WO2014198714A1 - SEGMENTIERUNG VON GROßEN FACHWERKSTRUKTUREN - Google Patents

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WO2014198714A1
WO2014198714A1 PCT/EP2014/062011 EP2014062011W WO2014198714A1 WO 2014198714 A1 WO2014198714 A1 WO 2014198714A1 EP 2014062011 W EP2014062011 W EP 2014062011W WO 2014198714 A1 WO2014198714 A1 WO 2014198714A1
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WO
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truss
segment
segments
support structure
intermediate piece
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PCT/EP2014/062011
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English (en)
French (fr)
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Markus BALZ
Manuel BIRKLE
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Sbp Sonne Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00—Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S25/10—Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules extending in directions away from a supporting surface
    • F24S25/13—Profile arrangements, e.g. trusses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/02—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces
    • E04C3/04—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of metal
    • E04C2003/0486—Truss like structures composed of separate truss elements
    • E04C2003/0495—Truss like structures composed of separate truss elements the truss elements being located in several non-parallel surfaces
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
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    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
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    • E04C3/04—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of metal
    • E04C3/08—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of metal with apertured web, e.g. with a web consisting of bar-like components; Honeycomb girders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the present invention relates to a framework according to the preamble of claim 1.
  • part of the invention is a support structure for the mirror surface of a parabolic trough collector according to the preamble of claim 10.
  • parabolic trough collectors These are sun-tracking, focusing solar collectors. Its uniaxially parabolically curved mirror surface reflects the sunlight onto a vacuum-insulated absorber tube mounted along the focal line of the mirror surface. A heat transfer medium pumped through the absorber tube - usually a synthetic thermal oil - is heated by the concentrated solar radiation. By connecting several parabolic trough collectors in series, several hundred meter long strands, known as loops, are created. The hot heat transfer medium of a large number of these loops is collected and, for example, fed centrally to a steam generator, which is followed by a conventional steam turbine with a generator for generating electrical energy. The mirror surface with the absorber tube is usually hydraulically tracked to the position of the sun.
  • a parabolic trough power plant comprises up to several hundred to a thousand such parabolic trough collectors, which are assembled on site.
  • the parabolic curved mirror surface is usually mounted on support arms on a truss-like, torsion-resistant support structure and held by this.
  • the support structure consists essentially of a steel framework, which is composed of rods and nodes.
  • the support structure is often formed from four trusses. Four of such trusses are assembled into an elongated support structure (length, e.g., 24 meters and longer) of square cross-section to form a substantially parallelepiped truss body whose length is many times longer than its width or height.
  • parabolic trough collectors in the prior art is determined by the maximum dimensions of important components, e.g. the mirror surface and the absorber tubes. These are the components with the highest specific costs, which should be as large as possible for cost and efficiency reasons.
  • the resulting main dimensions of the parabolic trough collectors are adapted to the supporting structures.
  • the support structure together with the mirror surface and the absorber pipe must be transported to a suitable location after partial production. Because of the large dimensions of the parabolic trough collector, in particular the support structure, incurred during transport from the workshop to the site considerable cost.
  • the segments are prefabricated in the production site and then transported to the site. Subsequently, the segments are then connected to each other at their joints. It is advisable to dimension the truss segments so that they can be transported to the chosen location using available means of transport.
  • the object of the invention is to form the support structure of the parabolic trough collector such that the truss-like structure is easy to manufacture, safely and inexpensively transported to a suitable location and there quickly and inexpensively assembled in compliance with the strict tolerance specifications.
  • At least one intermediate piece is provided in the region of a joint, which connects a first truss segment with a second truss segment frictionally with each other.
  • the at least one intermediate piece is preferably made of metal, particularly preferably of steel.
  • the length of the intermediate piece By choosing the length of the intermediate piece can be easily realized tolerance compensation in the longitudinal direction of the two to be connected truss segments, so that unwanted stresses in the support structure can be avoided.
  • a tolerance compensation in width and height direction can be realized. In order to avoid unwanted stresses that can lead to unwanted deformations and thus geometric tolerance requirements to the entire structure, which directly affect the optical properties of the mirror surface and thus the efficiency of the parabolic trough collector can be ensured.
  • this compensation can ensure that other adjacent components can be connected properly and without tension.
  • any manufacturing deviations can be compensated easily and without affecting the carrying capacity.
  • larger tolerance fields are possible, which reduces the cost of manufacturing the segments.
  • the dimensions of the truss segments according to the invention can be adapted to the dimensions of standardized containers (shipping containers) without the properties (eg bending and torsional stiffness) of the To affect supporting structure and without increased costly tolerance requirements for the segments.
  • the dimensions optimized with regard to the dimensions of standard containers contribute to a significant reduction in transport costs.
  • bars of the first framework segment and / or the second framework segment to be connected in the region of the joint have a rectangular cross-section (flat steel) or a single or multiple angled cross-section.
  • Such profiles are preferably commercially available and are therefore easily and inexpensively available.
  • the rods with angled cross-section also have a high flexural rigidity and tensile strength, which is particularly advantageous for connecting the support structure.
  • the intermediate pieces preferably have to rest flat on the bars of the truss segments for joining, it is further proposed that the intermediate pieces have a rectangular cross section (flat steel) or a single or multiple angled cross section.
  • the spacers are preferably made of commercially available rolled steel profiles, which are very inexpensive to obtain and are available in various cross sections.
  • the single or multiple angled cross-section have an isosceles or unequal L-shape, ⁇ -shape, [shape, U-shape, I-shape or T-shape, where there are all mentioned forms in different standardized dimensions.
