WO2020254685A1 - Sonnenenergie-konzentrator, konzentratorenanordnung sowie verfahren zum konzentrieren von sonnenenergiestrahlung in einer brennpunktzone mittels eines sonnenenergie-konzentrators - Google Patents

Sonnenenergie-konzentrator, konzentratorenanordnung sowie verfahren zum konzentrieren von sonnenenergiestrahlung in einer brennpunktzone mittels eines sonnenenergie-konzentrators Download PDF

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sun
solar energy
tracking
reflectors
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Vladan Petrovic
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Definitions

  • the invention relates to a concentrator with a focusing device for focusing solar energy on a focal zone, a concentrator arrangement with adjacently arranged concentrators and a method for concentrating solar energy radiation in a focal zone by means of the solar energy concentrator according to the preamble of claims 1, 12 or 13 .
  • the invention therefore relates to a new technical concept for concentrating solar energy, in particular at a high temperature level, for various purposes.
  • the concentrated solar energy can e.g. kept in a long-term heat storage at a high temperature level as heating energy for the winter months or it can be used for constant electricity generation throughout the year.
  • a very high temperature level e.g. in the order of 3500 ° C. This temperature also makes it possible to carry out various complicated chemical processes in the chemical industry, such as the dissociation of water, the melting of metal, as well as the decomposition and neutralization of various pollutants.
  • the energy of a heat storage mass can be increased through a concentration of solar energy and the energy efficiency of the system can be increased significantly when it is used.
  • various researches and new developments are carried out around the world with the aim of storing solar energy over longer periods, but with little success.
  • thermal storage systems have been used in solar thermal power plants so that these power plants can also be operated when it is cloudy or after sunset.
  • Various heat storage systems are currently being developed in order to bridge the sunless times with energy.
  • the concentration of sunlight and the storage of this energy would have to be adapted to one another in order to obtain a compact unit.
  • Solo farm power plants are those with internal parabolic collectors, which consist of curved or multiply subdivided mirrors that focus the sunlight onto an absorber tube running in the focal line of the parabolic trough.
  • the length of such collectors is between 20 and 150 meters, depending on the type of construction.
  • the concentrated solar radiation is converted into heat and passed on to a circulating heat transfer medium.
  • the paraboirs are usually uniaxially aligned with the sun, with the focal line coinciding with the axis of rotation. They are therefore arranged in a north-south direction and track the sun from east to west over the course of the day.
  • the collector field of a solar farm power plant consists of many paraboir internal collectors.
  • a secondary mirror can be provided above the absorber tube, ie on the sun side, in order to reduce radiation effects of the absorber tube.
  • Paraboir internal collectors work up to a process temperature of approx. 400 ° C, which is only sufficient for direct steam generation. This temperature range (400 ° C) is not sufficient to be able to store the thermal energy economically over the long term.
  • concentration ratio in parabolic troughs is less than 100. The low concentration ratio requires a correspondingly low temperature of the heat transfer medium.
  • Either thermal oil or superheated steam is used as the heat transfer medium. With thermal oil systems, temperatures of up to 390 ° C can be achieved, which are used in a heat exchanger to generate steam.
  • Solar farm power plants have been operated commercially since 1984.
  • SEGS Solar Electricity Generation System
  • SEGS Solar Electricity Generation System
  • Another power plant with a capacity of 64 MW is being built in Nevada. The efficiency of this type of power plant is given as 14%.
  • In Andalusia, Andassol 1 the largest solar power plant in Europe, is currently being built. Fresnel mirror colectors
  • Fresnel mirror colectors In addition to parabolic trough colactors (PRK modules), Fresnel mirror colectors (FSK modules) are also used. They have a secondary mirror above an absorber tube and a large number of one-dimensional tracking mirrors. Fresnel mirror collectors also have a low concentration ratio and they use a liquid heat transfer medium. Solar power plants based on this concept work in a moderate temperature range, are suitable for direct steam generation and less suitable for long-term heat storage.
  • the solar radiation is concentrated on a central absorber with the help of hundreds to thousands of automatically positioned mirrors (heliostats).
  • the absorber is mounted on a tower and converts the radiant energy into heat. So solar tower power plants focus on one focal point. The temperatures therefore reach significantly higher values than with solar farm power plants. In this way, process heat can be generated at almost any temperature and used to accelerate chemical processes. As a rule, however, the heat generated in the absorber is used to generate electricity via a steam or gas turbine power plant. The maximum possible temperatures are approx. 1300 ° C.
  • the heat medium is either liquid nitrate salt, water vapor or air.
  • Parabolic mirrors are mounted on a frame so that they can rotate in two axes and reflect the sunlight onto a heat receiver placed in the focal point. This design is very compact and allows any number of these modules to be switched together to form a large solar power plant.
  • the mirrors are designed with diameters of 3 to 25 meters, which means that outputs of up to 50 kW per module can be achieved.
  • the modules are also suitable for decentralized energy supply in remote regions. In the case of Dish-Stirling systems, the A Stirling engine is connected downstream, which converts the thermal energy directly into mechanical work. Due to the high efficiency of more than 30%, these systems are already well developed.
  • Parabolic power plants are more suitable for generating high-temperature heat, which can be kept ready in a heat store with a larger storage capacity. It is disadvantageous that the absorber must be positioned in the focus of the parabolic mirror, so that part of the area of the parabolic mirror is lost due to the shading. According to this concept, smaller units can be designed, which can be seen as an advantage compared to tower power plants.
  • the parabolic mirrors track the sun on three axes, which means that a large concentration ratio can be achieved and high temperatures can be achieved.
  • the concentration temperature of the sun's rays must be high (order of magnitude from 800 ° C).
  • it is necessary to specify a concentrator for solar radiation which, among other things, is adapted for long-term heat storage.
  • the compactness of the system is of particular importance for a more decentralized use of solar energy.
  • questions about the controllability of tracking very large concentrators according to the position of the sun are particularly important.
  • the heat storage should be insulated in such a way that the heat energy can be kept available over a long period of time (from a few months to half a year) with low heat losses.
  • the temperature in the absorber can be calculated as follows:
  • T s 5762 K surface temperature of the sun
  • This example shows that the concentrator based on the principle known from WO 2012/065725 A2 is excellently suited for high-temperature generation from solar energy.
  • WO 2012/065725 A2 lies in a concentrator 1 that can be tracked as a whole to the position of the sun for concentrating sun rays 2 in a focal zone 3 by means of reflectors 4 that are firmly oriented towards one another, see FIG. 1.
  • To reflect the sun rays 2 by means of reflectors 4 is a plurality of reflective lateral surfaces in at least approximately the shape of truncated cones or segments of truncated cones with different inclinations at least in part in one another and concentrically to one another so that the sun's rays after reflection on a much smaller area, namely on the focal zone 3 , are focused.
  • the concentrator is comparatively less sensitive to wind forces even with a large area; • the reflective surface of the concentrator is easy to clean;
  • the system can also be implemented as a decentralized compact unit.
  • the known concentrator however, has to be tracked according to the azimuth and elevation of the sun. Despite the optimal design, large masses have to be lifted. This is complex, especially when tracking the sun according to elevation. This also means a not inconsiderable technical effort when tracking the sun according to azimuth. Although this is somewhat lower compared to sun tracking by elevation, because the large masses only have to be brought into slow rotation, which is less in terms of performance than raising the large masses when tracking the sun by elevation, this still represents a technical challenge.
  • the invention is based on the object of providing a concentrator with a focusing device for focusing solar energy on a focal zone, a concentrator arrangement with adjacently arranged concentrators and a method for concentrating solar energy radiation in a focal zone by means of the concentrator according to the preamble of claims 1, 12 or 13 to create, which allow an excellent concentration of solar energy with the best possible use of the available space with less technical effort, longer service life and low maintenance and associated cost reduction.
  • the concentrator is now firmly positioned and does not track the sun.
  • the concentrator can for example be set up and fastened on vertical support columns or the like.
  • the fixed arrangement of the concentrator eliminates the high dynamic and mechanical requirements required in the prior art.
  • the entire construction can be made easier and cheaper, for example from light steel profiles.
  • the reflectors can be designed as flat mirrors. Compared to the known concentrator, there is a simpler construction.
  • the sun's rays are expediently deflected perpendicularly onto the focusing device by the surface of the reflectors.
  • a rotating mechanism with an electric stepping motor and / or an electric stepping motor can be provided for tracking the reflector arrangement of the sun according to azimuth and / or for tracking the reflectors of the sun according to elevation.
  • the reflectors are preferably each arranged on a rotary shaft and the rotary shafts are simultaneously deflected by the same angle via a drive mechanism.
  • the concentrator can be arranged on a supporting structure resting on a foundation.
  • a rotating mechanism for tracking the reflector assembly is preferably provided, on which a drive, which is connected to a support column of the support structure, can exercise a Drehbe movement.
  • the concentrator level is preferably identical in different sun position tracking positions.
  • a particularly vertical distance between the concentrator and an absorber and / or heat storage device arranged on its side facing away from the sun can be provided and advantageously adjustable.
  • the temperature of a heat storage mass is preferably determined by regulating the width of the spectrum of the sun's rays.
  • the solar energy can be transformed into thermal energy directly at high temperatures in a heat store without a heat transfer medium.
  • a load-bearing e.g. circular, firmly positioned profile be set up and designed so that it carries the flat mirror and the rotating mechanism.
  • the task of the flat mirror is only to direct the sun's rays perpendicularly to the flat concentrator arranged below.
  • the rotating mirrors are in a rotating motion and track the sun according to azimuth and tracking according to elevation takes place in such a way that all flat mirrors are rotated by means of a Step-E motor for an angle depending on the position of the sun.
