EP2406556A2

EP2406556A2 - Sonnenkollektor mit einer linear konzentrierenden reflektorfläche

Info

Publication number: EP2406556A2
Application number: EP10710195A
Authority: EP
Inventors: Friedrich Grimm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2012-01-18
Also published as: DE102009013623A1; DE102009013623B4; WO2010102772A3; WO2010102772A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kollektormodul (3) mit einer rinnenförmigen Reflektorfläche (1), welche im Querschnitt aus Kreisbogen (100), Parabelbogen (101), elliptischen oder hyperbolischen Bogen besteht, deren Scheitelpunkte (S) jeweils auf einer gemeinsamen Grundlinie (11) liegen, welche Reflektorfläche dazu ausgebildet ist, mittels einachsiger Nachführung die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel der Sonne auf ein koaxial oder konzentrisch zu einer Brennlinie (f) angeordnetes Empfängerelement (2) zu bündeln, und welche Reflektorfläche eine zweiachsige Krümmung aufweist und jeweils von einer Bogenschar (10) gleichartiger Bogen mit wechselnder Sperrung (2p) gebildet ist, deren Brennpunkte (F) auf einer gemeinsamen Brennlinie (f) liegen, wobei der Abstand der Grundlinie (11) zur Brennlinie (f) in einem Kollektormodul (3) wechselt

Description

Sonnenkollektor mit: einer linear konzentrierenden Reflektorfläche

Die Erfindung betrifft ein Kollektormodul mit einer rinnenförmigen Reflektorfläche, das die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel der Sonne mittels einachsiger Nachführung auf ein konzentrisch oder koaxial zur Brennlinie angeordnetes Empfängerelement konzentriert. Ein Kollektormodul kann dabei entweder als solarthermischer Kollektor, bei dem das Empfängerelement von einem selektiv beschichteten Absorberrohr, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird, oder als photovoltaischer Kollektor, bei dem das Empfängerelement von Photovoltaikzellen gebildet wird, oder als Hybridkollektor, der die beiden Kollektorarten miteinander kombiniert, ausgebildet sein.

Stand der Technik

Ein Parabolrinnenkraftwerk stellt eine der effektiven Möglichkeiten dar, die elektromagnetische Energie der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Große, in der Regel nach Süden ausgerichtete, parabolrinnenförmige Spiegel können dabei mit einer einachsigen Nachführung dem im Laufe des Tages wechselnden Höhenwinkel der Sonne folgen und konzentrieren die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel auf ein selektiv beschichtetes Absorberrohr, wobei eine Wärmeträgerflüssigkeit auf etwa 400⁰C erhitzt wird. Wärmetauscher wandeln diese Energie in Dampf um, der in Turbinen Strom erzeugt.

Bereits seit Mitte der 80er Jahre produzieren beispielsweise neun solarthermische Parabolrinnenkraftwerke in der Wüste Kaliforniens Solarstrom mit einer Gesamtleistung von 354 MW. Diese Art der Energiegewinnung wird zukünftig zunehmend an Bedeutung gewinnen und kann einen erheblichen Beitrag zur Reduktion unerwünschter CO₂-, SO₂-, NO_x-Emissionen und die Freisetzung von Staubpartikeln, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe anfallen, leisten. Naturgemäß ist die Energieausbeute eines Sonnenkollektors von der Ekliptik der Sonne abhängig und liefert in den Morgenstunden erst allmählich Energie, um in den Mittagsstunden ein Maximum zu erreichen und gegen Abend wieder an Leistung zu verlieren. Die weitgehend horizontal angeordnete Brennlinie einer Parabolrinne kann sowohl in ostwestlicher als auch in nordsüdlicher Richtung orientiert werden. Die liegende Anordnung der Parabolrinnen bedingt dabei für eine optimale Wirksamkeit Standorte südlich des 40sten Breitengrads. Ein Modul eines herkömmlichen

