DE2444978C2 - Elektrischer Sonnenkraftgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sonnenkraftgenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die ständig zunehmenden Schwierigkeiten mit der Ausbeutung und Verwertung foss^:ler Brennstoffe haben zu der Entwicklung von Sonnenkraftgeneratoren geführt, bei denen der »Brennstoff« kostenlos ist. Jedoch sind die Herstellungs- und Installationskosten unverhältnismäßig hoch, so daß die Einführung von Sonnenkraftgeneratoren nur schleppend vor sich geht. Aus der US-PS 34 66 119 ist ein Sonnenkraftgenerator bekannt, der einen Wärmeempfänger mit einer Sonnenstrahlen empfangenden Apertur, einen konzentrierenden Heliostaten nit einer Anordnung von Spiegeln, die um einen praktisch in ihrer Mitte liegenden Punkt schwenkbar und in einem Abstand von der wärmeaufnehmenden Apertur angeordnet sind, sowie einen Antriebsmechanismus aufweist, der jeden dieser Spiegel um seine Mitte in Abhängigkeit von den Winkeländerungen der auf den Spiegel einfallenden Strahlen drehend antreibt, um dadurch die Strahlungsenergie auf die Apertur zu fokussieren. Aus DE-GM 16 90 977 ist die Verwendung von Hohlspiegeln fur Sonnenreflektoren bekannt. Wollte man damit in einer Anordnung gemäß US-PS 34 66 119 Höchstwirkungen erzielen, so müßte man jeden Hohlspiegel einzeln mit einer besonderen Krümmung herstellen, so daß der Brennpunkt der jeweiligen Position von Wärmeempfänger und einzelnem Spiegel angepaßt wird, was die Herstellungskosten außerordentlich erhöhen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spiegelanordnung oder einen Heliostaten anzugeben, der verhältnismäßig einfach hergestellt und installiert werden kann und zugleich die Vorteile einer Anordnung von Spiegeln aufweist, deren Brennweite den jeweiligen Positionen

von Wärmeempfänger und Spiegel selbst angepaßt ist

Diese Aufgabe wird bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Sonnenkraftgenerator dadurch gelöst, daß der Heliostat mindestens eine Anordnung aus sphärischen, konkaven Spiegeln und eine Einstelleinrichtung in der Halterungsstruktur der Spiegel umfaßt derart, daß die Krümmung der Spiegel veränderbar ist und jeder Spiegel einen Krümmungsradius aufweist, der durch seine Position in bezug auf die Sonnenstrahlen empfangende Apertur bestimmt ist, um dadurch zu ermöglichen, daß einfallende Sonnenenergiestrahlen um die Mitte der Apertur fokussiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Sonnenkraftgenerators gemäß der Erfindung und F i g. 2 eine Drau^fsicht auf den Heliostaten, der einen Teil des in der F i g. 1 dargestell ten Sonnenkraftgenerators bildet.

Gemäß F i g. 1 weist ein elektrischer Sonnenkraftgenerator 26 einen konzentrierenden Heliostaten auf, der durch Fokussierung der reflektierten Sonnenenergie, die hocheffiziente Erzeugung von überhitztem Dampf innerhalb einer Sonnenenergie empfangenden Kammer eines Wärmeempfängers 28 in der Brennebene der den Heliostaten bildenden Spiegelanordnung erleichtert.

