Linearspiegel

Der Linearspiegel besteht aus mehreren miteinander verbundenen Einzelspiegeln, die Sonnenlicht auf einen gemeinsamen Wärmetauscher konzentrieren. Bei Heliostatsystemen (auch „Sonnenturm”) , die ebenfalls aus mehreren Einzelspiegeln bestehen, wird ein jeder Einzelspiegel durch zwei Motoren gesteuert. Beim Linearspiegel hingegen werden alle Spiegel gemeinsam durch insgesamt nur zwei Motoren bewegt. Dadurch sollen die Baukosten reduziert, und der Betrieb des Systems vereinfacht werden, um so den Preis für konzentrierte Solarenergie zu senken und neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Linearspiegel

Theorie

Zweidimensionaler Fall

Wenn die einfallenden Sonnenstrahlen und die reflektierten Strahlen in der gleichen Ebene liegen (in welcher sich auch die einzelnen Spiegel und der Wärmetauscher befinden), so ist die Ansteuerung der Spiegel einfach:

Die Ebene sei definiert durch die Achsen $x$ und $y$ (Zeichnung), die Richtung von Spiegel $i$ bezüglich dieser Achsen sei $\phi _{i}$, und die Position der Sonne sei $\phi _{s}$. Die Spiegel reflektieren die einfallenden Sonnenstrahlen auf ein gemeinsames Ziel (den Wärmetauscher). Wenn nun die Sonne ihre Position um $\Delta \phi _{s}$ ändert, so muss die Richtung von Spiegel $i$ sich ebenfalls ändern, und zwar um

$\Delta \phi _{i}=1/2\Delta \phi _{s}.$

Weil diese Änderung für alle Spiegel gleich ist, können sie miteinander verbunden und gemeinsam durch einen einzigen Motor gesteuert werden. Die Winkelgeschwindigkeit der Sonne ${\frac {\mathrm {d} \phi _{s}}{\mathrm {d} t}}=\omega _{s}$ ist konstant, die Funktion $\phi _{s}(t)=\omega _{s}t$ ist linear in der Zeit. Ebenso sind die Richtung eines jeden Spiegels und die Winkelposition des Motors lineare Funktionen: sie rotieren mit der Hälfte der solaren Winkelgeschwindigkeit. Würde man zum Beispiel beidseitig reflektierende Spiegel verwenden, so kann man diese direkt auf die Stundenachse einer langsam gehenden Uhr setzen, deren Achse in 24 Stunden nur eine Umdrehung ausführt.

Dreidimensionaler Fall

Wenn die Spiegel hingegen eine zweidimensionale Ebene formen (wie in einem Heliostatsystem), und die Gesamtheit der einfallenden und reflektierten Strahlen nicht in einer Ebene liegen, so wird die Situation komplizierter. Die Richtung von Spiegel $i$ wird nun durch die Kugelkoordinaten $\phi _{i}$ (Azimuth) und $\theta _{i}$ (Zenith) gegeben. Wenn die Sonne sich um $\Delta \phi _{s}$ und $\Delta \theta _{s}$ bewegt, und Spiegel $i$ um $\Delta \phi _{i}$ und $\Delta \theta _{i}$ nachgeführt werden muss, um das reflektierte Licht auf dem gemeinsamen Ziel zu halten, so sind diese Funktionen $\Delta \phi$ und $\Delta \theta$ für die verschiedenen Spiegel nicht mehr gleich: $\Delta \phi _{i}$ ≠ $\Delta \phi _{j}$ und $\Delta \theta _{i}$ ≠ $\Delta \theta _{j}$. Aus diesem Grund wird in einem Heliostatsystem jeder Spiegel durch zwei Motoren bewegt, die von einem Computer gesteuert werden. Durch die große Anzahl der Motoren werden diese Systeme entsprechend teuer.

Die Ingenieurswissenschaften haben gegenwärtig keine Antwort auf die allgemeine Frage, wie viele Motoren minimal gebraucht werden, um $N$ Spiegel der Sonne folgen zu lassen. Man könnte ein konzentrierendes System aus N Spiegeln als informationsverarbeitendes System auffassen, mit der Tageszeit und der geographischen Lage als Eingangsgröße und der Ausrichtung eines jedes Spiegels als Ausgangsgröße, in welchem Fall eventuell die klassische Informationstheorie die Frage nach der Mindestzahl der Motoren für $N$ Spiegel beantworten könnte. Aber auch dies ist nicht der Fall.