Parabolrinnenkraftwerks ist etwa 12m lang und weist eine etwa 6m breite Apertur auf. Eine Stahlkonstruktion in Form eines biegebeanspruchten Fachwerkträgers unterstützt die von gebogenen und verspiegelten Glastafeln gebildete Reflektorfläche und stellt über einen Verschwenkmechanismus eine kontinuierliche Nachführung zum Sonnenstand sicher. Solarthermische Kollektoren können aber nicht nur im kraftwerkstechnischen Maßstab Energie liefern, sondern z.B. auch die Energie zur raumlufttechnischen Konditionierung eines Gebäudes bereitstellen. Eine Möglichkeit zur Senkung der Gestehungskosten für Strom aus Photovoltaikzellen besteht in der Verwendung optischer Konzentratorelemente, die das Licht auf die Solarzellen bündeln. Dabei kommen neben herkömmlichen, mono- oder polykristallinen Solarzellen aus Silizium sogenannte Tandem-, Tripel- und Quinto- Solarzellen zum Einsatz, die mittels komplexer Schichtstrukturen Wirkungsgrade über 30% erzielen. Neben einem Einsatz im Weltraum verspricht man sich bei terrestrischen Anwendungen in Verbindung mit Konzentratorsystemen eine wirtschaftlichere Stromerzeugung. Bekannte Konzentratorsysteme in Form von geprägten Fresnel- Linsen erreichen für eine 2x2 mm große Zelle eine etwa 500-fache Konzentration der solaren Einstrahlung. Mittels eines Parabolspiegels ist eine tausendfache Konzentration des Sonnenlichts auf die Solarzellen möglich. Ein wesentlicher Nachteil dabei sind die hohen Temperaturen, die eine verminderte elektrische Leistung der PV-Zellen bewirken. Deshalb ist für einen wirtschaftlichen Betrieb eine effektive Kühlung der PV- Zellen erforderlich.

In der EP 0 025 834 werden Sonnenkollektoren vorgestellt, bei denen die Reflektorfläche aus einer vorgespannten Membran besteht. Im Rahmen dieser Schrift wird zwischen punkt- und linienförmigen Konzentratorsystemen unterschieden. Aus der AT 505 075 Al 2008-10-15 geht ein aufblasbarer Sonnenkollektor als Membrankonstruktion hervor. Die verspiegelte Reflektorfläche ist hier als einachsig gekrümmte Membranfläche ausgebildet .

Aus der US005573600A ist ein Hybridkollektor bekannt, bei dem eine Wasserkühlung der Solarzellen gleichzeitig zur Brauchwassererwärmung herangezogen wird.

Aufgabenstellung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuen Kollektor bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kollektormodul gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Wirkungsgrad eines solchen Kollektors, z.B. eines solarthermischen Kollektors oder eines photovoltaischen Kollektors, wird erhöht, und ermöglicht bevorzugt auch den Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks, z.B. auf der nördlichen Hemisphäre, auch nördlich des 40sten Breitengrades. Die mit zunehmendem Abstand zum Äquator längere Sonnenscheindauer und eine einfache Nachführung eines erfindungsgemäßen Kollektors mit horizontal oder vertikal ausgerichteter Brennlinie lassen den wirtschaftlichen Betrieb solarthermischer und photovoltaischer Kollektoranlagen auch in gemäßigten Breiten sinnvoll erscheinen. Die Möglichkeit, linear konzentrierende Reflektorflächen bei einachsig nachgeführten Kollektorsystemen mit einer definierbaren Neigung zur Sonne auszurichten, erhöht nicht nur den Wirkungsgrad, sondern erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten für solarthermische und photovoltaische Kollektoren.

Für die Konstruktion eines Kollektors wird ein effizientes und wirtschaftlich herzustellendes Tragsystem angegeben. Es wird eine neuartige Reflektorfläche bereitgestellt.

Bevorzugt ist die Reflektorfläche als zweiachsig gekrümmte Schale oder als zweiachsig gekrümmte Membranfläche ausgebildet, und die führt zu einer hohen Formstabilität.

Bevorzugt wechselt der Abstand der Grundlinie zur Brennlinie in einem Kollektormodul regelmäßig.

Bevorzugt erfolgt die Bündelung der Sonnenstrahlen auf das Empfängerelement durch einmalige Reflexion an der Reflektorfläche (Einfachreflexion) .

Bevorzugt ist die Brennlinie eines Kollektormoduls entweder horizontal oder vertikal angeordnet. Kollektormodule mit horizontaler Brennlinie folgen bevorzugt entweder über eine horizontale Schwenkachse dem Höhenwinkel der Sonne und sind nordsüd- oder ostwest-orientiert , oder sie werden über eine vertikale Drehachse zum Azimutwinkel der Sonne ausgerichtet und können dabei z.B. als künstliche Insel auf einer Wasserfläche schwimmend angeordnet werden. Für eine Verbesserung des Wirkungsgrads ist die Neigung einer Reflektorfläche zur Sonneneinstrahlung entscheidend. Bei der Nord-Süd-Ausrichtung sind alle Reflektorflächen in eine Richtung zur Sonne hin geneigt, während bei der Ost-West-Ausrichtung die Reflektorflächen eine alternierende Neigung aufweisen, sodass die Hälfte der in Reihe angeordneten Reflektorflächen zur Morgensonne geneigt ist, während die andere Hälfte zur Abendsonne hin geneigt ist. Ein Kollektormodul mit vertikal ausgerichteter Brennlinie wird über ein Azimutlager der Sonne nachgeführt. Mehrere übereinander angeordnete Kollektormodule bilden in diesem Fall eine Turmkonstruktion. Dabei ist eine Reflektorfläche drehbar an einem eingespannten Mast gelagert. Der Mast besteht z.B. aus einer Stahlrohrkonstruktion, die koaxial oder auch konzentrisch zur Brennlinie angeordnet ist. Bei großen Reflektorflächen kann ein dem Empfängerelement zugeordneter Sekundärspiegel sinnvoll sein, um das von der Reflektorfläche auf das Empfängerelement fokussierte Licht vollständig auf ein Empfängerelement zu bündeln.