Der Wärmeempfänger 28, der einen Kesselüberhitzer darstellt, enthält eine geeignete Rohranlage, die innerhalb der Wärmeempfängerkarnmer mindestens einen Kesselteil und einen Heißdampfteil bildet und über einen geschlossenen Dampfkreislauf mit einer Turbine 30 einer Turbinengeneratoreinheit in Verbindung steht. Eine Hinleitung 32 leitet Dampf vom Wärmeempfänger 28 zur Dampfturbine 30, und eine Rückleitung 36 führt von der Dampfturbine 30 zurück zum Wärmeempfänger. Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeempfänger 28 (Kesselüberhitzer) mit Hilfe einer geeigneten, nicht dargestellten Vorrichtung in einem Abstand über dem Erdbodenniveau C angeordnet. Die Achse des Wärmeempfängers ist horizontal ausgerichtet und verlauf:: in Nord-Süd-Richtung. Das Erdbodenniveau G steigt auf der Nordseite des Wärmeempfängers vorzugsweise in senkrechten Stufen an, wie es an der Stelle H dargestellt ist, um mindestens eine erste flügeiförmige konzentrierende Heliostatenanordnung 38 mit mehreren Reihen aus fokussierenden sphärischen Hohlspiegeln 40 zu bilden. Die einzelnen Spiegel sind in der Fig. 2 von 101 bis 120 durchnumeriert. Die einzelnen Spiegelreihen befinden sich auf jeweils höheren Stufen, je weiter sie von dem Wärmeempfänger 28 entfernt sind. Aul' diese Weise wird eine Schattenbildung vermieden. Ferner nimmt die Anzahl der sphärischen Hohlspiegel in den einzelnen Reihen proportional mit deren Abstand vom Wärmeempfänger zu, und zwar derart, daß alle Spiegel die Sonnenstrahlen innerhalb eines Anstrahlungswinkels von 45° zu der Apertur des Wärmeempfängers reflektieren. Eingezeichnete Ebenen Fl und P2 bilden die Wärmeenipfängeraperturen und die Brennebenen für die konzentrierte reflektierte Wärmeenergie füir jeden der sphärischen Hohlspiegel 40, und zwar sowohl der geneigt angeordneten, konzentrierenden Heliostatenanordnung 38 als auch einer horizontal angeordneten, konzentrierenden Heliostatenanordnung 42. Die Hdiostatenanordnung 42 liegt für die nördliche Erdhalbkugel auf der Südseite des Wärmeempfängers 28, und zwar in der F i g. 1 rechts von der Brennebene P2 des doppelseitigen Wärme-

empfängers 28. Jeder der Spiegel 40 hat einen seinem Abstand von der Apertur der Sonnenergie empfangenden Kammer des Empfängers 28 entsprechenden Krümmungsradius, und zwar derart, daß du.· reflektierte Sonnenenergie in der Aperturebene fokussiert wird.

Die F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße doppelseitige Sonnenenergieumtormeranlage, die einen Teil des Sonnenkraftgenerators 26 bildet Wie man sieht, besteht jede der konzentrierenden Heliostatanordnungen 38 und 42 aus vier Reihen mit sphärisch konkaven Reflexionsspiegeln. Die Spiegelreihen sind mit A, B, C und D bezeichnet, wobei die Reihen A vom Wärmeempfänger am weitesten entfernt sind. Die Reihe A der konzentrierenden Heliostatanordnung 38 ist mit acht sphärisch konkaven Spiegeln ausgerüstet Die Reihe B weist sechs Spiegel, die Reihe C vier Spiegel und die Reihe D zwei Spiegel auf. In ähnlicher Weise sind für die konzentrierende Heliostatenanordnung 42 an ähnlichen Stellen insgesamt 20 dieser Sp^;egel 40 vorgesehen, die von 201 bis 220 durchnumeriert sind. Wie man am besten den schematischen Darstellungen nach den F i g. 1 und 2 entnehmen kann, ist jeder der Spiegel 40 in den beiden Heliostatanordnungen ergänzend zu der sphärisch konkaven Reflexionsoberfläche derart angeordnet, daß er um sich schneidende rechte Winkel oder um ein senkrechtes Achsenkreuz im Mittelpunkt der sphärischen Reflexionsoberfläche drehbar ist. Das bedeutet auf der Bergseite H für jede Nachlaufeinrichtung 55, daß ein Horizontalträger 48 einen Gelenk- oder Gabelkopf enthält, der eine Schwenkbewegung des Spiegels 40 in seinem Mittelpunkt C sowohl um eine horizontale Achse 49, wie es durch einen Pfeil 50 angedeutet ist, als auch um eine vertikale Achse 52 zuläßt, wie es durch einen Pfeil 54 angedeutet ist. An jedem Nachlaufeinrichtungsort trägt eine feste Stütze 57 einen optischen Fühler 59 in einer festen Position auf der Linie zwischen dem Mittelpunkt des zugehörigen Spiegels 40 und dem Mittelpunkt der Wärmeempfängerapertur. Ein durch ein Kästcnen 61 dargestellter Servomechanismus ist über eine Leitung 63 mit dem Fühler verbunden, um über einen mechanischen Antrieb, der durch eine zum Spiegelmittelpunkt C fuhrende, gestrichelte Linie 65 angedeutet ist, den Spiegel 40 um seine Mittelpunktschwenkachse anzutreiben, um den Spiegel im ausgerichteten Zustand zu halten. Im übrigen ist der Servomechanismus in herkömmlicher Weise ausgebildet.

