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Die Erfindung bezieht sich auf eine temperaturstabile Photovoltaikanlage in palmenähnlichem Erscheinungsbild mit einem Stammelement und mehreren, über flexible Verbindungselemente mit dem Stammelement in einer Radialebene radial verbundenen Astelementen sowie frei vom Wind anströmbaren Blattelementen mit darauf angeordneten Photovoltaikzellen.
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Der Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen ist stark temperaturabhängig und nimmt mit ansteigenden Temperaturen ab. Unter realen Bedingungen, beispielsweise auf einem Hausdach im Sommer, erzeugen die heißen Photovoltaikzellen gegenüber Solarzellen mit einer konstant niedrigen Zelltemperatur somit deutlich weniger Strom. Eine Kühlung der Solarzellen bringt hier Abhilfe. Da diese jedoch keinen Strom verbrauchen und auch einfach zu realisieren sein soll, bietet sich in der Regel eine natürliche Kühlung der Photovoltaikzellen durch eine Windströmung an. Herkömmlich Photovoltaikmodule sind jedoch starr angeordnet und fest verkapselt, sodass eine Kühlung durch Wind relativ uneffektiv bleibt.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 101 21 850 A1 beispielsweise ist die Kühlung von Photovoltaikmodulen zur Erhöhung der Leistungsausbeute mittels freier oder erzwungener Konvektion oder Wasserkühlung bekannt, wobei die Wasserkühlung zwar aufwändig, aber am effizientesten ist. Zur Kühlung wird die Rückseite der Module mit gut wärmeleitenden, korrosionsbeständigen und strukturierten Kühlkörpern, beispielsweise aus Aluminium, in der Form von Stiften, Rippen in gerader, gezackter oder welliger Form oder in Kombinationen von diesen als Turbulenzelemente beklebt. Ähnliche Maßnahmen sind aus der
DE 44 39 491 A1 bekannt. Die dort vorgestellte Photovoltaikzelle ist ebenfalls mit einer Metallplatte auf ihrer Rückseite versehen. Durch Rippen ergibt sich für vorbeiströmende Luft eine Kaminwirkung zur Abfuhr von Wärme aus der Oberfläche.
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Eine einfache Luftkühlung durch schmale Spalte zwischen den Photovoltaikmodulen und dem Substrat, auf dem diese starr angeordnet sind, in der Regel eine horizontale oder geneigte Dachkonstruktion, bleibt aber uneffektiv und erbringt nicht die gewünschte Verbesserung des Wirkungsgrades. Somit liegt es nahe, von dem klassischen Konzept der starren Photovoltaikmodule auf einem Dach abzugehen. Nach dem Vorbild der Natur bieten sich Baumstrukturen mit an Asten bewegbar angeordneten Blättern an. Diese können sich einerseits zur Photosynthese nach der Sonne ausrichten, andererseits werden sie vom Wind frei umströmt, in Windrichtung ausgerichtet und dabei gekühlt.
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Eine solche Baumstruktur für eine Photovoltaikanlage ist beispielsweise aus der
DE 195 02 949 A1 bekannt. Eine Haltevorrichtung in Baumform besteht aus den Komponenten Verankerung, Stammelement, Verzweigungen, Astelementen und Solarbüscheln. Die Solarzellen sind als eine Art Blatt auf die Astelemente aufgesteckt, sodass eine grobe Orientierung zur Haupteinstrahlrichtung ermöglicht wird. Eine Aussage über deren Kühlung durch Wind wird in dieser Druckschrift jedoch nicht getroffen. Diese Photovoltaikanlage ist in künstlerischer Art ausgestaltet, der Kronenaufbau kann insbesondere an existierende Baumarten angelehnt werden, und gewinnt neben der reinen Energieerzeugung einen zusätzlichen ästhetischen Wert, der ein große Nutzerakzeptanz und damit breite Vermarktung bedingt.