  • the joint between the truss segments can thus be optimized manufacturing technology, so that a simple and easy assembly can be ensured.
  • the truss according to the invention has no nodes between the first truss segment and the second truss segment in the region of the at least one intermediate piece. Nodes are connections of at least two bars. There forces are diverted by a rod in one or more other rods, so that the local material stress high or the prevailing stress conditions are complex. These are taken up and derived in conventional segmented truss structures by the above-mentioned head plates or flanges.
  • the invention it is provided to connect the segments between two nodes with each other, so that there is no interference with frame joints and nodes of the segments. Between two nodes prevail simple stress states in the bars, which can be easily and safely taken up with the help of the spacers according to the invention and transferred to a bar of the connected segment. Because the assembly of the hiss pieces is easy, this can also be done by less skilled workers.
  • the spacers and bars of the truss segments are non-positively connected.
  • the non-positive connections are realized by lockbolts, bolts and nuts or rivets.
  • the at least one intermediate piece and the first truss segment and / or the second truss segment have through holes for receiving the locking ring bolt, the screw or the rivet, and that the diameter of the through holes is greater than the diameter of the lock ring bolt, the screw or the Rivet is. It can also be provided slots to increase the possibilities of length compensation. All mentioned types of connection can be produced on site with simple means. Alternatively, the connection can also be realized by means of the known method of clinching.
  • the region of the at least one intermediate piece can be stiffened after being connected by additional rods. This serves the stability of the complete, assembled from several truss segments, support structure. This achieves a reduction in the overall weight of the support structure.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a parabolic trough collector according to the prior art
  • Figure 2 is an isometric view of a parabolic trough collector
  • Figure 3 shows a support structure according to the invention comprising two segments in detail
  • Figure 4 shows the four trussed slices of the support structure of Figure 3 in an exploded view
  • Figure 5 shows a standard container for the transport of the support structure
  • Figure 6 shows a portion of an intermediate piece between two truss segments in a side view
  • FIG. 7 shows the area from FIG. 6 in a view obliquely from above
  • FIG. 8 shows an area between two joints of two truss segments with four visible intermediate pieces
  • FIG. 9 shows the region of FIG. 8 in a view rotated by 180 °.
  • FIG. 10 is a sectional view F - F from FIG. 8.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of a parabolic trough collector 10.
  • the parabolic trough collector 10 substantially comprises a uniaxially parabolically curved reflecting mirror surface 12.
  • the mirror surface 12 consists of a curved glass pane provided with a vapor-deposited metal layer and focuses incident sun rays 14 onto a so-called focal line 16. The location the focal line 16 depends on the geometry of the mirror surface 12.
  • a vacuum-insulated absorber tube 18 is arranged on a holder.
  • the absorber tube 18 is preferably provided with a selective coating 19 inside.
  • the parabolic trough collector 10 concentrates the incident sunlight by a factor of 80 to 100.
  • a heat transfer medium pumped through the absorber tube 18 - usually a synthetic thermal fluid (HTF) - is heated up to about 400 ° C. by the focused solar radiation ,
  • HTF synthetic thermal fluid
  • Other heat transfer media are known and applicable which allow temperatures in excess of 500 ° C.
  • parabolic trough collector 10 is uniaxial, preferably hydraulically tracked along with mirror surface 12 and absorber tube 18, the changing position of the sun during the day.
  • the mirror surface 12 is rotatably mounted with the absorber tube 18 via a hinge 17.
  • a single parabolic trough collector segment is about 20 meters to 30 meters long. By connecting several such segments in series, several hundred meter long strands, so-called loops, can be created.
  • the width of the mirror surface 12 may be several meters (e.g., 4 m).
  • the heated in the absorber tubes 18 of the loops heat transfer medium is collected and fed centrally to a steam generator, the example.
  • a conventional steam turbine steam inlet about 370 ° C at about 100 bar
  • a power generator is connected downstream (not shown).
  • the support structure In addition to horizontally acting wind loads, wind-induced torsion loads as well as a certain permissible deformation in the design and manufacture of a suitable support structure must be taken into account.
  • the support structure must be formed torsionally rigid so that the deformation of the mirror surface 12 remains safely below predetermined limits. Otherwise, there is a risk that the mirror surfaces 12 break.
  • Figure 2 shows an embodiment of a parabolic trough collector 10 with a support structure 20 according to the invention.
  • the support structure 20 is formed as a steel framework.
  • the curved mirror surface 12 of the parabolic trough collector 10 is fixed to the torsionally rigid support structure 20.
  • the support structure 20 consists of four similarly formed half-timbered disks 21.1 to 21.4 and preferably has a square cross section (see Figure 3).
  • the support structure 20 is made by connecting the truss discs 21.1 to 21.4, so that a substantially cuboid truss body is formed whose length is many times longer than its width or height.
  • the support structure 20 may, for example, dimensions of about 1.9 m x 1.9 m and a length of about 24 m and more have.
  • the parabolic trough collectors are larger than these containers, at least the support structure 20 and the mirror surface 12 are delivered in segments and assembled on site. For economic reasons, the volume of the standard containers should be used as best as possible.
  • FIG. 3 shows the support structure 20 according to the invention from FIG. 2, which is subdivided by way of example into two truss segments 25 'and 25 ".
  • the support structure 20 may also be composed of more than two segments 25.
  • Figure 4 shows the individual trusses 21.1 to 21.4 in detail.