Der konzentrierende Heliostat umfaßt somit die beiden Funktionen des klassischen Heliostaten, nämlich 1. die Reflexion einer Säule aus Sonnenlicht in eine stationäre Zone und 2. die Konzentration des säulenartigen Sonnenlichts durch die Fokussierungswirkung infolge der Krümmung der Reflexionsoberfläche von jedem der sphärischen Spiegel 40 auf hohe Energiepegel, die für eine effiziente Wärmeumformeranlage erforderlich sind. In dieser Hinsicht ist die Anlage von dynamischer Natur, d. h., die Spiegel 40 von beiden Heliostatanordnungen 38 und 42 werden von einem Fühlerservomechanismus gesteuert bzw. geregelt, um der Halbierungslinie des Winkels zwischen dem Sonnen-Spiegel-Vektor und dem Wärmeempfänger-Spiegel-Vektor nachzulaufen. Der Fühlerservomechanismus ist von herkömmlicher Art, und der Spiegelnachlauf bezüglich der Halbierungslinie resultiert in einem reflektierten Sonnenstrahl von der Größe der Spiegelprojektion senkrecht zu der Sonnenlinie, die um den Spiegel-Wärmeempfänger-Vektor aufrechterhalten wird. Es ist die Einführung der sphärisch konkaven Krümmung in die einzelnen Spiegel bei ieder Nachlaufstation, die die Konzentration der

jeden Spiegel verlassenden Strahlen in einem im allgemeinen linearen Muster in der Brennebene P\ oder P₂ bzw. der Wärmeempfängerapertur an jedem Ende des Wärmeempfängers 28 gestattet Wie man ferner der Fi g. 2 entnehmen kann, haben die Spiegel 108,114,118 und 120 unterschiedliche Orientierungswinkel bezüglich der Höhe, wobei der Spiegel 104 die Sonnenenergie am direktesten mit minimaler Verzerrung in die Wärmeempfängerapertur reflektiert Die Wirkung der Konzentration von einem Strahl der Sonnenenergie kann man durch Vergleich zwischen dem Oberflächenbereich des sphärisch konkaven Spiegels 104 und den Abmessungen des Wärmeempfängers sehen, wobei sowohl der Spiegel als auch der Empfänger in der F i g. 1 in der seitlichen Höhenansicht und in der F i g. 2 in der Draufsicht dargestellt sind. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß die Apertur selbst kleiner als der Durchmesser des rohrförmigen, zylindrischen Wärmeempfängers ist Bei einer sphärischen Krümmung der Spiegel bewirkt die Konzentration der den Spiegel verlassenden Strahlen an jeder Spiegelstation, daß die Strahlen in der Brennebene ein lineares Muster annehmen. Das lineare Muster dreht sich dabei in Abhängigkeit von der Tageszeit, wenn sich die Kippstellungen des Spiegels entsprechend dem optischen Fehler ändern, der durch die besondere Azimut- und Höhenstellung hervorgerufen wird. Beim Spiegel 101 tritt ein Anstrahlungswinkel oc von 41,19° auf. Während hinsichtlich der sphärischen Natur der Oberfläche des Spiegels 104 im Gegensatz zu der mehr vollkommen reflektierenden Oberfläche eines typischen Parabolspiegels ein gewisser Kompromiß getroffen ist. bilden die resultierenden Energieflußmuster innerhalb des Wärmeempfängers Flecken, um die die linear konzentrierten Energiemuster rotieren. Da sich die Flecken nicht bewegen, behalten die Energiepakete von jedem Spiegel in dem durch die Aperturen an jedem Ende des Wärmeempfängers für die Heliostatanordnungen 38 und 42 bestimmten Sammelfeld ihre Dispersion innerhalb des Wärmeempfängers (vorzugsweise ein Kesselüberhitzer), so daß zur Konstruktion der Wärmeumformungsanlage nur eine einfache, unkomplizierte thermische Analyse vorzunehmen ist.

