BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

[0001 ] Die vorliegende Erfindung betriff† ein Solarkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Stand der Technik

[0002] Sei† mehr als 100 Jahren werden industriell Solarkraftwerke zur Umwandlung von Solarenergie in andere Energieformen verwende†. Da bei wird die Solarstrahlung mi† Hilfe von unterschiedlichen konzentrieren den Optiken auf Absorber fokussiert. Dabei entstehen sehr hohe Prozess temperaturen, die beispielsweise in Wasserdampf umgewandel† werden. Mi† dem Wasserdampf werden dann Wärmekraftmaschinen und Genera toren angetrieben, welche den elektrischen Strom erzeugen.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind drei Hoch†empera†ur-Sys†eme bekannt: Paraboirinnen-, Turmkraftwerke und Parabolspiegel (Dish). Diese Systeme haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sie sehr hohe Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten verursachen. Ein erheblicher Kostenanteil besteh† bei Parabolrinnen-Kraftwerken für die Spiegel und deren Trägerstruktur sowie für kilometerlange Leitungssysteme. Die Turm kraftwerke brauchen eine sehr hohe Anzahl von zweiachsig nachgeführ ten Spiegeln, wobei diese Nachführung sehr aufwändig und teuer ist. Bei Parabolspiegeln (Dish) verursach† selbst die zweiachsige Nachführung mehr als 40% der Gesamtkosten. Eine große Problematik bei all den ge nannten solarthermischen Kraftwerken ist die Verunreinigung der opti schen Komponente durch die standortbedingten Wettereinflüsse. Da die Wirtschaftlichkeit der Kraftwerke nur in Wüstengebieten mi† einem hohen Direk†s†rahlungsan†eil gegeben ist, müssen die Optiken dort ständig gerei nigt werden um die Reflektionsverluste zu vermeiden. Eine Ausnahme bie ten in US 9851544 und WO 2009/1 1 7840 A2 beschriebene zwei Parabolrin- nen-Kraftwerke, deren optische Komponenten durch Glas bzw. Folie ge gen Wettereinflüsse sowie Windlasten geschützt werden.

[0004] Eine weitere und wenig bekannte Möglichkeit der Umwandlung von Solarstrahlung in thermische Energie ist beispielsweise eine hocheffi ziente optische Linse, unter der englischen Bezeichnung: Ring-Array Solar Concentrator, die aus einer Reihe von ineinander sitzenden konischen Ringreflektoren besteht. Die den Parabolspiegeln US 2008/0216822, DE 1 12009001 131 ähnliche Anordnung ist durch die aufwändige Fertigung kostenintensiv in der Anschaffung, und sie ist auch gegen Wettereinflüsse ungeschützt, was die Wirtschaftlichkeit der Anlagen deutlich mindert (DE 3032849, US 4347834, US 6620995, WO 201 1 /076963, US 1421506).

Darstellung der Erfindung

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ein faches, leitungsstärkeres und vor allem kostengünstigeres Solarkraftwerk bereit zu stellen, bei dem die eingangs genannten Nachteile nicht vor handen sind.

[0006] Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Solarkraftwerks sind in den abhängigen Unteransprü chen angegeben.

[0007] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarkraftwerk, mittels dem die Lichtstrahlen der Sonne mit einer Vielzahl von reihenförmig angeordne ten Reflektoren mit innen verspiegelten Wirkflächen auf einen zentralen Strahlungsempfänger fokussiert werden, wobei die fokussierenden Reflek- toren aus parabelförmigen Ringfeilen gebildet sind, dessen ausgehende Strahlen im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0008] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Solarkraftwerks ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnun gen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprü chen oder deren Rückbeziehung.

