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Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Solarkraftanlage mit einem Spiegel zur Sonnenlichtbündelung für die Solarkraftanlage, aufweisend eine Mehrzahl Segmente zum Formen einer einfallendes Solarlicht zu einem Fokus reflektierenden Oberfläche, insbesondere zum Betreiben der Solarkraftanlage mit einem Spiegel wie zu einem der ersten vier As- pekte der Erfindung und/oder gemäß einem Verfahren nach dem fünften vorliegenden Aspekt der Erfindung beschrieben, wobei sich das Verfahren dadurch kennzeichnet, dass die Segmente mittels fluktuierender Druckluft in eine Vibration versetzt werden, um ihre Oberfläche zu reinigen.
According to a sixth aspect of the present invention the object is met by a method for operating a solar power plant with a reflector for the concentration of sunlight for the solar power plant, comprising a plurality of segments for the formation of a surface that reflects incoming sunlight to a focal point, in particular for the operation of a solar power plant with a reflector according to one of the first four discussed aspects of the invention and/or according to a method according to the fifth aspect of the invention, in which the method is characterised in that the segments are subjected to fluctuating air pressure and thus are made to vibrate in order to clean their surfaces.
Die Amplitude, die die Segmente mittels der fluktuierenden Druckluft in die Oberfläche annehmen, ist dabei nicht vornehmlich entscheidend.
The amplitude that the segments assume at the surface due to the fluctuating air pressure is not especially significant.
Vielmehr kann die Vibration dazu genutzt werden, beispielsweise Schnee oder Staub abzuschütteln.
Rather, the vibration can be utilised to shake off snow or dust, for example.
Nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung löst die gestellte Aufgabe eine Solarkraftanlage mit einem Spiegel zur Sonnenlichtbündelung, wobei der Spiegel auf einem raumfachwerkartigen Spiegelträger einfallendes Solarlicht zu einem Fokus reflektierend befestigt ist und der Spiegelträger mit einer bevorzugt motorisierten Tages- nachführung ausgerüstet ist, wobei die Tagesnachführung dazu eingerichtet ist, den Spiegelträger um eine Drehachse zu drehen und dadurch der sich verändernden Einfallrichtung der Sonne nachzuführen, wobei sich die Solarkraftanlage dadurch kennzeich- net, dass die Drehachse bei einem Aufbau der Solarkraftanlage auf der nördlichen Erdhalbkugel zum Polarstern ausgerichtet ist und die Tagesnachführung dazu eingerichtet ist, den Spiegel bei einer Motorisierung mit einer Winkelgeschwindigkeit von 15 °/min um die Drehachse zu drehen, dabei aber den Fokus und einen im Fokus angeordneten Receiver ortsfest zu belassen.
According to a seventh aspect of the present invention the object is met by a solar power plant with a reflector for the concentration of sunlight, in which the reflector is mounted on a framework structure-like reflector support and reflects incoming sunlight to a focus, and where the reflector support is fitted with a preferably motorised daily tracking system, in which the daily tracking system is designed to rotate the reflector support around a swivel axis and thus follow the changing angle of the incoming sun rays, where the solar power station is characterised in that the swivel axis is aligned with the polar star if the solar power station is installed in the northern hemisphere, and the daily tracking system is set, if motorised, to rotate the reflector around the swivel axis with an angular velocity of 15'/min, but retain the focus and a receiver located at the focus in the same position.
Bevorzugt ist zusätzlich eine Saisonnachführung vorgesehen, die hier dazu eingerichtet ist, den Spiegel über mindestens 15 °, bevorzugt mindestens 20 °, insbesondere über etwa 23,5 ° um eine Kippachse zu kippen, wobei die Kippachse horizontal durch die Mitte des Drehkranzes verläuft.
In addition a seasonal tracking system is preferably provided, which is set to tilt the reflector around a tilt axis by at least 150, preferably at least 20', in particular approximately 23.5', in which the tilt axis extends horizontally through the centre of the turntable.