  • All flat mirrors preferably rotate at the same angle, which makes the problem much easier to solve in terms of design.
  • the flat mirrors can be made of light and thin, either polished aluminum sheet (e.g. 0.5 mm thick) or of conventional steel (also 0.5 mm thick), expediently coated with mirrored foil or the like.
  • the flat mirrors are made by e.g. square steel tubes or the like, which in turn are carried on a circularly rotatable profile, e.g. a U-profile, made of steel.
  • a circularly rotatable profile e.g. a U-profile
  • the load-bearing circular U-profile sits on the support columns, which can be made from square steel tubes.
  • the square tubes together with a circular U profile form a rotatable rotating mechanism.
  • the supporting tubular columns can be connected to one another by means of the square tubes as a complete unit in the form of a grid.
  • the slewing gear together with flat mirrors can track the sun in azimuth by means of a Step-E motor or the like in such a way that the rotation of the Step-E motor turns the slewing gear in steps by a certain angle that is calculated.
  • the tracking of the flat mirrors of the sun after elevation can be done by means of a Step-E-Motor in such a way that by rotating the Step-E-Motor by a certain angle all flat mirrors are deflected at the same time by the same angle.
  • the mechanism of coupling the flat mirrors with the Step-E motor is illustrated in the figures.
  • the angle of rotation of the Step-E motor transfers the rotation to all shafts of the flat mirrors in the same ratio of 1: 1, so that all flat mirrors are rotated by the same angle depending on the angle at which the sun is at.
  • the sun coordinate is constantly calculated using a special program and the rotating mechanism is adjusted according to the sun's position and the flat mirrors are rotated by the appropriate angle so that the sun's rays are directed perpendicular to the concentrator.
  • the flat mirrors are rotated in a circle by means of the rotating mechanism and the angle is automatically set according to the position of the sun.
  • heat accumulator is known from WO 2013/167158 A1.
  • the sun's rays fall directly into the heat storage mass, where they are converted into heat.
  • the heat storage mass can for example be heated up to 1000 ° C (and much higher if necessary); it has the specific storage capacity of approx. 520 kWh / m 3 of the heat storage volume.
  • the heat losses from the new heat storage system are less than 10% within a half year.
  • the invention also provides a concentrator arrangement of adjacently arranged concentrators according to the invention of the same diameter in a hexagonal circular packing or with different diameters in a square circular packing.
  • the invention provides a method for concentrating solar energy radiation in a focal zone by means of a concentrator according to the invention, comprising rotating the reflector arrangement for azimuth tracking about an azimuth tracking axis and deflecting the reflectors about an elevation tracking axis transversely to the azimuth tracking axis, the reflector arrangement plane being expediently supported by the tracking remains unchanged.
  • the advantages that can be achieved according to the invention include: 1 .
  • the utilization rate of the floor space has increased significantly (81 .2%), which has not been possible until now.
  • Maximum temperatures can be achieved from solar energy, e.g. up to 3500 ° C. From an energetic and exergetic point of view, maximum efficiency can be achieved when converting thermal energy into electricity, and the exergetic efficiency can also be brought to almost 1. As a result, the whole range of energy use can be expanded, new chemical processes can be developed and the existing ones can be accelerated, ores or the like can be melted in impassable areas, inexpensive seawater desalination can be designed, the water supply can generally be positively influenced, etc.
  • the energy from the heat storage is decoupled by means of air in such a way that the stone bed of the heat storage has a large specific surface (96 m 2 / m 3 ), which results in a very intensive heat exchange between the hot stone bed and the air.
  • the hot air can be fed directly to the generation of steam or directly into an air turbine, which works on the principle of isothermal expansion, while the thermal energy is transformed directly into mechanical work. Further embodiments of the invention can be found in the following description and claims. Preferred configurations that can be combined with one another and with the aforementioned features and / or combinations are:
  • the concentrator can be designed according to WO 2012/065725 A2, with the difference that it is firmly positioned and the sun is not tracked. The rays of the sun falling perpendicular to the concentrator are concentrated in the focus.
  • the concentrated rays of the sun are fed directly into a heat store.
  • the heat accumulator can be designed according to WO 2013/167158 A1. When the sun's rays come into contact with the heat storage mass, they are converted directly into heat.
  • a slewing gear can track the sun in azimuth by means of a step electric motor.
  • the concentrator is firmly positioned and supported by support columns.
  • the supporting structure can be supported by a foundation such as a concrete foundation.
  • the distance between the concentrator and the heat accumulator can be determined by calculation.
  • the rotary movement of the slewing gear is carried out by means of a Step-E motor.
  • the Step-E motor is firmly connected to a support column with rotating rollers, which roll over a circular U-I profile or the like and can perform the rotating movement.
  • the fixedly positioned concentrators enable a high level of floor space utilization.
  • the solar energy is transformed into thermal energy directly at a high temperature in the heat storage without a heat transfer medium.
  • FIG. 1 shows a concentrator known from WO 2012/0065725 A2, comprising several truncated cones arranged concentrically with one another and one inside the other.
  • FIG. 2 shows the concentrator according to the invention, here firmly positioned parallel to the ground.
  • the task of the flat mirrors is to direct the sun's rays perpendicular to the concentrator.
  • the tracking of the sun is actually simple, through the rotating movement of the rotating mechanism towards the sun and the rotation of the flat mirrors by means of shafts to which the flat mirrors are firmly connected.
  • the whole system tracks the sun (the position of the sun is calculated and the rotary movement of the rotating mechanism is controlled by means of a program and the angle of inclination of the flat mirrors is adjusted) so that the sun's rays fall perpendicularly onto the concentrator after being reflected and are in focus be concentrated.
  • the flat mirrors are rotated using a Step-E motor.
  • Fig. 2 top view shows a top view of the flat mirror.
  • 2.1 shows a rotating mechanism, comprising flat mirrors 2.2, and a circular U-profile 2.3, and vertical support columns with rotating rollers 2.4.
  • Fig. 2.1 A shows how the slewing gear is positioned on a circular profile 2.5 and how the support columns 2.4 execute the rotary movement on the U-I profile by means of the Step-E motor 2.4.1.
  • Fig. 2.1 B is a representation of the slewing gear without a flat mirror.
  • Fig. 2.2 shows a supporting steel structure for the slewing gear as well as a heat accumulator 2.7 laid in the ground.
  • Figure 2.2A illustrates the positioning of the concentrator.
  • Fig. 2.3 shows the load-bearing steel construction, the slewing gear and the heat accumulator. 3 shows the entire length of a flat mirror 1 with supporting tubes 2, 3 and with bearings and fastenings.
  • FIG. 3.1 is a side view of the flat mirror, with the support tube 4 with the flat mirror 1 and with directed sun rays 2.12.
  • Fig.3.2 is a flat mirror partial view with vertical support tube 4 (here as a column of square ratrohr), with a rotating shaft 5 and with mechanical control levers 6 for regulating the angle of rotation for the elevation.
  • FIG. 4 shows a device for setting the angle of rotation (elevation) of the flat mirror 1, the drive and rotating shaft 5, as well as a mechanical control lever 6 and a Step-E motor 2.1 1 for the elevation.
  • 4.1 is the representation of the principle of the common rotary movement of all flat mirrors by means of the control lever 6 by means of which all rotary shafts are connected to one another.
  • Fig. 5 is an example of the application of the new solar system to illustrate that a usable area of 8120 m2 (81.2%) per 1 ha can be achieved, i.e. 4 large concentrators with a diameter of 50 m each and 1 concentrator with 20 m Diameter.
  • FIG. 6 shows a concentrator and a rotating mechanism with flat mirrors in 3D.
  • FIG. 7 shows four concentrators each 50 m in diameter and 1 concentrator 20 m in diameter in a 3D representation to illustrate the high level of utilization of the base area according to the invention.
  • FIG. 1 shows a concentrator 1 known from WO 2012/065725 A2, which according to the invention does not track the sun. Its task is only to concentrate vertical sun rays 2 (they are reflected by flat mirrors so that they fall perpendicular to the Kon centrator 1) according to any concentration ratio.
  • the vertical rays of the sun 2 are concentrated by means of the concentrator 1, which is here parallel and fixed to the ground, and high temperatures are thereby This will significantly improve the use of solar energy from an economic point of view.
  • the functioning of the concentrator is illustrated below in an overview.
  • the vertical sun rays 2 fall on the concentrator at an angle of 90 ° on the fixedly oriented reflectors 1.
  • a plurality of reflective lateral surfaces 1 in the shape of a truncated cone or in the form of segments of truncated cones with different inclinations are used .
  • the reflectors with their reflective outer surfaces 1 are at least partially arranged one inside the other and concentrically to one another in such a way that after the reflection they are focused on the sun rays 2 on a wesent Lich smaller surface 4, namely on the focal zone 4.
  • the reflective lateral surfaces 1 preferably represent lateral surfaces of truncated cones.
  • the invention is based on the basic idea that the concentrator is firmly positioned and has no moving parts, whereby a very light construction for carrying the Kon centrator and thus an extremely economical solution are made possible.
  • the angles of inclination of the lateral surfaces are determined structurally according to the target temperature.
  • the concentrator Since the concentrator is firmly positioned and can be laid over a large area, it does not need to track the sun and there is no need to lift large masses. This guarantees an enormous advantage, and you can achieve a large degree of utilization of the floor space. In this case one could expect the utilization rate for the base area in the order of 81%. Theoretically, a utilization rate of almost 100% can be achieved for the floor space if the solar system is optimally adapted to the floor space.
  • the entire construction of the concentrator can be designed very easily, with the be mirrored surface in slot-shaped cutouts which are provided in webs 9, is inserted and fixed.
  • the concentrator here parallel to the ground, is stationary positio ned.