  • the half-timbered disks 21.1 to 21.4 are assembled in a conventional manner from rods 22 and nodes 23.
  • the rods 22 are preferably made of angle or profile iron, which are connected to the node 23, preferably welded, are.
  • straps 24 may be provided (see FIG. 3).
  • the respective reference numerals are only isolated and are assigned to the corresponding elements in FIGS. 3 and 4 by way of example.
  • the trussed pulleys 21.1 to 21.4 shown in FIG. 4 are each assembled into a truss segment 25 'and 25 "(see FIG. 3). Subsequently, the framework segments 25 'and 25' 'connected by at least one intermediate piece 26 with each other and thus the support structure 20 is produced.
  • the intermediate piece 26 is preferably made of metal, particularly preferably made of steel.
  • FIG. 5 shows by way of example a container 30 which is completely filled with segments 25 according to the invention. Because the dimensions of the segments 25 are matched to the internal dimensions of the container 30, they can not slip in the container 30 and therefore need not be secured almost. This further reduces the transport costs.
  • FIGS. 6 to 10 show exemplary embodiments for configuring the region of the joints 28 when connecting two trussed disks 21. 1 to 21. 4 with the aid of the at least one intermediate piece 26.
  • the cross-sections may, for example, have an isosceles or nonuniform L-shape, ⁇ -shape, [shape, U-shape, I-shape or T-shape. Also a flat steel with rectangular cross section is possible.
  • FIG. 6 shows a region for connecting the truss segments 25 'and 25 "in a side view.
  • Figure 7 shows the same area in a view obliquely from above. The connection should be force-locked.
  • Figures 8 to 10 show the region of the intermediate pieces 26 in detail, wherein Figure 9 shows the same area as Figure 8, rotated only by 180 °.
  • FIG. 10 shows a section F - F from FIG. 8.
  • connection is made to two half-frame disks arranged at right angles to each other, e.g. 21.1 and 21.2 explained.
  • the two half-timbered disks 21.1 are arranged vertically, the two half-timbered disks 21.2 are arranged horizontally.
  • All trusses 21.1 to 21.4 of the truss segments 25 'and 25' ' are connected in principle miteinender the same procedure.
  • connection is made in each case by at least one intermediate piece 26, which is connected to the bars 22 at the free ends of the half-timber disks 21.1 and 21.2, i. at bumps 28, cooperates.
  • the bars 22 of the segments 25 have L-shaped or T-shaped cross sections (see in particular FIG. 10). Simple or multiple angled cross sections are possible.
  • the cross-sections may, for example, have an isosceles or nonuniform L-shape, ⁇ -shape, [shape, U-shape, I-shape or T-shape.
  • a flat steel with a rectangular cross-section is also possible for connection.
  • the intermediate pieces 26. 1 and 26. 2 are preferably adapted to the shape or the cross section of the rods 22 in such a way that they lie flat on the rods 22. Therefore, the intermediate pieces 26 often have L-shaped cross sections (see in particular Figure 10). If required, several, also different, intermediate pieces 26 can be used for connecting two segments 25 (not shown).
  • the at least one intermediate piece 26 and the first truss segment 25' and the second truss segment 25 '' in the region of the joints 28 through holes 28 for receiving, for example.
  • the diameter of the through holes must be slightly larger than the diameter of the locking ring bolt 32, the screw or the rivet.
  • connection can also be realized by means of the known method of clinching.
  • no nodes 23 are arranged between the first truss segment 25 'and the second truss segment 25 "in the region of the at least one intermediate piece 26.
  • each intermediate piece 26 used tolerance compensation in the longitudinal direction of the two truss segments 25 'and 25' 'can be realized easily.
  • a fitter from a set of different lengths of intermediate pieces 26 may select the appropriate ones so that the length of the finished assembled support structure can be kept within very narrow limits, even if the length of the segments 25 is different.
  • the joint can be stiffened by inserting additional rods 34, which increases the stability of the entire support structure 20.
  • the additional rods 34 like the intermediate pieces 26, can be connected to correspondingly formed free ends of the trussed disks 21.1 and 21.2 (see reference numeral 36).

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Abstract

Es wird ein Stahlfachwerk vorgeschlagen, das aus mehreren Segmenten (25', 25") zusammengesetzt ist. Die Verbindung dieser Segmente (25', 25") erfolgt mittels Zwischenstücken (26) und zwischen den Knoten (23) des Fachwerks.

Description

Segmentierung von großen Fachwerkstrukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fachwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Außerdem ist Teil der Erfindung eine Tragstruktur für die Spiegelfläche eines Parabolrinnenkollektors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stahlfachwerke sind seit Jahrzehnten bewährt und eignen sich sehr gut für eine industrielle Fertigung. Die Abmessungen von industriell gefertigten Stahlfachwerken werden letztendlich durch den anschließenden Transport von der Fertigungsstätte zum Einsatzort begrenzt. Die vollständige Montage auf der Baustelle wäre eine Alternative, die aber hinsichtlich Produktivität und Qualität nicht mit einer industriellen Fertigung mithalten kann.
