DE4413056C1

DE4413056C1 - Mehrkammer-Membran-Solarkonzentrator

Info

Publication number: DE4413056C1
Application number: DE4413056A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Leibfried
Original assignee: HTC SOLAR FORSCHUNGSCENTRUM GM
Current assignee: HTC SOLAR-FORSCHUNGS-CENTRUM GMBH, 58239 SCHWERTE,
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2014-04-16

Description

Bei der Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenenergie ist der solarthermische Weg heutzu tage die Technik, die von den Energieentstehungskosten her mit konventionellen Energiequellen am ehesten konkurrieren kann.

Notwendige Komponenten für ein solarthermisches Kraftwerk sind: ein Solarkonzentrator zur Erzie lung hoher Leistungsdichten, ein Empfänger zur Umwandlung des konzentrierten Lichts in Wärme und eine Wärmekraftmaschine.

Die höchsten Wirkungsgrade werden heute mit Rotationsparaboloiden in Kombination mit Stirling motoren erreicht.

Größte und teuerste Komponente von solarthermischen Kraftwerken ist der Reflektorflächen aufwei sende Konzentrator.

Seit einigen Jahren wird die Membrantechnologie propagiert, bei der die Paraboloidform des Reflek tors durch eine i. a. pneumatisch verformte Membran aus Kunststoff oder Stahl angenähert wird. Diese Technik wird in der EP 0071 905 A1 beschrieben.

Das Problem dieser Technik besteht in der Tatsache, daß die durch eine pneumatisch verformte Membran erzeugte Geometrie von der des Idealparaboloiden abweicht. Bei biegeweichen, dünnen Membranen stellt sich ein Paraboloid vierter Ordnung ein. Das bedeutet, daß die Membrankurve von der Sollkurve umso mehr abweicht, je größer der Öffnungswinkel des Spiegels ist, bzw. je kürzer seine Brennweite ist.

Dieses Problem wurde bisher durch zwei unterschiedliche Lösungsansätze angegangen:

A Der Konzentrator wird aus mehreren runden Einzelspiegeln zusammengesetzt (Beispiel: Rea lisierte Konzentratoren der Anmelderin des oben genannten Patents.) Der Krümmungsradius der Einzelspiegel ist jeweils an den mittleren Krümmungsradius des Sollparaboloids an dieser Stelle angepaßt. Jeder Einzelspiegel hat somit einen kleinen Öffnungswinkel und eine große Brennweite.
Folgende Nachteile ergeben sich bei dieser Technik:
- _* Jede Facette muß einzeln justiert werden (Orientierung, Absaugung).
- _* Der Flächendeckungsgrad durch die einzelnen Rundspiegel ist relativ schlecht.
- _* Unterschiedliche Krümmungsradien in Rotations- und Meridianrichtung lassen sich nicht einstellen.
B Die Membrane des Spiegels wird plastisch vorverformt und anschließend durch den pneuma tisch angelegten Unterdruck nur noch stabilisiert (siehe DE 27 40 813 C2). Bei dem von der Firma Schlaich, Bergermann & Partner entwickelten Solarkonzentrator wird eine Stahlmem brane durch hydrostatischen Druck vorverformt. Nachteil dieser Technik ist der hohe Aufwand, der hierfür, insbesondere für große Konzentratoren, vor Ort betrieben werden muß.
C Andere Techniken, die jedoch bisher nicht in größerem Maße realisiert wurden, werden in der US-PS 40 46 462 sowie der DD-PS 1 17 107 beschrieben.
Bei dem erstgenannten Patent kann die Form der Membran dadurch eingestellt werden, daß entweder die Dicke der Membran radial an die gewünschte Verformung angepaßt wird, oder daß den pneumatischen Kräften radial unterschiedliche elektrostatische oder magnetische Kräfte überlagert werden. Für beide Varianten erscheint der Aufwand vergleichsweise groß.
Bei dem zweiten genannten Patent wird eine Anpassung der Form durch eine Vielzahl konzen trischer Schläuche erreicht, die eine Membran geringer Elastizität so abstützen, daß die para bolische Sollform möglichst gut angenähert wird. Auch der Aufwand dieses Konzentratorkon zeptes erscheint unakzeptabel hoch (Einstellung und Korrektur der Form durch Dicke der Schläuche sowie Vorspannung einer Vielzahl von Drahtseilen).