  • the rays of the sun are reflected by the flat mirror 2.2 in such a way that they fall perpendicularly onto the concentrator.
  • the flat mirrors are adjusted to the shape of the sun by means of a rotating mechanism, Fig. 2.1, that the rotating mechanism gradually exerts the circular movement by means of a step electric motor 2.4.1 in azimuth and by means of a step electric motor 2.11 the supporting rotating shafts 5, see Fig.3.2, the flat mirror rotated by the certain angle so that the sun's rays 2.12 are directed perpendicular to the concentrator lying flat.
  • the vertical rays of the sun are concentrated in the concentrator and fed directly into the heat storage 2.7.
  • An absorber for example according to WO 2013/167158 A1, is provided in the heat accumulator, the task of which is to efficiently convert solar rays into heat.
  • the absorber can consist of a bed of basalt stone that has a large specific surface area (96 m 2 / m 3 ) in order to efficiently couple in radiation energy and extract heat from the bed.
  • the heat accumulator 2.7 has a large specific storage capacity (520 kWh / m 3 ) and excellent (specific) insulation such that it forms a long-term heat accumulator.
  • the heat is decoupled from the heat accumulator by means of air as the heat transfer medium with the aid of a fan 2.10.
  • the fan 2.10 is designed for high temperatures.
  • FIG. 2.1 the rotating mechanism with the flat mirrors 2.2 and with the circular U-profile 2.3 is shown.
  • the U-profile 2.3 serves as a carrier for the flat mirror as well as the connecting element for the vertical support columns with rotating rollers 2.4.
  • the arrangement of the flat mirrors can be seen in the plan view of the rotating mechanism.
  • the flat mirrors are formed here from square tubes and serve as support columns 4, Fig. 3.1.
  • a U-profile 2.3 and the support columns for the flat mirror 4, see Figure 3.1, are firmly connected to each other.
  • the slewing gear rotates by means of the Step-E motor 2.4.1 and enables sun tracking in azimuth.
  • Fig.2.1 A it is shown how the slewing gear sits on a U-I profile 2.5.
  • Detail C illustrates how the Step E motor with rotating rollers 2.4.1 performs the rotary movement.
  • the flat mirrors 2.2 are not shown.
  • Fig. 2.1 B the slewing gear is shown without a flat mirror and without a load-bearing UI profile.
  • the support columns 2.4 with rotating rollers and the support column with Step-E motor drive 2.4.1 can be seen there.
  • Figure 2.2 the supporting steel structure is shown, it consists of a circular U-I profile 2.5, which rests on the support columns 2.6 and is supported by them.
  • the support columns are made of square tubes and are flanged so that they are firmly connected to the UL steel profile and the foundation.
  • the steel construction according to Fig. 2.2 is centrally positioned directly above the heat accumulator. It is used to carry the concentrator and the rotating mechanism, so the demands on the steel structure according to Fig.2.2 are quite large and must be taken into account.
  • the positioning of the concentrator is shown in Fig. 2.2A.
  • the concentrator lies on the U-I profile 2.5 and is supported by the webs 2.11. It is advantageous that no massive construction is required to reliably position the concentrator horizontally.
  • the webs 2.11 are usually made from relatively thin sheet metal (3-6mm).
  • the reflective surfaces are e.g. made of thin aluminum sheet 0.5 mm thick, aluminum sheet is either polished or coated with reflective foils.
  • the entire weight is borne by the vertical support pillars 2.6.
  • the height of the concentrator is determined exactly after the focus distance and the position of the heat accumulator 2.7 and the concentrator are matched to one another accordingly.
  • FIG 3 the total length of a flat mirror 1 with supporting tubes 2, 3, with bearings and fastenings is shown.
  • the main pipe 2, which runs over the center of the flat mirror, is a square pipe which consists of several segments and they are connected to one another by a flange connection 8 in order to increase the flexural strength of the main pipe 2.
  • flat mirror 1 aluminum-polished sheet metal or black sheet metal can be used, which can consist of flat strips of a material suitable as a carrier layer, which forms or carries the outer surface reflecting the sunlight on at least one side.
  • Figure 3.1 a flat mirror side view, with the support tube 4 with the flat mirror 1 and with a directed sunbeam 2.12 is shown.
  • FIG. 3.2 a flat mirror partial view is shown with vertical support tube 4 (as a column of square tube), with rotating shaft 5 and with mechanical control levers 6 for regulating the angle of rotation for the elevation
  • 4.1 is the representation of the principle of the common rotary movement of all flat mirrors by means of the control lever 6 by means of which all rotary shafts 5 are connected to one another.
  • a usable area of approx. 8120 m 2 (81.2%) per 1 ha can be achieved, that is 4 large concentrators with 50 m each Diameter and a concentrator with a diameter of 20 m. If one assumes a specific DNI solar radiation of 0.6 kW / m 2 (Central Europe) and takes a usable area of 8120 m 2 as a basis and if one takes into account the annual number of hours of sunshine of 2000 h / year, the result is the amount of energy that is available in Year could "harvest" per 1 ha, of 9,744,000 kWh / year.
  • FIG. 6 shows a concentrator together with a rotating mechanism with flat mirrors in 3D.
  • FIG. 7 4 (four) concentrators with a diameter of 50 m each and 1 concentrator with a diameter of 20 m are shown in 3D for clarity, with the aim of showing that this new solar system can be used to a large extent.

Abstract

Konzentrator mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren von Sonnenenergie auf eine Brennpunktzone, umfassend eine Reflektorenanordnung zum Umlenken der Sonnenenergie auf die Fokussiereinrichtung, wobei die Reflektorenanordnung der Elevation der Sonne nachführbare Reflektoren aufweist und dem Azimut der Sonne insgesamt drehnachführbar ist und eine Sonnenstandnachführsteuerung für die Reflektorenanordnung zum sonnenstandabhängigen Umlenken der Sonnenenergie auf die stationäre Fokussiereinrichtung vorgesehen ist.

Description

Sonnenenergie-Konzentrator, Konzentratorenanordnung sowie
Verfahren zum Konzentrieren von Sonnenenergiestrahlung in einer Brennpunktzone mittels eines Sonnenenergie-Konzentrators
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Konzentrator mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren von Sonnenenergie auf eine Brennpunktzone, eine Konzentratorenanordnung mit benachbart an geordneten Konzentratoren sowie ein Verfahren zum Konzentrieren von Sonnenenergiestrah lung in einer Brennpunktzone mittels des Sonnenenergie-Konzentrators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , 12 bzw. 13.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein neues technisches Konzept zum Konzentrieren von Sonnenenergie, insbesondere auf hohem Temperaturniveau, für verschiedene Anwendungs zwecke. Die konzentrierte Sonnenenergie kann z.B. in einem Langzeitwärmespeicher auf ho hem Temperaturniveau als Heizungsenergie für die Wintermonate bereit gehalten oder sie kann zur stetigen Stromerzeugung während des ganzen Jahres genutzt werden. Erfindungs gemäß ist es möglich, ein sehr hohes Temperaturniveau z.B. in der Größenordnung 3500°C zu erreichen. Diese Temperatur ermöglicht es auch, verschiedene komplizierte chemische Pro zesse in der chemischen Industrie durchzuführen, wie z.B. die Dissoziation von Wasser, das Schmelzen von Metall, sowie das Zerlegen und Neutralisieren verschiedener Schadstoffe.
Insbesondere kann durch eine Konzentration von Sonnenenergie die Energie einer Wärme speichermasse erhöht und der energetische Wirkungsgrad der Anlage bei ihrer Nutzung we sentlich angehoben werden. Heutzutage werden weltweit diverse Forschungen und Neuent wicklungen betrieben mit der Zielsetzung, die Sonnenenergie über längere Perioden zu spei chern, jedoch mit wenig Erfolg.
Ein wichtiges Problem bei der Nutzung der konzentrierten Sonnenenergie besteht darin, dass für die Entkoppelung der Sonnenenergie ein Wärmeübertragungsmedium, sowie ein Trans portmittel für dieses Medium bei hoher Temperatur erforderlich werden. Das Wärmeübertra gungsmedium soll transportiert werden. Bis heute sind viele Forschungen auf dem Gebiet durchgeführt worden, jedoch mit mäßigem Erfolg. Dabei wurde oft Luft als Wärmeübertra gungsmedium genutzt. Die Probleme bei hohen Temperaturen bei allen Wärmeübertragungs medien sind evident. Bei hoher Temperatur hat Luft ein niedriges spezifisches Volumen und damit nimmt mit steigender Temperatur auch der Massenstrom der Luft ab. Für die Luftförde- rung liegt die Grenze bei 500°C. Auch für die Durchflussmessung der Luft ist bei 500°C die Grenze gesetzt. Andererseits ist eine hohe Temperatur bei der Nutzung der Solarenergie ein Imperativ für den hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung geworden.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Die Probleme in der Energieversorgung der Welt werden immer größer, insbesondere durch die Vorfälle, die immer häufiger bei bestehenden Kraftwerken auftreten. Man ist daher gezwungen, in relativ kurzer Zeit das ganze Konzept der Energieversorgung auf erneuerbare Energien in einer praktikablen Weise umzustellen.
Heutige Solarkraftwerke erfüllen die an sie gestellten Anforderungen nur unzureichend. Es gibt wenige Orte auf der Erde, wo die Sonne 365 Tage x 8 Stunden am Tag scheint. Nach heutigem Stand der Technik lässt sich die Sonnenenergie selbst an sonnenreichen Tagen nicht 24 Stun den am Tag nutzen um z.B. Strom aus Sonnenenergie zu erzeugen, ohne Energie aus einer zusätzlichen Energiequelle heranziehen zu müssen.
