the mirror elements of the heliostat can be used for any position of the Sun in the sky each time be guaranteed that the sun's rays hit the solar panel.
  • the dielectric medium consists of a liquid, a gel and / or a solid. More preferably, the dielectric medium is at least one liquid, gel and / or solid.
  • the medium may have a solid in which a plurality of adjacently arranged cavities or tubes are arranged, in which elongated mirror elements are rotatably mounted or arranged either in a liquid, in a gel or in another solid, in particular with a cylindrical shape.
  • the cylinder shapes may be laterally connected to motorized rotary devices.
  • the interface between the solid and the further solid to avoid or reduce reflection losses may be filled with a particular liquid or gel-like bridging dielectric. It is preferred that in this case both solids have an identical or similar refractive index as the bridging dielectric.
  • the medium here is formed in total by the solid, the bridging dielectric as well as the liquid, the gel or the further solid.
  • the intermediate medium is designed such that it can also be used as a lubricant for the mirror cylinder.
  • a thickness of a thin intermediate layer is less than 550 / im, so that differences in the refractive index do not lead to reflection losses.
  • thermoplastic polymethylmethacrylate is preferred here, which is colloquially called acrylic glass or Plexiglas and is referred to by the abbreviation PMMA.
  • a general advantage of solids is that some solid bodies are almost perfectly transparent in the infrared and in the UV, in contrast to liquid, dielectric materials.
  • the rotatable cylinder contains in the spatial diagonal flat mirror for reflecting the incident light beam.
  • the cylinder is rotatable and the tubes can be used for the mirror mount.
  • the dielectric medium comprises at least one of the following materials: an optically isotropic material, an optically anisotropic material, an optically nonlinear material, or a birefringent material.
  • the birefringent material in particular has the Pockels effect or the linear electro-optical effect, in which the refractive index changes linearly with an applied electric field.
  • the dielectric medium preferably has a refractive index greater than 1.05, preferably greater than 1.2, more preferably greater than 1.3, or even more preferably greater than 1.4. If the refractive index differs only slightly from 1, this leads to a small reduction of shading. If the refractive index differs more than 1, this leads to a greater reduction in shading.
  • the dielectric medium has a locally variable refractive index or a locally invariable refractive index.
  • the advantage of the locally variable refractive index is that the incident sunlight is changeable in many ways, for example, the path length or the polarization can be changed.
  • an antireflection layer may be mounted on or in the dielectric medium.
  • it can be achieved by nanostructuring of the dielectric medium that the dielectric medium experiences an optical anisotropy, so that the incident or emergent light is preferably directed in this direction.
  • the advantage of the locally invariable refractive index is the ease of manufacture.
  • the dielectric medium preferably comprises at least one of the following substances: water, carbon disulfide, polymethyl methacrylate, benzene, xylene, toluene, BTX, cellulose acetate butyrate or at least one substance of the following groups: organic solvents, alkanes, silicones, silicone oils, polycarbonates, transparent Polymers, in particular cellulose butyrates, acrylates, glycol-modified polyethylene terephthalates.
  • the advantage of water is its abundance and wide distribution, its transmission in the sensitivity range of conventional photovoltaic converters, its chemical resistance, especially with long-term increased solar radiation and its low procurement costs.
  • Carbon disulfide is a colorless liquid of suitable refractive index and good optical stability, which can be used well in combination with glass.
  • the substances benzene, xylene, toluene, BTX are generally easy to obtain and have good optical properties, i. E. also high refractive indices. Depending on which other materials are used, the refractive index can be adjusted by the choice of materials.
  • polymethyl methacrylate which has as advantages a high dielectric constant, a high optical transmission, and an exact machinability or good dimensional stability.
  • organic polymers for the dielectric medium or portions thereof.
  • the mirrors are well managed and do not require a complex mount or guide mechanism.
  • PMMA is also good temperature-resistant and proves to be particularly advantageous in outdoor applications due to high weather resistance.
  • the chromatic aberration of PMMA caused by dispersion is smaller than that of water (see Abbe number).
  • the dielectric medium is particularly preferably a polymeric thermoplastic, in particular PMMA and / or polycarbonate.
  • the mirror surfaces can be easily installed in the cylinder body, or reshape. It is also possible the vapor deposition of a thin mirror surface (eg aluminum, silver, etc.) on a half-cylinder, which is then complemented by closed Anha direction of the second half. This works well at Thermoplastics with a relatively low glass transition temperature, which should, however, be over 1 00 "C to avoid thermal deformation in strong sunlight.
  • a thin mirror surface eg aluminum, silver, etc.
  • polycarbonates because of their high strength. These are particularly weather and radiation stable. With a refractive index of 1.855, these easily moldable thermoplastics have excellent refractive indices and are inherently colorless and transparent in the relevant or interesting wavelength range.
  • Glasses are also preferred because of their high weathering stability. Glasses can be well combined with the aforementioned liquids which are e.g. can be used as a cylinder lubricant.
  • a cover layer in particular a cover glass, is arranged above the dielectric medium.
  • This has the advantage that the particular optical effects can be divided between the cover layer and the underlying dielectric medium. Furthermore, such a separation simplifies the manufacture of such a heliostat. Furthermore, advantageously, for example, worn by sand or other environmental influences cover layer can be easily replaced. Furthermore, it is conceivable that different cover layers with different optical coatings, in particular antireflection layers, are preferred for different regions on the earth, that is to say regions with different solar irradiation.
  • the refractive index of the cover layer is identical or similar to the refractive index of the dielectric medium or the boundary layer of the dielectric medium adjoining the cover layer.
  • the dielectric medium or the cover layer preferably has an antireflection coating, in particular on the cover layer.
  • This has the advantage that the sunlight falling on the heliostat is not reflected and thus can be used for energy.
  • Broadband antireflection coatings in particular in a range from 400 to 1000 nm, are particularly preferred here.
  • the antireflection coating comprises at least one of the following materials: a material with a low refractive index, a nano-material structured material, in particular a porous nano-structured material, a sol-gel-deposited material or a material produced by angle-dependent deposition (oblique-angle deposition, OAD).
  • a low refractive index is understood to mean a refractive index of less than 1.25, which can not be produced with conventional dielectric materials, and in particular the range of 1.05 to 1.25. Materials with such refractive indices can be produced, for example, by new technologies, in particular by nanostructuring.
  • nanostructuring refers to a structure which has a structuring period which is smaller than the smallest wavelength of the solar spectrum used for photovoltaics, the so-called UV cut-off wavelength.
  • the UV cut-off wavelength is about 400 nm.
  • a nanostructure with a structuring period of less than 400 nm thus leads to a specular, ie specular, reflection, even in the case of deviations from the perfect periodicity.
  • conventional dielectric materials which typically have a refractive index greater than 1.25, perfect antireflection is not possible. Materials with a refractive index in the range of 1 would be required. 05 to 1. 25.
  • nano-structured dielectrics eg dielectric needles with a base diameter of 50 nm and a height or length of 500 nm, which are perpendicular to the surface and with a period of 350 nm in the two dimensions
  • Structures eg dielectric filaments
  • a low, volume-related dielectric fill level of, for example, less than 10%, is important. Due to the nanostructuring of the cover layer, a hundred percent transmission through the cover layer can be achieved for both polarizations, ie for s and p polarization.
  • the solar cells used in the case of the PV application are highly efficient Si-CSP (concentrated solar power) cells with a Efficiency greater than 20%, or GaAs CSP cells with efficiency greater than 28%.
  • anisotropy of a coating of the cover layer can be used to the sunlight preferably in the direction of Solar tower to reflect.
  • the anisotropy of the solar field can be compensated, so to speak, by the anisotropy of the coating of the cover layer.
  • the heliostat is made so that it can be arranged on a surface layer of a bottom of a solar field or leg bar. This has the advantage that no foundations are needed for the heliostats, which saves costs.
  • a small PV module for power supply angeord et be, which serves in particular the power supply of motors or servo motors, which rotate the mirror elements or the heliostat as a whole.
  • the heliostat is made so that it can be embedded in the ground and closes with the surface of the soil.
  • the reflective surface of at least one mirror element is nano-structured.
  • This has the advantage that a dispersion of the overall optical system can be compensated or compensated.
  • the cover layer and also the refraction at the interface between the cover layer and air has a normal dispersion.
  • This normal dispersion can be compensated in particular by means of a nanostructuring of a surface of a mirror element.
  • this compensation can be achieved with a diffraction grating with blazing or a blaze grating.
  • a blazed grating is a special optical reflection grating optimized for diffracting a particular combination of wavelength and diffraction order. Compensation of the dispersion leads to the entire system maps each wavelength in the compensated area to the same point.
  • the arrangement of the heliostat with a solid is particularly easy to manufacture and easy to maintain.
  • the dielectric medium here preferably has a solid in which a plurality of adjacently arranged cavities or tubes are arranged, in which the mirror elements are rotatably mounted either in a liquid, in a gel or in another solid, in particular with a cylindrical shape.
  • the invention relates to a solar park with at least one heliostat according to the invention and a collector for receiving sunlight deflected by the at least one heliostat on the collector.
  • a plurality of heliostats arranged in a relatively limited space can direct sunlight to a single collector, which converts the energy of the sunlight into electricity.