[0009] In den Zeichnungen zeigen

[0010] Fig.l den Teilring-Reflektor (25) und dessen Bestandteile (1 1 );

[001 1 ] Fig.l a eine Draufsicht des Teilring-Reflektors (25);

[0012] Fig.l b Lichtstahlen (500) und Bildung eines Brennpunktes (F) an der Austrittstelle der Optik (25);

[0013] Fig.2 mehrere miteinander verbundene Teilring-Reflektoren (25) als eine multifokale Optik (30);

[0014] Fig.2a eine Draufsicht der multifokalen Optik (30);

[0015] Fig.3 ein Drahtgerüst (15, 16, 17) für die Befestigung der optischen Komponente der multifokalen Optik;

[001 6] Fig.4 eine andere Ausführungsform der multifokalen Optik (35); [001 7] Fig.4a Draufsicht der mulfifokalen Optik (35);

[0018] Fig.5 eine Explosivdarstellung einer anderen Ausführungsvariante der multifokalen Optik (40);

[0019] Fig.5a eine Draufsicht einer multifokalen Optik (40);

[0020] Fig.6 eine Explosivdarstellung eines ganzen Modul (50);

[0021 ] Fig.6a eine seitliche Ansicht des Moduls (50);

[0022] Fig.6b eine Draufsicht des Moduls (50);

[0023] Fig.7 ein geschlossenes Modul (50);

[0024] Fig.8 zwei miteinander verbundene Module (65) auf einem Fach werk mit Trägerstruktur (60, 61 , 61 a, 61 b, 62, 63);

[0025] Fig.8a eine weitere Darstellung der beiden Module (65);

[0026] Fig.9 ein Element des Solarkraftwerks (85) auf einer Säule;

[0027] Fig.9a die Rückseite eines Elements des Solarkraftwerks (85);

[0028] Fig.10 eine Ausführungsform des Solarkraftwerks (100) mit neun Doppelmodulen;

[0029] Fig.l Oa die Rückseite des Solarkraftwerks (100);

[0030] Fig.l 1 die urbane Ausführungsvariante des Solarkraftwerks (150);

[0031 ] Fig.l l a die seitliche Vorderseite eines urbanen Solarkraftwerks (150). Ausführung der Erfindung

[0032] Fig.l zeig† den einzelnen Teilring-Reflekfor des Ringkonzenfrafors der erfindungsgemäßen fokussierenden Optik (25) mit den Teilring- Reflekforen ( 1 1 ) sowie einem miffigen Vollring-Reflekfor.

[0033] Fig.l a wird eine Draufsicht des einzelnen Teilring- Reflektors des Ringkonzenfrafors der erfindungsgemäßen fokussierenden Optik (25) mit den Teilringen (1 1 ) sowie einem miffigen Vollring-Reflekfor gezeigt.

[0034] Fig.l b zeig† Lichfsfahlen (500) und Bildung eines Brennpunktes (F) unterhalb der Optik (25).

[0035] Fig.2 zeig† mulfifokale Optik (30) aus vier Teilring-Reflekforen des Ringkonzenfrafors (25) welche mittels eines Gerüsfs ( 15) und Streben ( 17) reihenweise miteinander verbunden wurden und über eine Abmessung von 3x3 m verfüg†.

[0036] Fig.2a zeig† eine Draufsicht der 3x3 m mulfifokalen Optik (30) aus vier Teilring-Reflekforen des Ringkonzenfrafors (25) welche mittels eines Gerüsfs ( 15) und Streben ( 17) reihenweise miteinander verbunden wurden. Es ist dabei deutlich zu erkennen, dass alle vier Ecken fast vollständig mit den optischen Komponenten ausgefüllf sind.

[0037] Fig.3 zeigf ein Drahfgerüsf (15, 16, 17) für die Befestigung der opti schen Komponente. Das Gerüst ist bereits in der Form der Parabelab schnitte gefertigt und bereit für die Aufnahme von optischen Komponen ten, welche beispielsweise aus mit Spiegelfolie beschichteten gehärtetem Kunststoff, Papier oder gehärteten Textilien bestehen können. [0038] Fig.4 zeig† eine andere Ausführungsform der 3x3 m multifokalen Optik (35) mi† schmalen Teilring-Reflektoren (12), die aus 1 /10 des ur sprünglichen Durchmessers des Ringkonzentrators bestehen, welche auf einem Gerüst (15a) befestig† wurden.