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Membran-Solarkonzentrator zu schaffen, der sich auszeichnet durch einen einfachen Aufbau, geringen Materialeinsatz und niedrige Kosten bei gleichzeitig genügend hoher Präzision.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. Anspruches 6 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 sowie 7 und 8 angegeben. Der Justieraufwand eines solchen Zweikammer- Konzentrators ist, verglichen mit den oben beschriebenen Techniken A, B und C, gering: Die Position des inneren Kammerrings gegenüber dem äußeren muß eingestellt werden sowie die Position zweier Sensoren oder Düsen für die Unterdruckregelung.

Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes dienen die Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Solarspiegels mit einer Membran.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Solarspiegels mit einer Membran, jedoch mit anderer Anordnung der Absaugdüsen.

Fig. 3 zeigt einen aus mehreren exzentrischen Membrankammern aufgebauten Solarkonzentrator.

Der Solarspiegel gemäß Fig. 1 und 2 ist aus einer Membran 3 aufgebaut. Vorzugsweise kommen hierfür verspiegelte, UV-stabile Kunststoffolien in Betracht.

Um eine Anpassung der Membranform an die Sollform des Paraboloids zu erreichen, wird die Mem bran-Unterdruckkammer durch zwei oder mehrere Begrenzungsringe 1, 2 in konzentrische kreis förmige Kammern 1a, 2a unterteilt. In jeder Kammer wird der Unterdruck jeweils so eingestellt, daß der Krümmungsradius dem Sollkrümmungsradius möglichst nahe kommt.

Das entscheidende Kriterium hierfür ist die Minimierung der Aufweitung des Brennflecks bzw. die Maximierung der mittleren Konzentration bei dem gewünschten Auffangfaktor. Dem entspricht un gefähr die Minimierung des Integrals über die Abweichung der Ableitungen (Steigungen) von Mem brankurve und Parabelkurve. Bereits eine Aufteilung in zwei Kammern genügt, um eine wesentliche Verbesserung der Konzentration gegenüber einem Einkammer-Spiegel zu erreichen.

Beispiel Verhältnis Brennweite zu Spiegeldurchmesser f/D = 0,73 Rechnung mit Rechteckfunktion für die Intensitätsverteilung der Sonne, keine Spiegelfehler a) Rechnung mit Parabel vierter Ordnung für eine Membrankrümmung

Einkammerspiegel:

geometr. Konzentration = ca. 250

Zweikammerspiegel:

geometr. Konzentration = ca. 800

b) Rechnung mit sphärischer Membran-Krümmung

Einkammerspiegel:

geometr. Konzentration = ca. 1950

Zweikammerspiegel:

geometr. Konzentration = ca. 5500

Bei diesem Rechenbeispiel sind die Geometrievorgaben des Zweikammerspiegels (Absaugtiefe, Höhe und Durchmesser der Kammerringe) noch nicht optimiert. Die an einem Zweikammerspiegel mit obiger Geometrie gemessenen Werte liegen zwischen den beiden berechneten Fällen.

Die Folie oder Membran 3 sollte zunächst möglichst gleichmäßig über den äußeren Rahmen bzw. Kammerring 1 gespannt werden.

Beim Absaugen legt sie sich frei auf die Zwischenkammerränder 2 auf. Eventuelle Leckagen zwi schen den Kammern 1a, 2a hätten eine zu starke Absaugung in der Kammer mit dem geringeren Soll-Unterdruck zur Folge, falls durch Leckagen nach außen nicht genügend Luft nachströmen würde. Dies kann durch eine geregelte Belüftung 7 ausgeglichen werden. Die Belüftung wird ebenso wie die Kammer-Absaugung 4, 5 durch Membran-Abstands-Sensoren 8 angesteuert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Membran gleichmäßig auf die innere(n) Kammer(n) 2a mit Hilfe des Ringes 9 dicht gespannt wird, möglichst ohne eine zusätzliche Dehnung durch die Klemmvorrichtung zu erzeugen (siehe Fig. 1, Detail a). Zur Unterstützung dieses Vorgangs kann die Membran bereits auf den (bzw. die) innere(n) Kammerring(e) 2 abgesaugt werden. Diese Technik er fordert eine geringere Absaugleistung als die Methode der geregelten Belüftung.

Auf der Rückseite werden die Kammern am einfachsten ebenfalls durch eine Folie oder Membran 6 abgeschlossen.

Für die Absaugvorrichtung sind unterschiedliche Techniken (vergleiche vor allem EP 00 71 905 A1) bekannt. Im allgemeinen wird die Absaugung in jeder Kammer über je einen Sensor geregelt, der die Absaugtiefe der Membran überwacht und entsprechend dem Absaugmechanismus für die jeweilige Kammer in Betrieb setzt bzw. ausschaltet.