  • the collector is a collector used in solar thermal energy, in particular a thermosolar receiver, or has a solar cell.
  • the collector is arranged on or on a tower.
  • the reflected solar radiation can advantageously be bundled to a point and further processed there into electricity.
  • the collector has an elongated shape in a vertical direction.
  • the light reflected by a heliostat according to the invention in particular a heliostat described in the figures, generally has an elongated shape in a vertical direction. Therefore, it is advantageous to design the solar collector or solar collectors in a similar or the same shape.
  • the solar park further comprises a second collector, wherein the collectors are adapted for different wavelengths, in particular optimized.
  • the light directed onto the solar tower in particular in the embodiments in which the overall optical system has a normal dispersion as a whole, also has spectral splitting.
  • the light profile in the upper area in the red frequency range of 600 to 900 nm concentrated light, while in the lower area light in the range of 400 nm is focused. This can be used to increase efficiency by optimizing or adapting different collectors for different wavelengths.
  • the collectors can be arranged in different vertical heights. As discussed above, in some embodiments reddish light tends to hit the top of the solar tower and bluish light tends to hit the bottom of the solar tower. It is therefore advantageous to mount different collectors at different vertical heights of the solar tower. In this case, the collectors mounted on the different vertical heights are preferably adapted or optimized to the different wavelengths.
  • the collector in particular the solar cell, is adapted or designed for a concentration of 1 00 to 200 times or a concentration in the range of 1 00 to 200 suns.
  • a concentration of 1 00 to 200 is sufficient and optimal.
  • a radiation power density of the sunlight is understood that corresponds to the ordinary average power density of radiation at that location.
  • An important standard value here is the value of 1 000 W ⁇ m "2 , which corresponds to a mean radiation power density in the temperate latitudes, such as in Germany.
  • the heliostats are arranged in a circular sector with an opening angle between 0 and 1 80 °, preferably between 0 and 1 20 °, around the tower, see also Fig. 5.
  • This arrangement has the advantage that the circular sector so aligned to the sun can be that the angles at which the solar radiation hits the heliostats, in particular the angle by which the sunlight is deflected in the plane of the solar park, differ less than in the case of a larger circular sector. This leads to relatively comparable irradiation ratios and in particular to similar ratios of the dispersion for the reflections at the different heliostats of the solar park.
  • the solar position projected onto the solar field plane intersects the circular sector with an opening angle of 1 80 °, as shown in FIG.
  • projected on the solar field levels sun position runs parallel to a tangent of the circle approximately in the middle of the distance from the tower to the above tangent.
  • the planes of the mirror elements of each heliostat are respectively parallel to the planes of the other mirror elements of this heliostat, so that these planes form a certain angle of inclination to the horizontal, and that the inclination angles of the respective heliostats are set so that the entirety of the heliostat a Fresnel mirror forms.
  • the advantage of this arrangement is that the mirror elements of a single heliostat are easy to control and at the same time the effect of a Fresnel mirror is achieved in good approximation.
  • the planes of the mirror elements of each heliostat are arranged relative to one another such that the entirety of the mirror elements of all heliostats forms a Fresnel mirror. This has the advantage that an even better Fresnel effect is achieved compared to the preceding embodiment.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a first embodiment of a heliostat according to the invention.
  • FIGS. 3A and 3B show sectional views of a second embodiment of a heliostat according to the invention.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the second embodiment of a heliostat according to the invention.
  • FIG. 5 shows a first embodiment of an ef fi cient solar park.
  • Fig. 6 illustrates the beam path of sunlight when reflected on a heliostats according to the invention in a solar park according to the invention.
  • FIG. 2 shows a heliostat 100 according to the invention with a light incidence surface 1101 and a first mirror element 105 and a second mirror element 107.
  • the light incidence surface 1101 separates the overlying air layer from the underlying dielectric medium 11 1.
  • a first incident light beam 1 03 comes from the sun coming at a right angle of incidence a on the light incident surface 1 01, enters in this case undistracted in the dielectric medium 1 1 3, is reflected by a reflective surface of the first mirror element 1 05 back to the light incident surface 01, is the light incident surface 1 01 broken and deflected in the direction of a solar collector.
  • a second light beam 1 09 hits at an angle a, which is smaller than 90 °, on the light incident surface 1 01, where it is refracted, then falls on a reflective surface of a second mirror element 1 07 and is reflected there back to the light incident surface 01, where it is broken again and is deflected in the direction of the solar collector.
  • the first mirror element 1 05 and the second mirror element 1 07 have different angles of inclination to the horizontal.
  • Fig. 3A shows a sectional drawing of a second embodiment of a heliostat according to the invention.
  • the heliostat 1 00 has a housing 1 1 5 with mirror elements 1 1 7 mounted therein.
  • the mirror elements 1 1 7 are held in a mirror carrier, not shown.
  • the housing 1 1 5 has a round bottom 1 1 9 and attached thereto, circumferential edge 1 21.
  • a cover glass 1 23 is attached.
  • the housing 1 1 5 and the cover glass 1 23 comprising an inner space 1 25, which is filled with a liquid dielectric medium 1 1 3.
  • the mirror elements 1 1 7 are flat, oblong and have a rectangular shape.
  • the longitudinal axes of the mirror elements 1 1 7 are parallel to each other and the inclination angle of the mirror elements 1 1 7 are each identical, so that the surfaces of the mirror elements 1 1 7 parallel to each other.
  • a typical length is 1 000 mm.
  • Typical values for the width or thickness of the mirror elements 1 1 7 are 20 mm and 2 mm, respectively.
  • the section shown here is defined by a center of the round housing 1 1 5 and perpendicular to the longitudinal axes of the mirror elements 1 1 7, so that the mirror elements 1 1 7 are considered along the longitudinal axes.
  • the reflections of the first light beam 1 03 and the second light beam 1 09 to the respective mirror elements 1 05, 1 07 corresponds to the situation shown in Fig. 1.
  • Fig. 3B shows the same embodiment as Fig. 3A. In the sectional drawing of Fig. 3B, however, the section along the longitudinal axes of the mirror elements 1 1 7 was placed.
  • the housing 1 1 5 of the heliostat 1 00 is on the floor 1 1 9 of the housing 1 1 5 a mirror support 1 27 attached, which holds all the mirror elements 1 1 7 of the heliostat 1 00.
  • the mirror support 1 27 has a bottom 1 29 and a peripheral edge attached thereto 1 31. Between two ends of the edge 1 31, the mirror elements 1 1 7 are supported. Since the longitudinal axes of the mirror elements 1 1 7 are parallel to each other and the mirror element 1 1 7 are held in the round mirror support 1 27, the respective lengths of the mirror elements 1 1 7 are different.
  • the section through the center of the round housing 1 1 5 along the longest mirror element 1 1 7 is shown.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the second embodiment of a heliostat according to the invention shown in FIG. To clarify the three-dimensional structure of the heliostat some elements are not completely reproduced here.
  • the heliostat 1 00 in this case has a plurality of rotatable mirror elements 1 1 7, which are supported in the mirror support 1 27.
  • the mirror support 1 27 is fixed in the housing 1 1 5 and rotatable relative thereto.
  • the rotation of the mirror carrier 1 24 relative to the housing 1 1 5 can be done for example by servo motors.
  • the mirror elements 1 1 7 are supported between two ends of the edge 1 31 of the mirror carrier 1 27. By mounted between the housing 1 1 5 and the mirror support 1 27 motors, in particular servo motors, the mirror elements 1 1 7 are each rotated about its longitudinal axis. In the present case, the angles of inclination of the mirror elements 1 1 7 relative to the horizontal are identical.
  • a light beam 1 33 falls on the heliostat 1 00 at a right angle, as in the embodiment of FIG. 4, it first encounters the cover glass 1 23, then the dielectric medium and finally a reflective surface of a mirror element 1 1 7 From this it becomes the boundary layer through the dielectric medium between the cover glass 1 23 and the adjacent air, where it is broken and deflected in the direction of the solar collector.
  • the angle is 6 ° between the light beam occurring from the heliostat and the surface of the cover glass 1 23 corresponding to a deflection angle of 84 °.
  • FIG. 5 shows a top view of a solar park 1 35 according to the invention with a tower 1 37 and several heliostats 1 00 arranged in a solar field 1 36, each having an exemplary mirror element 1 1 7.
  • the tower 1 37 has a height of 20 m and a width between 1, 5 to 2 m.
  • FIG. 5 serves in particular to illustrate a rotational angle adjustment of heliostats at different positions of the solar field 1 36 as a function of a solar position projected onto the plane of the solar field.
  • the pictured positions of the mirror elements 1 1 7 correspond to a projected sun position on the sun track 1 39 right above the rightmost on the right heliostat 1 00.
  • a light beam 1 33 hits in the projection on the plane of the solar field 1 36 coming from the top right eg the rightmost in Fig. 5 lying heliostat 1 00th From this heliostat 1 00 from the tower 1 37 the light beam in this projection by an angle greater than 90 ° deflect, so he hits the solar collector 1 41. Therefore, the corresponding mirror element 1 1 7 closes relative to the projected sun track 1 39 an angle less than 45 °.
  • the middle heliostat 1 00 has an angle of 45 ' with respect to the projected sun track 1 39 and the heliostat 1 00 on the left end has an angle greater than 45 "' with respect to the projected sun track 1 39.
