DE19630201C1 - Self-tracking heliostat for solar power plant tower - Google Patents

Abstract

The heliostat has a photodetector (1) receiving the reflected sunlight directed onto the absorber by the heliostat mirror (3), to provide signals representing the alignment error for controlling the heliostat electric setting motor (6). The photodetector is secured to the support structure (2) of the heliostat in a fixed position, e.g. via a vertical support (8) projecting through an opening at the centre of the heliostat mirror.

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstausrichtenden Heliostaten für ein Solar- Turmkraftwerk.The invention relates to a self-aligning heliostat for a solar Tower power plant.

Neben der Nutzung solarer Wärme durch Kollektoren und der direkten Erzeugung von Elektrizität mit photovoltaischen Bauelementen ist seit langem das Prinzip des solar-thermischen Kraftwerkes, meist realisiert in der Ausbildung als Solar- Turmkraftwerk, bekannt.In addition to the use of solar heat by collectors and direct generation of electricity with photovoltaic components has long been the principle of solar thermal power plant, mostly realized in training as a solar Tower power plant, known.

Bei einem Solar-Turmkraftwerk, das in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wird die von der Sonne (10) kommende Strahlung durch ein Feld von Spiegeln, genannt Heliostaten (11), auf einen Absorber (12) fokussiert, der sich auf einem Turm (13) befindet. Dessen bestrahlungsbedingte starke Erwärmung kann unter anderem genutzt werden, indem die thermische Energie durch ein Kühlmittel über eine Leitung (14) zu einem konventionellen thermischen Kraftwerk (15) transpor­ tiert wird, das über Wärmetauscher/Verdampfer, Turbine und Generator mit einem typischen Wirkungsgrad Strom erzeugt. Dabei fällt zudem Abwärme an, die eventuell auch nutzbar ist.In a solar tower power plant, which is shown schematically in FIG. 2, the radiation coming from the sun ( 10 ) is focused on an absorber ( 12 ) by a field of mirrors, called heliostats ( 11 ), which is located on a tower ( 13 ). Whose radiation-induced strong warming can be used, among other things, by the thermal energy is transported through a coolant via a line ( 14 ) to a conventional thermal power plant ( 15 ) that generates electricity with a typical efficiency via heat exchanger / evaporator, turbine and generator . There is also waste heat, which can also be used.

Für den Betrieb eines Solar-Turmkraftwerkes ist zwingend direkte Sonnenein­ strahlung erforderlich, da eine Fokussierung von diffusem Licht nicht möglich ist. Damit kommen als Einsatzort nur extrem sonnenreiche Regionen der Erde in Frage. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Kraftwerk wird z. B. in der kalifornischen Mojave-Wüste unter der Bezeichnung "Solar Two" mit Erfolg betrieben. Die Anlage ist ein Gemeinschaftsprojekt, an dem unter anderem das US Department of Energy, die Califormia Energy Commission, das Electric Power Research Institute, das Energieversorgungsunternehmen PacifiCorp und andere beteiligt sind.For the operation of a solar tower power plant, direct sunshine is mandatory radiation is required because it is not possible to focus diffuse light. This means that only extremely sunny regions of the world can be used. A working on this principle power plant is, for. B. in California Mojave Desert operated successfully under the name "Solar Two". The The facility is a joint project involving the US Department of Energy, the Califormia Energy Commission, the Electric Power Research Institute, the utility company PacifiCorp and others are involved.

Da sich der Einstrahlungswinkel der Sonne aufgrund der Erdrotation und der Erdbewegung um die Sonne ständig ändert, ist eine ständige Nachführung der Heliostaten erforderlich, so daß das reflektierte Licht auf den Absorber fokussiert bleibt.Because the angle of incidence of the sun changes due to the earth's rotation and the Earth movement around the sun is constantly changing, is a constant tracking of the Heliostats required so that the reflected light focuses on the absorber remains.

Ein zentraler Aspekt für die Erfolgsaussichten einer alternativen Energiequelle ist deren Wirtschaftlichkeit. Diese ist heute wie bei allen Konzepten zur Elektrizi­ tätsgewinnung aus Sonnenenergie auch für das Solar-Turmkraftwerk aufgrund der hohen Investitionskosten noch nicht erreichbar.A key aspect for the prospects of success of an alternative energy source is their economy. As with all concepts for electricity, this is the case today generation from solar energy also for the solar tower power plant due to the high investment costs not yet achievable.

Einen Hauptbeitrag zu diesen Kosten stellen die Heliostaten dar, deren Nachfüh­ rung nach der Sonne bisher nur mit großem technischen Aufwand möglich ist: So wird z. B. die Einstrahlungsrichtung der Sonne in kurzen Zeitintervallen gemessen oder vorausberechnet und dann mit Hilfe eines Computers jeder einzelne Heliostat über eine digitale Datenverbindung angesteuert und mit Hilfe von Elektromotoren ausgerichtet. Da diese Ausrichtungsansteuerung und -mechanik sehr teuer ist, tendiert man zu verhältnismäßig wenigen, großen Heliostaten. A major contribution to these costs is made up of the heliostats, their tracking So far, it has only been possible to move towards the sun with great technical effort z. B. the direction of irradiation of the sun is measured in short time intervals or calculated in advance and then every single heliostat with the help of a computer Controlled via a digital data connection and with the help of electric motors aligned. Because this alignment control and mechanics is very expensive, one tends towards relatively few, large heliostats.  