Eine solche Solarkraftanlage ist vor allem dann von Vorteil, wenn der Spiegelträger dazu verwendet wird, die Nachführmechanik zu bewirken, während der Spiegelträger einen möglichst leichten Spiegel tragen kann, beispielsweise einen kissenartigen, aufgeblasenen Spiegel.
A solar power plant of this kind is of particular advantage if the reflector support is utilised for the tracking mechanics, and the reflector support carries a 11 reflector that is as light-weight as possible, for example a cushion-like, inflatable reflector.
Vor allem kommen Spiegel gemäß den vorstehend vorgestellten ers- ten vier Aspekten der Erfindung in Betracht, und/oder Spiegel, bei welchen die Verfahren gemäß dem fünften oder sechsten Aspekt der Erfindung eingesetzt sind.
Under consideration are mainly reflectors according to the previously described first four aspects of the invention, and/or reflectors in which the methods according to the fifth or the sixth aspect of the invention are applied.
Nach einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung löst die gestellte Aufgabe eine Solarkraftanlage mit einem Spiegel zu Sonnenlichtbündelung, wobei die Spiegel auf einem raumfachwerkartigen Spiegelträger einfallendes Solarlicht zu einem Fokus reflektierend befestigt ist und der Spiegelträger mit einer bevorzugten motorisierten Tagesnachführung ausgerichtet ist, wobei die Tagesnachführung dazu eingerichtet ist, den Spiegelträger um eine Drehachse zu drehen und dadurch der sich verändernden Einfallrichtung der Sonne nachzuführen, wobei sich die Solarkraftanlage dadurch kennzeichnet, dass eine Regelung vorgesehen ist, die einen Fokussensor, einen Controller und einen Verformungsmotor aufweist, wobei der Controller mit dem Fokussensor datenverbunden ist und mit dem Verformungsmotor wirkverbunden ist, wobei der Controller dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Solarkraftanlage den Fokus des gebündelten Sonnenlichts mittels einer Verformung mindestens eines Segments des Spiegels an einem Soll-Wert zu halten.
According to an eighth aspect of the present invention the object is met by a solar power plant with a reflector for the concentration of sunlight, in which the reflector is mounted on a framework structure-like reflector support and reflects incoming sunlight to a focus, and where the reflector support is fitted with a preferably motorised daily tracking system, in which the daily tracking system is designed to rotate the reflector support around a swivel axis and thus follow the changing angle of the incoming sun rays, where the solar power station is characterised in that a control system is provided that comprises a focus sensor, a controller and a shaping motor, in which the controller has a data connection with the focus sensor and an operational connection with the shaping motor, in which the controller is set, in operation, to hold the focus of the concentrated sunlight at a target value through the shaping of at least one segment of the reflector.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der„Soll-Wert" auch einen Toleranzbereich aufweisen kann, wobei der Toleranzbereich bevorzugt im Controller vorgegeben ist.
It should be noted especially that the "target value" may also have a tolerance range, where the tolerance range is preferably set in the controller.
Der„Verformungsmotor" muss dazu eingerichtet sein, mindestens ein Segment, bevorzugt alle Segmente, des Spiegels, sei es gemeinsam oder individuell regelbar, auf den designierten Fokus einzuregeln.
The "shaping motor" must be designed such that it is able to control at least one segment, preferably all segments, of the reflector, all together or individually, to the 12 designated focus.
So ist es beispielsweise denkbar, dass Luft aus einem kissenartigen Spiegelsegment langsam entweicht.
Thus it is conceivable that air slowly escapes from a cushion-like reflector segment.
Der Verformungsmotor wäre dann beispielsweise dazu in der Lage, über eine Pumpe weitere Luft in das Segment einzu- blasen und/oder das Segment an seinen Rändern ein- oder mehrachsig zu verstellen, im Idealfall um alle sechs räumlichen Freiheitsgrade.
For example, the shaping motor would be able, via a pump, to pump more air into the segment and/or to adjust the segment on its edges through one or more axes, in an ideal case through all six spatial degrees of freedom.