  • the present arrangement of the solar field 1 36 to the sun track is particularly advantageous in the moderate latitudes, since so the ratios of the reflections on the heliostat 1 00 are comparable or more similar than for other arrangements of the solar field 1 36.
  • Fig. 6 shows a solar park according to the invention 1 35 with a tower 1 37, which has three mounted on different vertical heights solar collectors 1 41, and a plurality of arranged in a solar array 1 36 heliostat 1 00.
  • a sunbeam 1 33 is not perfectly collinear, as the sun's diameter on the earth's surface appears at an angle of 0.53 ' . Since the optical properties of the optical system of the heliostat 1 00 strongly asymmetric After the reflection to a heliostat 1 00, the incident, spherically symmetric and slightly convergent beam profile of the sun becomes an ellipsoid projected onto the tower 1 37.
  • the optical system has strong spherical aberration as well as strong spherical aberration. Since the solar collectors 1 41 have a longitudinally elongated shape in a vertical direction, in particular an oblong shape elongated in the vertical direction, the above-mentioned aberration does not reduce the performance of the optical system.
  • the spectral splitting in the vertical direction can even be used to use PV cells with different wavelength optimization.
  • a light beam 1 33 coming from the sun and striking a heliostat 1 00 is thrown onto the tower 1 37 after being reflected thereon as an ellipsoid having a shape elongated in the vertical direction.
  • the upper part of the ellipsoid hits an upper part of the tower 1 37 and the lower part of the ellipsoid hits a lower part of the tower 1 37.
  • the lower part of the ellipsoid has more bluish light and the upper part of the ellipsoid more reddish light if the heliostat 1 00 does not compensate for the dispersion, eg by using a blazing grating instead of a mirror element 1 1 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heliostaten aufweisend: ein dielektrisches Medium mit einer Lichteinfallfläche und einem Brechungsindex größer als 1,001, mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen Kollektor, wobei die Spiegelelemente unterhalb der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zumindest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt; und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen Solarpark aufweisend mindestens einen erfindungsgemäßen Heliostaten und einen Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht.

Description

Heliostat und Solarpark mit einem solchen Heliostaten
Die Erfindung betrifft einen Heliostaten, welcher in einem Solarfeld angeordnet ist und das Sonnenlicht auf einen an einem Solarturm angebrachten Sonnenkollektor lenkt. Der Sonnenkollektor des Solarturms wandelt die Energie des Sonnenlichts in Elektrizität um, wobei dies entweder mit der Technik der Photovoltaik oder der Solarthermie geschieht. Die Erfindung betrifft ferner einen Solarpark, welcher mehrere Heliostaten aufweist.
Im Stand der Technik sind solarthermische Solarparks mit Heliostaten und Solarturm bekannt. Das Problem der Abschattung ist hierbei auch bekannt, vgl. Abschnitt [0062] der Druckschrift US 2009/0007901 AI . Unter Abschattung wird hierbei die gegenseitige Versperrung des optischen Pfades durch lichtführende Elemente verstanden. Dieses Problem kann bei vorgegebener Turmhöhe durch eine Anordnung der Heliostaten mit großem Abstand untereinander gelöst werden oder bei vorgegebener Anordnung der Heliostaten im Solarfeld durch einen höheren Turm gelöst werden. Jedoch sind beide Lösungsmöglichkeiten nachteilig, da sowohl ein hoher Turm als auch ein großes Solarfeld unwirtschaftliche Lösungen darstellen.
Die Druckschrift US 2009/00735 1 AI beschriebt ein Steuergitter mit erhöhter Effektivität und Kapazität für Solarkonzentratoren und ähnliche Vorrichtungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen günstig herzustellenden Heliostaten anzugeben, der eine ressourcen- und kosteneffiziente Solarenergiegewinnung ermöglicht und der insbesondere eine Abschattung zwischen benachbarten Spiegelelementen wesentlich verringert.
Die Erfindung betrifft einen Heliostaten aufweisend ein dielektrisches Medium mit einer Lichteinfallfläche und einem Brechungsindex größer als 1 ,001 , mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen Kollektor, wobei die Spiegelelemente unterhalb der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zumindest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt, und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen. Unter einem Dielektrikum bzw. einen dielektrische Medium wird nachfolgend jeweils ein von Luft verschiedenes Dielektrikum bezeichnet.
Hierbei kann der Brechungsindex allgemein ein ortsabhängiger und / oder richtungsabhängiger Brechungsindex sein. Für den Fall nichtmagnetischer Materialien gilt, dass das Quadrat des Brechungsindexes n gleich der Permittivitätszahl oder Dielektrizitätszahl εΓ ist.
Unter einem Medium wird ein Medium verstanden, welches einen orts- und/oder richtungsabhängigen Brechungsindex aufweisen kann. Dieses Medium kann unzusammenhängend und inhomogen sein. Unter einem inhomogenen Medium wird ein Medium verstanden, das unterschiedliche Phasen desselben Stoffes bzw. Materials oder unterschiedliche Aggregatszustände gleicher oder verschiedener Stoffe bzw. Materialien aufweist.
Unter dem Ausdruck, wonach ein Medium einen Brechungsindex größer als einen bestimmten Wert aufweist, wird verstanden, dass das Medium an jedem Punkt seiner Materie und in jede Richtung an diesem Punkt einen Brechungsindex größer als diesen Wert aufweist. Im Allgemeinen wird hierbei Normaldruck angenommen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass insbesondere für senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf einen Heliostaten, die Abschattung zwischen benachbarten Spiegelelementen des Heliostaten wesentlich reduziert wird, falls sich zwischen einer Einfallsfläche des Heliostaten und den Spiegelelementen ein von Luft verschiedenes Dielektrikum befindet oder anders ausgedrückt, falls der Strahlengang des Sonnenlichts zwischen dem Eintritt in den Heliostaten und dem Austritt aus dem Heliostaten in einem von Luft verschiedenem Dielektrikum verläuft. Für einen speziellen Fall wird dies anhand von Fig. 1 veranschaulicht.
Hierzu wird angenommen, dass das Sonnenlicht senkrecht auf eine horizontale Lichteintrittsfläche des Heliostaten trifft und dass die Spiegelelemente identische ebene und längliche Spiegel sind, deren Längsachsen horizontal, d.h. senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 , verlaufen und die vertikal gesehen, d.h. entlang der Oben-unten-Richtung der Zeichenebene, in derselben Höhe angebracht sind.
Zuerst wird der in Fig. 1 A dargestellte Fall erläutert, in dem ein Heliostat ohne Dielektrikum abgebildet ist. Da in diesem Fall keine Grenzschicht zwischen Luft und dem Dielektrikum existiert, wird die Luft- Dielektrikum -Grenzschicht des in Fig. 1 B dargestellten Falls als die Lichteinfallfläche 1 O l des in Fig. 1 A dargestellten Falls betrachtet. Ein erster Strahl 1 03 des Sonnenlichts trifft in diesem Fall senkrecht, das heißt unter einem Einfallswinkels a von 90°, auf die Lichteinfallfläche 1 01 , trifft dann auf ein erstes Spiegelelement 1 05, wird dann von diesem ersten Spiegelelement 1 05 reflektiert und in Richtung eines Sonnenkollektor gelenkt. Hierbei bildet der Lichtstrahl mit der Lichteinfallfläche 1 01 einen Winkel γ und die Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 1 05 mit der Lichteinfallfläche 1 01 einen Winkel von ß
Ein zweites Spiegelelement 1 07, dessen Spiegeloberfläche parallel zur Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 1 05 ist, ist in einem gegebenen Abstand vom ersten Spiegelelement 1 05 in Richtung des Sonnenkollektors angeordnet. Ein zweiter Strahl 1 09, welcher im Vergleich zum ersten Strahl 1 03 weiter in Richtung des Sonnenkollektors auf das erste Spiegelelement 1 05 trifft wird ebenso wie der erste Strahl 1 03 unter demselben Winkel γ zum Sonnenkollektor gelenkt. Dieser zweite Strahl 1 09 trifft beim Auftreffpunkt 1 1 1 des Grenzstrahls auf das erste Spiegelelement 1 05. Er ist ein sogenannter Grenzstrahl, d.h. dass dieser Strahl noch auf den Sonnenkollektor trifft und nicht von dem zweiten Spiegelelement 1 07 blockiert wird, jedoch dass jeder Strahl, der weiter rechts von dem Auftreff punkt 1 1 1 auf das erste Spiegelelement 1 05 trifft, vom zweites Spiegelelement 1 07 blockiert wird oder für den Fall, dass dieser Strahl weder auf das erste Spiegelelement 1 05 noch auf das zweite Spiegelelement 1 07 trifft, zwischen den Spiegelelementen verloren geht. Somit werden alle Lichtstrahlen, welche zwischen dem Auftreffpunkt 1 1 1 und der linken Kante des zweiten Spiegelelements 1 07 liegen, abgeschattet, d.h. sie werden entweder vom zweiten Spiegelelement 1 07 blockiert oder sie treffen überhaupt nicht auf ein Spiegelelement. Das Verhältnis des abgeschatteten Lichts zu dem Licht, welches auf den Sonnenkollektor fällt, kann geometrisch durch das Verhältnis der Länge von der linken Kante des ersten Spiegelelements 1 05 bis zum Auftreffpunkt 1 1 1 zu der Länge von der linken Kante des ersten Spiegelelements 1 05 zu einem Projektionspunkt 1 1 3, an dem ein exakt an der linken Kante des zweiten Spiegelelement 1 07 vorbeifallender Strahl auf eine fiktive vertikale Verlängerung des ersten Spiegelelement 1 05 fallen würde, berechnet werden.