Ein Beispiel solcher Stahlfachwerke sind Parabolrinnenkollektoren. Es handelt sich dabei um der Sonne nachgeführte, fokussierende Solarkollektoren. Ihre einachsig parabolisch gekrümmte Spiegelfläche reflektiert das Sonnenlicht auf ein entlang der Brennlinie der Spiegelfläche angebrachtes vakuumisoliertes Absorberrohr. Ein durch das Absorberrohr gepumptes Wärmeträgermedium - in der Regel ein synthetisches Thermoöl - wird durch die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt. Durch Hintereinanderschalten von mehreren Parabolrinnenkollektoren entstehen mehrere hundert Meter lange Stränge, so genannte Loops. Das heiße Wärmeträgermedium einer großen Anzahl dieser Loops wird gesammelt und bspw. zentral einem Dampferzeuger zugeführt, dem eine konventionelle Dampfturbine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie nachgeschaltet ist. Die Spiegelfläche mit dem Absorberrohr wird in der Regel hydraulisch dem Stand der Sonne nachgeführt. Ein Parabolrinnenkraftwerk umfasst bis zu mehreren hundert bis tausend solcher Parabolrinnenkollektoren, die vor Ort zusammengebaut werden.
Die parabelförmig gekrümmte Spiegelfläche wird in der Regel über Tragarme auf einer fachwerkartig aufgebauten, torsionssteifen Tragstruktur montiert und von dieser gehalten. Die Tragstruktur besteht im Wesentlichen aus einem Stahl-Fachwerk, das aus Stäben und Knoten zusammengesetzt ist.
Die Tragstruktur wird häufig aus vier Fachwerkscheiben gebildet. Vier solcher Fachwerkscheiben werden zu einer länglichen Tragstruktur (Länge z.B. 24 m und länger) mit quadratischem Querschnitt zusammengebaut, so dass ein im Wesentlichen quaderförmiger Fachwerkkörper entsteht, dessen Länge um ein Vielfaches länger ist als dessen Breite oder Höhe.
Die Länge der Parabolrinnenkollektoren im Stand der Technik ergibt sich aus den maximalen Abmessungen wichtiger Komponenten, wie z.B. die Spiegelfläche und der Absorberrohre. Dies sind die Komponenten mit den höchsten spezifischen Kosten, die aus Kosten- und Effizienzgründen so groß wie möglich sein sollen. Den sich daraus ergebenden Hauptabmessungen der Parabolrinnekollektoren werden die Tragstrukturen angepasst.
Die Tragstruktur mitsamt der Spiegelfläche und dem Absorberrohr müssen nach einer Teilfertigung zu einem geeigneten Standort transportiert werden. Wegen der großen Abmessungen des Parabolrinnenkollektors, insbesondere der Tragstruktur, entstehen beim Transport von der Werkstatt zu dem Aufstellungsort erhebliche Kosten.
Um die Transportkosten zu verringern, ist es möglich, die Fachwerkscheiben aus mehreren Segmenten aufzubauen, wobei die Segmente in der Produktionsstätte vorgefertigt werden und danach auf die Baustelle transportiert werden. Anschließend werden die Segmente dann vor Ort an deren Stößen miteinander verbunden. Dabei empfiehlt es sich, die Fachwerksegmente so zu bemessen, dass sie mit zur Verfügung stehenden Transportmitteln zum gewählten Standort transportiert werden können.
Die Stöße konventioneller Fachwerksegmente weisen oft Kopfplatten, Flansche und Einbauteile auf und haben die Nachteile komplizierter Fertigung hoher Gewichte und beschränkte Möglichkeiten des Toleranzausgleichs. Dies erhöht die Herstellungskosten und erfordert eine anspruchsvolle Montage am Standort.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Tragstruktur des Parabolrinnenkollektors derart auszubilden, dass die fachwerkartig aufgebaute Tragstruktur einfach herzustellen ist, sicher und kostengünstig zu einem geeigneten Standort transportiert und dort schnell und kostengünstig unter Einhaltung der strengen Toleranzvorgaben fertig montiert werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass im Bereich eines Stoßes mindestens ein Zwischenstück vorgesehen ist, das ein erstes Fachwerksegment mit einem zweiten Fachwerksegment kraftschlüssig miteinander verbindet. Das mindestens eine Zwischenstück ist vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt aus Stahl, hergestellt.
Durch die Wahl der Länge des Zwischenstücks kann problemlos ein Toleranzausgleich in Längsrichtung der beiden zu verbindenden Fachwerksegmente realisiert werden, so dass ungewollte Spannungen in der Tragstruktur vermieden werden können. Darüber hinaus kann zusätzlich zur geeigneten Wahl der Länge des Zwischenstückes durch Wahl der Größe und Lage des Verbindungspunkts ein Toleranzausgleich in Breiten- und Höhenrichtung realisiert werden. Damit können ungewollte Spannungen, die zu ungewollten Verformungen führen können vermieden werden und damit geometrische Toleranzanforderungen an das Gesamttragwerk, die unmittelbar die optischen Eigenschaften der Spiegelfläche und damit den Wirkungsgrad des Parabolrinnenkollektors beeinflussen, gewährleistet werden. Darüber hinaus kann durch diesen Ausgleich gewährleistet werden, dass auch weitere angrenzende Bauteile ordnungsgemäß und ohne Verspannungen verbunden werden können.
Außerdem können durch den Toleranzausgleich der erfindungsgemäßen Zwischenstücke eventuelle herstellungsbedingten Maßabweichungen einfach und ohne Beeinträchtigung der Tragfähigkeit ausgeglichen werden. Dadurch werden größere Toleranzfelder möglich, was die Herstellungskosten der Segmente reduziert.