So können erfindungsgemäße Kollektoranlagen mit Masten und Türmen anderer technischer Anlagen, z.B. Lichtmaste oder Strommaste kombiniert werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, mindestens den unteren, nicht vom Rotor bestrichenen Turmabschnitt einer Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen photovoltaischen Kollektor auszurüsten. Zweiachsig gekrümmte Membransegel als Spiegel bündeln dabei das Sonnenlicht auf die mit Solarzellen bestückte Mantelfläche des Turms. Die aerodynamische Form eines koaxial zum Turm angeordneten, reusenförmigen Schlauchs, bei dem die Formstabilität der Membran durch ein unterstützendes Seilnetz gewährleistet wird, erhöht ggf. die Anströmgeschwindigkeit des Windes. Um die Windbelastungen zu reduzieren, können konkave Reflektorflächen zweiteilig ausgebildet sein, wobei entlang der Grundlinie Durchströmöffnungen vorhanden sind.

Konstruktion

Kollektormodule mit horizontaler Brennlinie und einer Nord-Süd- Ausrichtung oder einer Ost-West-Ausrichtung werden mittels eines Drehgelenks mit horizontaler Drehachse dem tages- und jahreszeitlich wechselnden Höhenwinkel der Sonne nachgeführt, während Kollektormodule mit vertikaler Ausrichtung der Brennlinie über ein Azimutlager dem Azimutwinkel der Sonne folgen. Für den großtechnischen Einsatz der Kollektormodule als Solarkraftwerk zur Stromerzeugung werden im Rahmen der Erfindung unterschiedliche Tragsysteme vorgeschlagen, die geeignet sind, die Stromgestehungskosten von derzeit 10-15 €ct/kWh drastisch zu senken. Eine zweiachsig gekrümmte Fläche ist bei Belastungen aus Wind und Eigengewicht wesentlich steifer als eine ebene oder einachsig gekrümmte Fläche. Mit geringstem Materialaufwand lassen sich z.B. zug- und dehnsteife zweiachsig gekrümmte Membranflächen herstellen. Derartige Membranflächen bestehen beispielsweise aus einem hochfesten Material in Form mehrschichtig aufgebauter, kunststoffbeschichteter Gewebe oder aus transparenten Kunststofffolien. Funktionsschichten, wie eine Haftschicht für die Spiegelschicht aus Metall und Siegelschichten, z.B. aus Silizium, werden dabei auf die Folie aufgedampft. Zur Unterstützung größerer Membranflächen kommt ein Seilnetz in Frage. Das Seilnetz kann auch als Unterkonstruktion für eine Reflektorfläche, die von einzelnen, zweiachsig gekrümmten, verspiegelten Scheiben aus eisenarmem Glas gebildet wird, herangezogen werden. Durch Vorspannung einer Membran oder eines Seilnetzes innerhalb eines druckbeanspruchten Rahmens aus Stahl wird die nötige Formstabilität der zweiachsig gekrümmten Reflektorfläche, die für eine präzise Bündelung der Sonnenstrahlen auf das Empfängerelement von entscheidender Bedeutung ist, gewährleistet. Ein Schlauch aus transparenter Folie mit abschnittsweiser Verspiegelung kann alternativ oder zusätzlich zur konstruktiven Vorspannung der Folie auch pneumatisch stabilisiert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer zweiachsig gekrümmten Reflektorfläche ist die Ausbildung einer biegesteifen Schalenkonstruktion aus Blechen, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Faserbeton, die jeweils in Matrizen aus Metall hergestellt werden. Analog zur Produktion von Rotorblättern für Windkraftanlagen können Reflektormodule aus zwei entlang ihrer Längsachse getrennten Hälften aufgebaut sein und als dünnwandige Schalenkörper mit versteifenden Längs- und Querrippen wirtschaftlich in großen Stückzahlen hergestellt werden.