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In der
DE 198 31 692 C2 wird eine hybride Anlage für die Nutzung von Windkraft und Solarenergie offenbart. Zur Nutzung der Solarenergie ist die Anlage in Form eines Baumes ausgebildet mit mindestens einem zylindrischen Stammelement und mit mehreren, jeweils über ein flexibles Verbindungselement mit dem Stammelement verbundenen Astelemente, an denen Blattelemente mit darauf angeordneten Photovoltaikzellen befestigt sind. Die Astelemente sind in einer Radialebene des Stammelements angeordnet. Die flexiblen Verbindungselemente sind als Zylinder ausgebildet. Die Photovoltaikzellen können als Dünnschichtsolarzellen ausgebildet sein und werden auf den Blattelementen schon von jedem „leisen Lüftchen”, das den Baum durchzieht, bewegt und gekühlt. Auftretende Luftströmungen aus allen Windrichtungen können die baumartige Photovoltaikanlage durchströmen und so zur Kühlung der Photovoltaikzellen beitragen, sodass diese weitgehend temperaturstabil arbeiten. Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität werden jedoch nicht genannt. Die Nutzung der Windkraft erfolgt über Piezoelemente in den Verbindungselementen, auf die die Schwingungen der Ast- bzw. Blattelemente im Wind übertragen werden. Die Ausgestaltung der Anlage auch zur Nutzung von Windkraft ist aber für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, sodass ausschließlich die bekannte Photovoltaikanlage als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird. Die bekannte temperaturstabile Photovoltaikanlage hat einen Baum mit vielen kleinen Blättern an jedem einzelnen Ast zum Vorbild. Die Blattelemente tragen entsprechend kleine Photovoltaikzellen. Alle Zellen müssen zur Stromsammlung kontaktiert und verschaltet sein, Von jedem Blattelement bzw. Zweig, an dem es befestigt ist, muss eine Verdrahtung zu einer „Sammelschiene” im zugehörigen Astelement angelegt sein. Alle Sammelschienen werden dann im Stammelement vereinigt. Zur Kühlung werden die Blattelemente vom Wind frei umströmt und richten sich in diesem aus. Dabei bildet sich aber eine wärmeisolierende laminare Grenzschicht um jedes Blattelement bzw. hinter dem Umschlagpunkt eine turbulente Grenzschicht mit laminarer Unterschicht aus, die die Wärmeabfuhr von den Photovoltaikzellen und somit deren effiziente Kühlung behindert. Durch die Wahl der sehr kleinen Blattelemente bei der bekannten Photovoltaikanlage können diese alle an federnden Zweigen, Astelementen und Verbindungselementen befestigt sein. Alle Blattelemente biegen sich dann automatisch in die Windströmung. Dabei können auch relativ starke Winde, beispielsweise nach der Art einer Birke, durch Biegung kompensiert werden. Gerade aber das Vorsehen einer großen Anzahl von kleinen, einzelnen Blattelementen mit entsprechend kleinen Photovoltaikelementen in Verbindung mit einer Vielzahl von flexiblen Elementen ist aber in der Herstellung und Wartung sowie in der Stromsammlung sehr aufwändig und stellt den ästhetischen Standpunkt eindeutig vor den technischen. Eine Nachführung der Blattelemente nach der Sonne ist bei der bekannten Photovoltaikanlage nicht vorgesehen. Vielmehr werden in einer intelligenten Schaltung immer nur diejenigen Blattelemente an die Stromsammlung angeschlossen, die nach natürlichen Erkenntnissen der Sonne ausreichend zugeneigt sind. Hierbei handelt es sich um eine sehr aufwändige Ansteuerung, die viele verschiedene Parameter berücksichtigen muss. Eine einfachere Nachführung eines Photovoltaikpaneels über zwei Drehachsen ist aus der
DE 198 32 232 A1 bekannt.
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Weitere Photovoltaikanlagen in baumähnlichem Erscheinungsbild sind aus der
US 2006/0 011 194 A1 und aus der
DE 20 2004 007 992 U1 bekannt.