Weil durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Zwischenstücke das Verbinden von zwei Segmenten sehr einfach und prozesssicher erfolgt, können die Abmessungen der erfindungsgemäßen Fachwerksegmente an die Abmessungen von standardisierten Containern (Schiffscontainer) angepasst werden, ohne die Eigenschaften (z. B. Biege- und Torsionssteifigkeit) der Tragstruktur zu beeinträchtigen und ohne erhöhte kostspielige Toleranzanforderungen an die Segmente zu stellen. Die im Hinblick auf die Abmessungen von Standardcontainern optimierten Abmessungen tragen zu einer signifikanten Reduktion der Transportkosten bei.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Stäbe des ersten Fachwerksegments und/oder des zweiten zu verbindenden Fachwerksegments im Bereich des Stoßes einen rechteckigen Querschnitt (Flachstahl) oder einen einfach oder mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweisen. Solche Profile sind bevorzugt Handelsware und sind daher problemlos und kostengünstig verfügbar. Insbesondere die Stäbe mit abgewinkeltem Querschnitt weisen darüber hinaus eine große Biegesteifigkeit und Zugfestigkeit auf, was zum Verbinden der Tragstruktur besonders vorteilhaft ist.
Da die Zwischenstücke zum Verbinden vorzugsweise eben und flächig an den Stäben der Fachwerksegmente anliegen müssen, wird weiter vorgeschlagen, dass die Zwischenstücke einen rechteckigen Querschnitt (Flachstahl) oder einen einfach oder mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweisen. Die Zwischenstücke werden bevorzugt aus handelsüblichen Walzstahl-Profilen hergestellt, die sehr preisgünstig zu beziehen sind und in verschiedenen Querschnitten zur Verfügung stehen.
So kann z.B. der einfach oder mehrfach abgewinkelte Querschnitt eine gleichschenklige oder ungleichschenklige L-Form, └┐-Form, [-Form, U-Form, I-Form oder T-Form aufweisen, wobei es alle genanten Formen in verschiedenen genormten Abmessungen gibt. Die Stoßstelle zwischen den Fachwerksegmenten kann damit fertigungstechnisch optimiert werden, so dass ein einfacher und problemloser Zusammenbau sichergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Fachwerk weist zwischen dem ersten Fachwerksegment und dem zweiten Fachwerksegment im Bereich des mindestens einen Zwischenstücks keine Knoten auf. Knoten sind Verbindungen von mindestens zwei Stäben. Dort werden Kräfte von einem Stab in einen oder mehrere andere Stäbe umgeleitet, so dass die lokale Materialbeanspruchung hoch bzw. die dort herrschenden Spannungszustände komplex sind. Diese werden bei herkömmlichen segmentierten Fachwerkstrukturen durch die oben erwähnten Kopfplatten oder Flansche aufgenommen und abgeleitet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Segmente zwischen zwei Knoten miteinander zu verbinden, so dass es keine Überlagerung mit Rahmenstößen und Knoten der Segmente gibt. Zwischen zwei Knoten herrschen einfache Spannungszustände in den Stäben, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zwischenstücke einfach und sicher aufgenommen und auf einen Stab des verbundenen Segments übertragen werden können. Weil die Montage der Zischenstücke einfach ist, kann dies auch von weniger qualifizierten Arbeitern gemacht werden. Die Zwischenstücke und Stäbe der Fachwerksegmente werden kraftschlüssig miteinander verbunden.
Dabei werden die kraftschlüssigen Verbindungen durch Schließringbolzen, Schrauben und Muttern oder Nieten realisiert. Es ist zu berücksichtigen, dass das mindestens eine Zwischenstück sowie das erste Fachwerksegment und/oder das zweite Fachwerksegment Durchgangslöcher zur Aufnahme des Schließringbolzens, der Schraube oder des Niets aufweisen, und dass der Durchmesser der Durchgangslöcher größer als der Durchmesser des Schließringbolzens, der Schraube oder des Niets ist. Es können auch Langlöcher vorgesehen werden, um die Möglichkeiten des Längeausgleichs zu vergrößern. Alle genannten Verbindungsarten sind mit einfachen Mitteln vor Ort herstellbar. Alternativ kann die Verbindung auch mittels des bekannten Verfahrens des Durchsetzfügens realisiert werden.
Außerdem ist vorgesehen, dass der Bereich des mindestens einen Zwischenstücks nach dem Verbinden durch zusätzliche Stäbe versteifbar ist. Dies dient der Stabilität der kompletten, aus mehreren Fachwerksegmenten zusammengebauten, Tragstruktur. Dadurch wird eine Reduktion des Gesamtgewichts der Tragstruktur erreicht.
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Parabolrinnenkollektors nach dem Stand der Technik;
Figur 2 eine isometrische Darstellung eines Parabolrinnenkollektors;
Figur 3 eine erfindungsgemäße Tragstruktur umfassend zwei Segmente im Detail;
Figur 4 die vier Fachwerkscheiben der Tragstruktur aus Figur 3 in Explosionsdarstellung;
Figur 5 ein Standard-Container für den Transport der Tragstruktur;
Figur 6 ein Bereich eines Zwischenstücks zwischen zwei Fachwerksegmenten in einer Seitenansicht;
Figur 7 den Bereich aus Figur 6 in einer Ansicht schräg von oben;
Figur 8 ein Bereich zwischen zwei Stößen zweier Fachwerksegmente mit vier sichtbaren Zwischenstücken;
Figur 9 der Bereich von Figur 8 in einer um 180° gedrehten Ansicht; und
Figur 10 eine Schnittdarstellung F - F aus Figur 8.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Parabolrinnenkollektors 10. Der Parabolrinnenkollektor 10 umfasst im Wesentlichen eine einachsig parabolisch gekrümmte reflektierende Spiegelfläche 12. Die Spiegelfläche 12 besteht aus einem gekrümmten und mit einer aufgedampften Metallschicht versehenen Glasscheibe und fokussiert einfallende Sonnenstrahlen 14 auf eine sogenannte Brennlinie 16. Der Ort der Brennlinie 16 hängt von der Geometrie der Spiegelfläche 12 ab.