Das macht aber eine Krümmung jedes einzelnen Spiegels erforderlich, um einen hinreichend kleinen Fokus zu erhalten, was wiederum sehr teuer ist. Außerdem widerstrebt dieser Ansatz einer Verbilligung der Heliostaten durch Massen­ produktion.However, this requires a curvature of each individual mirror to be one to get a sufficiently small focus, which in turn is very expensive. Furthermore this approach is opposed to making the heliostats cheaper by the masses production.

Durch die US 39 06 927 sind auch Solar-Turmkraftwerke bekannt geworden, die vor jedem Heliostaten einen Photodetektor zur Regelung der Sonnennachführung aufweisen. Hierbei ist es ungünstig, daß die Photodetektoren getrennt von den Heliostaten aufgestellt sind, somit zusätzlichen Raum, zusätzliche Fundamente und lange Verbindungsleitungen erfordern. Der entscheidende Nachteil ist jedoch die relativ große Entfernung des Photodetektors vom Heliostatenspiegel, was nach einem Wegfall der direkten Sonneneinstrahlung (z. B. durch Vorbeizug von Wolken) dazu führen kann, daß das reflektierte Licht der inzwischen weitergezo­ genen Sonne den Detektor nicht mehr trifft und dieser damit kein korrektes Nachführsignal mehr erzeugen kann.From US 39 06 927 solar tower power plants are also known in front of each heliostat a photodetector to control the sun tracking exhibit. It is disadvantageous that the photodetectors are separate from the Heliostats are set up, thus additional space, additional foundations and require long connecting lines. The main disadvantage is that relatively large distance of the photodetector from the heliostat mirror, which according to the direct sunlight is no longer available (e.g. by passing Clouds) can cause the reflected light to move on Sun no longer hits the detector and the detector is therefore not correct Tracking signal can generate more.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakteren Aufbau jedes Heliostaten, eine bessere Justierbarkeit der Detektoren und eine größere Unemp­ findlichkeit des Regelkreises gegen vorübergehenden Wegfall der direkten Sonnen­ einstrahlung zu erreichen.The invention is therefore based on the object of a more compact structure Heliostats, better adjustability of the detectors and a larger Unemp Sensitivity of the control loop against temporary loss of direct suns to achieve irradiation.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß für die Heliostaten nur noch eine Versorgung mit einer niedrigen Gleichspannung kleiner Leistung für die Stellmotore erforder­ lich ist. Diese Versorgung kann durch einfaches Parallelschalten vieler Heliostaten zu Gruppen bewerkstelligt werden. Durch einfaches Ausschalten dieser Versor­ gungsspannung können Gruppen von Heliostaten außer Betrieb genommen werden, was eine Steuerung der Einstrahlungsleistung am Absorber ermöglicht. Auf Umpolung dieser Versorgungsspannung z. B. in der Nacht hin können die Helio­ staten mit Hilfe einer einfachen Schaltung in die Ausgangsposition für den nächsten Morgen zurücklaufen.The invention has the advantage that only one supply is left for the heliostats with a low DC voltage of low power required for the servomotors is. This supply can be done by simply connecting many heliostats in parallel in groups. By simply turning this utility off groups of heliostats can be taken out of operation, which enables control of the irradiation power at the absorber. On Polarity reversal of this supply voltage z. B. at night the Helio with the help of a simple circuit in the starting position for the next Run back tomorrow.

Durch die Selbststeuerung können während des Betriebs der Gesamtanlage einzelne Heliostaten repariert bzw. ausgetauscht werden oder weitere Heliostaten hinzugefügt werden. Auch die Plazierung der Heliostaten kann noch nach Inbe­ triebnahme der Anlage optimiert werden, was die Kosten für Vorausberechnung und -planung drastisch reduziert und eine Anwendung z. B. in klimatisch begün­ stigten Entwicklungsländern vereinfacht und nahelegt.The self-control allows you to operate the entire system individual heliostats are repaired or exchanged or additional heliostats to be added. The placement of the heliostats can also be done according to Inbe system start-up can be optimized, reducing the cost of advance calculations and planning drastically reduced and an application z. B. in climatically Developing countries simplified and suggested.

Schließlich ermöglicht die technische Einfachheit der Ausführung gemäß den in Patentanspruch 3 formulierten Merkmalen in Kombination mit einer Herstellung z. B. in Spritzgußtechnologie eine billige Massenproduktion.Finally, the technical simplicity of execution according to the in Claim 3 formulated features in combination with a manufacture e.g. B. a cheap mass production in injection molding technology.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführung des Heliostaten unter Verwendung des in Patentanspruch 3 beschriebenen Kugelgelenkes. Ein zweiter Stellmotor für die Nachführung in der Richtung senkrecht zu der gezeigten wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Fig. 1 shows a possible embodiment of the heliostat using the ball joint described in claim 3. A second servomotor for tracking in the direction perpendicular to that shown has been omitted for reasons of clarity.