Im Gegensatz hierzu weist die in Fig. 1 B dargestellte Konstellation mit einem Dielektrikum, insbesondere einem flüssigen Dielektrikum, wesentliche Vorteile auf. Hierbei werden jeweils die Situationen mit identischem Ein- u nd Ausfallswinkel verglichen . Im diesem Fall mit Dielektriku m trifft ein erster Strahl 1 03 senkrecht auf die Lichteinfallfläche 1 01 und sodann auf das erste Spiegelelement 1 05. Der erste Strahl 1 03 wird nach der Reflexion vom ersten Spiegelelement 1 05 zur Luft-Dielektrikum -Grenzfläche zurückreflektiert, wo das Licht gebrochen und in Richtung des Kollektors gelenkt wird . Aufgrund der Brechu ng an der Luft- Dielektriku m-Grenzfläche nach der Reflexion am Spiegel kann dieser wesentlich flacher gestel lt werden als im Fal le ohne Dielektriku m, d .h ., dass der Winkel ß2 zwischen dem ersten Spiegelelement 1 05 und der Lichteinfal lfläche 1 01 kleiner als der entsprechende Winkel ß, des in Fig . 1 A dargestel lten Falls ist. Der zweite Strahl 1 09 ist wie in Fig . 1 A ein Grenzstrahl . Man erkennt deutlich, dass der Auftreffpunkt 1 1 1 wesentlich näher an der rechten Kante des ersten Spiegelelements 1 05 ist als im Fal l der Fig . 1 A. Dies bedeutet, dass die Abschattu ng in dem in Fig . 1 B dargestel lten Fal l wesentlich geringer ist als im Fall der Fig . 1 A.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass fü r den Fal l identischer, paral lel zueinander angeordneter Spiegelelemente mit identischem seitlichem Abstand und gleichen Ein- u nd Ausfallswinkel n ein Hel iostat mit in einem Dielektrikum befindlichen Spiegelelementen eine wesentlich verminderte Abschattu ng aufweist. Typische Werte für die Abschattu ng für den Fal l ohne und mit Dielektriku m sind 85% bzw. 33%. H ierbei weist der Hel iostat mit Dielektriku m eine um einen Faktor 2 bis 4 verminderte Abschattung auf.
Ferner spielen hierbei auch Absorptionsverl uste eine Rolle. Falls als dielektrisches Mediu m z. B. Wasser verwendet wird, absorbiert dieses in einem breiten Bereich Licht, wobei die Verluste zwischen 400 und 900 nm am geringsten sind . Diese Absorptionsverl uste sind gemeinsam mit dem Sensitivitätsbereich des jeweiligen photovoltaischen Konverters zu berücksichtigen, insbesondere sind Verluste a ußerhalb der Sensitivitätsku rve irrelevant. H ieraus resu ltieren Absorptionsverl uste bei einer Siliziu m-Solarzelle von 1 5% u nd bei einer GaAs-Solarzel le von 5%.
Darüber hinaus spielen auch Reflexionsverl uste an der Antireflexschicht eine Rolle. Bei einem relativ niedrigen Wert des Brechungsindexes von 1 ,05 treten typischerweise 5% Reflexionsverluste auf, bei einem höheren Wert des Brechu ngsindexes von 1 ,25 35% Reflexi o n sverl u ste .
Falls der Strahlengang zwischen Eintritt in den Heliostaten und Austritt aus dem Heliostaten nicht vol lständig mit Dielektriku m gefül lt ist, fäl lt die Verminderu ng der Abschattu ng weniger stark aus als im Falle der vollständigen Füllung mit Dielektrikum.
Das Merkmal, wonach die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen, bewirkt, dass die Beugungsverluste in der Dimension der Ausdehnung kleiner als 1 Prozent sind. Unter dem Begriff Ausdehnung wird hierbei eine Länge entlang einer x-, y- oder z- Achse eines beliebigen Koordinatensystems, insbesondere eines rechtwinkligen Koordinatensystems, verstanden. Unter den bei der Photovoltaik genutzten Wellenlängen sind die langwelligen für die Beugungseffekte am kritischsten, hierbei also ungefähr 1 000 nm . Wenn man in guter Näherung davon ausgeht, dass bei Beugung an einer ebenen Spiegelfläche an den Kanten in einem Bereich von jeweils 5 Wellenlängen (5 λ) Beugungsverluste auftreten, entspricht der ungenutzte Bereich ca. 1 0 /im . Um diese Verluste auf unter ein Prozent der Gesamtlänge zu reduzieren, benötigt man eine Gesamtlänge größer als 1 mm .
Nach einer bevorzugten Ausführungsform füllt das dielektrische Medium einen Raum zwischen den reflektierenden Flächen der Spiegelelemente und der Lichteinfallfläche zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus. Dies führt zu einer stärkeren Ablenkung bzw. Brechung der Lichtstrahlen und somit zu einer stärkeren Verminderung der Abschattung.
Vorzugsweise ist die Lichteinfallfläche eine Ebene, insbesondere eine horizontale Ebene. Dieser Fall ist vorteilhaft, da hierbei die Sonnenstrahlung über die gesamte Ebene unter demselben Einfallswinkel einfällt, die Einfallsbedingung also an jeder Stelle der Ebene identisch sind. Der Fall der horizontalen Ebene ist vorteilhaft, da der Heliostat in diesem Fall besonders einfach hergestellt werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spiegelelemente eben oder länglich, insbesondere rechteckig. Diese Formen haben den Vorteil, dass die Spiegelelemente nebeneinander angeordnet werden können.
Bevorzugt verlaufen die Längsachsen der Spiegelelemente parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichem Neigungswinkel der Spiegelelemente die Lichtstrahlen jeweils in dieselbe Richtung abgelenkt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Längsachsen der Spiegelelemente in einer Spiegelanordnungsebene angeordnet. Der Heliostat kann somit eine flache äußere Form aufweisen, so dass er flach auf die Erdoberfläche eines Solarparks gelegt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass Sonnenlicht, welches von einem Heliostaten auf den Sonnenkollektor gelenkt wird, nicht von einem anderen Heliostaten abgeschattet wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens ein Spiegelelement um seine Längsachse drehbar. Dies hat den Vorteil, dass der Ausfallswinkel des Sonnenlichts aus den Heliostaten für jedes Spiegelelement einzeln justierbar bzw. einstellbar ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit der Spiegelelemente einen Fresnel-Spiegel bildet. Hierbei ist für den Fall eines Solarparks mit mehreren in einem Solarfeld angeordneten Heliostaten zu beachten, dass die jeweiligen Neigungswinkel der Spiegelelemente eines Heliostaten von dem Ort dieses Heliostaten in dem Solarfeld abhängen. Der Vorteil eines Fresnel-Spiegels liegt darin, dass eine Reflexion an diesem näherungsweise der Reflexion an einem Parabolspiegel entspricht, der Fresnel-Spiegel aber im Gegensatz zu einem Parabolspiegel flach ist, und nicht so viel Raum in der Vertikalen in Anspruch nimmt wie der Parabolspiegel .
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass der Spiegelelemente einfach an steuerbar sind.
Vorzugsweise ist die Spiegelanordnungsebene horizontal angeordnet. Die für den Vorteil, dass hierdurch die Abschattung zwischen den Heliostaten untereinander reduziert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist eine Gesamtheit der Spiegelelemente in der Spiegelanordnungsebene eine runde Außenkontur auf. Dies hat den Vorteil, dass eine ebene Fläche, insbesondere die Fläche eines Solarfelds, mit baugleichen runden Heliostaten zu mehr als 90 % überdeckbar ist. Dies folgt unmittelbar aus der mathematischen Erkenntnis, dass eine Ebene mit identischen Kreisen zu mehr als 90 % überdeckbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Heliostat um eine Normale zur Spiegelanordnungsebene, insbesondere um den Mittelpunkt der runden Außenkontur, drehbar. Dies hat den Vorteil, dass der Heliostat entsprechend dem Sonnenstand am Himmel ausrichtbar bzw. nachführbar ist. Im Zusammenhang mit der Justierbarkeit der Neigungswinkel der Spiegelelemente des Heliostaten kann für eine beliebige Position der Sonne am Himmel jeweils garantiert werden, dass die Sonnenstrahlen auf den Sonnenkollektor treffen.
Vorzugsweise besteht das dielektrische Medium aus einer Flüssigkeit, einem Gel und/oder einem Festkörper. Noch bevorzugter besteht das dielektrische Medium mindestens eine Flüssigkeit, ein Gel und/oder einen Festkörper auf.
Hierbei kann das Medium einen Festkörper aufweisen, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume bzw. Röhren angeordnet sind, in denen längliche Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert bzw. angeordnet sind. Die Zylinderformen können seitlich mit motorisierten Drehvorrichtungen verbunden sein.