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Aus der
US 2005/0 045 224 A1 ist eine Photovoltaikanlage in Form einer Solarpalme bekannt, die mehrere Palmwedel, jeweils bestehend aus einem Astelement und einem einzigen, frei vom Wind anströmbaren Blattelement mit darauf angeordneten Photovoltaikzellen, aufweist, die kranzförmig in einer radialen Ebene in einen Stamm gesteckt sind. Dabei ist die Ebene nicht zum Stamm geneigt. Eine Neigung ist nur für einzelne Palmwedel vorgesehen, dann aber nicht in einer Anordnung in einer radialen Ebene. Die Astelemente bilden gleichzeitig die Verbindungselemente zum Stamm und sind so flexibel aufgebaut, dass sie ein Berühren der Blattelemente untereinander und mit dem Stamm bei stärkerem Windeinfluss nicht verhindern können, sodass hier ggfs. Beschädigungen auftreten können. Spezielle Maßnahmen für eine Windkühlung der Solarzellen zu deren Effizienzsteigerung bei höheren Temperaturen weisen die Blattelemente nicht auf, sodass insbesondere bei geringen Windverhältnissen keine Windkühlung erfolgen kann und die Solarpalme nicht temperaturstabil ist. Weiterhin weist die bekannte Solarpalme keine Mittel für eine Sonnen- oder Windnachführung auf. Ziel der bekannten Solarpalme ist eine möglichst genaue Nachahmung des natürlichen Vorbilds.
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Aus der
DE 100 22 236 A1 ist ein Verstellsystem für einen Solargenerator bekannt, das zum einen eine Nachführung an die aktuelle Himmelsrichtung (Azimut) und zum anderen an die aktuelle Höhe (Elevation) der Sonne ermöglicht. Dazu ist der Solargenerator auf einer vertikalen Drehachse und auf zwei mit einem vertikalen Versatz zueinander angeordneten horizontalen Drehachsen gelagert. Für die Azimutnachführung wird die vertikale Drehachse über eine Zahnstange verstellt, für die Elevationsnachführung wird ein Hydraulikzylinder betätigt, der die obere horizontale Drehachse relativ zu der unteren horizontalen Drehachse verschiebt und so eine Zu- oder Abnahme des Neigungswinkels des Solargenerators bewirkt. Beide Antriebe benötigen elektrische Energie zum Betrieb, sodass der Solargenerator kein autarkes System darstellt. Eine Anpassung des Solargenerators an die aktuellen Windverhältnisse ist bei dem bekannten Verstellsystem nicht vorgesehen.
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Schließlich ist aus der
DE 33 01 046 C1 eine Nachführungseinrichtung zum Ausrichten eines Gerätes nach einer bogenförmigen Bahn, beispielsweise zum Nachführen einer Solareinrichtung, bekannt, wobei die Bewegung des Gerätes um verschiedene Achsen erfolgt und die Bewegung um die zweite Achse und gegebenenfalls weitere Achsen zwangsläufig mit der Bewegung um die erste Achse durch mindestens ein Führungsglied mit einem mitbewegten Gelenkpunkt gekoppelt ist. Dabei schwenkt das Führungsglied um einen bezüglich der Hauptbewegung im wesentlichen festen Gelenkpunkt, wobei dieser außerhalb der ersten Achse des Gerätes liegt.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist darin zu sehen, eine Photovoltaikanlage in palmenähnlichem Erscheinungsbild zur Verfügung zu stellen, die eine besonders effektive Windkühlung der Photovoltaikzellen zur Reduktion des temperaturbedingten Wirkungsgradabfalls aufweist und dabei aber trotzdem einfach in Aufbau, Verschaltung und Herstellung ist. Weiterhin sollen auch eine einfachere Stromsammlung von den einzelnen Blattelementen und eine gezielte Ausrichtung der Photovoltaikzellen nach der Sonne ohne aufwändige Ansteuerprogramme erfolgen. Die gewählten konstruktiven Maßnahmen sollen dabei aber immer noch eine gute Ausrichtung der Blattelemente in der Windströmung zur optimalen Kühlung der Photovoltaikzellen und zur Vermeidung von Beschädigungen durch starke Winde ermöglichen. Insgesamt soll bei der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage der technische Aspekt nicht hinter dem ästhetischen zurückstehen, dabei soll aber der ästhetische Aspekt keinesfalls vernachlässigt werden. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden.