[0039] Fig.4a zeig† eine Draufsicht der anderen Ausführungsform der 3x3 m multifokalen Optik (35) mi† schmalen Teilring-Reflektoren (12), die aus 1 /10 des ursprünglichen Durchmessers des Ringkonzentrators bestehen, welche auf einem Gerüst aus Draht (15a) befestig† wurden.

[0040] Fig.5 zeig† fokussierende Optik (40) mi† zwei Teilring-Reflektoren des Ringkonzentrators mi† jeweils 1 ursprünglicher Breite von 3m, welche in der Mitte aufgeteil† wurden. Durch diese Maßnahme lassen sich kleinere Einzelteileile fertigen ( 13), die dann mittels Drahtgerüs† ( 15b), (1 7) unkom pliziert zu einem Modul verbunden werden können.

[0041 ] Fig.5a zeig† Draufsicht der fokussierenden Optik (40) mi† zwei Teil ring-Reflektoren des Ringkonzentrators mi† jeweils 14 ursprünglicher Breite von 3m, welche in der Mitte aufgeteil† wurden.

[0042] Fig.6 zeig† in einer Explosivdarstellung ein ganzes Modul (50) mi† multifokaler Optik (31 ), welche aus zwölf Teilring-Reflektoren des Ringkon zentrators besteh† und in einem Tragwerk (51 , 52, 53, 54, 55) eingeschlos sen wird. Mi† (51 ) wird das mittlere Tragwerk, (52) Achszapfen, (53) obere Tragwerk für die Glas-/Folienabdeckung, (54) untere Tragwerk mi† Längs träger (54a) für†hermische/pho†ovol†aische Empfänger, (55) stützende Flalb-Rad mi† querverlaufenden Rillen an der Unterseite , (56) Glasabde ckung und (59) Flochleistungssolarzellen gekennzeichnet. Weitere Emp fänger können auch hier beispielsweise Stirlingmotoren, Thermoelektri schen Generatoren TEG sowie jede Ar† von thermovoltaischen Empfän gern Verwendung finden. [0043] Fig.6a zeig† in einer seitlichen Explosivdarstellung ein ganzes Mo dul (50) mi† multifokaler Optik (31 ), welche aus zwölf Teilring-Reflektoren eines Ringkonzentrators besteh†.

[0044] Fig.6b zeig† Draufsicht des ganzen Moduls (50) in einer Explosiv darstellung mi† multifokaler Optik (31 ), welche aus zwölf Teilring- Reflektoren besteh†.

[0045] Fig.7 stell† das gesamte Modul (50) als geschlossene Umge bung für die multifokale Optik (31 ) sowie†hermische/pho†ovol†aische Empfänger dar. Die Eintrittsfläche der Solarstrahlung des Moduls lässt sich sehr leicht mi† Reinigungsautomaten wie beispielsweise in der DE 10 2018 001 958.7 beschrieben, reinigen.