Ferner kann die Grenzfläche zwischen dem Festkörper und dem weiteren Festkörper zur Vermeidung oder Verminderung von Reflexionsverlusten mit einem insbesondere flüssigen oder gelartigen überbrückenden Dielektrikum gefüllt sein. Es ist bevorzugt, dass hierbei beide Festkörper als das überbrückende Dielektrikum einen identischen oder ähnlichen Brechungsindex aufweisen. Das Medium wird hierbei insgesamt von dem Festkörper, dem überbrückenden Dielektrikum sowie der Flüssigkeit, dem Gel oder dem weiteren Festkörper gebildet. Das Zwischenmedium ist derart ausgestaltet, dass es auch als Schmiermittel für die Spiegelzylinder eingesetzt werden kann. Bevorzugt beträgt eine Dicke einer dünnen Zwischenschicht weniger als 550 /im, so dass Unterschiede im Brechungsindex nicht zu Reflexionsverlusten führen.
Für beide Festkörper ist hierbei der synthetische, glasähnliche thermoplastische Kunststoff Polymethylmethacrylat bevorzugt, welcher umgangssprachlich Acrylglas oder Plexiglas genannt wird und mit dem Kurzzeichen PMMA bezeichnet wird.
Ein genereller Vorteil von Festkörpern ist, dass manche Festkörper im Infraroten und im UV im Gegensatz zu flüssigen, dielektrischen Materialien annähernd perfekt transparent sind.
Der drehbare Zylinder enthält in der Raumdiagonalen flache Spiegel zur Reflektion des einfallenden Lichtstrahls. Der Zylinder ist drehbar und die Rohre können für die Spiegel- Halterung mit benutzt werden.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium zumindest eines der folgenden Materialien auf: ein optisch isotropes Material, ein optisch anisotropes Material, ein optisch nichtlineares Material oder ein doppel brechendes Material . Das doppelbrechende Material weist insbesondere den Pockels-Effekt bzw. den linearen elektro-optischen Effekt auf, bei dem sich der Brechungsindex linear mit einem angelegten elektrischen Feld ändert.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium einen Brechungsindex größer als 1 ,05, vorzugsweise größer als 1 ,2, besonders bevorzugt größer als 1 ,3 oder noch bevorzugter größer als 1 ,4 auf. Falls sich der Brechungsindex nur wenig von 1 unterscheidet, führt dies zu einer geringen Verminderung der Abschattung. Falls sich der Brechungsindex stärker von 1 unterscheidet, führt dies zu einer stärkeren Verminderung der Abschattung.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium einen örtlich veränderlichen Brechungsindex oder einen örtlich unveränderlichen Brechungsindex auf. Der Vorteil des örtlich veränderlichen Brechungsindexes besteht darin, dass das einfallende Sonnenlicht in vielerlei Hinsicht veränderbar ist, zum Beispiel kann der Stra hlengang oder die Polarisation verändert werden. Ferner kann eine Antireflexionsschicht auf oder in dem dielektrischen Medium angebracht werden. Ferner kann durch eine Nanostrukturierung des dielektrischen Mediums erreicht werden, dass das dielektrische Medium eine optische Anisotropie erfährt, so dass das einfallende oder ausfallende Licht bevorzugt in diese Richtung gelenkt wird. Der Vorteil des örtlich unveränderlichen Brechungsindexes besteht in der einfachen Herstellbarkeit.
Bevorzugt weist das dielektrische Medium mindestens einen der folgenden Stoffe auf: Wasser, Kohlenstoff-Disulfid, Polymethylmethacrylat, Benzol, Xylol, Toluol, BTX, Zelluloseacetatbutyrat oder mindestens einen Stoff der folgenden Gruppen aufweist: organische Lösungsmittel, Alkane, Silikone, Silikonöle, Polycarbonate, transparente Polymere, insbesondere Cellulose-Butyrate, Akrylate, Glykol modifizierte Polyethylenterephthalate.
Der Vorteil von Wasser besteht in seinem umfangreichen Vorkommen und seiner weiten Verbreitung, in seiner Transmission im Sensitivitätsbereich von herkömmlichen photovoltaischen Konvertern, in seiner chemischen Beständigkeit, insbesondere bei langfristiger erhöhter Sonneneinstrahlung und seinen geringen Beschaffungskosten.
Kohlenstoff-Disulfid ist eine farblose Flüssigkeit mit geeignetem Brechungsindex und guter optischer Stabilität, welche gut in Kombination mit Glas eingesetzt werden kann.
Auch die Stoffe Benzol, Xylol, Toluol, BTX sind allgemein leicht zu beschaffen und weisen gute optische Eigenschaften auf, d.h. auch hohe Brechungsindices. Je nachdem welche weiteren Materialien eingesetzt werden, kann der Brechungsindex durch die Wahl der Stoffe angepasst werden.
Besonders bevorzugt ist Polymethylmethacrylat, das als Vorteile eine hohe Dielektrizitätskonstante, eine hohe optische Transmission, und eine exakte Bearbeitbarkeit bzw. gute Formtreue aufweist.
Günstig ist ebenfalls die Verwendung von organischen Polymeren für das dielektrische Medium oder Teile davon. Wie bereits erwähnt ist Polymethylmethacrylat mit n = 1 ,492 bevorzugt. Es ist ein leichtes Material und gut in verschiedenen Formen herzustellen. Damit lassen sich überraschenderweise sehr gute Spiegelzylinder herstellen, welche in einem PMMA-Festkörper geführt werden können. Leichte Materialien können energiegünstiger der Sonne nachgeführt werden. Diese Zylinder lassen sich in den Hohlräumen auch ohne Weiteres bei Beschädigung oder Farbbildung austauschen. Außerdem ist die Herstellung vereinfacht.
Durch Einlagerung in den Hohlräumen sind die Spiegel gut geführt und benötigen keine aufwendige Halterung oder Führungsmechanik.
Neben dem hohen Brechungsindex ist PMMA auch gut temperaturbeständig und erweist sich gerade bei Außenanwendungen durch hohe Witterungsbeständigkeit als vorteilhaft.
Außerdem ist die durch Dispersion verursachte chromatische Aberration von PMMA kleiner als bei Wasser (vgl. Abbe-Zahl) .
Insbesondere bevorzugt ist also das dielektrische Medium ein polymerer Thermoplast, insbesondere PMMA und/oder Polycarbonat.
Bei diesen harten und stabilen Polymeren lassen sich die Spiegelflächen leicht in die Zylinderkörper einbauen, bzw. umformen. Möglich ist auch das Aufdampfen einer dünnen Spiegelfläche (z.B. Aluminium, Silber etc.) auf einen Halbzylinder, der dann durch geschlossene Anha tung der zweiten Hälfte komplementiert wird. Dies gelingt gut bei Thermoplasten mit einer relativ niedrigen Glastemperatur, die jedoch über 1 00 "C liegen sollte um thermische Verformungen bei starker Sonneneinstrahlung zu vermeiden.
Ebenfalls bevorzugt sind Poiycarbonate wegen ihrer hohen Festigkeit. Diese sind besonders witterungs- und strahlungsstabil . Diese leicht formbaren Thermoplaste weisen mit einem Brechungsindex von 1 ,585 exzellente Brechzahlen auf und sind im relevanten bzw. interessierenden Wellen längenbereich von Natur aus farblos und transparent.
Schließlich ist es möglich auch andere transparente Festkörper wie Glas für die Stru kturen des Mediums einzusetzen. Bevorzugt sind hierbei auch Gläser, wegen der hohen Witterungsstabilität. Gläser können gut mit den zuvor genannten Flüssigkeiten kombiniert werden, welche z.B. als Zylinderschmiermittel verwendet werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist oberhalb des dielektrischen Mediums eine Deckschicht, insbesondere ein Deckglas, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die insbesondere optischen Effekte aufgeteilt werden können auf die Deckschicht und das darunter liegende dielektrische Medium. Ferner wird durch eine solche Trennung die Herstellung eines solchen Heliostaten vereinfacht. Ferner kann vorteilhafterweise eine zum Beispiel durch Sand oder andere Umwelteinflüsse abgenutzte Deckschicht einfach ausgetauscht werden. Ferner ist denkbar, dass für unterschiedliche Regionen auf der Erde, das heißt Regionen mit unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, unterschiedliche Deckschichten mit unterschiedlichen optischen Beschichtungen, insbesondere Antireflexionsschicht, bevorzugt werden. Nach einer Ausführungsform ist der Brechungsindex der Deckschicht identisch oder ähnlich mit dem Brechungsindex des dielektrischen Mediums bzw. der an die Deckschicht grenzende Grenzschicht des dielektrischen Mediums.