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Die beanspruchte Photovoltaikanlage in palmenähnlichem Erscheinungsbild weist nachfolgende Merkmale auf:
- • jedes Blattelement besteht aus einem sehr gut wärmeleitenden, länglich und dünn ausgebildeten Trägerelement mit Turbulenzelementen auf seiner Unterseite, das durch den Wind zum Schwingen angeregt wird, wobei die Turbulenzelemente so ausgebildet sind, dass sie durch Luftverwirbelung eine turbulente Strömung erzeugen, wobei das Blattelement durch den Wind zum Schwingen angeregt wird,
- • an jedem Astelement ist nur ein Blattelement angeordnet,
- • das flexible Verbindungselement ist an jedem Astelement als Blattfeder ausgebildet, die in ein zylindrisches Montageelement eingreift, das am oberen Ende des Stammelements in einer zur Radialebene des Stammelements geneigten Ebene als Ausgangsstellung angeordnet ist, und dass
- • zur Ausrichtung der Photovoltaikanlage sind in der Windströmung mehrere Umklapp- und Verdrehmechanismen vorgesehen, wozu das Stammelement bezogen auf das Montageelement eine vertikale Drehachse und zwei parallele, horizontal übereinander angeordnete Drehachsen aufweist, die jeweils über ein schwer- oder faderkraftbelastetes Rückstellelement in ihrer Drehung in eine Ausgangsposition rückführbar sind, wobei die Blattelemente mittelbar über die drei rückstellbaren Drehachsen ausschließlich und ohne weiteren Antrieb von einem aus beliebigen Windrichtungen anströmenden starken Wind in die Windströmung drehbar angeordnet sind.
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Die australische Schirmpalme „Licuala Ramsayi” diente bei der Erfindung als bionisches Vorbild für eine technische Konstruktion, welche im Bereich der Photovoltaik einen großen Beitrag zur Verbesserung des Problems des temperaturbedingten Wirkungsgradabfalls leisten kann. Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt im Sommer mit etwa einem Drittel deutlich unter dem vom Hersteller angegebenen, was eine erhebliche Ertragsminderung zur Folge hat. Die Herstellerangaben werden unter genau vorgeschriebenen Standardtestbedingungen bei 25°C Zelltemperatur gemessen, in Wirklichkeit kann diese jedoch an heißen Tagen in Deutschland bis zu 70°C betragen. Durch eine Kühlung der Solarzellen lässt sich dieser Effekt stark vermindern. Das Vorbild aus der Natur verfügt über ausgezeichnete Kühlungseigenschaften bei gleichzeitig hoher Flächenausnutzung für die Photosynthese. Trotz großer Blattfläche ist die Palme sturmsicher, da sie mehrere Mechanismen zum Schutz gegen Sturm besitzt. Bei der Entwicklung der Photovoltaikanlage nach der Erfindung wurden diese Eigenschaften umgesetzt und durch weitere noch sinnvoll ergänzt.
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Zusammenfassend gesehen besitzt die Photovoltaikanlage nach der Erfindung folgende Vorteile:
Gute Kühlungseigenschaften durch das Vorsehen einem sehr gut wärmeleitenden, länglich und dünn ausgebildeten Trägerelement für jedes Blattelement, das auf seiner Unterseite Turbulenzelemente aufweist. Durch die Turbulenzelemente wird die Ausbildung einer wärmeisolierenden Laminarströmung auf der Unterseite jedes Blattelements verhindert. Es entsteht eine turbulente Strömung, die das Blattelement zum Schwingen anregt und für eine gute und gleichmäßige Wärmeabfuhr sorgt. Eine weitere Verbesserung der Kühlung wird noch die die federnde Befestigung jedes Blattelements am Stammelement mit Hilfe von Blattfedern und durch die Neigung aller Blattelemente gegenüber der Radialebene des Stammelements erzielt eine besonders einfache Schwingungsanregung der Blattelemente durch den Wind ist so möglich. Durch die genannten Maßnahmen ist die Photovoltaikanlage nach der Erfindung auch bei verhältnismäßig geringer Windgeschwindigkeit temperaturstabil in nahezu allen Temperaturbereichen.