Aυsführungsbeispiele

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer solarthermischer und photovoltaischer Kollektoren unter

Bezugnahme zu beiliegenden Figuren beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 ein Kollektormodul im schematischen Querschnitt

Fig. 2 mehrere, in Reihe angeordnete Kollektormodule nach Fig. 1 als zusammenhängende Rinne mit geknickter Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 3 mehrere, in Reihe angeordnete Kollektormodule nach Fig. 1 als zusammenhängende Rinne mit wellenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 4 mehrere, in Reihe angeordnete Kollektormodule nach Fig. 1 als zusammenhängende Rinne mit bogenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 5 mehrere, in Reihe angeordnete Einzelmodule nach Fig. 1 mit gerader Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 6 mehrere, in Reihe angeordnete Einzelmodule nach Fig. 1 mit wellenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 7 mehrere, in Reihe angeordnete Einzelmodule nach Fig. 1 mit bogenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt

Fig. 8 zwei solarthermische Kollektormodule mit Absorberrohr, deren Reflektorfläche aus Einzelflächen besteht, in der isometrischen Übersicht

Fig. 9 zwei solarthermische Kollektormodule mit Absorberrohr, deren Reflektorflächen eine zusammenhängende Fläche bilden, in der isometrischen Übersicht

Fig. 10 ein photovoltaisches Kollektormodul im schematischen

Querschnitt Fig. 11 vier Kollektormodule, deren zusammenhängende

Reflektorflächen zwei bogenförmige Schalenkörper bilden, in der isometrischen Übersicht

Fig. 12 vier Kollektormodule, deren zusammenhängende

Reflektorflächen einen wellenförmigen Schalenkörper bilden, in der isometrischen Übersicht

Fig. 13 acht Kollektormodule jeweils mit wechselnder Apertur, die in zwei Richtungen zu einer zusammenhängenden Fläche addiert sind, in der isometrischen Übersicht

Fig. 14 acht Kollektormodule jeweils mit gleich bleibender

Apertur, die in zwei Richtungen zu einer zusammenhängenden

Fläche addiert sind, in der isometrischen Übersicht

Fig. 15 vier vertikal übereinander angeordnete Kollektormodule mit kreisförmigem Querschnitt als zugbeanspruchte

Membrankonstruktion in einem druckbeanspruchten Turm in der isometrischen Übersicht

Fig. 16 die in Fig. 15 dargestellten Kollektormodule in der

Aufsicht

Fig. 17 insgesamt 8 Kollektormodule, die in einem reusenförmigen

Seilnetz einen drehbar gelagerten Mast abspannen, in der isometrischen Übersicht

Fig. 18 vier vertikal übereinander angeordnete Kollektormodule mit parabelförmigem Querschnitt als zugbeanspruchte

Membrankonstruktion in einem druckbeanspruchten Rahmen in der isometrischen Übersicht

Fig. 1 zeigt ein Kollektormodul 3 für einen solarthermischen Kollektor 30 oder einen photovoltaischen Kollektor 31 im schematischen Querschnitt. Eine Bogenschar 10 aus Parabelbogen 101 mit unterschiedlicher Sperrung 2p definiert die Reflektorfläche 1. Dabei sind die Parabelbogen 101 so angeordnet, dass ihre Brennpunkte F auf einer gemeinsamen Brennlinie f und ihre Scheitelpunkte S auf einer gemeinsamen Grundlinie 11 liegen. Im Rahmen der Erfindung gilt diese Anordnung auch für eine Schar von Kreisbogen, elliptischen Bogen oder hyperbolischen Bogen. Eine Bogenschar kann vertikal geschnitten werden, sodass ein Kollektormodul 3 eine gleich bleibende Apertur a aufweist, während eine horizontale Schnittlinie an einer Bogenschar 10 eine kontinuierlich wechselnde Apertur a bewirkt. Die einachsige Nachführbarkeit zum Stand der Sonne erfolgt über eine koaxial oder konzentrisch zur Brennlinie f angeordnete Schwenkachse x. Eine Parabel ist z.B. von der Form z (x) = const * x², wobei const ein konstanter Parameter ist.

Fig. 2 zeigt die lineare Reihung von vier Kollektormodulen 3 nach Fig. 1, die jeweils an ihren Extremstellen M aneinander gefügt sind, wobei sie eine aus einzelnen Streckenabschnitten 110 gebildete, zusammenhängende Grundlinie 11 aufweisen. Mittels einer koaxial zur Brennlinie f angeordneten Schwenkachse x werden die Kollektormodule dem Höhenwinkel der Sonne nachgeführt.