Entlang der Brennlinie 16 ist ein vakuumisoliertes Absorberrohr 18 an einer Halterung angeordnet. Das Absorberrohr 18 ist im Innern vorzugsweise mit einer selektiven Beschichtung 19 versehen.
Typischerweise konzentriert der Parabolrinnenkollektor 10 das einfallende Sonnenlicht um den Faktor 80 bis 100. Ein durch das Absorberrohr 18 gepumptes Wärmeträgermedium - in der Regel ein synthetisches Thermoöl (Heat Transportation Fluid, HTF) - wird durch die fokussierte Solarstrahlung bis auf ca. 400 °C erhitzt. Es sind auch andere Wärmeüberträgermedien bekannt und anwendbar, die Temperaturen von über 500°C zulassen.
Der so ausgebildete Parabolrinnenkollektor 10 wird mit samt Spiegelfläche 12 und Absorberrohr 18 einachsig, bevorzugt hydraulisch, der im Laufe des Tages wechselnden Position der Sonne nachgeführt. Dazu ist die Spiegelfläche 12 mit dem Absorberrohr 18 über ein Gelenk 17 drehbar gelagert.
Ein einzelnes Parabolrinnenkollektorsegment ist etwa 20 m bis 30 m lang. Durch Hintereinanderschalten von mehreren solcher Segmente können mehrere hundert Meter lange Stränge, so genannte Loops, geschaffen werden. Die Breite der Spiegelfläche 12 kann mehrere Meter (z.B. 4 m) betragen.
Das in den Absorberrohren 18 der Loops erhitzte Wärmeträgermedium wird gesammelt und zentral einem Dampferzeuger zugeführt, dem bspw. eine konventionelle Dampfturbine (Dampfeintritt ca. 370°C bei etwa 100 bar) mit einem Stromgenerator nachgeschaltet ist (nicht dargestellt).
Neben horizontal wirkenden Windbelastungen sind windinduzierte Torsionslasten, sowie eine gewisse zulässige Verformung bei der Auslegung und Herstellung einer geeigneten Tragstruktur unbedingt zu berücksichtigen. Insbesondere muss die Tragstruktur so torsionssteif ausgebildet sein, dass die Verformung der Spiegelfläche 12 sicher unterhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Spiegelflächen 12 brechen.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Parabolrinnenkollektors 10 mit einer erfindungsgemäßen Tragstruktur 20. Die Tragstruktur 20 ist als Stahl-Fachwerk ausgebildet. Die gekrümmte Spiegelfläche 12 des Parabolrinnenkollektors 10 ist an der torsionssteif ausgebildeten Tragstruktur 20 fixiert. Die Tragstruktur 20 besteht aus vier ähnlich ausgebildeten Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 und hat bevorzugt einen quadratischen Querschnitt (siehe Figur 3). Die Tragstruktur 20 ist durch Verbinden der Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 hergestellt, so dass ein im Wesentlichen quaderförmiger Fachwerkkörper entsteht, dessen Länge um ein Vielfaches länger ist als dessen Breite oder Höhe. Die Tragstruktur 20 kann bspw. Abmessungen von etwa 1,9 m x 1,9 m und eine Länge von ca. 24 m und mehr aufweisen.
Bei bekannten Parabolrinnenkollektoren dürfen die Abmessungen aus logistischen Gründen nicht die Abmessungen von standardisierten Transportcontainern (z.B. ISO-Container) überschreiten. Durchaus verwendbar sind z.B. 40‘-Container, die Abmessungen von ca. 2,40 m x 2,60 m x 12,10 m aufweisen. Solche Container können weltweit auf der Straße, auf Schienen, auf dem Wasser oder in der Luft transportiert werden.
Da die Parabolrinnenkollektoren größer als diese Container sind, werden zumindest die Tragstruktur 20 und die Spiegelfläche 12 in Segmenten angeliefert und vor Ort zusammengesetzt. Aus wirtschaftlichen Gründen soll das Volumen der Standard-Container bestmöglich ausgenutzt werden.
Die Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Tragstruktur 20 aus Figur 2, die beispielhaft in zwei Fachwerksegmente 25' und 25'' unterteilt ist. Die Tragstruktur 20 kann auch aus mehr als zwei Segmenten 25 zusammengesetzt sein.
Figur 4 zeigt die einzelnen Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 im Detail. Die Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 sind in an sich bekannter Weise aus Stäben 22 und Knoten 23 zusammengefügt. Die Stäbe 22 sind vorzugsweise aus Winkel- oder Profileisen hergestellt, die an den Knoten 23 miteinander verbunden, bevorzugt verschweißt, sind.
Zusätzlich können Gurte 24 vorgesehen sein (siehe Figur 3). Die jeweiligen Bezugszeichen sind nur vereinzelt und beispielhaft in Figur 3 und 4 den entsprechenden Elementen zugeordnet.
Die in Figur 4 dargestellten Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 werden jeweils zu einem Fachwerksegment 25' und 25'' zusammengebaut (siehe Figur 3). Anschließend werden die Fachwerksegmente 25' und 25'' durch mindestens ein Zwischenstück 26 miteinander verbunden und damit die Tragstruktur 20 hergestellt wird. Das Zwischenstück 26 ist vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt aus Stahl, hergestellt.