Wie man den Fig. 1 und 2 entnehmen kann, umfaßt die grundsätzliche Konstruktion von einer einseitigen oder einer doppelseitigen Sonnenenergieumformungsanlage, die einen Teil der Erfindung darstellt, eine Gruppe von Nachlaufeinrichtungen 55 und eine flügelartige Anordnung an einem Berghang oder einer aufgeschütteten Steigung, wobei die Achse des Flügels in Nord-Süd-Richtung verläuft und koaxial mit der Achse des Wärmeempfängers ausgerichtet ist. Die Nachlaufeinrichtungen können entweder auf der Nordseite oder auf der Südseite des Wärmeempfängers oder entsprechend der Darstellung auf beiden Seiten angeordnet sein, um sowohl auf der Nordseite als auch auf der Südseite Energie an den Wärmeempfänger abzugeben. Zusätzlich zu der sphärischen und konkaven Gestalt der Spiegel 40 weist jeder der Spiegel vorzugsweise eine Reflexionsoberfläche auf, die aus aufgedampftem Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall besteht, mit dem ein geeignetes Substrat, beispielsweise Glas, beschichtet werden kann. Es kann sich auch um eine polierte Metalloberfläche oder eine glänzende Kunststoffoberfläche handeln. Die Krümmung kann man durch Beeinflussen der Verformung von ebenen Spiegeln durch einstellbare Stützstellen in der Stützstruktur einstellen. In Anbetracht des großen Krümmungsradius haben die Spiegel 40 einen quadratischen Umfang. Jeder Spiegelposition

ist eine eindeutige Krümmung zugeordnet. Die Krümmung beruht auf einer theoretischen kreisförmigen Konzentration für einen einzigen Zeitpunkt auf dem Wanderweg, beispielsweise fur die Azimut-Höhen-Konstellation bei Tag- und Nachtgleiche um zehn Uhr mogens. Die zu allen anderen Zeitpunkten auftretenden Fehler gegenüber der kreisförmigen Konzentration sind Fehlern ähnlich, die bei gewöhnlichen parabolischen Spiegeln infolge der Unvollkommenheit auftreten.