Fig. 3 zeigt eine alternative Möglichkeit der Reihung einer Bogenschar 10 nach Fig. 1 entlang einer gemeinsamen Brennlinie f. Die jeweils an ihren Extremstellen M zu einer kontinuierlichen Rinne verbundenen Module 3 zeigen hier eine Grundlinie 11 als Welle 112, deren Neigung gegenüber der Brennlinie f periodisch wechselt .

Fig. 4 zeigt die Reihung einer Bogenschar 10 nach Fig. 1, die eine gemeinsame Brennlinie f aufweisen und mittels einer Schwenkachse x der Sonne nachgeführt werden mit einer Grundlinie 11 in Form einer Bogenkette 111. Mittels einer horizontalen Schwenkachse x werden die Kollektormodule dem Höhenwinkel der Sonne nachgeführt. In den Fig. 2-4 erweist sich eine Ost-West-Ausrichtung der Parabolrinne als Vorteil, da die periodisch wechselnde Neigung der Grundlinie 11 zur Morgen- bzw. Abendsonne den Wirkungsgrad z.B. eines Parabolrinnenkraftwerks erhöht.

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 zeigen jeweils linear an einer gemeinsamen Brennlinie f aufgereihte Kollektormodule 3, deren Reflektorfläche 1 dem in Fig.l beschriebenen Bildungsgesetz entspricht. Die Reflektorflächen 1 sind hier voneinander getrennt und weisen an der Grundlinie 10 jeweils eine Neigung gegenüber der Brennlinie f auf. Die horizontale Schwenkachse x stellt jeweils die einachsige Nachführbarkeit der Kollektormodule 3 zum Höhenwinkel der Sonne sicher. Bei einer Nord-Süd-Orientierung N-S der Brennlinie f weisen die Reflektorflächen 1 jeweils eine Neigung zur Sonne auf, sodass der Wirkungsgrad einer nord-süd- orientierten Parabolrinne erheblich gesteigert werden kann. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 zeigt einer Grundlinie 11 als Strecke 110, während die Grundlinie 11 in Fig. 6 als Welle 112 und die Grundlinie 11 in Fig. 7 als Bogen 111 ausgebildet ist. Eine Bogenschar 10 nach Fig. 1 kann wie in den Fig. 2 und 5 dargestellt nach oben horizontal begrenzt werden, sodass ein Kollektormodul 3 eine wechselnde Apertur a aufweist. Begrenzt man eine Bogenschar 10 nach Fig. 1 vertikal, erhält man eine gleich bleibende Apertur a für ein Kollektormodul 3 und einen geschwungenen oberen Rand der Reflektorflächen 1 wie in den Fig. 3, 4, 6 und 7 dargestellt. Diese Anordnung der Reflektorflächen 1 eignet sich auch für eine Turmkonstruktion mit vertikal ausgerichteter Brennlinie f, wie in den Fig. 15-18 dargestellt.

Fig. 8 zeigt die Anordnung von zwei Kollektormodulen 3 mit einer gemeinsamen Brennlinie f entsprechend dem Längsschnitt in Fig. 5. Das Tragsystem 32 der Reflektorfläche 1 ist eine zweiachsig gekrümmte Schale 320, die aus Metall, Glas oder glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden kann. Der solarthermische Kollektor 30 besitzt ein Empfängerelement 2 mit einem Absorberrohr 20, das eine selektive Beschichtung 200 trägt, von einer Wärmeträgerflüssigkeit 201 durchströmt und von einem transparenten Hüllrohr 202 umgeben wird. Dem Stand der Technik entsprechend ist zwischen dem Hüllrohr 202 und dem Absorberrohr 20 ein Vakuum vorgesehen. Fig. 9 zeigt die Anordnung von zwei Kollektormodulen 3 mit einer gemeinsamen Brennlinie f entsprechend dem Längsschnitt in Fig. 2. Der Aufbau der Reflektorflächen 1 und des Empfängerelements 2 entspricht dem in Fig. 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Eine zur Brennlinie f parallele Schwenkachse x gewährleistet die einachsige Nachführung der in Fig. 8 und 9 beschriebenen solarthermischen Kollektoren 30. Die als zusammenhängende Reflektorfläche 1 ausgebildete Schale 320 ist mit ihrer regelmäßig wechselnden Neigung für eine Ost-West-Ausrichtung des solarthermischen Kollektors 30 vorgesehen.

