DE3029864A1

DE3029864A1 - Anlage zur konzentrierung solarer strahlungsenergie

Info

Publication number: DE3029864A1
Application number: DE19803029864
Authority: DE
Inventors: Günther Dr.-Ing. 8021 Taufkirchen Schmidt; Dietrich Dipl.-Ing. 8011 Aschheim Thelemann; Josef Dipl.-Ing. 8011 Höhenkirchen Weichselgartner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-08-07
Filing date: 1980-08-07
Publication date: 1982-03-11
Also published as: ES504553A0; IT8123281A0; FR2488378A1; GR74630B; FR2488378B3; ES8206819A1; IT1137762B

Description

Anlage zur Konzentrierung solarer Strahlungsenergie

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Konzentrierung solarer Strahlungsenergie, mit einem einen Lichtschacht und einen darunter angeordneten Strahlungsempfänger aufweisenden Turm, einer Vielzahl von um diesen herum angeordneten, die auftreffende solare Strahlung konzentrierenden Primärreflektoren sowie einer oberhalb des Lichtschachtes angebrachten, sekundären Reflektoreinrichtung.

Eine derartige Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie ist aus der DE-OS 28 01 674 bekannt. Bei dieser ist auf einem Gebäudedach eine Anzahl von als Fritr.ärreflektoren dienenden Heliostaten, in deren Mitte sich ein Turm befindet, angeordnet. Der untere Teil des Turmes wird von einem senkrechten, zylindrischen Lichtschacht gebildet, auf den in axialer Verlängerung ein Gerüst aufgesetzt ist, das an seinem oberen Ende einen von unten gesehen konkav gewölbten Spiegel trägt. Die einzelnen Heliostaten sind je nach Sonnenstand so gerichtet, daß sie das auftreffende Sonnenlicht in Richtung auf den am oberen Turmende angebrachten konkaven Spiegel umlenken. Die Brennweiten der Heliostaten sind dabei so abgestimmt, daß ihre Brennpunkte bei entsprechender Orientierung mit dem Brennpunkt des konkaven Spiegels, der als sekundäre Reflektoreinrichtung dient, zusammenfallen. Die einfallende Strahlungsenergie wird von diesem einzigen Sekundärreflektor senkrecht nach unten durch den Lichtschacht hindurch zum Strahlungsempfänger hin reflektiert. Der Lichtschacht kann innenseitig verspiegelt sein , um etwa schräg einfallende Strahlen weiter zu reflektieren.

Diese bekannte Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie weist gewisse Nachteile auf. So ist die Anzahl der einsetsbaren Heliostaten und damit die aufgenommene Strahlungsleistung relativ klein. Die vorgegebene geometrische Form des einsigen Sekundärreflektors bringt es mit sich, daß nur die Strahlung relativ dicht am Turm angeordneter Heliostate in den Lichtschacht hineinreflektiert werden kann. Die von weiter entfernt angeordneten Heliostaten kommende Strahlung kann nur noch zum Teil erfaßt werden, da sie bereits in den Randbereich des einsigen Sekundärreflektors fällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_? unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Anlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die den Einsatz eines möglichst ausgedehnten Feldes von Primärrerlektoren (Heliostaten) erlaubt und somit eine möglichst große Strahlungsleistung aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die sekundäre Reflektoreinrichtung eine Anzahl einzelner, gewölkter Sekundärreflektoren aufweist, die Vielzahl von Pritnärreflektoren in Gruppen unterteilt und jede Gruppe jeweils einem der SekundärrefieKtoren in der Wexse zugeordnet ist, daß die von den einzelnen Primär— rerlektoren einer jeden Gruppe erzeugten Sonnenbilder von den jeweiligen Sekundärreflektoren etwa in die Ebene der oberen Öffnung des Lichrschachtes abgebildet werden.

An die Stelle einer einzigen, eine gescnlossene geometrische Fläche bildenden sekundären Reflektoreinrichtuna