Die Segmente können dabei an ihren Kanten jeweils benachbart gekoppelt sein, sie können aber auch individuell frei verstellbar sein, also nur unverbunden benachbart zu- einander angeordnet sein.
Adjacent segments may be attached to each other along their edges, or they may be individually freely adjustable, that is, arranged adjacent to each other but not attached.
Die Erfindung wird nachstehend anhand weiterer Ausführungen zur Hintergrund bildenden Theorie sowie anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
The invention will now be explained in more detail by way of further description of the background theory underlying the invention, as well as non-limiting embodiments of the invention provided with reference to the drawings.
Die vorliegenden Ausfiihrungsformen beschreiben den Aufbau, die Funktionsweise sowie die wesentlichen Anwendungsgebiete eines extrem leichten exzentrischen (ortsfester Brennpunkt -„Fix-Fokus") quasi-Parabol-Sonnenlicht-Konzentrators.
The present embodiments describe the construction, the functionality as well as the major areas of application of an extremely light-weight, eccentric, fixed-focus, quasi-parabolic sunlight concentrator.
Die Re- flektoren bestehen hierbei aus durch Spezialprofile begrenzten Anordnungen von transparenten und reflektierenden Polymermembranen, deren Oberflächenform durch kontrollierten Luft-Über- oder Luft-Unterdruck ausgebildet wird.
The reflectors, bounded by special profiles, consist of arrangements of transparent and reflective polymer membranes whose surface shape is formed by air over or under pressure (vis a vis ambient pressure).
Die wesentlichen, zugrundeliegenden Ideen der Erfinder sind: a) Extrem niedriges Flächengewicht der entsprechenden Spiegel - daher geringer Energiebedarf zu ihrer Herstellung („Graue Energie") - schnelle energetische Amortisation b) Hohe Oberflächengüte (u. A. geringe Rauigkeit) der gespannten, verspiegelten Membrane c) Parabolähnliche Ausformung der Membrane in ihrem elastischen Dehnungsbe- reich durch gezielte Beaufschlagung mit Gas(-Luft)-Über- oder -Unterdruck.
The essential, underlying ideas of the inventors are:a) Extremely low weight per unit area of the corresponding reflectors - thus lower energy requirement for their production ("grey energy") quick energy-related amortisation. b) High surface quality (also minimal roughness) of the tensioned, reflective membrane. c) Parabola-like forming of the membrane within its elastic expansion range through targeted application of gas (air) over pressure or under-presure.
Der holländische Physiker H. Hencky formulierte 1913 in seiner Untersuchung„Über den Spannungszustand kreisrunder Platten mit verschwindender Biegesteifigkeit" die Formel zur Beschreibung der Gleichgewichtsform, welche dünne Folien, die in ihrer Peripherie kreisförmig und starr eingespannt sind, unter Luftdruckbeaufschlagung ein- nehmen: Wobei wrdie Auslenkung einer Membrane in der z-Achse darstellt.
In his study "Concerning the tensional state of circular sheets with reducing bending stiffness" the Dutch physicist H. Hencky formulated in 1913 the equation for describing the equilibrium shape, which thin films that are circular in their periphery and are securely clamped take on when air pressure is applied:wr r 2 4 (1). -O= 1 - 0,9 L)- 0,1(r Where Wr represents the displacement of a membrane in z axis.
Differenziert ergibt diese Gleichung: Für eine Parabel wird die Steigung der Oberfläche in Funktion des Radius durch eine lineare Funktion charakterisiert.
When differentiated, this equation results in:d wr 2 0,9 0,1 3 (2). dr wo a aa For a parabola the gradient of the surface as a function of the radius is characterised by a linear function.
Das zweite Glied in Gleichung (2). ist jedoch ein Term 3ter Ordnung, der zeigt, dass die„Hencky"-Membran im Randbereich steiler ist als eine Parabel (ähnlich der sphärischen Aberration eines sphärischen Spiegels).
The second term in equation (2) is, however, a third order term, which shows that the "Hencky" membrane is steeper than a parabola at the periphery (similar to the spherical aberration of a spherical mirror).