In der neueren Zeit werden bei den solarthermischen Kraftwerken thermische Speicher einge setzt, so dass diese Kraftwerke auch bei Bewölkung oder nach Sonnenuntergang betrieben werden können. Um die sonnenlosen Zeiten mit Energie zu überbrücken, werden zurzeit ver schiedene Wärmespeichersysteme entwickelt.
Die Konzentration des Sonnenlichtes und die Speicherung dieser Energie müssten aneinander angepasst werden, um kompakte Einheit zu erhalten.
Nachfolgend werden verschiedene Kraftwerkskonzepte erläutert.
Solathermische Kraftwerke mit Sonnenlichtkonzentration.
Diese Kraftwerke verwenden konzentrierende Kollektoren, um das einfallende Sonnenlicht zu konzentrieren. Sogenannte Solarfarm-Kraftwerke nutzen Linienkonzentratoren, die die Sonnen strahlung auf einer Brennlinie konzentrieren, während in Solar-Turmkraftwerken und Parabo- loidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit Punktkonzentratoren auf eine Brennpunktzone gebündelt wird. Die erreichbaren Nutztemperaturen dieser Arten der Energiegewinnung sind unterschiedlich. Solarfarmkraftwerke
Unter Soloarfarmkraftwerken versteht man solche mit Paraboirinnenkollektoren, die aus ge wölbten oder vielfach unterteilten Spiegeln bestehen, die das Sonnenlicht auf ein in der Brenn linie der Parabolrinne verlaufendes Absorberrohr bündeln.
Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absor berrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulieren des Wärmeträgermedium abgegeben. Die Paraboirinnen werden aus Kostengründen meist einachsig der Sonne nachgeführt, wobei die Brennlinie mit der Drehachse zusammenfällt. Sie sind deshalb in Nord-Südrichtung angeordnet und werden der Sonne im Tagesverlauf von Ost nach West nachgeführt.
Das Kollektorfeld eines Solarfarm kraftwerkes besteht dabei aus vielen parallel geschalteten Paraboirinnenkollektoren. Über dem Absorberrohr, also sonnenseitig, kann ein Sekundärspie gel vorgesehen sein, um Abstrahleffekte des Absorberrohres zu verringern.
Paraboirinnenkollektoren arbeiten bis ca. 400°C Prozesstemperatur, die lediglich zur direkten Dampferzeugung ausreicht. Dieser Temperaturbereich (400°C) reicht nicht aus, um die Wär meenergie wirtschaftlich langfristig speichern zu können. Das Konzentrationsverhältnis bei Pa- rabolrinnen liegt unter 100. Das niedrige Konzentrationsverhältnis bedingt eine dementspre chend niedrige Temperatur des Wärmeübertragungsmediums.
Als Wärmeträgermedium kommt entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf zum Ein satz. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis 390°C erreichbar, die in einem Wärme tauscher zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS =Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmetauscher aus; der überhitzte Dampf wird direkt im Absorber erzeugt. Damit sind Temperaturen von über 500°C möglich. Solarfarmkraftwerke werden seit 1984 kommerziell betrieben. Die 9 SEGS-Kraftwerke (SEGS=Solar Electricity Generation Sys tem) in Südkalifornien produzieren beispielsweise insgesamt 354 MW Leistung. Ein weiteres Kraftwerk mit einer Leistung von 64 MW wird in Nevada errichtet. Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerktyps wird mit 14% angegeben. In Andalusien wird zurzeit mit Andassol 1 das größte Solarkraftwerk Europas gebaut. Fresnel-Spiegel Kolektoren
Neben Parabolrinnenkolaktoren (PRK-Modulen) kommen auch Fresnel-Spiegel-Kolektoren (FSK-Module) zum Einsatz. Sie haben über einem Absorberrohr einen Sekundärspiegel und eine Vielzahl von eindimensional nachgeführten Spiegeln. Auch Fresnel-Spiegel-Kolektoren weisen ein niedriges Konzentrationsverhältnis auf und sie nutzen ein flüssiges Wärmeübertra gungsmedium. Solarkraftwerke nach diesem Konzept arbeiten im mäßigen Temperaturbereich, sind geeignet zur direkten Wasserdampferzeugung und weniger geeignet zur langfristigen Wärmespeicherung.
Solarturmkraftwerke
In Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung mit Hilfe hunderter bis tausender automa tisch positionierter Spiegel (Heliostaten) auf einen zentralen Absorber konzentriert. Der Absor ber ist auf einem Turm angebracht und wandelt die Strahlungsenergie in Wärme. Solarturm kraftwerke fokussieren also auf einen Brennpunkt. Die Temperaturen erreichen daher deutlich höhere Werte als bei Solarfarmkraftwerken. Auf diese Weise kann Prozesswärme nahezu nach beliebiger Temperatur generiert und zur Beschleunigung chemischer Prozesse genutzt werden. In der Regel wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampf- oder Gasturbi nenkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt. Die maximal mögliche Temperaturen liegen bei ca. 1300°C. Wärmemedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Luft.
Die größten derzeit existierenden Anlagen sind„Solar Two“ (10 MW, Arbeitstemperatur:290- 570°C) in Kalifornien und Forschungsanlagen in Almeria (Spanien). In Deutschland wurde in Jülich im Juli 2006 mit dem Bau eines Solarturmkraftwerkes begonnen, das 1 .5 MW Leistung bringen soll.
Paraboloidkraftwerke
Paraboloidspiegel sind zweiachsig drehbar auf einem Gestell montiert und reflektieren das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachten Wärmeempfänger. Diese Bauform ist sehr kompakt und erlaubt es, beliebig viele dieser Module zu einem großen Solarkraftwerk zusam menzuschalten. Die Spiegel werden mit Durchmessern von 3 bis 25 Metern ausgeführt, womit Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreichbar sind. Die Module eignen sich auch zur de zentralen Energieversorgung in abgelegenen Regionen. Bei Dish-Stirling-Anlagen ist dem Emp- fänger ein Stirlingmotor nachgeschaltet, der die thermische Energie direkt in mechanische Ar beit umsetzt. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades von mehr als 30% sind diese Anlagen schon weit entwickelt.
Bei den selten eingesetzten Dish-Farm-Anlagen befindet sich im Brennpunkt ein Absorber, in dem ein Wärmeträgermedium erhitzt und zur Dampferzeugung genutzt wird. Zu diesem Zweck müssen mehrere Paraboloidspiegel zusammengeschaltet werden.
Paraboloidkraftwerke sind besser geeignet zur Erzeugung der Hochtemperaturwärme, die in einem Wärmespeicher mit einer größeren Speicherkapazität bereit gehalten werden kann. Es ist nachteilig, dass der Absorber im Fokus des Parabolspiegels positioniert werden muss, so dass ein Teil der Fläche des Parabolspiegels durch die Verschattung verloren geht. Gemäß diesem Konzept kann man kleinere Einheiten konzipieren, was im Vergleich zu Turmkraftwer ken als Vorteil angesehen werden kann. Die Parabolspiegel werden dreiachsig der Sonne nachgeführt, wodurch ein großes Konzentrationsverhältnis erzielt werden kann und dadurch können hohe Temperaturen erreicht werden.
Um bei der Nutzung der Sonnenenergie die Stetigkeit und damit auch die erforderliche Zuver lässigkeit bei der Energieversorgung zu gewährleisten, ist eine Speicherung der Sonnenwärme unvermeidlich. Um eine große Speicherkapazität erreichen zu können, muss die Konzentrati onstemperatur der Sonnenstrahlen hoch sein (Größenordnung ab 800°C). In diesem Sinne ist es erforderlich, einen Konzentrator für Sonnenstrahlung anzugeben, der u.A. für eine Langzeit wärmespeicherung angepasst ist. Für eine eher dezentrale Nutzung der Sonnenenergie ist die Kompaktheit der Anlage von besonderer Bedeutung. Bei einer eher zentralen Nutzung der Sonnenenergie sind Fragen der Beherrschbarkeit des Nachführens sehr großer Konzentratoren nach dem Sonnenstand besonders bedeutsam. Wünschenswert ist es, ein System zur Nutzung der Sonnenenergie zu schaffen, mit dem man die Sonnenenergie bis zu einer maximalen Temperatur mittels eines Konzentrators konzentriert, anschließend die Wärme in einem Absor ber an das Wärmeübertragungsmedium überträgt und mittels des Wärmeübertragungsmedi ums die Wärmeenergie an eine Wärmespeichermasse abgibt, die sich in einem Wärmespei cher befindet und dabei die Wärmespeichermasse bis zu einer maximalen Temperatur von ca. 1000°C erwärmt.
Der Wärmespeicher sollte dabei so isoliert sein, dass die Wärmeenergie über den langen Zeit raum (einige Monate bis zu einem halben Jahr) mit niedrigen Wärmeverlusten bereit gehalten werden kann. Stand der Technik
Beim aus der WO 2012/065725 A2 des Erfinders bekannten Konzept ist eine begrenzte Flä chennutzung erreichbar. Geht man z.B. von einem Konzentratordurchmesser von D=25 aus, und berücksichtigt dabei die gegenseitige Verschattung zwischen den Konzentratoren, ergibt sich, dass pro 1 ha nicht mehr als N=9 Konzentratoreinheiten eingerichtet werden können. Die verspiegelte Nutzfläche von einem Konzentrator dieser Art beträgt in diesem Falle ca. 417m2 und die Fläche von 9 Konzentratoren dementsprechend 3753m2 (37.5%). Diese Nutzfläche entspricht dem heutigen Stand der Technik bei Solarkraftwerken, wobei das Verhältnis von der Kollektorenfläche zur erforderlichen Bodenfläche für ein Solarkraftwerk z.B. mit Paraboirinnen heute ca. 40-80 m2/kW beträgt. Wenn eine elektrische Leistung von 1 MW angestrebt wird ist leicht auszurechnen, dass für diese solare elektrische Leistung die Grundfläche von ca. 5 ha benötigt wird (dabei ist als ein Mittelwert der spezifische Grundflächenbedarf von 50 m2/kW zugrunde gelegt).