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Hohe Flächenausnutzung durch das Vorsehen von nur relativ wenigen Blattelementen. Jeder Ast trägt nur ein Blattelement mit relativ großen Abmessungen, wodurch sich einfach und effektiv Photovoltaikzellen mit einem guten Flächennutzungsgrad aufbringen lassen.
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Sturmsicherheit der Photovoltaikanlage ist gegeben durch das Vorsehen von drei Drehachsen und den sich elastisch verbiegenden Blattfedern. Über diese können sich die Blattelemente immer parallel zur Strömung ausrichten, um die Windangriffsfläche zu, sodass auch stärkere Winde keine Schäden hervorrufen können. Dabei wird kein Antrieb benötigt, wodurch sich der Wartungsaufwand für die Photovoltaikanordnung wesentlich verringert. Die Ausrichtung erfolgt durch den Wind, die Rückstellung der Blattelemente, wenn der Wind nachgelassen hat, erfolgt durch Rückstellelemente auf Basis der Schwerkraft bzw. einer Zugfeder.
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Hohe Technizität bei gleichzeitiger hoher Ästhetik ist gegeben durch die baumähnliche Ausbildung der Photovoltaikanlage nach dem Vorbild einer Palme. Es wird ein harmonisch aussehendes, palmenähnliches Erscheinungsbild geschaffen, das im täglichen Leben ohne weiteres eingepasst werden kann. Dabei ist aber gleichzeitig durch die hohe Technizität eine grolle Effektivität der Anlage unter allen Nutzungsbedingungen gewährleistet, sodass sich in optimaler Weise Schönheit und Nutzen verbinden.
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Weiterhin ist eine gute Witterungsbeständigkeit gegeben durch eine entsprechende Wahl von witterungsbeständigen Materialien und Verbindungen. Auch der geringe Verbindungs- und Verschaltungsaufwand zwischen nur immer einem Ast- und einem Blattelement trägt dazu bei. Diese wirken sich auch positiv auf die Mobilität bzw. Transportierbarkeit der Photovoltaikanklage aus, zumal alle Elemente bevorzugt vorteilhafterweise in ihrer Ausbildung und in ihrer Verbindung zueinander eine einfache Mobilität der Photovoltaikanlage bedingen. Durch diese Mobilität, Transportfreundlichkeit und die absolute Autarkheit der Photovoltaikanlage nach der Erfindung (es werden keinerlei zuführende Versorgungsanschlüsse benötigt) ist diese nahezu in allen Ländern der Erde einsetzbar.
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Zur Vermeidung von wärmeisolierender laminarer Strömung weist jedes Trägerelement auf seiner Unterseite, d. h. auf der den aufgebrachten Photovoltaikelementen abgewandten Seite, Turbulenzelemente zur Luftverwirbelung auf. Hierbei kann es sich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, um Rippen, Stifte oder andere Erhebungen handeln. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn jedes Trägerelement als dünnes Metallblech mit Löchern oder Sicken als Turbulenzelemente ausgebildet ist. Dies verhindert die Ausbildung einer gleichmäßigen Strömung und erzwingt an jedem Loch bzw. an jeder Sicke erneut eine turbulente Anlaufströmung ohne störende laminare Unterschicht. Weiterhin kann das dünne Metallblech bevorzugt vorteilhaft als Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Lochblech bzw. Sickenblech ausgebildet sein. Durch die sehr gute Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffes kann die Wärme nach unten abgeführt und vom vorbeiströmenden Wind abtransportiert werden. Weiterhin ist Aluminium sehr leicht und witterungsbeständig. Die Dicke des zur weiteren Erhöhung der Wärmeabfuhr federnd und geneigt eingespannten Trägerelements wird auf die im Betrieb zu erwartenden Windbelastungen ausgelegt und liegt in der Regel in einem Bereich von lediglich 1,5 mm. Zur weiteren Verbesserung der Kühlung der Photovoltaikzellen können die Trägerelemente auf ihrer Unterseite vorteilhaft bevorzugt eine die Wärmeabstrahlung fördernde Beschichtung aufweisen, sodass sich im Bereich der turbulenten Strömung eine besonders hohe Wärmeabstrahlung ergibt.