H. Kleinwächter errechnete die Spannungszustände (Längs- und Querspannungen) in einer solchen luftdruckverformten Membrane, und erkannte, dass eine ursprünglich pla- ne Membran in systematischer Weise anisotrop vorgespannt werden muss, damit sie nach definierter Druckbeaufschlagung eine exakt parabolische Form einnimmt.
H. Kleinwachter calculated the tensional states (longitudinal and transverse tensions) in such a membrane deformed by air pressure and recognised that an originally flat membrane has to be systematically and anisotropically pre-tensioned so that it assumes an exact parabolic shape after a given application of pressure.
Hierzu wird ein infinitesimal kleines Flächenelement einer Folie betrachtet, das unter dem Druck p verformt wird.
An infinitesimally small surface element of a film is now observed that is deformed by the pressure p.
Biegespannungen in der Folie sollen als vernachlässigbar klein angenommen werden, vgl. Figur 1 1. Für den Gleichgewichtsfall kann das Kräftegleichgewicht zwischen der durch den Druck verursachten Kraft FPund den durch die Rückhaltespannungen verursachten KräfteCTiund Fa2aufgestellt werden.
16 In the state of equilibrium the equilibrium of forces between the force Fp caused by the pressure and the forces F, and Foz caused by the retracting stresses can be established.
Anhand Fig. 1 können die Größen eingesetzt werden, wobei sich die dem Druck entgegengesetzten Spannungsanteile für kleine Winkel wie in Fig. 1 b) der Figur 1 1 dargestellt verhalten. p · p dax· p2d2= σ άχ■s■p2da2+ a da2· s■pxdx (4) Umstellen von Gleichung (4) führt zu Dazu wird vorausgesetzt, dass die unter Luftdruck verformte Folie die Form eines um die z-Achse rotierenden Paraboloids mit der Brennweite f annimmt. zW~4f * (6) Über die Berechnung der Hauptkrümmungen können, aufgrund der Rotationssymmetrie, die beiden Krümmungsradien des Paraboloides p\ (bzgl. der Breitenkreise) und pi (in Meridian-Richtung) in Abhängigkeit von nur der Größe x bestimmt werden (vgl Fi gur 1).
1 z(x) = -x 4f (6) Due to the rotational symmetry, and via the calculation of the principal curvatures, it is possible to determine both radii of curvature of the paraboloid pi (in relation to the parallels) and p2 (in meridian direction) in dependence on only the value x (compare Figure 12). p1=2f 1+ (7) 2f 17 P2 = 2f 1+ ( 2 212 (8) 2f The quotient of both radii of curvature to each other results then in P2 + (X)2 PI 2f (9).
Der Quotient beider Krümmungsradien zueinander ergibt dann Die Dehnung der Folie in einer Richtung im betrachteten Flächenelement addiert sich aus zwei Komponenten.
The expansion of the film in one direction in the surface element analysed is the result of two components.
Die erste Komponente ist die Dehnung, hervorgerufen durch die in dieser Richtung wirkende Spannung.
The first component is the expansion, which is caused by the tension acting in this direction.
Die zweite Komponente wird durch die Querkontraktion verursacht, welche aus der in der orthogonalen Richtung wirkenden Spannung resultiert.
The second component is caused by the transverse contraction, which results from the tension acting in the orthogonal direction.
1 v 1 v ε1= σ1- - σ2- bzw. ε2= σ2- - σ1- (1 E bezeichnet hierbei das Elastizitätsmodul des Folienmaterials und v dessen Poisson- zahl, welche das Querkontraktionsverhalten im Material bei Dehnung beschreibt.
E2 2 1 (10) E designates here the elastic modulus of the film material and v its Poisson's ratio, which describes the transverse contraction behaviour in the material when stretched.
Das Gleichungssystem aus (10) nach σ\ und σι aufgelöst, ergibt Ε(ε1+ νε2) σ = 1 - ν2(Π) bzw. Ε(ε2+ νε ) (12). σ2= 1 - ν2 Die Formeln (11) und (12) lassen sich nun in (5) einsetzen und man erhält Zusammenfassend für die vorhergehende Betrachtung kann gesagt werden, dass eine plane Folie unter Druckbeaufschlagung genau dann eine Paraboloidform annimmt, wenn die Folienspannungen in der beschriebenen Anisotropie realisiert werden.