Beim bekannten Konzentrator dieser Art sind ohne Weiteres sehr hohe Konzentrationverhält nisse und somit auch hohe Temperaturen im Fokus erzielbar. Darin liegt eine sehr wichtige Eigenschaft dieses Solarsystems.
Dies sei durch folgendes Beispiel veranschaulicht.
Wir nehmen als Beispiel einen Konzentrator mit dem Durchmesser D=50 m, dessen Fläche 1963 m2 beträgt. Unter Berücksichtigung des Nutzungsgrads der verspiegelten Fläche von 85% ergibt sich eine Netto-Einstrahlungsfläche für die Sonnenstrahlen von Fk= 1669 m2. Bei einem beispielhaft angestrebten Fokus auf 0,5m Durchmesser beträgt Fokusfläche F = 0,196 m2. Daraus ergibt sich das Konzentrationsverhältnis C mit:
Figure imgf000008_0001
Hieraus lässt sich die Temperatur im Absorber wie folgt berechnen:
Figure imgf000008_0002
Absorbertemperatur
Figure imgf000009_0001
Ts=5762 K Oberflächetemperatur der Sonne
C Konzentrationsverhältnis
C = 4621 1 maximal mögliches Konzentrationsverhältnis
max
für Ts=5762 K
Setzt man die Werte in die Gleichung für T ein, ergibt sich für T l
8515
TÄ =5762x 4 = 3115 K
46211
und dementsprechend gelangt man theoretisch zur möglichen Absorbertemperatur in Höhe von tA =3502 °C.
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass der Konzentrator nach dem aus der WO 2012/065725 A2 bekannten Prinzip hervorragend zur Hochtemperaturerzeugung aus Sonnenenergie geeignet ist.
Die Grundidee der WO 2012/065725 A2 liegt in einem dem Sonnenstand insgesamt nachführ- baren Konzentrator 1 zum Konzentrieren von Sonnenstrahlen 2 in einer Brennpunktzonne 3 vermittels fest zueinander orientierter Reflektoren 4, siehe Fig. 1. Zur Reflektion der Sonnen strahlen 2 mittels der Reflektoren 4 ist eine Mehrzahl von reflektierenden Mantelflächen in zu mindest annährend der Form von Kegelstümpfen oder Segmenten von Kegelstümpfen unter schiedlicher Neigung zumindest in einem Teil ineinander und konzentrisch zueinander so an geordnet, dass die Sonnenstrahlen nach der Reflexion auf eine wesentlich kleinere Fläche, nämlich auf die Brennpunktzone 3, fokussiert sind.
Hierdurch wurde u.A. erreicht, dass
• der Konzentrator als ganzer mit geringem Aufwand dem Sonnenstand zweiachsig
nachgeführt ist;
• ein großes Konzentrationsverhältnis von z.B. 400 bis 1200 mit vergleichsweise gerin gem Aufwand erreichbar ist;
• der Konzentrator auch bei großer Fläche vergleichsweise wenig empfindlich gegenüber Windkräften ist; • die reflektierende Fläche des Konzentrators günstig zu reinigen ist;
• das Gewicht des Konzentrators relativ klein gehalten werden kann;
• die Abschattung des Konzentrators durch den Absorber vollständig vermieden werden kann;
• als Wärmeübertragungsmedium vom Absorber zu einem Wärmespeicher, z.B. mittels Luft, nur kurze Transportwege erforderlich sind;
• die Gesamt-Konstruktion einfach ist und mit vergleichsweise geringen Herstellungskos ten einhergeht; und
• die Anlage auch als dezentral einsetzbare Kompakteinheit realisierbar ist.
Der bekannte Konzentrator ist jedoch insgesamt nach Azimut und Elevation der Sonne nachzu führen. Dabei sind trotz der optimalen Gestaltung große Massen einerseits anzuheben. Dies ist insbesondere bei der Sonnennachführung nach Elevation aufwändig. Auch bei der Sonnen- nachführung nach Azimut bedeutet dies einen nicht unerheblichen technischen Aufwand. Wenngleich dieser im Vergleich zur Sonnennachführung nach Elevation etwas geringer ist, weil die großen Massen lediglich in langsame Rotationsbewegung gebracht werden müssen, was leistungsmäßig weniger ist als die Anhebung der großen Massen bei der Sonnennachführung durch Elevation, stellt dies dennoch eine technische Herausforderung dar.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Konzentrator mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren von Sonnenenergie auf eine Brennpunktzone, eine Konzentratorenanordnung mit benachbart angeordneten Konzentratoren sowie ein Verfahren zum Konzentrieren von Sonnenenergiestrahlung in einer Brennpunktzone mittels des Kon zentrators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , 12 bzw. 13 zu schaffen, die bei geringerem technischen Aufwand, längerer Lebensdauer und Wartungsarmut sowie damit einhergehender Kostensenkung eine hervorragende Konzentration von Sonnenergie unter bestmöglicher Nut zung des verfügbaren Platzes ermöglichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 , 12 bzw. 13 gelöst.
Hierdurch wird ein Konzentrator mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren von Sonnen energie auf eine Brennpunktzone, umfassend eine Reflektorenanordnung zum Umlenken der Sonnenenergie auf die Fokussiereinrichtung, geschaffen, wobei die Reflektorenanordnung der Elevation der Sonne nachführbare Reflektoren aufweist und dem Azimut der Sonne insgesamt drehnachführbar ist und eine Sonnenstandnachführsteuerung für die Reflektorenanordnung zum sonnenstandabhängigen Umlenken der Sonnenenergie auf die stationäre Fokussierein richtung vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist der Konzentrator nunmehr fest positioniert und wird der Sonne nicht nachgeführt. Der Konzentrator kann dabei beispielsweise auf senkrechten Tragsäulen oder dergleichen aufgestellt und befestigt sein. Durch die feste Anordnung des Konzentrators entfal len die im Stand der Technik erforderlichen hohen dynamischen und mechanischen Anforde rungen. Somit kann die gesamte Konstruktion leichter und kostengünstiger erfolgen, beispiels weise aus leichten Stahlprofilen.
Die Reflektoren können dabei als Flachspiegel ausgebildet sein. Gegenüber dem bekannten Konzentrator ergibt sich eine einfachere Konstruktion.
Zweckmäßigerweie werden die Sonnenstrahlen von der Oberfläche der Reflektoren senkrecht auf die Fokussiereinrichtung umgelenkt.
Zur Drehnachführung der Reflektorenanordnung der Sonne nach Azimut kann ein Drehwerk mit elektrischem Schrittmotor, und/oder zur Nachführung der Reflektoren der Sonne nach Elevation ein elektrischer Schrittmotor vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind die Reflektoren jeweils an einer Drehwelle angeordnet und die Drehwellen werden über einen Antriebsmechanismus gleichzeitig um denselben Winkel ausgelenkt.
Der Konzentrator kann auf einer auf einem Fundament ruhenden Tragkonstruktion angeordnet sein.
Ein Drehwerk zum Nachführen der Reflektorenanordnung ist vorzugsweise vorgesehen, auf welches ein Antrieb, der mit einer Tragsäule der Tragkonstruktion verbunden ist, eine Drehbe wegung ausüben kann.
Erfindungsgemäß ist die Konzentratorebene in verschiedenen Sonnenstandnachführungsposi- tionen vorzugsweise identisch.
Ein insbesondere vertikaler Abstand zwischen dem Konzentrator und einem auf seiner sonnen- abgewandten Seite angeordneten Absorber und/oder Wärmespeicher kann vorgesehen und vorteilhafterweise verstellbar sein. Die Temperatur einer Wärmespeichermasse wird vorzugsweise durch die Regelung der Breite des Spektrums der Sonnenstrahlen bestimmt.
Die Sonnenenergie kann ohne Wärmeübertragungsmedium direkt bei hoher Temperatur in einem Wärmespeicher in Wärmeenergie transformiert werden.
So kann in einer Ausführungsform über den Konzentrator ein tragendes, z.B. kreisförmiges, fest positioniertes Profil so eingerichtet und so ausgestaltet sein, das es die Flachspiegel sowie das Drehwerk trägt. Die Aufgabe der Flachspiegel besteht lediglich darin, die Sonnenstrahlen senk recht auf den darunter angeordneten, flach liegenden Konzentrator zu richten. Die Drehspiegel befinden sich in Drehbewegung und werden der Sonne nach Azimut nachgeführt und die Nach führung nach Elevation erfolgt auf die Weise, das alle Flachspiegel mittels eines Step-E-Motors für einen Winkel in Abhängigkeit von der Sonnenlage gedreht werden.
Alle Flachspiegel drehen sich vorzugsweise um den gleichen Winkel, dadurch ist konstruktiv das Problem viel leichter zu lösen. Die Flachspiegel können aus leichtem und dünnem, entwe der poliertem Alu-Blech (z.B. 0.5 mm dick) oder aus üblichem Stahl (auch 0.5 mm dick) beste hen, zweckmäßigerweise beschichtet mit verspiegelter Folie oder dergleichen.
In einer Ausführungsform werden die Flachspiegel von z.B. viereckigen Quadrat-Stahlrohren oder dergleichen getragen, die wiederum auf einem kreisförmig drehbarem Profil, z.B. einem U- Profil, aus Stahl sitzen. Das tragende kreisförmige U-Profil sitzt dabei auf den Tragsäulen, die aus Quadrat-Stahlrohren angefertigt sein können. Die Quadrat-Rohre gemeinsam mit kreisför migem U Profil bilden ein drehbares Drehwerk.