Das Fachwerksegment 25' oder 25'' kann bspw. jeweils mit Abmessungen von etwa 1,9 m x 1,9 m und einer Länge von ca. 12 m hergestellt werden, wobei durch diese Abmessungen ein 40'-Container 30 zum Transport optimal ausgenutzt wird. Figur 5 zeigt beispielhaft einen Container 30, der vollständig mit erfindungsgemäßen Segmenten 25 gefüllt ist. Weil die Abmessungen der Segmente 25 auf die Innenmaße des Containers 30 abgestimmt sind, können sie im Container 30 nicht verrutschen und müssen daher fast nicht gesichert werden. Dies reduziert die Transportkosten weiter.
Die folgenden Figuren 6 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele zur Ausgestaltung des Bereichs der Stöße 28 beim Verbinden zweier Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 mit Hilfe des mindestens einen Zwischenstücks 26.
Bei der erfindungsgemäßen Tragstruktur 20 weisen die freien Enden der Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 an den sog. Stößen 28, insbesondere dort, wo eine Verbindung mit einem weiteren Fachwerksegment vorgesehen ist, vorzugsweise einfache oder mehrfach abgewinkelte Querschnitte auf (siehe Figur 4). Die Querschnitte können bspw. eine gleichschenklige oder ungleichschenklige L-Form, └┐-Form, [-Form, U-Form, I-Form oder T-Form aufweisen. Auch ein Flachstahl mit rechteckigem Querschnitt ist möglich.
Figur 6 zeigt einen Bereich zum Verbinden der Fachwerksegmente 25' und 25'' in einer Seitenansicht. Figur 7 zeigt den gleichen Bereich in einer Ansicht schräg von oben. Die Verbindung soll kraftschlüssig erfolgen.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen den Bereich der Zwischenstücke 26 im Detail, wobei Figur 9 den gleichen Bereich wie Figur 8 zeigt, lediglich um 180° gedreht. Figur 10 zeigt einen Schnitt F - F aus Figur 8.
Exemplarisch wird die Verbindung an jeweils zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten Fachwerkscheiben z.B. 21.1 und 21.2 erläutert. Die beiden Fachwerkscheiben 21.1 sind vertikal angeordnet, die beiden Fachwerkscheiben 21.2 sind horizontal angeordnet. Alle Fachwerkscheiben 21.1 bis 21.4 der Fachwerksegmente 25' und 25'' werden prinzipiell nach dem gleichen Verfahren miteinender verbunden.
Die Verbindung erfolgt jeweils durch mindestens ein Zwischenstück 26, das mit den Stäben 22 an den freien Enden der Fachwerkscheiben 21.1 und 21.2, d.h. an den Stößen 28, zusammenwirkt. Die Fachwerkscheiben 21.1 der Fachwerksegmente 25' und 25'' werden durch das Zwischenstück 26.1 und die Fachwerkscheiben 21.2 der Fachwerksegmente 25' und 25'' durch das Zwischenstück 26.2 miteinander verbunden.
Die Stäbe 22 der Segmente 25 weisen L-förmige bzw. T-förmige Querschnitte auf (siehe insbesondere Figur 10). Es sind einfache oder mehrfach abgewinkelte Querschnitte möglich. Die Querschnitte können bspw. eine gleichschenklige oder ungleichschenklige L-Form, └┐-Form, [-Form, U-Form, I-Form oder T-Form aufweisen. Auch ein Flachstahl mit rechteckigem Querschnitt ist zum Verbinden möglich.
Die Zwischenstücke 26. 1 und 26.2 sind bevorzugt an die Form bzw. den Querschnitt der Stäbe 22 so angepasst, dass sie flächig auf den Stäben 22 anliegen. Daher haben die Zwischenstücke 26 häufig auch L-förmige Querschnitte (siehe insbesondere Figur 10). Bei Bedarf können auch mehrere, auch anders geartete, Zwischenstücke 26 zum Verbinden zweier Segmente 25 verwendet werden (nicht dargestellt).
Zum kraftschlüssigen Verbinden der Fachwerksegmente 25' und 25'' weist das mindestens eine Zwischenstück 26 sowie das erste Fachwerksegment 25' und das zweite Fachwerksegment 25'' jeweils im Bereich der Stöße 28 Durchgangslöcher 28 zur Aufnahme bspw. eines Schließringbolzens 32, einer Schraube oder eines Niets auf. Der Durchmesser der Durchgangslöcher muss dabei etwas größer als der Durchmesser des Schließringbolzens 32, der Schraube oder des Niets sein.
Alternativ kann die Verbindung auch mittels des bekannten Verfahrens des Durchsetzfügens realisiert werden.
Wie die Figuren 6 und 7 zeigen, sind zwischen dem ersten Fachwerksegment 25' und dem zweiten Fachwerksegment 25'' im Bereich des mindestens einen Zwischenstücks 26 keine Knoten 23 angeordnet.
Durch die Wahl der Länge des jeweils verwendeten Zwischenstücks 26 kann problemlos ein Toleranzausgleich in Längsrichtung der beiden Fachwerksegmente 25' und 25'' realisiert werden. Vor Ort kann ein Monteur aus einem Satz unterschiedlich langer Zwischenstücke 26 die geeigneten auswählen, so dass die Länge der fertig montierten Tragstruktur innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden kann, selbst wenn die Länge der Segmente 25 unterschiedlich ist.