U2 = 1 - v 2 The equations (11) and (12) are now applied to (5), resulting in 18 Ei -1 V + 8 ( E2 = (1 (81v2) (13).
Aus diesen Betrachtungen heraus entstand das Konzept des Fix-Fokus-Konzentrators.
This consideration resulted in the concept of the fixed focus concentrator.
Eine Anordnung einer Anzahl n identischer Foliensegmentspiegel (typisch trapezförmig) rotieren um die Polarachse mit kontinuierlichen 15 °/h und reflektieren das Sonnenlicht über die kleine Eintrittsapertur (Brennebene des Spiegels) in einen Hohlraum- empfänger.
The arrangement of a number n of identical film segment reflectors (typically trapeze shaped) rotate around the polar axis at a continuous 15'/h and reflect the sunlight via a small aperture (focal plane of the reflector) into a cavity receiver.
Die saisonale Anpassung (±23,5°) wird über eine zweite Achse, die durch die Aperturebene verläuft, vorgenommen (siehe Figur 1).
The seasonal adjustment (± 23.50) takes place via a second axis, which extends through the aperture plane (see Figure 13).
Es wurden verschiedene Prototypen mit Aperturflächen von 2 m2bis 20 m2realisiert.
Different prototypes with aperture areas ranging from 2 m 2 to 20 m 2 were built.
Mittlere Sonnenlichtkonzentrationen von deutlich über 1.000 Sonnen (mittlere Konzentration c > 1.000) wurden erreicht.
Average sunlight concentrations of significantly more than 1000 Suns (average concentration of c > 1000) were achieved.
Damit eröffnete sich die Möglichkeit des Einsatzes von Hohlraumreceivern und die effektive Erreichung von Prozesstemperaturen bis ca. 2000 °C. Der Hauptvorteil des Fix-Fokus-Konzeptes gegenüber klassischen Paraboloid- spiegeln (bei denen der Receiver der Sonnennachführbewegung folgen muss), liegt in der mechanischen Entkoppelung schwerer, stationärer Empfänger mit und ohne Spei- cherwirkung, von der sich bewegenden Leichtbauoptik.
The main advantage of the fixed focus concept over the classical paraboloid reflectors (where the receiver must follow the sun tracking movement) lies in the mechanical decoupling of heavy, stationary receivers with and without storage effect from the moving, light-weight optical system.
Verschiedene Anwendungsgebiete wurden mit den Prototypen demonstriert: ■Solares Kochen rund um die Uhr unter Verwendung von Stahl oder Sand als Speichermedium ■Betrieb eines thermochemischen, reversiblen Mg - MgH2Speichers zum Grundlastbetrieb eines Stirlingmotors ■ Themokatalytischer Receiver zur Spaltung von H2S in Hb und Schwefel ■Einkoppeln des Lichtes in stationäre Lichtleiter ■Metallurgie und Keramik Die Umsetzung exzentrischer Paraboloid-Segmente mit anisotroper Vorspannung in eine rationelle, ökonomisch realisierbare Serienproduktion gelang bisher aus den fol- genden Gründen jedoch nicht: 1. )
19 The prototypes were used to demonstrate various fields of application:* Solar cooking around the clock by using steel or sand as storage medium;* Operation of a thermo-chemical, reversible Mg - MgH2 storage for the base-load operation of a Stirling engine;* Thermo-catalytic receiver for splitting H2 S into H2 and sulphur;* Coupling of the light into stationary light conductors;e Metallurgy and ceramics.
Da die Vorspannungen nur im elastischen Bereich der Folienstreckung erfolgen dürfen, führen geringe Vorspannungskräfte zur Windempfindlichkeit der Spie- gelsegmente bezüglich Verformung der spiegelnden Membrane.