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Eine enorme Vereinfachung im Aufbau der Photovoltaikanlage nach der Erfindung ergibt sich durch die direkte Zuordnung von jeweils immer nur einem Blattelement zu einem Astelement. Die aus dem Stand der Technik hier bekannt aufwändige Herstellung und Verschaltung von einer Vielzahl von Blattelementen mit jeweils einem Astelement entfällt bei der Erfindung völlig. Nach dem Vorbild der Schirmpalme können bevorzugt bis zu maximal 20 Blattelementen am Umfang des Stammelementes angeordnet sein. Werden beispielsweise acht Blattelemente am Umfang des Stammsegmentes verteilt, so kann der sich ergebende Durchmesser beispielsweise 2,8 m betragen, was einer Fläche von ungefähr 6,2 m2 entspricht. Werden alle Blattelemente und die Oberfläche des Montageelements im Blattzentrum miteinbezogen, ergibt sich eine Gesamtnutzungsfläche für das Aufbringen der Photovoltaikzellen von etwa 4,6 m2 und stellt mit 74% einen guten Flächennutzungsgrad dar. Dabei kann es sich bei den Photovoltaikzellen bevorzugt um Dünnschicht-Solarzellen (beispielsweise Kupfer-Indium-Sulfid CIS oder amorphes Silizium) handeln, die relativ einfach herstellbar sind und ggfs. direkt auf das Trägerelement als Substrat flächig aufgebracht werden können. Auch die Verwendung von normalen mono- oder polykristallinen Silizium Solarzellen ist möglich.
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Eine Verbesserung der Kühlung wird durch eine leichte Neigung aller Blattsegmente zueinander (jeweils um die Längsachse) erreicht. Durch diese Maßnahme wird die Wärmeabfuhr durch den vorbeiströmenden Wind weiter verbessert, da die Blattelemente einzeln umströmt werden können und somit die Summe der Blattelemente keine planare Fläche bildet.
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An jedem Astelement ist bei der Photovoltaikanlage nach der Erfindung nur ein Blattelement angeordnet. Die Astelemente müssen daher nicht besonders in der Länge erstreckt und verzweigt sein, sondern können klein und kompakt sein. Bevorzugt werden bei der Erfindung Astelemente eingesetzt, die als geschlossenes Rechteckprofil ausgebildet sind, das auf seiner Oberseite mit dem Trägerelement und auf seiner Unterseite mit der Blattfeder verbunden ist. Es ergibt sich eine einfache Zugänglichkeit und Montage bei gleichzeitig hoher Stabilität. Weiterhin können für eine bessere Spannungsverteilung bei Biegung die Blattfedern bevorzugt regelmäßig trapezförmig ausgebildet sein, wobei die breitere Seite in das Montageelement eingreift. Vorteilhaft kann auch bevorzugt in geringem Abstand unterhalb jeder eingreifenden Blattfeder im Montageelement eine weitere Blattfeder eingreifen, die frei im Bereich unterhalb des Astelementes endet. Dort stützt die weitere Blattfeder mittelbar über das Astelement die obere Blattfeder, sodass eine Verbiegung der oberen Blattfedern in diese Richtung vermieden wird und es zu keiner Kollision mit dem Stammelement kommen kann. Zusätzlich haben die unteren Blattfedern die Funktion, schnelle Rückbewegungen der oberen Blattfedern zu dämpfen.