tritt nun eine Anzahl einzelner, gewölbter Sekundärreo-leJctoren. Jeder dieser Sekundärreflektoren ist aur eine ihm zugeordnete Gruppe von Primärreflejctoren hin orientiert. Jeder Primärref lejctor kann auf optimale V/eise auf seinen zugeordneten Sekundärreflektor eingestellt werden, wobei die Brennweite in Abhängigkeit vom Abstand jeweils so gewählt wird, daß die Sonnenscheibe etwa in die Ebene der oberen öffnung des Lichtschachtes abgebildet wird. Dies läßt sich exakt jeweils nur für den ecwa in der Mitte einer Gruppe angeordneten Primärreirlektor erreichen, wobei die ürte der von den übrigen Primärreflektoren einer Gruppe unrer Zwischenschaltung des zugencrigen Sekunoärrefleictors entworfenen Sonnenbilder jeweils ecv/as ooer- bzw. unterhalb der genannten Ebene liegen. Mit Hilre der erfindungsgemäßen Anordnung und Strahlernünruny gelingt es, die gesamte eingespiegeite Strahlungsenergie auf eine möglichst kleine Fläche zu konzentrieren und den, vorzugsweise kreisrörmigen Querschnitt der oberen Öffnung des Lichtschachtes möglichst eng auszuführen. Es ist ohne weiteres möglich, ein sehr großes r'eld von PrimärrefleJcroren (Heliostatenfela) einzusetzen, da jedem der aus der Unterteilung sich ergebenden Gruppen von PrimärretleJctoren ein optimal ausgerichteter SekundärrefleKtor zugeordnet werden kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Sekundärreflektoren auf einer schalenförmigen, bezüglich des Lichtschachtes konvexen Tragestruktur derart zu montieren, daß den weiter zum Rand der schalen— förrnigen Tragestruktur hin montierten Sekundärreflektoren die weiter vom Turm entfernten Gruppen von PrimärretleJctoren zugeordnet sind.

Eine derartige Anordnung ist am besten an ein Rundum— feld von Primärreflektoran angepaßt. Die Sekundärreflektoren sind dabei auf kreisförmigen Umfangslinien der Schalenstruktur aneinandergereiht, wobei die Reflektordurchmesser von der Mitte zum Rand hin zunehmen. Dies hängt damit zusammen, daß die weiter am Rand der Schalenstruktur montierten Sekundärreflektoren den im Primärreflektorenfeld weiter entfernt gelegenen Gruppen zugeordnet sind, deren Reflektoren größere Brennweiten aufweisen und damit größere Sonnenbilder erzeugen.

Sowohl die Primär- als auch die Sekundärreflektoren sind zweckmäßig sphärisch gewölbt, da diese Form am einfachsten herstellbar ist. Theoretisch sollten die Sekundärreflektoren die Form von Rotationsparaboloid-Segmenten haben, sie können jedoch innerhalb der zulässigen Grenzen durch Kugelsegmente angenähert werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anlage mit Strahlengang;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Sekundärreflektoren;

Fig. 3 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines in Gruppen von Primärreflektoren unterteilten Heliostatenfeldes.

Figur 1 zeigt einen Turm 1 mit auf ein Gerüst 3 aufgesetzter Tragestruktur 2 für (nicht dargestellte) Sekundärreflektoren. Innerhalb des Turmes befindet sich ein konisch geformter, innenseitig verspiegelter Lichtschacht 4 sowie ein darunter angeordneter Strahlungsempfänger 5, der eine die Strahlung stark absorbierende innere Oberfläche besitzt. Der Turm 1 ist von einer Vielzahl von Primärreflektoren (Heliostaten) umgeben, von denen in der Fig. 1 nur zwei dargestellt sind, nämlich die Heliostaten 6 und 7. Dargestellt ist weiterhin ein Strahlengang, der auf die von einem Punkt der Sonnenoberfläche parallel einfallenden Randstreifen der Helios taten 6 und 7 bezogen ist. Die einfallenden parallelen Strahlen werden von den sphärisch gekrümmten-Oberflächen der Heliostaten zunächst in deren Brennflächen konzentriert. Da die von gegenüberliegenden Punkten der Sonnenscheibe kommenden Strahlen unter deutlich verschiedenen Winkeln einfallen, entstehen in den Brennflächen der Primärreflektoren Sonnenbilder, von denen die an der Tragestruktur 2 angebrachten (nicht dargestellten) Sekundärreflektoren wiederum Bilder etwa in der Ebene der oberen Öffnung 9 des Turmes 1 erzeugen.' Der Strahlengang, verläuft dann weiter innerhalb des Lichtschachtes 4, wobei um so mehr Reflektionen an dessen verspiegelter Innenseite stattfinden, je weiter die entsprechenden Heliostaten vom Turm entfernt sind. Der Strahlungsempfänger 5 ist mit üblichen Vorrichtungen zur Wärmeabführung versehen. Dabei kann es sich beispielsweise um mit der absorbierenden Oberfläche gut wärmeleitend verbundene, von einer Flüssigkeit durchströmte Rohre handeln. Die Flüssigkeit kann verdampft und der Dampf einer mit einem Generator verbundenen Turbine zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, die erhitzte Flüssigkeit in einem gut isolier-

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ten Speicher aufzubewahren, um die Wanne anderweitig