[0046] Fig. 8 zeig† ein Doppelmodul 65) montiert auf einer Trägerstruktur aus gebogenem Balken (60) und drei Stützpfosten mi† Achslagern (61 ), (61 a). Die beiden Module (50) sind sowohl seitlich (50a) als auch durch gemeinsame mittlere Verbindungsachse (52a) verbunden und werden auf drei Stützpfosten (61 ), (61 a) gelagert. Damit kann diese Anordnung (65) entlang der Längsachse der Achszapfen (52) und der gemeinsamen mittleren Verbindungsachse (52a) waagerecht geschwenkt werden. Die Bewegung wird mittels einer mi† Rillen versehener Rolle (61 b), welche mi† den Rillen des Flalb-Rades (55) verzahn† wurde und durch die verbundene Antriebseinhei† (61 c) ausgeführt. Das Gewicht des Doppelmoduls wird mit tels von vier Flalbrädern (55) und der darunterliegenden Gleitrollen ge stützt. Wobei die Achszapfen (52) und die mittlere Verbindungsachse (52a) auch das Gewicht des Doppelmoduls aufnehmen. Die unten quer verlaufende Drehachse (62) ist dafür vorgesehen, dass die gesamte An ordnung (65) auf einer Säule gelagert und im Vertikalwinkel geschwenkt werden kann. Die Schwenkbewegung wird durch das Schneckenhalbrad (63), der Schnecke (63a) und Antriebseinhei† (64) ausgeführt. Das Modul wird in Nord-Süd Richtung aufgestell†. [0047] Fig.8a zeig† eine andere Darstellung des Doppelmoduls (65) wie in Fig.10.

[0048] Fig.9 zeigt ein Einzelelemen† des Solarkraftwerks (85) mit dem Doppelmodul (65) montiert auf einer Trägerstruktur aus gebogenem Bal ken (60) und drei Stützpfosten mi† Achslagern (61 , 61 a), Drehachse (62), Schneckenhalbrad (63), der Schnecke (63a) und Antriebseinhei† (64) so wie einer Säule (70). Das Einzelelemen† des Solarkraftwerks (85) wird zwei achsig dem vermeintlichen Sonnenverlauf nachgeführ†. Die waagerechte Nachführung wird entlang der Achse (x) auf Achsen (52, 52a) und die ver tikale Nachführung entlang der Achse (y) auf Achse (62) ausgeführ†.

[0049] Fig.9a zeig† dasselbe Einzelelemen† des Solarkraftwerks (85) aus einem anderen Blickwinkel.

[0050] Fig.10 zeig† das gesamte des Solarkraftwerks ( 100) bestehend aus neun Einzelelementen (85), welche mi† zwei gegenüberliegenden Balken (77) sowie durch eine gemeinsame Verbindungsachse (62) verbunden worden sind. Das gesamte Solarkraftwerks (100) wird zweiachsig dem vermeintlichen Sonnenverlauf nachgeführ†. Die waagerechte Nachfüh rung wird entlang der Achse (x) auf Achsen (52, 52a) und die vertikale Nachführung entlang der Achse (y) auf einer gemeinsamen Verbin dungsachse (62) ausgeführ†.

[0051 ] Fig.l Oa zeig† dasselbe gesamte des Solarkraftwerks ( 100) wie in Fig.l 2 aus einem anderen Blickwinkel. Mi† (77) wird die genaue Lage der Verbindungsbalken gezeigt.

[0052] Fig.l 1 zeig† eine weitere Ausführungsform des Solarkraftwerks (150) für urbane Zwecke. Die neun Doppelmodule (66), wurden auf einem Tragwerk (82) installiert und diese Anordnung wurde auf einer Säule (80) und einem Drehwerk (81 ) verbau†. Das Solarkraftwerk ( 150) wird ebenfalls zweiachsig dem vermeintlichen Sonnenverlauf nachgeführ†. Die vertikale Nachführung wird entlang der Achse (52) und die Nachführung im Hori- zonfalwinkel um die Mittelachse der Säule (80) ausgeführt. Die horizontale Bewegung des Drehgestells samt Tragwerk (82) und der Doppelmodule (66) wird mittels eines Schneckenrades (83), Schnecke (83a) und der An- triebseinheit (84) ausgeführt. Die Vertikalnachführung der Doppelmodule wird entlang der Achsen (52), (52a) erfolgen. Fig.l l a zeigt dasselbe ge samte des Solarkraftwerks (150) wie in Fig.l 1 aus einem anderen Blickwin kel. Mit (82a) wurde eine Befestigung des Schneckenantriebs und mit (83a) die Schnecke markiert.