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Schutz vor Sturm wird bei der Photovoltaikanlage nach der Erfindung durch mehrere Umklapp- bzw. Verdrehmechanismen zur Ausrichtung in der Windströmung erreicht. Es gibt zum einen die Verbiegung der Blattfedern, welche bevorzugt aufgrund der besseren Spannungsverteilung in Trapezform ausgelegt sind und an deren schmalem Ende über die Astelemente die Blattsegmente angebracht sind. Zum anderen sind aber auch verschiedene Drehbewegungen der Blattelemente an drei Drehachsen bzw. an zwei Drehachsen und an einer Drehwelle, vorgesehen. Alle diese Mechanismen haben das Ziel, die Blattelemente parallel zum Wind ausrichten, um deren Windangriffsfläche zu verkleinern. Weitere Erläuterungen zur Ausführung der drei Drehlagerungen sind dem speziellen Beschreibungsteil anhand der anschaulichen Figuren zu entnehmen.
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Die Ausrichtung der Blattelemente nach dem Wind dient der Vermeidung von Zerstörungen, führt aber in der Regel dazu, dass die Photovoltaikzellen aus der hauptsächlichen Sonneneinstrahlrichtung herausgedreht werden. Damit die Solarzellen wieder eine optimale Position zur Sonneneinstrahlung einnehmen, wenn kein starker Wind mehr weht, verfügen die drei Drehachsen über Rückstellelemente. Dabei benötigt kein Rückstellelement einen elektrischen Antrieb, alle drei sind entweder durch Schwerkraft oder Federkraft zur Rückstellung belastet. Bevorzugt wird das Rückstellelement für die vertikale Drehachse, die der Verdrehung (Torsion) der Gesamtheit der Blattelemente um die vertikale kartesische Achse dient, von einer Feder im Inneren des Stammelements gebildet ist. Hierbei kann es sich um eine einfache Zugfeder handeln, die an einem Ende ortfest und am anderen Ende mit der Drehachse, die auch als Drehwelle bezeichnet werden kann, verbunden ist. Bei der Drehung wird die Zugfeder dann ausgelenkt und zieht sich kontinuierlich mit dem Nachlassen der auslenkenden Windkraft wieder zusammen. Die beiden horizontalen Drehachsen, die der Kippung der Gesamtheit der Blattelemente um die horizontale kartesische Achse dienen, sind übereinander angeordnet. Bevorzugt ist dabei die die untere horizontale Drehachse zwischen einem inneren Stammelementabschnitt und einem äußeren Stammelementabschnitt, der gabelförmig zum Durchlass des inneren Stammelementabschnitts ausgebildet ist, angeordnet und am inneren Stammelementabschnitt unterhalb der unteren horizontalen Drehachse ein Gegengewicht als Rückstellelement angeordnet. Die Auslenkung um diese Drehachse erfolgt also gegen die Schwerkraft des Gegengewichts. Bei Wegfall der Auslenkungskraft (Windkraft) führt das Gegengewicht die Drehachse wieder in die Ausgangsstellung zurück.