Die einfachste Mimik stellen Absaugdüsen 13, 14 dar, die an einem Unterdruckbehälter 15 ange schlossen sind (Fig. 2). Bei Erreichen der Soll-Absaugtiefe wird die Düse durch die Membran ver schlossen. Für alle Kammern kann dasselbe Unterdruckreservoir benützt werden, dessen Unterdruck P3 unter dem tiefsten in einer Kammer auftretenden Unterdruck P1, P2 liegen muß. Somit ist auch bei Mehrkammersystemen nur eine Pumpe 16 und eine Druckregelung nötig.

Das beschriebene Prinzip der Mehrkammertechnik kann auch auf andere Konzentratortechniken an gewandt werden, speziell auf den im deutschen Patent 30 30 033 beschriebenen Parabolspiegel mit ortsfestem Brennpunkt 10 ("Fix-Fokus"):

Die Spiegelfläche ist hier durch einen exzentrischen Ausschnitt eines Rotationsparaboloids gegeben. Bei bisher realisierten Fix-Fokus-Konzentratoren wird die Spiegelfläche aus einzelnen, in Meridian richtung 11 angeordneten identischen Einzelsegmenten aufgebaut. Werden die Spiegelsegmente in Membranbauweise ausgeführt, so ist eine anisotrope Folienvorpannung nötig, um die Paraboloid form anzunähern. Als problematisch erwiesen sich hier Langzeitfließvorgänge in den Kunststoffolien.

Auf einfachere Weise wird eine langzeitstabile Form erzeugt, wenn die Spiegelfläche durch in Rotations richtung 12 verlaufende Einzelkammern erzeugt wird (siehe Fig. 3). Aus fertigungs- oder montagetechnischen Gründen kann auch hier der Spiegel aus in Meridianrichtung 11 verlaufenden Einzelsegmenten aufgebaut werden, die jeweils in Einzelunterdruckkammern unterteilt sind.

Statt eine einzige zusammenhängende Folie einzusetzen, können auch Folienstreifen (Kegel stumpfabwicklungen) über die Unterdruckkammern einzeln gespannt werden.

Claims

1. Solarkonzentrator mit einer verspiegelten Reflektor-Membran (3), deren Form durch Verände rung des Unterdrucks in einer Membran-Unterdruckkammer einstellbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran-Unterdruckkammer in zwei oder mehrere konzentrische Ringkam mern (1a, 2b) unterteilt ist, in denen der Unterdruck jeweils unterschiedlich einstellbar ist.

2. Solarkonzentrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Membran (3) eine ver spiegelte Kunststoffolie gewählt wird.

3. Solarkonzentrator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Absaugtiefe der Membran (3) in den einzelnen Unterkammern durch Absaugdüsen (13, 14) eingestellt wird, die bei Erreichen der gewünschten Absaugtiefe, durch die Membran verschlossen werden, und die an dieselbe Unterdruckregelung angeschlossen sind.

4. Solarkonzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Membran (3) durch einen Ring (9) auf die jeweiligen Unterdruckkammer-Begrenzungen (2) gedrückt wird.

5. Solarkonzentrator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Membran (3) frei auf die Unterdruckkammer-Begrenzungen (2) gesaugt wird und eventuelle Leckagen zwischen den Kammern durch eine geregelte Belüftung (7) ausgeglichen werden, wobei die Absaugung durch einen Membran-Abstands-Sensor (8) in der Kammer mit dem tiefsten Unterdruck geregelt wird, und die Belüftung der übrigen Kammern ebenfalls durch Sensoren (8), die die Absaugtiefe der Membran messen, geregelt wird.

6. Solarkonzentrator mit ortsfestem Brennpunkt, dessen Spiegelfläche durch einen exzentrischen Ausschnitt eines Rotationsparaboloids definiert ist und aus Membranspiegeln aufgebaut ist, ge kennzeichnet dadurch, daß auf der Rückseite der Spiegelmembran mehrere in Rotationsrichtung (12) verlaufende Ringkammern konzentrisch angeordnet sind, in denen ein die Membran verfor mender Unterdruck P4, P5, P6, P7 jeweils unterschiedlich einstellbar ist.

7. Solarkonzentrator nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Spiegelfläche aus in Meri dianrichtung (11) verlaufenden Einzelsegmenten aufgebaut ist, die jeweils in mehrere in Rotati onsrichtung (12) verlaufende Unterdruckkammern unterteilt sind.

8. Solarkonzentrator nach Anspruch 1 oder 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß die jeweiligen Unterdruckkammern mit einzelnen Membranabschnitten bespannt sind.