Vorzugsweise weist das dielektrische Medium oder die Deckschicht eine Antireflexbeschichtung, insbesondere auf der Deckschicht, auf. Dies hat den Vorteil, dass das auf den Heliostaten fallende Sonnenlicht nicht reflektiert wird und somit zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Hierbei sind insbesondere breitbandige Antireflexbeschichtungen bevorzugt, insbesondere in einem Bereich von 400 bis 1 000 nm.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Antireflexbeschichtung mindestens eines der nachfolgenden Materialien auf: ein Material mit niedrigem Brechungsindex, ein nano- strukturiertes Material, insbesondere ein poröses nano-strukturiertes Material, ein Sol-Gel- deponiertes Material oder ein durch winkelabhängige Deposition (oblique-angle deposition, OAD) hergestelltes Material. Unter einem niedrigen Brechungsindex wird hierbei ein Brechungsindex kleiner als 1 ,25 verstanden, welcher mit konventionellen dielektrischen Materialien nicht herstellbar ist, und insbesondere der Bereich von 1 ,05 bis 1 ,25. Materialien mit solchen Brechungsindices sind zum Beispiel durch neue Technologien, insbesondere durch Nanostru kturierung, herstellbar. Unter dem Begriff Na nostru ktu rieru ng wird eine Struktur verstanden, die eine Strukturierungsperiode aufweist, welche kleiner als die kleinste für die Fotovoltaik genutzte Wellenlänge des Sonnenspektrums, die so genannte UV-Grenzwellenlänge, ist. Bei üblichen Photovoltaikzellen (PV-Zellen) liegt die UV- Grenzwellen länge bei ca. 400 nm . Eine Nanostru ktur mit einer Strukturierungsperiode kleiner als 400 nm führt somit zu einer spekularen, d.h. spiegelnden, Reflexion, selbst bei Abweichungen von der perfekten Periodizität.
Dies kann für eine Optimierung der Antireflexionsschicht für die Einsatzbedingungen des Heliostaten genutzt werden, d.h. wenn der Lichtausfall nahezu parallel zur Deckschicht ist mit einem Ausfallwinkel von 60 bis 85"'. Hierbei werden der Ein- und Ausfallswinkel bezüglich des senkrecht auf dem Heliostaten stehenden Lots gemessen, d.h. senkrechter Einfall des Sonnenlichts auf den Heliostaten entspricht einem Einfallswinkel von 0°. Mit konventionellen dielektrischen Materialien, welche typischerweise einen Brechungsindex größer als 1 ,25 aufweisen, ist eine perfekte Entspiegelung nicht möglich. Erforderlich wären Materialien mit einem Brechungsindex im Bereich von 1 ,05 bis 1 ,25. Eine Lösung sind nano-strukturierte Dielektrika, z.B. dielektrische Nadeln mit einem Basisdurchmesser von 50 nm und einer Höhe bzw. Länge von 500 nm, welche senkrecht auf der Oberfläche stehen und mit einer Periode von 350 nm in den beiden Dimensionen der Oberfläche angeordnet sind. Ferner sind andere Stru kturierungen, z.B. dielektrische Fäden, möglich. Für die Anwendung ist ein niedriger, auf das Volumen bezogener dielektrischer Füllgrad von zum Beispiel kleiner als 1 0%, wichtig. Durch die Nanostru kturierung der Deckschicht kann für beide Polarisationen, d.h. für s- und p-Polarisation, eine hundertprozentige Transmission durch die Deckschicht erreichen werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die im Fall der PV-Anwendung zum Einsatz kommenden Solarzellen hocheffiziente Si-CSP (concentrated solar power)-Zellen mit einem Wirkungsgrad größer als 20%, bzw. GaAs-CSP-Zellen mit Wirkungsgrad größer als 28%.
Betrachtet man einen Solarpark mit Solarturm und mehreren Heliostaten, die in einem um den Solarturm herum angeordneten Kreissektor mit Offnungswinkel von zum Beispiel 1 60° angeordnet sind, so kann eine Anisotropie einer Besch ichtung der Deckschicht dazu benutzt werden, das Sonnenlicht vorzugsweise in die Richtung des Solarturms zu reflektieren. Die Anisotropie des Solarfeldes kann sozusagen durch die Anisotropie der BeSchichtung der Deckschicht ausgeglichen werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Heliostat so gefertigt, dass er auf eine Oberflächenschicht eines Bodens eines Solarfeldes anordenbar bzw. leg bar ist. Dies hat den Vorteil, dass keine Fundamente für die Heliostaten benötigt werden, was Kosten spart. Nach einer Ausführungsform kann neben dem Heliostaten ein kleines PV-Modul zur Stromversorgung angeord et sein, welches insbesondere der Stromversorgung von Motoren oder Servo-Motoren dient, welche die Spiegelelemente oder den Heliostaten als Ganzes drehen.
Vorzugsweise ist der Heliostat so gefertigt, dass der in den Boden eingelassen werden kann und mit der Oberfläche des Bodens abschließt.
Nach einer Weiterbildung ist die reflektierende Oberfläche zumindest eines Spiegelelements nano-strukturiert. Dies hat den Vorteil, dass eine Dispersion des optischen Gesamtsystems kompensierbar bzw. ausgleichbar ist. Unter dem optischen Gesamtsystem wird die Gesamtheit aller Komponenten, die zwischen dem Eintritt des Sonnenlichts in den Heliostaten bis zum Austritt aus dem Heliostaten auf das Sonnenlicht einwirken, verstanden. Bei den meisten transparenten Stoffen bzw. Medien liegt die so genannte normale Dispersion vor, bei der der Brechungsindex mit steigender Frequenz größer wird. Somit weist die Deckschicht und auch die Brechung an der Grenzfläche zwischen der Deckschicht und Luft eine normale Dispersion auf. Diese normale Dispersion kann insbesondere mittels einer Na nostru ktu rieru ng einer Oberfläche eines Spiegelelements kompensiert werden. Ferner kann diese Kompensation mit einem Beugungsgitter mit Blazing oder einem Blazegitter erzielt werden. Ein Blazegitter ist ein spezielles Reflexions- Gitter in der Optik, die auf die Beugung einer bestimmten Kombination von Wellenlänge und Beugungsordnung optimiert sind. Eine Kompensation der Dispersion führt dazu, dass das Gesamtsystem jede Wellenlänge im kompensierten Bereich auf denselben Punkt abbildet.
Die Anordnung des Heliostaten mit einem Festkörper ist besonders leicht herstellbar und wartungsfreundlich. Bevorzugt weist das dielektrische Medium hier einen Festkörper auf, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume oder Röhren angeordnet sind, in denen die Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Solarpark mit mindestens einem erfindungsgemäßen Heliostaten und einem Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht. Durch diese Anordnung können mehrere, in einem relativ begrenzten Raum angeordnete Heliostaten Sonnenlicht auf einen einzigen Kollektor lenken, welcher die Energie des Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Solarparks ist der Kollektor ein bei der Solarthermie verwendeter Kollektor, insbesondere ein thermosolarer Empfänger, oder weist eine Solarzelle auf.
Bevorzugt ist der Kollektor an oder auf einem Turm angeordnet. Hierdurch kann die reflektierte Sonnenstrahlung vorteilhafterweise auf einen Punkt gebündelt und dort in Elektrizität weiterverarbeitet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kollektor eine in einer vertikalen Richtung längliche Form auf. Das von einem erfindungsgemäßen Heliostaten, insbesondere einen in den Figuren beschriebenen Heliostaten, reflektierte Licht weist in der Regel eine in einer vertikalen Richtung längliche Form auf. Deshalb ist es von Vorteil, den Sonnenkollektor bzw. die Sonnen kollektoren in einer ähnlichen bzw. derselben Form auszugestalten.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Solarpark ferner einen zweiten Kollektor auf, wobei die Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen angepasst, insbesondere optimiert, sind. Neben der bereits erwähnten länglichen Form des reflektierten Lichtstrahls weist das auf den Solarturm gelenkte Licht insbesondere bei den Ausführungsformen, bei denen das optische Gesamtsystem insgesamt eine normale Dispersion aufweist, auch eine spektralen Aufspaltung auf. So weist das Lichtprofil im oberen Bereich im roten Frequenzbereich von 600 bis 900 nm konzentriertes Licht auf, während im unteren Bereich Licht im Bereich von 400 nm gebündelt wird. Dies kann zu einer Effizienzsteigerung genutzt werden, indem unterschiedliche Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen optimiert bzw. angepasst werden.
Die Kollektoren können dabei in unterschiedlichen vertikalen Höhen angeordnet sein. Wie bereits oben diskutiert trifft bei einigen Ausführungsformen rötliches Licht tendenziell auf den oberen Bereich des Solarturms und bläuliches Licht tendenziell auf den unteren Bereich des Solarturms. Es ist daher vorteilhaft unterschiedliche Kollektoren auf unterschiedlichen vertikalen Höhen des Solarturms anzubringen. Hierbei sind die auf den unterschiedlichen vertikalen Höhen angebrachten Kollektoren bevorzugt an die unterschiedlichen Wellenlängen angepasst bzw. optimiert.
Vorzugsweise ist der Kollektor, insbesondere die Solarzelle, auf eine 1 00 bis 200-fache Konzentration bzw. eine Konzentration im Bereich von 1 00 bis 200 Sonnen angepasst bzw. ausgelegt. Für PV-Anwendungen ist eine Konzentration von 1 00 bis 200 ausreichend und optimal . Hierbei wird unter einer 1 -fachen Konzentration eine Strahlungsleistungsdichte des Sonnenlichts verstanden, die der gewöhnlichen mittleren Strahlungsleistungsdichte an diesem Ort entspricht. Ein wichtiger Standardwert ist hierbei der Wert von 1 000 W · m"2, welcher einer mittleren Strahlungsleistungsdichte in den gemäßigten Breiten, wie z.B. in Deutschland, entspricht.