Fig. 10 zeigt den schematischen Querschnitt eines photovoltaischen Kollektors 31. Der Aufbau der Reflektorfläche 1 entspricht einer der in Fig. 8 und 9 dargestellten Anordnungen. PV-Zellen 21 auf einem von einer Kühlflüssigkeit 211 durchströmten, polygonalen Trägerrohr 210 sind zum Boden der Reflektorfläche 1 ausgerichtet und absorbieren als Tandem-, Tripel- und Quinto-Solarzellen 21 das 500- bis 1000-fach fokussierte Sonnenlicht. Die dabei entstehende Wärme wird von der Kühlflüssigkeit 211 abgeführt. Abhängig vom Durchmesser des Empfängerelements können auch herkömmliche, mono- oder polykristalline PV-Zellen 21, die über Wärmeleitflächen 212 mit einem polygonalen Trägerrohr 210 verbunden werden, zum Einsatz kommen. In diesem Fall dienen ein oder mehrere koaxial zur Brennlinie f angeordnete, von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Trägerrohre 210 ebenfalls einem erhöhten Wirkungsgrad der PV- Zellen 21. Ein Sekundärspiegel (213) bündelt das von der Reflektorfläche (1) fokussierte Licht auf das Empfängerelement (2), sodass die PV-Zellen (21) allseitig belichtet werden.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen jeweils vier an ihren Extremstellen M an einer gemeinsamen Brennlinie f in Reihe angeordnete Kollektormodule 3 zur Herstellung eines solarthermischen Kollektors 30, oder eines photovoltaischen Kollektors 31 entsprechend den in den Fig. 8-10 dargestellten Ausführungsbeispielen. Bei einem Parabolrinnenkraftwerk mit ost- westlicher Ausrichtung O-W der Brennlinie f ist eine Reflektorfläche 1 jeweils aus zwei an ihren Extremstellen M gefügten Schalen 320 aufgebaut. Im Vergleich zu einer herkömmlichen, einachsig gekrümmten Fläche weist die zweiachsige Krümmung einer Reflektorfläche 1 eine wesentlich höhere Steifigkeit auf und kann deshalb materialsparend als dünnwandige Schale 320, z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt werden. Für die Herstellung entsprechender Kunststoffschalen 320 aus GFK eignen sich Metallformen, wobei eine Schale 320 eine nicht näher dargestellte Elementierung in zwei Längshälften und versteifende Längs- und Querrippen für den Anschluss an die Schwenkachse x aufweisen kann. Analog zur Herstellung von Rotorblättern, an deren Oberflächen ebenfalls höchste Anforderungen an Präzision und Form gestellt sind, können entsprechende neuartige Reflektorflächen für ein

Parabolrinnenkraftwerk mit Metallformen wirtschaftlich in großen Stückzahlen hergestellt werden.

Fig. 13 zeigt eine Anzahl von Kollektormodulen 3, die längs und quer zu einer Fläche 12 addiert sind. Mit einem Empfängerelement 2, das von einem Absorberrohr 20 mit selektiver Beschichtung 202 gebildet wird, zeigt die Isometrie einen Ausschnitt eines solarthermischen Kollektors 30. Um Wärmeverluste zu vermeiden, wird das Absorberrohr 20 von einem transparenten Hüllrohr 202 umschlossen. Zwischen Hüll- und Absorberrohr ist ein Vakuum vorgesehen, sodass die absorbierte Wärme möglichst vollständig auf eine Wärmeträgerflüssigkeit 201 übertragen wird. Über eine vertikale Drehachse y wird der solarthermische Kollektor 30 einachsig dem Azimutwinkel der Sonne nachgeführt. Die Reflektorflächen 1 weisen eine periodisch wechselnde Apertur a auf und sind als selbsttragende Schalen 320 aus Kunststoff, Glas oder Metallblech ausgebildet und können in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung als künstliche Insel auf dem Wasser schwimmend angeordnet werden. Fig. 14 zeigt eine Anzahl von Kollektormodulen 3, die zu drei parallel angeordneten Rinnen gefügt sind und den Ausschnitt eines solarthermischen 30 oder eines photovoltaischen Kollektors 31 zeigen. Mit einer konstanten Apertur a zeigt die Oberfläche der Kollektormodule 3 eine gewellte Struktur. Die Schwenkachse x dient der einachsigen Nachführung eines bevorzugt ost-west- ausgerichteten Kollektors.