Die tragenden Rohrsäulen können miteinander mittels der Quadrat-Rohren als eine komplette Einheit in Gitterform verbunden sein.
Das Drehwerk mitsamt Flachspiegeln kann der Sonne nach Azimut mittels eines Step-E-Motors oder dergleichen auf die Weise nachgeführt werden, dass durch die Drehung des Step-E- Motors das Drehwerk in Schritten um einen bestimmten Winkel, der berechnet wird, gedreht wird.
Die Nachfürung der Flachspiegel der Sonne nach Elevation kann mittels eines Step-E-Motors dergestalt erfolgen, dass durch die Drehung des Step-E-Motors um einen bestimmten Winkel alle Flachspiegel gleichzeitig um den selben Winkel ausgelenkt werden. Der Mechanismus der Einkopplung der Flachspiegel mit dem Step-E-Motor ist in den Figuren illustriert. In einer Ausführungsform überträgt der Drehwinkel des Step-E-Motors die Drehung vorzugs weise auf alle Wellen der Flachspiegel im selben Verhältnis 1 :1 , so dass alle Flachspiegel um denselben Winkel in Abhängigkeit davon, unter welchem Winkel die Sonne steht, gedreht wer den. Im Prinzip wird ständig die Sonnenkoordinate mittels eines speziellen Programs berechnet und das Drehwerk wird entsprechend der Sonnenlage nachgeführt und die Flachspiegel wer den um entsprechenden Winkel so gedreht, dass die Sonnenstrahlen senkrecht auf den Kon zentrator gerichtet werden. Die Flachspiegel werden im Prinzip mittels des Drehwerkes im Kreis gedreht und der Winkel wird entsprechend der Position der Sonne automatisch eingestellt. Da durch ist die Leistung der Step-E-Motoren wesentlich reduziert und die gesamte Konstruktion ist viel leichter, weil die Masse der Flachspiegel nicht angehoben werden muss.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei Anordnung eines Wärmespeichers direkt unter dem Kon zentrator. Ein derartiger Wärmespeicher ist aus der WO 2013/167158 A1 bekannt. Die Son nenstrahlen fallen direkt in die Wärmespeichermasse, wo sie in Wärme umgewandelt werden. Hierbei kann die Wärmespeichermasse z.B. bis 1000°C (und bei Bedarf wesentlich höher) er wärmt werden; sie weist die spezifische Speicherkapazität von ca. 520 kWh/m3 des Wärme speichervolumens auf. Die Wärmeverluste des neuen Wärmespeichers liegen unter 10% inner halb eines Halbjahres.
Die Erfindung schafft ferner eine Konzentratorenanordnung aus benachbart angeordneten er findungsgemäßen Konzentratoren gleichen Durchmessers in hexagonaler Kreispackung oder mit unterschiedlichen Durchmessern in quadratischer Kreispackung.
Schließlich schafft die Erfindung ein Verfahren zum Konzentrieren von Sonnenenergiestrahlung in einer Brennpunktzone mittels eines erfindungsgemäßen Konzentrators, umfassend ein Dre hen der Reflektorenanordnung zur Azimutnachführung um eine Azimutnachführungsachse und ein Auslenken der Reflektoren um eine Elevationsnachführungsachse quer zur Azimutnachfüh rungsachse, wobei zweckmäßigerweise die Reflektorenanordnungsebene durch die Nachfüh rung unverändert bleibt.
Mit der Erfindung gewinnt die Nutzung von Sonnenenergie an Wert und man kann jetzt sicher sein, dass durch die erfindungsgemäß optimale Verknüpfung verschiedener Teilkomponenten im Stand der Technik auftretende praktische Probleme teilweise oder vollständig überwunden werden.
Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile umfassen: 1 . Den Nutzungsgrad der Grundfläche ist deutlich erhöht (81 .2%), was bis jetzt nicht mög lich war. Das kann dadurch verdeutlicht werden, dass z.B. auf einer Grundfläche von 10000 m2 =1 ha vier stabile Konzentratoren mit jeweils 50 m Durchmesser und 1 Konzentrator in der Mitte mit 20 m Durchmesser, eingerichtet werden können. Das ergibt insgesamt 8120 m2 Nutzungs fläche von der gesamten Grundfläche von 10000 m2, auf welche die Sonnenstrahlen fallen, und genutzt werden, entsprechend einem Nutzungsgrad in Höhe von 81 .2%.
2. Die Sonnennachführung des Konzentrators wird vermieden. Es müssen keine großen Massen angehoben werden. Es ergibt sich eine erhebliche Energie- und Materialeinsparung und die komplette Einrichtung ist wesentlich leichter.
3. Alle Flachspiegel werden um denselben Winkel gedreht, so dass durch die Drehung des Step-E-Motors um einen Winkel alle Wellen der Flachspiegeln gleich ausgelenkt werden.
4. Aus der Sonnenenergie sind maximale Temperaturen erreichbar, z.B. bis zu 3500°C. Vom energetischen und exergetischen Standpunkt gesehen kann bei der Umwandlung der Wärmeenergie in Strom ein maximaler Wirkungsgrad erreicht werden und auch der exergeti- sche Wirkungsgrad kann auf fast 1 gebracht werden. Dadurch kann man den ganzen Bereich der Energienutzung erweitern, neue chemische Verfahren entwickeln und die bestehenden beschleunigen, man kann in unwegsamen Gebieten Erze oder dergleichen schmelzen, eine preiswerte Meerwasserentsalzung konzipieren, die Wasserversorgung allgemein positiv beeinflußen usw.
5. Das neue Konzept ermöglicht, die Sonnenenergie direkt in den Wärmespeicher zu füh ren und in Wärme umzuwandeln. Dadurch ist es zum ersten Mal gelungen, Sonnenstrahlung in Speicherwärme umzuwandeln. Was besonders wichtig ist, dass die Temperatur der Wärme speichermasse bis 1000°C hoch angehoben werden darf. Dadurch sind die Voraussetzungen geschaffen, dass die Sonnenenergie effizient genutzt wird. Mit einer solchen Lösung wird man zum ersten Mal aus Sonnenenergie eine stabile Energieressource, d.h. erfindungsgemäß ist es möglich, aus Sonnenenergie 365 Tage x 24 h = 8760 h im Jahr Strom zu erzeugen.
6. Durch das neue Konzept ist die Möglichkeit gegeben, an Tagen, an welchen die Sonne teilweise über die Zeit erscheint, diese Energie fast ohne Verluste speichern zu können. Bei optimaler energetischer Auslegung des Systems ist die Energieversorgung stabil und unterliegt nicht der Schwankungen der Sonnenstrahlung.
7. Die Energie aus dem Wärmespeicher wird mittels Luft auf die Weise entkoppelt, dass die Steinschüttung des Wärmespeichers eine große spezifische Oberfläche (96 m2/m3) hat, was zur Folge einen sehr intensiven Wärmeaustausch zwischen der heißen Steinschüttung und der Luft hat. Die heiße Luft kann direkt zur Dampferzeugung geleitet werden oder direkt in eine Luftturbine, die nach dem Prinzip der isothermen Expansion arbeitet, dabei wird direkt die Wärmeenergie in mechanische Arbeit transformiert. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den An sprüchen zu entnehmen. Bevorzugte untereinander und mit den vorgenannten Merkmalen und/oder-kombinierbare Ausgestaltungen sind:
Die Nutzung von Sonnenenergie dergestalt, dass ein Drehwerk mit Flachspiegeln aus gestattet ist, so dass durch die Drehbewegung die Flachspiegel der Sonne nach Azimut und Elevation nachgeführt werden, so dass die Sonnenstrahlen von der Oberfläche der Flachspiegel reflektiert werden und senkrecht auf den Konzentrator fallen.
Der Konzentrator kann konstruktiv gemäß der WO 2012/065725 A2 ausgestaltet sein mit dem Unterschied, dass er fest positioniert ist und der Sonne nicht nachgeführt wird. Die senkrecht auf den Konzentrator eintreffenden Sonnenstrahlen werden im Fokus konzentriert.
Die konzentrierten Sonnenstrahlen werden direkt in einen Wärmespeicher geführt. Der Wärmespeicher kann gemäß der WO 2013/167158 A1 ausgestaltet sein. Wenn die Sonnenstrahlen in Kontakt mit der Wärmespeichemasse kommen, werden sie direkt in Wärme umgewandelt.
Ein Drehwerk kann mittels eines Step-E-Motors der Sonne nach Azimut nachgeführt werden.
Flachspiegel können mittels eines Step-E-Motors der Sonne nach Elevation auf die Weise nachgeführt werden, dass sich mittels der Steuerhebel alle Drehwellen um den gleichen Winkel gleichzeitig drehen.
Der Konzentrator ist fest positioniert und von Tragsäulen getragen. Die Tragkonstrukti on kann von einem Fundament, wie etwa einem Betonfundament, getragen werden.
Die Entfernung zwischen dem Konzentrator und dem Wärmespeicher kann rechnerisch bestimmt werden.
Die Drehbewegung des Drehwerkes wird mittels eines Step-E-Motors durchgeführt wird. Der Step-E-Motor ist fest mit einer Tragsäule mit Drehrollen verbunden, die über ein kreisförmiges U-I-Profil oder dergleichen rollen und die Drehbewegung ausüben kann.
Die fest positionierten Konzentratoren ermöglichen einen hohen Nutzungsgrad der Bo denfläche.
Die Sonnenenergie wird ohne Wärmeübertragungsmedium direkt bei hoher Temperatur im Wärmespeicher in Wärmeenergie transformiert.