Typischerweise sind die Heliostaten in einem Kreissektor mit einem Offnungswinkel zwischen 0 und 1 80°, bevorzugt zwischen 0 und 1 20°, um den Turm herum angeordnet, siehe auch Fig. 5. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Kreissektor so zum Sonnenlauf ausgerichtet werden kann, dass sich die Winkel, unter denen die Sonnenstrahlung auf die Heliostaten trifft, insbesondere die Winkel, um den das Sonnenlicht in der Ebene des Solarparks abgelenkt wird, weniger stark unterscheiden als im Falle eines größeren Kreissektors. Dies führt zu relativ vergleichbaren Bestrahlungsverhältnissen und insbesondere zu ähnlichen Verhältnissen der Dispersion für die Reflexionen an den unterschiedlichen Heliostaten des Solarparks. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schneidet die auf die Solarfeldebene projizierte Sonnenposition den Kreissektor mit Offnungswinkel 1 80° wie in Fig. 5 abgebildet. Hierbei verläuft die auf die Solarfeld Ebenen projizierte Sonnen position parallel zu einer Tangente des Kreises ungefähr in der Mitte der Strecke vom Turm bis zur oben genannten Tangente. Diese Anordnung ist insbesondere in den gemäßigten Breiten vorteilhaft, da dort die Sonne niemals im Zenit steht, das Sonnenlicht also immer unter einen positiven Einfallswinkel auf das Solarfeld bzw. den Heliostaten trifft.
Nach einer Weiterbildung sind die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten jeweils parallel zu den Ebenen der anderen Spiegelelemente dieses Heliostaten, so dass diese Ebenen einen bestimmten Neigungswinkel zur Horizontalen bilden, und dass die Neigungswinkel der jeweiligen Heliostaten so eingestellt sind, dass die Gesamtheit der Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet. Der Vorteil an dieser Anordnung ist, dass die Spiegelelemente eines einzelnen Heliostaten einfach zu regeln sind und dass gleichzeitig der Effekt eines Fresnel-Spiegels in guter Näherung erzielt wird. Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit der Spiegelelemente aller Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zur vorstehenden Ausführungsform ein noch besserer Fresnel-Effekt erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einzelner Beispiele und Figuren weiter erläutert. Diese Beispiele und Figuren dienen nur zur Vera nschau lieh ung des allgemeinen erfinderischen Konzepts, ohne dass die Beispiele und Figuren als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend ausgelegt werden dürfen.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
Fig. 3A und Fig. 3B zeigen Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten.
Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines e rf i n d u n g s g e m ä ß e n Solarparks.
Fig. 6 illustriert den Strahlengang von Sonnenlicht bei Reflexion an einem erfindungsgemäßen Heliostaten in einem erfindungsgemäßen Solarpark.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Heliostaten 1 00 mit einer Lichteinfallfläche 1 01 sowie einem ersten Spiegelelement 1 05 und einem zweiten Spiegelelement 1 07. Die Lichteinfallfläche 1 01 trennt die darüber liegende Luftschicht von dem darunterliegenden dielektrischen Mediums 1 1 3. Ein erster einfallender Lichtstrahl 1 03 trifft von der Sonne kommend unter einem rechten Einfallswinkel a auf die Lichteinfallfläche 1 01 , tritt in diesem Fall unabgelenkt in das dielektrische Medium 1 1 3 ein, wird von einer reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegelelements 1 05 zurück zur Lichteinfallfläche 1 01 reflektiert, wird an der Lichteinfallfläche 1 01 gebrochen und in Richtung eines Sonnenkollektors abgelenkt. Ein zweiter Lichtstrahl 1 09 trifft unter einem Winkel a, welcher kleiner als 90° ist, auf die Lichteinfallfläche 1 01 , wo er gebrochen wird, fällt dann auf eine reflektierende Oberfläche eines zweiten Spiegelelements 1 07 und wird dort zurück zur Lichteinfallfläche 1 01 reflektiert, wo er abermals gebrochen wird und in Richtung des Sonnenkollektors abgelenkt wird. Hierbei können das erste Spiegelelement 1 05 und das zweite Spiegelelement 1 07 unterschiedliche Neigungswinkel zur Horizontalen aufweisen.
Fig. 3A zeigt eine Schnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heliostaten. Der Heliostat 1 00 weist ein Gehäuse 1 1 5 mit darin angebrachten Spiegelelementen 1 1 7 auf. Die Spiegelelemente 1 1 7 werden in einem nicht dargestellten Spiegelträger gehaltert. Das Gehäuse 1 1 5 weist einen runden Boden 1 1 9 und einen daran angebrachten, umlaufenden Rand 1 21 auf. Am oberen Ende des Randes 1 21 ist ein Deckglas 1 23 befestigt. Das Gehäuse 1 1 5 und das Deckglas 1 23 umfassend einen Innenraum 1 25, welcher mit einem flüssigen dielektrischen Medium 1 1 3 gefüllt ist. Die Spiegelelemente 1 1 7 sind eben, länglich und weisen eine rechteckige Form auf. Die Längsachsen der Spiegelelemente 1 1 7 sind parallel zueinander und die Neigungswinkel der Spiegelelemente 1 1 7 sind jeweils identisch, so dass die Oberflächen der Spiegelelemente 1 1 7 parallel zueinander verlaufen.
Eine typische Länge beträgt 1 000 mm. Typische Werte für die Breite bzw. Dicke der Spiegelelemente 1 1 7 sind 20 mm bzw. 2 mm . Der hier dargestellte Schnitt ist durch einen Mittelpunkt des runden Gehäuses 1 1 5 sowie senkrecht zu den Längsachsen der Spiegelelementen 1 1 7 gelegt, so dass die Spiegelelemente 1 1 7 entlang der Längsachsen betrachtet werden.
Die Reflexionen des ersten Lichtstrahls 1 03 und des zweiten Lichtstrahls 1 09 an den jeweiligen Spiegelelementen 1 05, 1 07 entspricht der in Fig. 1 dargestellten Situation.
Fig. 3B zeigt dieselbe Ausführungsform wie die Fig. 3A. Bei der Schnittzeichnung der Fig. 3B wurde ihr jedoch der Schnitt entlang der Längsachsen der Spiegelelemente 1 1 7 gelegt. Im Gehäuse 1 1 5 des Heliostaten 1 00 ist auf dem Boden 1 1 9 des Gehäuses 1 1 5 ein Spiegelträger 1 27 befestigt, welcher sämtliche Spiegelelemente 1 1 7 des Heliostaten 1 00 haltert. Der Spiegelträger 1 27 weist einen Boden 1 29 und einen daran angebrachten umlaufenden Rand 1 31 auf. Zwischen zwei Enden des Randes 1 31 sind die Spiegelelemente 1 1 7 gehaltert. Da die Längsachsen der Spiegelelemente 1 1 7 parallel zueinander sind und die Spiegelelement 1 1 7 in dem runden Spiegelträger 1 27 gehaltert werden, sind die jeweiligen Längen der Spiegelelemente 1 1 7 unterschiedlich. In Fig. 3B ist der Schnitt durch den Mittelpunkt des runden Gehäuses 1 1 5 entlang des längsten Spiegelelements 1 1 7 gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der in Fig. 3 gezeigten, zweiten Ausführungsform eines erfind ungsgemäf3en Heliostaten. Zur Verdeutlichung der dreidimensionalen Struktur des Heliostaten sind hierbei einige Elemente nicht vollständig wiedergegeben.
Der Heliostat 1 00 weist hierbei eine Vielzahl von drehbaren Spiegelelementen 1 1 7 auf, welche in dem Spiegelträger 1 27 gehaltert sind. Der Spiegelträger 1 27 ist in dem Gehäuse 1 1 5 befestigt und gegenüber diesem drehbar. Die Drehung des Spiegelträgers 1 24 gegenüber dem Gehäuse 1 1 5 kann beispielsweise durch Servo-Motoren erfolgen.
Die Spiegelelemente 1 1 7 sind zwischen zwei Enden des Rands 1 31 des Spiegelträgers 1 27 gehaltert. Durch zwischen dem Gehäuse 1 1 5 und dem Spiegelträger 1 27 angebrachte Motoren, insbesondere Servo-Motoren, können die Spiegelelemente 1 1 7 jeweils um ihre Längsachse gedreht werden. Vorliegend sind die Neigungswinkel der Spiegelelemente 1 1 7 gegenüber der Horizontalen jeweils identisch.
Zwischen dem Deckglas 1 23 und dem Gehäuse 1 1 5 befindet sich ein flüssiges dielektrisches Medium, so dass der Spiegelträger 1 27 und sämtliche Spiegelelemente 1 1 7 vollkommen in diesem flüssigen dielektrischen Medium eingetaucht sind.