Vor Inbetriebnahme eines jeden Heliostaten muß dessen Detektor (1) einmal auf den Absorber ausgerichtet werden. Dafür ist er mit der in Fig. 1 gezeigten verstellbaren Befestigung (2) versehen. Bei der Ausrichtung kann ein handels­ üblicher Laserpointer nützlich sein, der für die Dauer des Ausrichtvorganges achsparallel auf den Detektor gesteckt wird und von der Eintrittsöffnung des Detektors weg auf den Absorber zeigt.Before starting up each heliostat, its detector ( 1 ) must be aligned once with the absorber. For this purpose, it is provided with the adjustable fastening ( 2 ) shown in FIG. 1. A commercially available laser pointer can be useful for alignment, which is placed on the detector parallel to the axis for the duration of the alignment process and points away from the inlet opening of the detector to the absorber.

Der Detektor besteht, wie allgemein üblich, aus zwei Paaren photoempfindlicher Bauteile wie Phototransistoren, die jeweils durch eine Abschattungsvorrichtung getrennt sind. Bei schrägem Lichteinfall liegt jeweils einer der Phototransistoren stärker im Schatten, als sein Gegenüber. Nun wird mit Hilfe einer einfachen elektronischen Schaltung für jedes Paar die Differenz der beiden Einzelsignale gebildet, die genau dann null wird, wenn das Licht beide Bauteile gleich stark trifft, also parallel einfällt.The detector consists, as is common practice, of two pairs of photosensitizers Components such as phototransistors, each through a shading device are separated. When the light falls at an angle, one of the phototransistors is located more in the shade than his counterpart. Now with the help of a simple electronic circuit for each pair the difference between the two individual signals formed, which becomes zero if and only if the light hits both components equally strongly, thus occurs in parallel.

Ist dies nicht der Fall, wird das Differenzsignal eines jeden Transistorenpaares verstärkt dazu benutzt, den zugehörigen Stellmotor (6) anzusteuern und dadurch den Spiegel (3) so lange nachzuführen, bis die Bedingung des parallelen Lichtein­ falls wieder erfüllt ist. Bei richtig justiertem Detektor bedeutet dies zugleich, daß das reflektierte Licht auch den Absorber trifft.If this is not the case, the differential signal of each pair of transistors is increasingly used to control the associated servomotor ( 6 ) and thereby to adjust the mirror ( 3 ) until the condition of parallel light input is met again. If the detector is correctly adjusted, this also means that the reflected light also hits the absorber.

Claims (3)

1. Selbstausrichtender Heliostat für ein Solar-Turmkraftwerk mit einem Photo­ detektor (1), der entlang einer Verbindungslinie zum Empfänger (Absorber) des Kraftwerks ausgerichtet das (Sonnen-)Licht empfängt, das vom Heliostatenspiegel (3) reflektiert wurde und zwei Signale erzeugt, die nach Betrag und Polarität der Abweichung des einfallenden Lichtes von der Achsparallelen in zwei aufeinander und der Symmetrieachse senkrecht stehenden Richtungen entsprechen und die zur Ansteuerung der Stellmotore (6) des Heliostaten verwendet werden, womit eine ständige Reflexion des Lichtes auf den Empfänger (Absorber) des Kraftwerks erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (1) orts- und richtungsfest an der Trägerstruktur (2) des Heliostaten angebracht ist.1. Self-aligning heliostat for a solar tower power plant with a photo detector ( 1 ) which, aligned along a connecting line to the receiver (absorber) of the power plant, receives the (sun) light which was reflected by the heliostat mirror ( 3 ) and generates two signals, which correspond to the magnitude and polarity of the deviation of the incident light from the axis parallel in two directions perpendicular to each other and the axis of symmetry and which are used to control the servo motors ( 6 ) of the heliostat, which means that the light is constantly reflected on the receiver (absorber) Power plant is reached, characterized in that the photodetector ( 1 ) is fixed in place and direction on the support structure ( 2 ) of the heliostat. 2. Heliostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung (2) für den Detektor (1) durch eine zentrale Öffnung im Heliostatenspiegel (3) hindurch­ geführt und mit dem Standrohr (8) verbunden ist.2. Heliostat according to claim 1, characterized in that the attachment ( 2 ) for the detector ( 1 ) through a central opening in the heliostat mirror ( 3 ) and is connected to the standpipe ( 8 ). 3. Heliostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgelenk für die Schwenkung des Heliostaten aus einem Auflagering (4) besteht, der auf einem halbkugelförmigen Lagerstück (5) gleitet und den Heliostatenspiegel (3) trägt, wobei der Spiegelschwerpunkt mit dem Mittelpunkt der Kugelkappe zusammen­ fällt.3. Heliostat according to claim 2, characterized in that the ball joint for pivoting the heliostat consists of a support ring ( 4 ) which slides on a hemispherical bearing piece ( 5 ) and carries the heliostat mirror ( 3 ), with the center of gravity at the center of the Ball cap falls together.