Der Linearspiegel kann als Versuch gesehen werden, das dreidimensionale Problem der zweidimensionalen Situation anzunähern, dies geschieht in zwei Schritten:

1. die Spiegel werden als Matrix in einer Ebene angeordnet, die um eine in Ost-West Richtung orientierte horizontale Achse rotiert, und zwar so, dass in Bezug auf diese Matrixebene der Sonnenzenith immer gleich Null ist. Der Wärmetauscher ist fest vor der Matrix montiert und bewegt sich mit der Matrix, so dass auch seine Position in Bezug auf die Matrixebene immer Null ist. Im Koordinatensystem der Matrix und des Wärmetauschers führt also die Sonne keine Bewegung in der Zenithkoordinate aus, sondern bewegt sich entlang des Horizontes.
2. Ein jeder Spiegel ist auf eine eigene Rotationsachse montiert. Diese ist nicht parallel der scheinbaren Sonnenrotationsachse, sondern ist gegen diese leicht geneigt. Aufgrund dieser Neigung geht die Rotationsbewegung des Spiegels einher mit einer Auf- und Abwärtsbewegung. Diese Auf- und Abwärtsbewegung ist nun so gewählt, dass das reflektierte Licht während des ganzen Tages annähernd auf das gleiche Ziel (den Wärmetauscher) gerichtet bleibt. Dies ist in einem Film veranschaulicht.
3. Außerdem sind die Spiegel durch Hebel verschiedener Länge verbunden, wodurch die Rotationsgeschwindigkeiten verschiedener Spiegel verschieden sein können.

Die resultierende Situation ist nun ähnlich wie im zweidimensionalen Fall: alle Spiegel sind wiederum untereinander verbunden und zu einem einzigen Motor, der wiederum eine lineare Bewegung ausführt (Uhr), um die Spiegel der Sonne im Tagesverlauf folgen zu lassen Ein zweiter Motor richtet die Matrix in Zenithrichtung aus. Nun ist es zwar wahr, dass die Montage der Spiegel auf geneigten Achsen nur eine annähernde Ausrichtung auf das Ziel erlaubt. Es erscheint aber plausibel, dass mit einer kostenaufwendigeren Nockenwellenanordnung auch eine präzise Ausrichtung erreicht werden könnte.

Industrielle Anwendung

Der Linearspiegel wurde von Isomorph srl (Triest) entwickelt, einem von Hans Grassmann gegründeten Unternehmen, das physikalische Grundlagenforschung betreibt. Für seine Arbeit wurde Grassmann 2011 der „Nuclear Free Future Award” (NFFA) verliehen. Seit 2011 ist der Linearspiegel ein industrielles Produkt. Seit Mai 2012 ist der Linearspiegel mit dem „Solar Keymark” zertifiziert, und ist damit Teil des staatlichen Förderprogramms für Solarenergie. Der Linearspiegel hat einen Wärmetauscher (hergestellt von Energie Solaire, Schweiz) mit einem maximal erlaubten Druck von 3 bar, deshalb ist der Linearspiegel auf Temperaturen nicht wesentlich über 100° C beschränkt. Er wird zur Gebäudeheizung benutzt und für Prozesswärme bis 100 °C. Sobald der angeschlossene Wasserboiler seine Maximaltemperatur erreicht hat, stellt der Linearspiegel seine Arbeit ein, um ein Überhitzen zu vermeiden. Der Linearspiegel kann auch in eine Parkposition gefahren werden, in der er gegen Schnee und Hagel geschützt ist. Weil der Linearspiegel auch im Winter problemlos 100 °C erreicht, ist er auch für das Klima nördlich der Alpen geeignet. Der Linearspiegel ist nur in Europa patentiert.

Begrenzungen

Kleine Parabolspiegel sind einfach zu bauen (z. B. Satellitenschüssel), der Bau großer Anlagen ist hingegen zunehmend schwieriger, weil der Parabolspiegel über zwei Achsen der Sonne nachgeführt werden muss ohne sich durch seine eigene Gewichtskraft oder unter der Windkraft zu verformen. In ähnlicher Weise gilt dies auch für den Linearspiegel, die Konstruktion sehr großer Einheiten wäre aufwendig und deswegen entsprechend teuer. Wo sehr hohe Leistungen benötigt werden, kann dies ein Nachteil sein. Eine andere konstruktionsbedingte Einschränkung ergibt sich aus der Aufhängung des Wärmetauschers auf zwei langen Hebeln. Diese ist unproblematisch solange der Wärmetauscher ein geringes Gewicht hat, verursacht aber konstruktive Schwierigkeiten wenn der Wärmetauscher sehr schwer sein soll (zum Beispiel um hohen Drücken standhalten zu können). In rein theoretischer Hinsicht wäre es eleganter, wenn der Linearspiegel das Licht nicht nur näherungsweise auf das Ziel reflektieren würde, sondern analytisch genau (in den Grenzen der mechanischen Präzision). Um diese Beschränkungen zu überwinden, hat Isomorph in den Jahren 2010 und 2011 ein neues Konzentratorsystem entwickelt unter der vorläufigen Bezeichnung „Linear Spiegel II”. Dies kann beliebig vergrößert werden, der Wärmetauscher ist unbeweglich und der Konzentratormechanismus ist präzise.

Weblinks

• Patentbeschreibung August 2012 abgerufen 5. Februar 2013
• Leistungsmessung vom Fraunhofer Institut
• Artikel Linearspiegel in der Deutschen Handwerks Zeitung Ausgabe 19/2010
• Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB Artikel aus der Zeitschrift: Sonnenenergie ISSN: 0172-3278
• Weltneuheit in der Solartechnologie. Artikel in Wirtschaftsblatt.at

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