Fig. 15 zeigt den unteren Abschnitt eines Turms 14, bei dem die Brennlinie f mehrerer übereinander angeordneter Kollektormodule 3 senkrecht angeordnet ist. Die Reflektorfläche 1 ist auf einen vorgespannten, konkaven Schlauch 322 aus transparenter Folie aufgedampft und fokussiert die Sonnenstrahlen auf ein koaxial und konzentrisch zur Brennlinie f angeordnetes Empfängerelement 2, das im Falle eines solarthermischen Kollektors 30 von einem Absorberrohr 20 und im Falle eines photovoltaischen Kollektors 31 von PV-Zellen 21 gebildet wird. Der konkave Schlauch 322 wird mittels eines umgebenden, druckbeanspruchten Tragsystems 32 vorgespannt und ist über ein Azimutlager 34 an der Basis des Turms um eine Drehachse y drehbar gelagert, sodass er von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang dem jeweiligen Stand der Sonne folgen kann. Die Reflektorfläche 1 wird von einer Bogenschar 10 aus Kreisbogen 100 jeweils mit unterschiedlichem Durchmesser gebildet. Die gemeinsamen Brennpunkte F der Kreisbogen 100 liegen auf der Brennlinie f, die durch den halben Radius jedes Kreises definiert ist.

Fig. 16 zeigt die Aufsicht auf den in Fig.15 dargestellten Turm 14. Die Brennpunkte F der Kreisbogen 100 liegen auf einer gemeinsamen Brennlinie f. Über das umgebende Tragsystem 32 wird ein im Querschnitt kreisförmiger, konkaver Schlauch 322 vorgespannt. Bei größeren Konstruktionen wird der konkave Schlauch 322 von einem Seilnetz 324 getragen. Fig. 17 zeigt einen Turm 14, bei dem insgesamt 8 vertikal übereinander angeordnete Kollektormodule 3 einen Turm 14 bilden, bei dem das Empfängerelement 2 von einem konzentrisch und koaxial zur Brennlinie f angeordneten Trägerrohr 210 gebildet wird. Auf der Mantelfläche des Trägerrohrs 210 sind photovoltaische Zellen angeordnet, die über ein von einer Kühlflüssigkeit 211 durchströmtes Register gekühlt werden. Die Reflektorfläche 1 besteht aus einer verspiegelten Membran 321 als teilverspiegelte, zweiachsig gekrümmte Fläche eines reusenförmigen Schlauchs 322 aus transparenter Kunststofffolie. Der konkav ausgebildete Schlauch 322 entspricht in seinem Querschnitt dem in Fig. 16 beschriebenen Ausführungsbeispiel und wird mittels eines minimalen Tragsystems 32 aus einem Seilnetz 324 und asymmetrischen Speichenrädern verspannt. Das Seilnetz 324 dient auch der Abspannung des Turms 14, welcher an seiner Basis mittels eines Azimutlagers 34 dem Stand der Sonne nachgeführt wird. Das koaxial und konzentrisch zur Brennlinie f angeordnete Trägerrohr 210 ist dabei am Fußpunkt in eine mehrgeschossige Trommel eingespannt. Diese Trommel ist schwimmend in einem zylindrischen Fundamentkörper gelagert. Als alternative Turmkonstruktion für eine Windkraftanlage wird ein eingespanntes Stahlrohr vorgeschlagen, bei dem die schlauchförmige Membrankonstruktion 322 mit der Reflektorfläche 1 mittels der Speichenräder 32 drehbar an dem Turm einer Windkraftanlage gelagert ist und auf diese Weise dem Azimutwinkel der Sonne folgt. Neben der Möglichkeit, derartige vertikal angeordnete Sonnenkollektoren als eigenständige Konstruktionen auszubilden, kann die vorgeschlagene Bauweise auch mit Strom- und Lichtmasten kombiniert werden.

Fig. 18 zeigt einen Turm 14 als solarthermischen 30 oder als photovoltaischen Kollektor 31 mit einem Empfängerelement 2, das konzentrisch und koaxial zu einer vertikalen Brennlinie f angeordnet ist . Die Reflektorfläche 1 wird von einer Bogenschar 10 in Form von Parabelbogen 101 gebildet und nimmt den rückwärtigen Teil eines konkaven Schlauchs 322, der von einer Membran 321 gebildet wird, ein. Spannseile 323 unterstützen den im Schnitt linsenförmigen, konkaven Schlauch 322 in den Eckpunkten und trennen die rückwärtige, verspiegelte Hälfte von der der Sonne zugewandten, transparenten Hälfte, die als transparente Abdeckung 15 der Reflektorfläche 1 dient. Eine parabelförmig ausgebildete Gitterschale bildet das umgebende Tragsystem 32 zur Vorspannung des konkaven Schlauchs 322. Über ein Azimutlager 34 mit Drehachse y folgt der Turm 14 dem Stand der Sonne. Ein derartiger solarthermischer oder photovoltaischer Kollektor 30, 31 kann bevorzugt auch auf Flachdächern oder Hochhäusern angeordnet werden.