Abschließend kann die Verbindungsstelle durch Einsetzen zusätzlicher Stäbe 34 versteift werden, was die Stabilität der gesamten Tragstruktur 20 erhöht. Die zusätzlichen Stäbe 34 können wie die Zwischenstücke 26 an entsprechend ausgebildeten freien Enden der Fachwerkscheiben 21.1 und 21.2 verbunden werden (siehe Bezugszeichen 36).
Aus den Figuren 8 bis 10 ist ersichtlich, dass zum sicheren und stabilen Verbinden des ersten Fachwerksegments 25' mit dem zweiten Fachwerksegment 25'' vorzugsweise jeweils beidseitig Zwischenstücke 26.1 und 26.1', sowie 26.2 und 26.2' an die Stöße 28 der Stäbe 22 angeordnet werden.
Die Ausbildung der Stöße 28 und der Zwischenstücke 26 dienen einer Umsetzung der optimierten Segmentierung der Tragstruktur 20, um den Transport einer langen Tragstruktur 20 zu verbessern. Folgende Eigenschaften zeichnet das erfindungsgemäße Fachwerk aus:
  • Ein Toleranzausgleich in Längsrichtung zwischen den Fachwerksegmenten 25' und 25'' ist möglich;
  • Ein Einbau von Zwischenstücken 26 variabler Länge zur Anpassung und Optimierung der Fachwerksegmente 25' und 25'' an z.B. standardisierte Containerabmessungen ist möglich;
  • Eine Stoßstelle ist fertigungstechnisch optimiert (keine Überlagerung mit anderen Rahmenstößen und Verbindungsknoten 23.
  • Eine Minimierung der Stahlmassen und Verbindungsmittel und eine damit verbundene Gewichtsreduzierung wird ermöglicht.

Claims (11)

  1. Fachwerk umfassend eine Vielzahl von Stäben (22) und Knoten (23), wobei aus dem Fachwerk ein erstes Fachwerksegment (25') und mindestens ein zweites Fachwerksegment (25'') hergestellt ist, wobei das erste Fachwerksegment (25') und das zweite Fachwerksegment (25'') an einem Stoß (28) miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (22) der zu verbindenden Fachwerksegmente (25', 25'') über einen Knoten (23) hinausragen, so dass der Stoß (28) zwischen zwei Knoten (23) angeordnet ist, dass im Bereich des Stoßes (28) mindestens ein Zwischenstück (26) vorgesehen ist, und dass das mindestens eine Zwischenstück (26) zwei Stäbe (22) von zwei zu verbindenden Fachwerksegmenten (25', 25'') kraftschlüssig miteinander verbindet.
  2. Fachwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (22) des ersten Fachwerksegments (25') und/oder des zweiten Fachwerksegments (25'') im Bereich des Stoßes (28) einen rechteckigen Querschnitt oder einen einfach oder mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweisen.
  3. Fachwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstücke (26) einen rechteckigen Querschnitt oder einen einfach oder mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweisen.
  4. Fachwerk nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einfach oder mehrfach abgewinkelte Querschnitt eine gleichschenklige oder ungleichschenklige L-Form, └┐-Form, [-Form, U-Form, I-Form oder T-Form aufweist.
  5. Fachwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Fachwerksegment (25') und dem zweiten Fachwerksegment (25'') im Bereich des mindestens einen Zwischenstücks (26) keine Knoten (23) angeordnet sind.
  6. Fachwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zwischenstück (26) mit dem erstem Fachwerksegment (25') oder dem zweiten Fachwerksegment (25'') mittels Schließringbolzen (32), Schrauben oder Niete verbunden ist bzw. mittels dem Verfahren des Durchsetzfügens durchzuführen.
  7. Fachwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zwischenstück (26) sowie das erste Fachwerksegment (25') und/oder das zweite Fachwerksegment (25'') Durchgangslöcher zur Aufnahme eines Schließringbolzens (32), einer Schraube oder eines Niets aufweisen, und dass der Durchmesser der Durchgangslöcher größer als der Durchmesser des Schließringbolzens (32), der Schraube oder des Niets ist.
  8. Fachwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zwischenstück (26) mit dem erstem Fachwerksegment (25') oder dem zweiten Fachwerksegment (25'') mittels Durchsetzfügens verbunden ist.
  9. Fachwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des mindestens einen Zwischenstücks (26) nach dem Verbinden durch zusätzliche Stäbe (34) versteifbar ist.
  10. Tragstruktur (20) zum Befestigen einer Spiegelfläche eines Parabolrinnenkollektors (10), wobei die Tragstruktur (20) mehrere vorgefertigte Fachwerkscheiben (21.1, 21.2, 21.3, 21.4) umfasst, wobei jede Fachwerkscheibe (21.1, 21.2, 21.3, 21.4) aus einem Fachwerk aus Stäben (22) und Knoten (23) hergestellt ist, wobei die Tragstruktur (20) durch Verbinden mehrerer Fachwerkscheiben (21.1, 21.2, 21.3, 21.4) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (20) aus mehreren Fachwerksegmenten (25', 25'') zusammengesetzt ist, dass die Fachwerksegmente (25', 25'') in einem standardisierten Container (30) transportierbar sind und Stöße (28) der Fachwerksegmente (25', 25'') derart ausgebildet sind, dass die einzelnen Fachwerksegmente (25', 25''9 anschließend kraftschlüssig miteinander verbindbar sind.
  11. Tragstruktur (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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