Unter Bezugnahme auf den insbesondere in der Fig.2 dargestellten, konzentrierenden Heliostaten sei bemerkt, daß dieser Heliostat die Mittel aufweist, mit denen man unter höchster Effizienz Sonnenenergie von großen Reflexionsspiegelfeldern mit hinreichend hoher intensität sammeln kann, um Wärnieenergieuinformungsanlagen betreiben zu können, die Temperaturen in der Größenordnung von 538°C und mehr benötigen. Der dargestellte bündelnde oder konzentrierende Heliostat vereint die praktischen Merkmale des zur Hochtemperaturforschung in Sonnenöfen benutzten klassischen Heliostat-Parabolspiegel-Systems in ein einziges Reflexionssystem, wobei die Reflexionsenergieverluste um die Hälfte vermindert werden und eine Konzentrationswirkung erzielt wird, die sich derjenigen eines einzigen Parabolspiegels nähert. Durch den konzentrierenden Heliostaten wird die Verwendung der teuersten Elemente des klassischen Heliostaten vermieden, insbesondere des großflächigen Parabolspiegels, der die reflektierten Sonnenstrahlen von dem planaren Spiegel in einem gewünschten Brennpunkt konzentriert. Obwohl infolge der NichtVerwendung eines Parabolspiegels hinsichtlich des optischen Musters ein Kompromiß getroffen wird, reicht die Konzentration in bezug auf die Größe der Apertur des Wärmeempfängers bzw. der Aperturen des Wärmeempfängers bei einer dualen Spiegelanordnung aus, daß die konzentrierte Wärmeenergie in der Lage ist, überhitzten Dampf fur den Dampfturbinengenerator zu erzeugen. Weiterhin gestattet die hier beschriebene Anordnung im Gegensatz zu einem Halbheliostaten mit dynamischen Spiegeln, die einem gemeinsamen Brennpunkt nachlaufen, eine Verminderung der Größe der Wärmeempfängerapertur unter die Größe der einzelnen Spiegel, wodurch die Bewahrung der Wärmeenergie in einem hohen Maße verbessert wird.

Die Verwendung von sphärischen konkaven Spiegeln anstelle von parabolischen Spiegeln in einem nachlaufenden Wärmeenergie-Spiegelsammler ist wesentlich billiger als die von parabolischen Präzisionsspiegeln und gestattet eine solche Konzentration der Sonnenenergie, daß Temperaturen von 538⁰C und mehr erreicht werden, im Gegensatz zu einer maximal verwirklichbaren Temperatur von 260⁰C bei parabolischen Zylindersammelsystemen.

Der nach der Erfindung ausgebildete Sonnenkraftgenerator erreicht somit eine beträchtliche Einsparung an Herstellungs- und Installationskosten, ohne daß der Wirkungsgrad im Vergleich zu Anlagen mit einzeln hergestellten sphärischen Spiegeln verringert wird. Zwar sind sphärische Spiegel ohnehin wohlfeiler in der Herstellung als Parabolspiegel, jedoch sind sie, wenn sie einzeln hergestellt werden, immer noch derartig kostspielig, daß der führ ihre Herstellung erforderliche zusätzliche Aufwand ausreicht, die Verwendung eines Sonnenkraftgenerators aus derartigen einzeln hergestellten Spiegeln als wirtschaftlich nicht tragbar erscheinen zu lassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrischer Sonnenkraftgenerator, der eine Turbine oder einen anderen Generator mit Antriebswelle, einen Wärmeempfänger mit einer Sonnenstrahlen enpfangenden planaren Apertur, der zur Wärmeversorgung des Generators an diesen angeschlossen ist, einen konzentrierenden Heliostaten mit einer Anordnung von Spiegeln, die um einen praktisch in ihrer Mitte liegenden Punkt schwenkbar und in einem Abstand von der wärmeaufnehmenden Apertur angeordnet sind, sowie einen Antriebsmechanismus aufweist, der jeden dieser Spiegel um seine Mitte in Abhängigkeit von den Winkeländerungen der auf den Spiegel einfallenden Strahlen drehend antreibt, um dadurch die Strahlungsenergie auf dio Apertur zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliostat mindestens eine Anordnung (38 oder 42) aus sphärischen, konkaven Spiegeln (40) und eine Einstelleinrichtung in der Halterungsstruktur der Spiegel umfaßt derart, daß die Krümmung der Spiegel veränderbar ist und jeder Spiegel (40) einen Krümmungsradius aufweist, der durch seine Position in bezug auf die Sonnenstrahlen empfangende Apertur (Pu P₂) bestimmt ist, um dadurch zu ermöglichen, daß einfallende Sonnenenergiestrahlen um die Mitte der Apertur fokossiert werden.