Die Sonnennachführung nach Azimut und Elevation erfolgt nur über die Drehbewegung in einer Ebene, ohne grossen Massen hoch heben zu müssen. KURZ BESCHREIBUNG DER FIGUREN
In Fig.1 zeigt einen aus der WO 2012/0065725 A2 bekannten Konzentrator, umfassend meh rere konzentrisch zueinander und ineinander angeordnete Kegelstümpfe.
Fig.2 zeigt den erfindungsgemäßen Konzentrator, hier parallel zum Erdboden fest positioniert.
Die Flachspiegel haben die Aufgabe, die Sonnenstrahlen senkrecht zum Konzentrator zu rich ten. Die Sonnenachführung verläuft an sich einfach, durch die Drehbewegung des Drehwerkes zu der Sonne und der Drehung der Flachspiegel mittels Wellen, mit denen die Flachspiegel fest verbunden sind. Das ganze System wird der Sonne so nachgeführt (dabei wird die Position der Sonne berechnet und mittels eines Programmes wird die Drehbewegung des Drehwerkes ge steuert und der Neigungswinkel der Flachpiegel gerichtet), dass die Sonnenstrahlen nach der Reflektion senkrecht auf den Konzentrator fallen und dabei im Fokus konzentriert werden. Die Drehung der Flachspiegel wird mittels eines Step-E-Motors durchgeführt.
Fig.2-Draufsicht zeigt eine Draufsicht auf den Flachspiegel.
Fig.2.1 zeigt ein Drehwerk, umfassend Flachspiegel 2.2, sowie ein kreisförmiges U-Profil 2.3, und senkrechte Tragsäulen mit Drehrollen 2.4.
Fig.2.1 A zeigt, wie das Drehwerk auf einem kreisförmigen Profil 2.5 positioniert ist, und wie die Tragsäulen 2.4 die Drehbewegung mittels des Step-E-Motors 2.4.1 auf dem U-I-Profil ausfüh ren.
Fig.2.1 B ist eine Darstellung des Drehwerkes ohne Flachspiegel.
Fig.2.2 zeigt eine tragende Stahlkonstruktion für das Drehwerk sowie einen im Boden verlegten Wärmespeicher 2.7.
Fig.2.2A illustriert die Positionierung des Konzentrators.
Fig.2.3 zeigt die tragende Stahlkonstruktion, das Drehwerk sowie den Wärmespeicher. Fig.3 zeigt ist die gesamte Länge eines Flachspiegels 1 mit tragenden Rohren 2, 3 sowie mit Lagern und Befestigungen.
Fig.3.1 ist eine Flachspiegel-Seitenansicht, mit Tragrohr 4 mit dem Flachspiegel 1 sowie mit gerichteten Sonnenstrahlen 2.12.
Fig.3.2 ist eine Flachspiegel-Teilansicht mit senkrechtem Tragrohr 4 (hier als Säule aus Quad ratrohr), mit einer Drehwelle 5 sowie mit mechanischen Steuerhebeln 6 zur Regelung des Drehwinkels für die Elevation.
Fig.4 zeigt eine Einrichtung zum Einstellen des Drehwinkels (Elevation) der Flachspiegel 1 , die Antriebs- und Drehwelle 5, sowie einen mechanischen Steuerhebel 6 und einen Step-E-Motor 2.1 1 für die Elevation.
Fig.4.1 ist die Darstellung des Prinzips der gemeinsamen Drehbewegung aller Flachspiegel mittels der Steuerhebel 6 mittels denen alle Drehwellen miteinander in Verbindung stehen.
Fig.5 ist ein Beispiel zur Anwendung des neuen Solarsystems zur Illustration, dass eine Nutz fläche von 8120 m2 (81 .2%) pro 1 ha erreicht werden kann, das sind 4 große Konzentratoren mit jeweils 50 m Durchmesser und 1 Konzentrator mit 20 m Durchmesser.
Fig.6 zeigt einen Konzentrator und ein Drehwerk mit Flachspiegeln in 3D Darstellung.
Fig.7 zeigt vier Konzentratoren von jeweils 50 m Durchmesser und 1 Konzentrator von 20 m Durchmesser in 3D Darstellung zur Illustration des erfindungsgemäß hohen Nutzungsgrads der Grundfläche.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Fig.1 zeigt einen aus der WO 2012/065725 A2 bekannten Konzentrator 1 , der erfindungsge mäß nicht der Sonne nachgeführt wird. Seine Aufgabe besteht lediglich darin, senkrechte Son nenstrahlen 2 (sie werden mittels Flachspiegel so reflektiert , daß sie senkrecht auf den Kon zentrator 1 fallen) nach einem beliebigen Konzentrationsverhältnis zu konzentrieren .
Erfindungsgemäß werdendie senkrechten Sonnenstrahlen 2 mittels des hier zum Erdboden parallel und fest positionierten Konzentrators 1 konzentriert und dabei werden hohe Temperatu- ren erreicht, wodurch die Nutzung der Sonnenenergie vom wirtschaftlichem Standpunkt aus gesehen wesentlich verbessert wird.
Die Funktionsweise des Konzentrators wird nachfolgend überblicksmäßig verdeutlicht. Die senkrechten Sonnenstrahlen 2 fallen auf den Konzentrator mit Winkel von 90 0 auf die fest zu einander orientierten Reflektoren 1. Zur Reflexion der Sonnenstrahlen mittels der Reflektoren 1 dient eine Mehrzahl von reflektierenden Mantelflächen 1 in Kegelstumpfform oder in der Form von Segmenten von Kegelstümpfen mit unterschiedlichen Neigungen. Die Reflektoren mit ihren reflektierenden Mantelflächen 1 sind zumindest zu einem Teil ineinander und konzentrisch zueinander so angeordnet, dass sie die Sonnenstrahlen 2 nach der Reflexion auf eine wesent lich kleinere Fläche 4, nämlich auf die Brennpunktzone 4 fokussiert sind. Die reflektierenden Mantelflächen 1 stellen bevorzugt Mantelflächen von Kegelstümpfen dar.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass der Konzentrator fest positioniert ist und keine bewegten Teile aufweist, wodurch eine sehr leichte Konstruktion zum Tragen des Kon zentrators und damit ist eine äußerst wirtschaftliche Lösung ermöglicht werden.
Die Neigungswinkel der Mantelflächen werden konstruktiv entsprechend der Zieltemperatur bestimmt.
Da der Konzentrator fest positioniert ist und auf einer großen Fläche verlegt werden kann, braucht er der Sonne nicht nachgeführt zu werden und man braucht keine grossen Massen anzuheben. Dadurch ist ein enormer Vorteil gewährleistet, und man kann dadurch einen gro ßen Nutzungsgrad der Grundfläche erreichen. In diesem Fall könnte man den Nutzungsgrad für die Grundfläche in der Größenordnung von 81 % erwarten. Theoretisch ist ein Nutzungsgrad für die Grundfläche von nahezu 100% erreichbar, wenn das Solarsystem konstruktiv optimal an die Grundfläche angepasst wird.
Die gesamte Konstruktion des Konzentrators kann sehr leicht konzipiert werden, wobei die be spiegelte Fläche in schlitzförmigen Ausschnitten, die in Stegen 9 vorgesehen sind, eingesteckt und befestigt wird.
Wie in Fig.2 dargestellt ist Konzentrators, hier parallel mit dem Erdboden, feststehend positio niert. Die Sonnenstrahlen werden mittels der Flachspiegel 2.2 so reflektiert, dass sie senkrecht auf den Konzentrator fallen. Die Flachspiegel werden mittels eines Drehwerkes, Fig. 2.1 , der gestalt der Sonne nachgeführt, dass das Drehwerk schrittweise die Kreisbewegung mittels ei nes Step-E-Motors 2.4.1 nach Azimut ausübt und mittels eines Step-E-Motor 2.11 werden die tragenden Drehwellen 5, siehe Fig.3.2, der Flachspiegel um den bestimmten Winkel gedreht so, dass die Sonnenstrahlen 2.12 senkrecht zum flach liegenden Konzentrator gerichtet wer den.
Die senkrechten Sonnenstrahlen werden im Konzentrator konzentriert und direkt in den Wär mespeicher 2.7 geleitet.
Im Wärmespeicher ist ein Absorber, beispielsweise gemäß WO 2013/167158 A1 , vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht, Sonnenstrahlen effizient in Wärme umzuwandeln. Der Absorber kann aus einer Basaltstein-Schüttung bestehen, die eine große spezifische Oberfläche hat (96 m2/m3), um Strahlungsenergie effizient einzukoppeln und Wärme aus der Schüttung auszukop peln. Der Wärmespeicher 2.7 hat eine große spezifische Speicherkapizität (520 kWh/m3) und hervorragende (spezifische) Isolierung derart, dass er einen Langzeitwärmespeicher bildet. Die Wärme wird vermittels Luft als Wärmeübertragungsmedium aus dem Wärmespeicher mit Hilfe eines Gebläses 2.10 entkoppelt. Das Gebläse 2.10 ist für hohe Temperaturen konzipiert.
In Fig.2 - Draufsicht sind die Flachspiegel 2.2 von oben dargestellt, sowie auch der Step-E- Motor 2.11 , der zur Einstellung des Neigungswinkels der Flachspiegel für die Elevation vorge sehen ist.
In Fig.2.1 ist das Drehwerk mit den Flachspiegeln 2.2 und mit dem kreisförmigen U-Profil 2.3 dargestellt. Das U-Profil 2.3 dient als Träger für die Flachspiegel als auch das Verbindungs element für die senkrechten Tragsäulen mit Drehrollen 2.4.