Falls ein Lichtstrahl 1 33 wie in der Ausführungsform der Fig. 4 unter einem rechten Winkel auf den Heliostaten 1 00 fällt, so trifft er zunächst auf das Deckglas 1 23, sodann auf das dielektrische Medium und schließlich auf eine reflektierende Oberfläche eines Spiegelelements 1 1 7. Von dieser wird er durch das dielektrische Medium zur Grenzschicht zwischen dem Deckglas 1 23 und der angrenzenden Luft zurückgeschickt, wo er gebrochen und in Richtung des Sonnenkollektors abgelenkt wird. Vorliegend beträgt der Winkel 6° zwischen dem aus dem Heliostaten auftretenden Lichtstrahl und der Oberfläche des Deckglases 1 23 entsprechend einem Ausfallswinkel von 84°.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Solarparks 1 35 mit einem Turm 1 37 und mehreren in einem Solarfeld 1 36 angeordneten Heliostaten 1 00 mit jeweils einem beispielhaft abgebildeten Spiegelelement 1 1 7. Vorliegend hat der Turm 1 37 eine Höhe von 20m und eine Breite zwischen 1 ,5 bis 2 m. Durch die drei abgebildeten Heliostaten 1 00 verläuft eine auf die Ebene des Solarparks 1 37 projizierte Sonnenbahn 1 39. Fig. 5 dient insbesondere der Illustration einer Drehwinkeleinstellung von Heliostaten an unterschiedlichen Positionen des Solarfeldes 1 36 in Abhängigkeit einer auf die Ebene des Solarfeldes projizierten Sonnenposition. Die abgebildeten Stellungen der Spiegelelementen 1 1 7 entsprechen einer projizierten Sonnen position auf der Sonnenbahn 1 39 rechts oberhalb des am weitesten rechts abgebildeten Heliostaten 1 00.
Ein Lichtstrahl 1 33 trifft in der Projektion auf die Ebene des Solarfeldes 1 36 von rechts oben kommend z.B. auf den am weitesten rechts in Fig. 5 liegenden Heliostaten 1 00. Von diesem Heliostaten 1 00 aus muss der Turm 1 37 den Lichtstrahl in dieser Projektion um einen Winkel größer als 90° ablenken, damit er den Sonnenkollektor 1 41 trifft. Deshalb schließt das entsprechende Spiegelelement 1 1 7 relativ zur projizierten Sonnenbahn 1 39 einen Winkel kleiner als 45° ein. Der mittlere Heliostat 1 00 weist demgegenüber genau einen Winkel von 45 ' gegenüber der projizierten Sonnenbahn 1 39 auf und der Heliostat 1 00 am linken Ende weist einen Winkel größer als 45"' gegenüber der projizierten Sonnenbahn 1 39 auf.
Die vorliegende Anordnung des Solarfeldes 1 36 zur Sonnenbahn ist insbesondere in den gemäßigten Breiten vorteilhaft, da so die Verhältnisse der Reflexionen an den Heliostaten 1 00 vergleichbarer bzw. ähnlicher sind als für andere Anordnungen des Solarfeldes 1 36.
Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Solarpark 1 35 mit einem Turm 1 37, welcher drei auf unterschiedlichen vertikalen Höhen angebrachte Sonnen kollektoren 1 41 aufweist, sowie mehrere in einem Solarfeld 1 36 angeordnete Heliostaten 1 00.
Ein von der Sonne kommender Lichtstrahl 1 33 ist nicht perfekt kollinear, da der Durchmesser der Sonne auf der Erdoberfläche unter einem Winkel von 0,53 ' erscheint. Da die optischen Eigenschaften des optischen Systems des Heliostaten 1 00 stark asymmetrisch sind, wird das einfallende sphärisch symmetrische und leicht konvergente Strahlprofil der Sonne nach der Reflexion an einen Heliostaten 1 00 zu einem Ellipsoid, das auf den Turm 1 37 projiziert wird. Das optische System weist neben einer starken chromatischen Aberration auch eine starke sphärische Aberration auf. Da die Sonnen kollektoren 1 41 eine in einer vertikalen Richtung längliche Form, insbesondere eine in die Vertikalrichtung längliche Rechteckform, aufweisen, reduziert die o.g. Aberration nicht die Leistungsfähigkeit des optischen Systems. Die spektrale Aufspaltung in Vertikal-Richtung kann sogar genutzt werden, um PV-Zellen mit unterschiedlicher Wellenlängen- Optimierung einzusetzen.
Ein von der Sonne kommender Lichtstrahl 1 33, der auf einen Heliostaten 1 00 trifft, wird nach der Reflexion an diesem als ein Ellipsoid mit einer in vertikaler Richtung länglichen Form auf den Turm 1 37 geworfen. Hierbei trifft der obere Teil des Ellipsoids auf einen oberen Teil des Turms 1 37 und der untere Teil des Ellipsoids auf einen unteren Teil des Turms 1 37. Ferner weist der untere Teil des Ellipsoids mehr bläuliches Licht und der obere Teil des Ellipsoids mehr rötliches Licht auf, sofern der Heliostat 1 00 keine Kompensation der Dispersion, z.B. mithilfe eines Blazing-Gitters anstelle eines Spiegelelements 1 1 7, vornimmt.
Bezugszeichenliste
100 Heliostat
101 Lichteinfallfläche
103 erster Lichtstrahl
105 erstes Spiegelelement
107 zweites Spiegelelement
109 zweiter Lichtstrahl
111 Auftreffpunkt des Grenzstrahls
113 dielektrisches Medium
115 Gehäuse
117 Spiegelelemente
119 Boden
121 Rand
123 Deckglas
125 Innenraum
127 Spiegelträger
129 Boden
131 Rand
133 Lichtstrahl
135 Solarpark
136 Solarfeld
137 Turm
139 Sonnenbahn
141 Sonnenkollektor

Claims

Ansprüche
1 . Hel iostat aufwe ein dielektrisches Mediu m mit einer Lichteinfallfläche u nd einem Brechungsindex größer als 1 ,001 , mindestens zwei Spiegelelemente zur Ablenkung von Lichtstrahlen auf einen
Kol lektor, wobei die Spiegelelemente unterhal b der Lichteinfallfläche angeordnet sind, wobei die Spiegelelemente jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei ein zweites Spiegelelement benachbart zu einem ersten Spiegelelement angeordnet ist, wobei das dielektrische Medium zum indest die reflektierenden Flächen der Spiegelelemente bedeckt; und wobei die Spiegelelemente eine Ausdehnung größer als 1 mm aufweisen .
Hel iostat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Mediu m einen Raum zwischen den reflektierenden Flächen der Spiegelelemente und der Lichteinfallfläche zu mindest teilweise, insbesondere vol lständig, ausfü llt.
Hel iostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichteinfallfläche eine Ebene, insbesondere eine horizontale Ebene, ist.
Hel iostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Mediu m eine Flüssigkeit, ein Gel u nd/oder einen Festkörper aufweist, insbesondere aus m indestens einer Fl üssigkeit, einem Gel u nd/oder einem Festkörper besteht.
Hel iostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen Brechu ngsindex größer als 1 ,2 aufweist.
Hel iostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium m indestens einen der folgenden Stoffe aufweist: Wasser, Kohlenstoff-Disulfid, Polymethylmethacrylat, Benzol, Xylol, Toluol, BTX, Zelluloseacetatbutyrat oder mindestens einen Stoff der folgenden Gruppen aufweist: organische Lösungsmittel, Alkane, Silikone, Silikonöle, Polycarbonate, transparente Polymere, insbesondere Cellulose-Butyrate, Akrylate, Glykol modifizierte Polyethylenterephthalate.
7. Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des dielektrischen Mediums eine Deckschicht, insbesondere ein Deckglas, angeordnet ist.
8. Heliostat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium oder die Deckschicht eine Antireflexbeschichtung, insbesondere auf der Deckschicht, aufweist.
9. Heliostat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Antireflexbeschichtung mindestens eines der nachfolgenden Materialien aufweist: ein Material mit niedrigem Brechungsindex, ein nano-strukturiertes Material, insbesondere ein poröses nano-strukturiertes Material, ein Sol-Gel -deponiertes Material oder ein durch winkelabhängige Deposition (oblique-angle deposition, OAD) hergestelltes Material .
1 0. Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen polymeren Thermoplasten, insbesondere PMMA und/oder Polycarbonat aufweist.
1 1 . Heliostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium einen Festkörper aufweist, in dem mehrere benachbart angeordnete Hohlräume oder Röhren angeordnet sind, in denen die Spiegelelemente entweder in einer Flüssigkeit, in einem Gel oder in einem weiteren Festkörper, insbesondere mit Zylinderform, drehbar gelagert sind.
1 2. Solarpark aufweisend mindestens einen Heliostaten nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ; und einen Kollektor zum Empfangen von durch den mindestens einen Heliostaten auf den Kollektor umgelenktem Sonnenlicht.
1 3. Solarpark nach Anspruch 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor an oder auf einem Turm angeordnet ist.
Solarpark nach Anspruch 1 2 oder 1 3, ferner aufweisend einen zweiten Kollektor, wobei die Kollektoren für unterschiedliche Wellenlängen angepasst, insbesondere optimiert, sind.
Solarpark nach einem der Ansprüche 1 2 bis 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen der Spiegelelemente eines jeden Heliostaten jeweils parallel zu den Ebenen der anderen Spiegelelemente dieses Heliostaten sind, so dass diese Ebenen einen bestimmten Neigungswinkel zur Horizontalen bilden; und dass die Neigungswinkel der jeweiligen Heliostaten so eingestellt sind, dass die Gesamtheit der Heliostaten einen Fresnel-Spiegel bildet.
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