Bezugszeichenubersicht

Claims

Patentansprüche

1. Kollektormodul (3) mit einer rinnenförmigen Reflektorfläche

(D, welche im Querschnitt aus Kreisbogen (100), Parabelbogen (101), elliptischen oder hyperbolischen Bogen besteht, deren Scheitelpunkte (S) jeweils auf einer gemeinsamen Grundlinie (11) liegen, welche Reflektorfläche dazu ausgebildet ist, mittels einachsiger Nachführung die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel der Sonne auf ein koaxial oder konzentrisch zu einer Brennlinie (f) angeordnetes Empfängerelement (2) zu bündeln, und welche Reflektorfläche eine zweiachsige Krümmung aufweist und jeweils von einer Bogenschar (10) gleichartiger Bogen mit wechselnder Sperrung (2p) gebildet ist, deren Brennpunkte (F) auf einer gemeinsamen Brennlinie (f) liegen, wobei der Abstand der Grundlinie (11) zur Brennlinie (f) in einem Kollektormodul (3) wechselt.

2. Kollektormodul (3) nach Anspruch 1, bei welchem die Grundlinie (11) als Strecke (110), als Bogen (111) oder als Welle (12) ausgebildet ist und mehrere, in Reihe hintereinander angeordnete Kollektormodule eine geschlossene Rinne (13) bilden.

3. Kollektormodul (3) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem mehrere Kollektormodule (3) lückenlos zu einer Fläche (12) addiert werden können.

4. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine vertikale Anordnung der Brennlinie (f) vorgesehen ist und mehrere Kollektormodule (3) vertikal übereinander angeordnet sind und einen Turm (14) bilden.

5. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem für die einachsige Nachführung zur Sonne entweder eine horizontale Schwenkachse (x) , die dem Höhenwinkel der Sonne folgt, oder eine vertikale Drehachse (y) , die dem Azimutwinkel der Sonne folgt, vorgesehen ist.

6. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Grundlinie (11) eines Kollektormoduls (3) zwei Extremstellen (M) hat und gegenüber einer horizontal oder vertikal angeordneten Brennlinie (f) eine Neigung aufweist.

7. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem als Tragsystem (32) für eine Reflektorfläche (1) eine biegesteife Schale (320), eine zugbeanspruchte Membran (321), ein Seilnetz (324), ein vorgespannter, konkav gekrümmter Schlauch (322) aus Folie oder ein pneumatisch vorgespannter, konvex gekrümmter Schlauch vorgesehen ist.

8. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Tragsystem (32) aufweist, bei welchem ein zugbeanspruchtes Seilnetz (324) oder eine zugbeanspruchte Membrankonstruktion (321) und eine druckbeanspruchte Konstruktion als Spannrahmen zusammenwirken.

9. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Apertur (a) einen konstanten oder wechselnden Querschnitt aufweist und durch eine transparente Abdeckung

(15) geschützt ist.

10. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Reflektorfläche (l)dazu ausgebildet ist, das Strahlenbündel der Sonne durch einmalige Reflexion an der Reflektorfläche (1) auf das Empfängerelement (2) zu bündeln.

11. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dem Empfängerelement (2) ein im Querschnitt parabolrinnenförmiger, mit der Reflektorfläche (1) zusammenwirkender Sekundärspiegel (213) zugeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, das von der Reflektorfläche (1) gebündelte Licht auf das Empfängerelement (2) zu fokussieren.

12. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Reflektorfläche (1) im Bereich der Grundlinie

(11) Durchströmöffnungen zur Begrenzung der Windbelastung aufweist .

13. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Empfängerelement (2) ein Absorberrohr (20) aufweist, welches eine selektive Beschichtung (200) trägt und dazu ausgebildet ist, von einer Wärmeträgerflüssigkeit (201) durchströmt zu werden, und welches von einem transparenten Hüllrohr (202) umgeben ist, wobei zwischen dem Absorberrohr (20) und dem Hüllrohr (202) ein Vakuum vorgesehen ist.

14. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Empfängerelement (2) Photovoltaikzellen (21) aufweist, welche als Einfach-, Tandem-, Tripel-, oder Quinto- Solarzellen ausgebildet sind und mit einem Trägerrohr (210) mittelbar über eine Wärmeleitfläche (212) oder unmittelbar verbunden sind, welches Trägerrohr (210) dazu ausgebildet ist, ein Durchströmen von einer Kühlflüssigkeit (211) zu ermöglichen.

15. Kollektormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als photovoltaisches Kollektormodul (31) mit einem Trägerrohr (210) ausgebildet ist, wobei eine Mantelfläche des Trägerrohrs (210) PV-Zellen (21) trägt und als Teil des Tragsystems (32) eines Kollektormoduls (3) gleichzeitig den Turm einer Windkraftanlage bildet.