[0053] Fig.l l a zeigt dasselbe gesamte des Solarkraftwerks ( 150) wie in Fig.l 1 aus einem weiteren Blickwinkel. Mit (82a) wurde eine Befestigung des Schneckenantriebs und mit (83a) die Schnecke markiert.

[0054] Zahlreiche erfindungsgemäße Versuche mit Fresnellinsen ver schiedener Größen und Flochleistungssolarzellen haben ergeben, dass zwei oder mehrere zentrale Segmente einer Fresnellinse ca. 120% Leistung gegenüber einer einzigen Linse mit einem Fokuspunk† erzeugen. Da die optischen Eigenschaften von Ringkonzentratoren mit den Fresnellinsen sehr ähnlich sind, bietet sich mit den Teilring-Reflektoren hier eine günstige Fertigungsmöglichkeit, großflächige multifokale Zylinderoptiken günstig herzustellen.

[0055] Weil in der geschützten Umgebung die multifokalen Zylinderopti ken ständig sauber und gegen Windlasten sicher sind, treten keine opti schen Verluste auf. Darüber hinaus lässt sich hier ohne hohen technischen Aufwand sehr hohe Strahlungsintensität bis 2000°C erreichen. Mit Draht entsprechender Festigkeit lassen sich Einzelelemente mit Eigenschaften einer hocheffizienten sphärischen Linse unkompliziert und kostengünstig fertigen. Dadurch lässt sich viel Nutzfläche eines Solarkraftwerks sowie Ma terial einsparen. Bei einer Verwendung von thermalen Empfängern wür den auch keine Temperaturverluste auftreten, da diese in der geschützten Umgebung gegen kühlenden Wind eingeschlossen sind. [0056] Mi† dem stabilen Fachwerk und der gemeinsamen Achse (62) können auf wenigen Säulen zahlreiche Module gelagert und mit wenigen Anfriebseinheifen dem vermeintlichen Sonnenverlauf nachgeführ† wer den. Dies kann die Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten derartiger Solarkraftwerke deutlich senken.

[0057] Das erfindungsgemäße Solarkraftwerk beschränk† sich in seiner Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausfüh rungsformen. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.

Liste der Bezugsziffern x, y, z Achsen des kartesischen Koordinationssystems

F Brennfleck

10 Parabelabschnitte

20 Fokussierende Optik

1 1 Teile der Parabelabschnitte Teilring-Reflektoren

12 Teile der Parabelabschnitte (schmal)

13 Teile der Parabelabschnitte

15 Drahtgerüs†

15a Drahtgerüs†

15b Drahtgerüs†

17 Strebe

20a Außenstehende Teilringe

20b Außenstehende Teilringe

25 Zentrales Segment als Teilring-Reflektoren

30 Satz aus zentralen Segmenten Teilring-Reflektoren

31 Satz aus zentralen Segmenten Teilring-Reflektoren

35 Satz aus (schmalen) zentralen Segmenten

50 Modul

50a Verbindungsteil 51 Mittleres Tragwerk

52 Achszapfen

52a Gemeinsame mittlere Verbindungsachse

53 Oberes Trag werk

54 Unteres Trag werk

54a Längsträger für fhermische/phofovolfaische Empfänger

55 Halbring mit querverlaufenden Rillen

56 Glas-/Folienabdeckung

59 Hochleisfungssolarzellen

60 Trägerbalken

61 Pfosten mit Achslager

61 a Pfosten mit Achslager

61 b Gleitlager

61 c Anfriebseinheif

62 Achse

63 Halbes Zahnachsenschneckenrad

63a Schnecke

64 Anfriebseinheif

65 Doppelmodul

66 Doppelmodul

70 Säule

77 Verbindungsbalken

80 Säule

81 Drehwerk

82 Trag werk

82a Schneckenantrieb mit Befestigung

83 Halbes Schneckenzahnrad

83a Schnecke

84 Anfriebseinheif

85 Einzelelemenf des Solarkraffwerks

100 Solarkraffwerk

150 Solarkraffwerk

500 Lichtstrahlen