In der Draufsicht auf das Drehwerk ist die Anordnung der Flachspiegel erkennbar. Die Flach spiegel sind hier aus Quadratrohren gebildet sind und dienen als Tragsäulen 4, Fig. 3.1. Ein U- Profil 2.3 und die Tragsäulen für die Flachspiegel 4, siehe Fig.3.1 , sind miteinander fest ver bunden. Das Drehwerk dreht sich mittels des Step-E-Motors 2.4.1 und ermöglicht die Sonne- nachführung nach Azimut.
In Fig.2.1 A ist gezeigt, wie das Drehwerk auf einem U-I-Profil 2.5 sitzt. Das Detail C verdeut licht, wie der Step-E-Motor mit Drehrollen 2.4.1 die Drehbewegung ausübt. Dabei sind die Flachspiegel 2.2 nicht dargestellt.
In Fig.2.1 B ist das Drehwerk ohne Flachspiegel und ohne tragendes U-I-Profil dargestellt. Da bei sind die Tragsäulen 2.4 mit Drehrollen, sowie die Tragsäule mit Step-E-Motor Antrieb 2.4.1 zu sehen. In Fig.2.2 ist die tragende Stahlkonstruktion dargestellt, sie besteht aus einem kreisförmigen U- I-Profil 2.5, das auf den Tragsäulen 2.6 aufliegt und von ihnen getragen wird. Die Tragsäulen sind aus Quadratrohren angefertigt und mit Flanschen versehen, so dass sie mit dem U-l- Stahlprofil als auch mit dem Fundament fest verbunden sind.
Die Stahlkonstruktion gemäß Fig.2.2 ist direkt über dem Wärmespeicher zentrisch positioniert. Sie dient zum Tragen des Konzentrators und des Drehwerkes, somit sind die Belastungsan sprüche an die Stahlkonstruktion gemäß Fig.2.2 ziemlich groß und müssen berücksichtigt wer den.
In Fig.2.2A ist die Positionierung des Konzentrators dargestellt. Der Konzentrator liegt auf dem U-I-Profil 2.5 liegt und ist über die Stege 2.11 abgestützt. Es ist von Vorteil, daß keine massive Konstruktion benötigt wird, um den Konzentrator zuverlässig horizontal zu positionieren. Die Stege 2.11 werden üblicher Weise aus relativ dünnem Blech (3-6mm) angefertigt. Die reflektie renden Flächen werden z.B. aus dünnem Alu-Blech 0.5 mm dick angefertigt, entweder wird Alu- Blech poliert oder mit reflektierenden Folien beschichtet.
Das ganze Gewicht wird von den senkrechten Tragsäulen 2.6 getragen.
Die Höhenlage des Konzentrators wird nach der Fokusentfernung genau bestimmt und dem entsprechend wird die Position des Wärmespeichers 2.7 und des Konzentrators aufeinander abgestimmt.
In Fig.2.3 ist das gemeinsame Gebilde der Tragkonstruktion aus Fig.2.2, des Drehwerkes aus Fig.2.1 sowie des Wärmespeichers 2.7 dargestellt. Ersichtlich liegt das Drehgestell auf dem kreisförmigem U-I-Stahlprofil 2.5 auf und wird mittels des Step-E-Motors 2.4.1 in Drehbewe gung gebracht und der Sonne nach Azimut nachgeführt (siehe Detail C).
In Fig.3 ist die Gesamtlänge eines Flachspiegels 1 mit tragenden Rohren 2, 3, mit Lagern und Befestigungen dargestellt. Das Hauptrohr 2, das über die Mitte des Flachspiegels verläuft, ist ein Quadratrohr, das aus mehreren Segmenten besteht und sie sind miteinander durch eine Flanschverbindung 8 verbunden, um die Biegefestigkeit des Hauptrohres 2 zu erhöhen.
Für den Flachspiegel 1 kann Alu-poliertes Blech verwendet werden oder schwarzes Blech, das mit flachen Streifen aus einem als Trägerschicht geeignetem Material bestehen kann, das zu mindest einseitig die das Sonnenlicht reflektierende Mantelfläche bildet oder trägt. In Fig.3.1 ist eine Flachspiegel-Seitenansicht, mit Tragrohr 4 mit dem Flachspiegel 1 sowie mit gerichtetem Sonnenstrahl 2.12 dargestellt.
In Fig.3.2 ist eine Flachspiegel-Teilansicht mit senkrechtem Tragrohr 4 (als Säule aus Quadrat rohr), mit Drehwelle 5 sowie mit mechanischen Steuerhebeln 6 zur Regelung des Drehwinkels für die Elevation gezeigt
In Fig.4 ist die Einrichtung zum Einstellen des Drehwinkels der Flachspiegel, Antriebswelle und Drehwelle 5, mechanischer Steuerhebel 6, Step-E-Motor für die Elevation 2.11 dargestellt.
Fig.4.1 ist die Darstellung des Prinzips der gemeinsamen Drehbewegung aller Flachspiegel mittels des Steuerhebels 6 mittels denen alle Drehwellen 5 miteinander in Verbindung stehen.
In Fig.5 ist ein Beispiel zur Anwendung des neuen Solarsystems gegeben , wo man sehen kann ,dass eine Nutzfläche von ca. 8120 m2 (81 .2%) pro 1 ha erreicht werden kann, das sind 4 große Konzentratoren mit jeweils 50 m Durchmesser und ein Konzentrator mit 20 m Durchmes ser. Wenn man von einer spezifischen DNI Sonenstrahlung von 0.6 kW/m2 (Mitteleuropa) aus geht und eine Nutzfläche von 8120 m2 zu Grunde legt und wenn man die jährliche Anzahl der Sonnenstunden von 2000 h/Jahr berücksichtigt , ergibt sich die Energiemenge die man im Jahr pro 1 ha„ernten“ könnte, von 9.744.000 kWh/Jahr .
Wenn man im idealen Fall von den Wärmeverlusten absehen würde, und rechnet , dass laut den Vorschriften die Wärmeverluste in einer Wohnung 120 kWh/m2Jahr sind, ergibt sich, dass man für eine Wohnung von der Grundfläche 50 m2, mit 6000 kWh/Jahr energetisch auskom- men könnte. Als Abschätzung könnte man annährend berechnen, dass mittels der Sonnen energie ca. 1624 Wohnungen theoretisch im Jahr zu heizen sind. Wenn alle Wärmeverluste mitberücksichtigt werden, kann man erwarten, dass die Wärmeverluste in der Größenordnung um 20% nicht übersteigen und das sind ca. 1300 Wohnungen mit jeweils 50 m2 Grundfläche, die im Jahr zu heizen sind.
Fig.6 zeigt einen Konzentrator nebst Drehwerk mit Flachspiegeln in 3D Darstellung.
In Fig.7 sind 4 (vier) Konzentratoren von jeweils 50 m Durchmesser und 1 Konzentrator von 20 m Durchmesser in 3D Darstellung zur Verdeutlichung gezeigt, mit dem Ziel, zu zeigen, dass mit diesem neuen Solarsystem ein großer Nutzungsgrad der Grundfläche erreicht werden kann.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Konzentrator mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren von Sonnenenergie auf eine Brennpunktzone, umfassend eine Reflektorenanordnung zum Umlenken der Son nenenergie auf die Fokussiereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflekto renanordnung der Elevation der Sonne nachführbare Reflektoren aufweist und dem Azimut der Sonne insgesamt drehnachführbar ist und eine Sonnenstandnachführsteue- rung für die Reflektorenanordnung zum sonnenstandabhängigen Umlenken der Son nenenergie auf die stationäre Fokussiereinrichtung vorgesehen ist.
2. Konzentrator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren als Flachspiegel ausgebildet sind.
3. Konzentrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenstrah len von der Oberfläche der Reflektoren senkrecht auf die Fokussiereinrichtung umge lenkt werden.
4. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehnachführung der Reflektorenanordnung der Sonne nach Azimut ein Drehwerk mit elektrischem Schrittmotor vorgesehen ist, und/oder zur Nachführung der Reflektoren der Sonne nach Elevation ein elektrischer Schrittmotor vorgesehen ist.
5. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren jeweils an einer Drehwelle angeordnet sind und die Drehwellen über einen Antriebsmechanismus gleichzeitig um denselben Winkel ausgelenkt werden.
6. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator auf einer auf einem Fundament ruhenden Tragkonstruktion angeordnet ist.
7. Konzentrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehwerk zum Nach führen der Reflektorenanordnung vorgesehen ist, auf welches ein Antrieb, der mit einer Tragsäule der Tragkonstruktion verbunden ist, eine Drehbewegung ausübt.
8. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentratorebene in verschiedenen Sonnenstandnachführungspositionen identisch ist.
9. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem Konzentrator und einem auf seiner sonnenabgewandten Seite angeordneten Absorber und/oder Wärmespeicher verstellbar ist.
10. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur einer Wärmespeichermasse durch die Regelung der Breite des Spektrums der Sonnenstrahlen bestimmt wird.
1 1 . Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sonnenenergie ohne Wärmeübertragungsmedium direkt bei hoher Temperatur in einem Wärmespeicher in Wärmeenergie transformiert wird.
12. Konzentratorenanordnung aus benachbart angeordneten Konzentratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Konzentratoren glei chen Durchmessers in hexagonaler Kreispackung oder Konzentratoren mit zwei unter schiedlichen Durchmessern in quadratischer Kreispackung.
13. Verfahren zum Konzentrieren von Sonnenenergiestrahlung in einer Brennpunktzone mittels eines Konzentrators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich net durch Drehen der Reflektorenanordnung zur Azimutnachführung um eine Azimut- nachführungsachse und Auslenken der Reflektoren um eine Elevationsnachführung- sachse quer zur Azimutnachführungsachse.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorenanord nungsebene durch die Nachführung unverändert bleibt.
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