In Fig. 2 ist eine schalenförmige Tragestruktur 2 schematisch dargestellt. An dieser Tragestruktur sind auf kreisförmigen Umfangslinien Io sphärisch gewölbte Sekundärreflektoren 3 angebracht. Diese erscheinen in perspektivischer Verkürzung als Ellipsen, haben jedoch die Form kreisförmiger Kugelsegmente mit von der Mitte der Tragestruktur zu deren Rand hin zunehmendem Durchmesser. Von den am Umfang der Tragestruktur gleichmäßig angeordneten Sekundärreflektoren sind der Einfachheit halber nur einige dargestallt. Die Sekundärreflektoren können einzeln jeweils auf eine zugeordnete Gruppe von Heliostaten einjustiert werden. Ihre Orientierung hängt also von der Anordnung der Primärrefiektoren (Heliostaten) und der Art der Unterteilung des Heliostatenfeldes in Gruppen ab. Bei einmal gewählter Feldanordnung bleibt die Justierung der Sekundärreflektoren im Prinzip konstant. Für die PrxmärrefleKtoren ist hingegen ein Kachführ system erfcrdsrlichj um der tages- und jahreszeitlich veränderlicnen Sonnenposition Rechnung zu tragen.

Figur 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Heliostatenfeld. Die Einzelheliostaten 6 sind zu Gruppen 11, 12, Ί3 und i4 zusammengefaßt, die um einen Turm herum angeordnet sind. Dieser Turm ist durch eine kreisförmige Umfangslinie iO seiner Tragestruktur 2 repräsentiert. Dargestellt sind vier auf dieser Umrangslinie IC angebrachte Sekundärreflektoren S, 8·, S'' und S¹'', denen jeweils die Heliostatengruppen 12, 12', 12'', bzw. 12"' zucreordnet sind. Die Sekxmclärreflektoren und

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die ihnen zugeordneten Heliostatengruppen liegen jeweils in derselben radialen Richtung. Damit ergibt sich ein möglichst günstiger Einfallswinkel der Strahlung aut die Sekunaärreflektcren, deren Spiegelfläche somit optimal ausgenutzt wird. Sc kann die größtmögliche Anzahl von SekundärrefieKtoren am ümrang der Tragestruktur un-cergeoracht werden. Außer der dargestellten Umfangslinie 10, an der sich selbstverständlich menr als die vier dargestellten SekundärrefieKtoren 8 bis 8'¹¹ aneinanderreihen, wurden sicn bei dreidimensionaler Darstellung unter- una obernalb der Zeichenebene weitere Konzentrische ümfangsiinien ergeoen. So befindet sich unterhalb der Zeichenecene eine kreisförmige ümtangsiinie geringeren Durcnmessers mit SeJcundärreflekroren, denen die HeIHo statengruppen 11 zugeordnet sind. Oberhalb der Umrangslinie lO befinden sich zwei v/eitere kreisförmige Umrangslinien größeren Durchmessers mit SeKundärrefieKtoren, denen die Heliostatengruppen i3 und i4 sageordnet sind. Mit zunehmendem Durchmesser der Umfangsiinien steigt die Anzahl der an ihnen aurgereihten SeKundärreflektoren, bei gleichzeitig abnehmendem Wirucelabstand. Die mit j.1, 12, i3 und 14 bezeichneten Heliostatengruppen sind in Mord-Süd-Richtung orientiert.

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L eerserte

Claims

Patentansprüche

Anlage zur Konzentrierung solarer Strahlungsenergie, mit einem einen Lichtschacht und einen darunter angeordneten Strahlungsempfänger aufweisenden Turm, einer Vielzahl von um diesen herum angeordneten, die auftreffende solare Strahlung konzentrierenden Primärreflektoren sowie einer oberhalb des Lichtschachtes angebrachten, sekundären Reflektoreinrichtung, dadurch

g e k e η η

e i c h η e t

daß die sekundäre Re

flektoreinrichtung eine Anzahl einzelner, gewölbter Sekundärreflektoren aufweist, die Vielzahl von Primärreflektoren in Gruppen unterteilt und jede Gruppe jeweils einem der Sekundärreflektoren in der V/eise

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zugeordnet ist, daß die von den einzelnen Primärreflektoren einer jeden Gruppe erzeugten Sonnenbilder von den jeweiligen Sekundärreflektoren etwa in die Ebene der oberen Öffnung des Lichtschachtes abgebildet werden.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärreflektoren auf einer schalenförmigen, bezüglich des Lichtschachtes konvexen Tragestruktur derart montiert sind, daß den weiter zum Rand der schalenförmigen Tragestruktur hin montierten Sekundärreflektoren die weiter vom Turm entfernten Gruppen von Primärreflektoren zugeordnet sind.