However, the conversion of the eccentric paraboloid segments with anisotropic pre-tensioning into an efficient, economically viable mass production has so far not been achieved for the following reasons:1) Complex and time-consuming mechanical pre-tensioning method;2) Creeping processes in the film, necessity for re adjustment;3) Since the pre-tensioning must only occur in the elastic range of the film extension, low pre tensioning forces cause sensitivity to wind forces in the reflector elements, causing deformation of the reflecting membrane.
Die Erfinder aus der vorliegenden Anmeldung habe es sich zur Aufgabe gestellt, einen exzentrischen Leichtbau Parabolspiegel zu entwickeln, der die Vorteile des im vorherigen Kapitel geschilderten Fix-Fokus-Spiegels beibehält und verbessert (Ortsfester Brennpunkt, geringes Gewicht, Spiegelformung durch Gas(-Luft)-Druck, aber dessen inhärente Schwächen (komplizierte anisotrope Vorspannung, Verschlechterung der Abbildung durch Fließen des Kunststoffes, zeitaufwendige und teure Herstellung) vermei- det.
The inventors of the present invention have made it their objective to develop a light-weight parabolic reflector that retains and improves the advantages of the fixed focus reflector described in the previous chapter (fixed, stationary focus, low weight, formation of reflector through gas/air pressure) but avoids its inherent weaknesses (complex anisotropic pre-tensioning, deterioration of the image due to flowing plastic, time consuming and expensive production).
Dazu waren zwei wesentliche über den bekannten Stand der Technik hinausgehende Entwicklungs- und Erkenntnisschritte nötig.
This required two significant development steps and insights that go beyond the prior art.
Als erstes entstand die Idee, die den Fix-Fokus-Spiegel bildenden nicht aus langen Streifen in Meridianrichtung, sondern aus langen Streifen in Rotationsrichtung aus dem Paraboloid zu gewinnen.
Firstly, the idea was conceived to form the fixed-focus reflector not from long strips in meridian direction, but from long strips in rotational direction of the paraboloid.
Die Fig. 1 gibt diesen Sachverhalt wieder.
Fig. 1 reflects this fact.
Dabei stellt (1) das Ursprungs- Rotationsparaboloid mit dem Fokus F, in dem sich alle senkrecht auf die Eintrittsebene des Paraboloids fallenden Lichtstrahlen vereinigen, dar.
Shown is the original paraboloid of rotation (1) with the focus F in which all light rays that arrive perpendicular to the entry plane are concentrated.
Es haften in der Regel, je nach Schrägstellung des Bogens gegenüber der Musiksaite 1, etwa zwischen 10 und 100 Bogenhaaren an der Musiksaite 1. Im Übergang von der Haftphase zur Gleitphase der Musiksaite 1 gegenüber dem Bogen kommt es zu einer Ablösung der Bogenhaare einzeln oder in Gruppen, wobei jedenfalls nicht sämtliche Bogenhaare im selben Moment von der Musiksaite 1 getrennt werden.
In the transition from the sticking phase to the slipping phase of the string of the musical instrument 1with respect to the bow, this results in a detachment of the bow hairs individually or in groups, where in each case not all the bow hairs are separated from the string of the musical instrument 1at the same moment.
Es konnte festgestellt werden, dass diese Übergangsphase hauptverantwortlich für die Entstehung und auch die Ausprägung des Bogengeräusches ist.
It could be established that this transition phase is mainly responsible for the formation and also the manifestation of the bow noise.
Selbiges gilt, wenn auch in geringerem Maß, für die Übergangsphase von der Gleitphase zur Haftphase.
The same applies, albeit to a lesser degree, for the transition phase from the slipping phase to the sticking phase.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit der äußersten bzw. außen liegenden Wickellage 6 einen großen Einfluss auf besagte Übergangsphasen hat.
Studies have shown that the thermal conductivity of the outermost or outer winding layer 6has a major influence on said transition phases.
Diese hat Einfluss auf die Geschwindigkeit mit welcher das Kolophonium aufschmilzt bzw. erstarrt.
This influences the speed at which the rosin melts or solidifies.