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Weiterhin kann bevorzugt vorteilhaft die obere horizontale Drehachse außermittig direkt unterhalb des zylindrischen Montageelements angeordnet sein. Als Rückstellelement wirkt dann die Schwerkraft der am Montageelement angeordneten Blattelemente. Die Blattelemente sind zentral über die Astelemente und die Blattfedern am Montageelement befestigt. Zur besseren Sonneneinstrahlung ist dieses beispielsweise mit 60° gegen das Stammelement geneigt. Dabei kann bevorzugt das Montageelement in seinem Neigungswinkel gegenüber dem vertikalen Stammelement als Ausgangsstellung in Abhängigkeit vom orts- und jahreszeitabhängigen Sonnenstand einstellbar sein. Durch diese Variierbarkeit der Neigung der Blattelemente können beispielsweise fünf verschiedene Einstellwinkel im Bereich von 10°–70° eingestellt werde. Dadurch wird die Nutzbarkeit der Photovoltaikanordnung nach der Erfindung in den allen Ländern der Erde während der unterschiedlichen Jahreszeiten sichergestellt. Bevorzugt kann für die Einstellung des Neigungswinkels ein an verschiedenen Positionen anordenbares Auflager vorgesehen sein. Bei sehr starkem und böigem Windangriff hebt sich das Montageelement mitsamt den Blattelementen dann von diesem Auflager ab und dreht sich um die obere horizontale Drehachse, bis es auf einem weiteren Auflager zum Aufliegen kommt. Zusätzlich erfolgt die beschriebene Auslenkung mit dem Gegengewicht. Bei nachfassender Windkraft dreht sich das Montageelement durch die Schwerkraft der Blattelemente dann wieder gegen das erste Auflager zurück. Weitere Ausführungen zu diesen Details sind ebenfalls dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
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Für die meisten Bauteile der Photovoltaikanordnung nach der Erfindung kann beispielsweise die Aluminiumlegierung EN AW 6082 gewählt werden. Dieser Werkstoff hat einen relativ hohen Magnesiumanteil und ist dadurch sehr witterungsbeständig. Teilweise ist auch die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen möglich. Bauteile, die aufgrund der geforderten Eigenschaften nicht aus Aluminium gefertigt werden können (Gegengewicht etc.), bestehen bevorzugt aus nichtrostendem Stahl. Die palmenähnliche Photovoltaikanordnung nach der Erfindung lässt sich zum Transport leicht in kleinere Baugruppen zerlegen, wodurch das Gesamtgewicht problemlos bewegt werden kann. Die Flexibilität der Blattfedern erlaubt das Umbiegen der Blattelemente von Hand und ermöglicht somit ein Arretieren der Blattelemente im umgebogenen Zustand zum Transport mit Hilfe eines Seils.
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Ausführungsbeispiel
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Ausbildungsformen der Photovoltaikanordnung (Akronym: PVA) nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen, teilweise perspektivischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 die PVA in einer Seitenansicht in normaler Arbeitsposition,
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1A eine Detailansicht der PVA im Bereich des Montageelements,
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1B eine Draufsicht auf die PVA,
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2 die PVA bei Wind von hinten, ausgehend von 1
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3A die PVA bei Wind von vorne, ausgehend von 1,
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3B die PVA bei weiterem Wind von vorne, ausgehend von 3A,
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4A die PVA bei Wind von der Seite, ausgehend von 1,
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4B die PVA bei weiterem Wind von der Seite, ausgehend von 4A,
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5A Detailansicht der PVA im Bereich des Montageelements mit starker Neigung gegenüber dem Sonnenstand und
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5B Detailansicht der PVA im Bereich des Montageelements mit geringer Neigung gegenüber dem Sonnenstand.
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Die 1 zeigt die Photovoltaikanordnung PVA in einer Seitenansicht in normaler Arbeitsposition, d. h. mit einem Neigungswinkel gegen die Sonne und ohne Drehung oder Auslenkung durch den Wind. Die PVA zeigt das palmenähnliche Erscheinungsbild einer australischen Schirmpalme mit einem Stammelement SE und mehreren, über flexible Verbindungselemente FVE verbundenen Astelementen AE. Mit den Astelementen AE sind frei vom Wind anströmbare Blattelemente BE verbunden, die auf ihrer Oberseite Photovoltaikzellen PVZ zur Solarstromerzeugung tragen. An jedem Astelement AE ist nur ein Blattelement BE angeordnet.
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In der 7A ist ein Detail der Photovoltaikanordnung PVA mit einem einzelnen Blattelement BE dargestellt. Es besteht aus einem sehr gut wärmeleitenden, länglich und dünn ausgebildeten Trägerelement TE mit Turbulenzelementen TBE auf seiner Unterseite, das durch den Wind zum Schwingen angeregt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Turbulenzelementen TBE um einfache Löcher LR, allerdings ist auch die Vorsehung von Sicken (dellenartige Vertiefungen) möglich. Die Photovoltaikzellen PVZ geben ihre Wärme an das Trägerelement TE ab, dort wird diese durch die turbulente Strömung an den Löchern LR vom Wind abgeführt. Bei einer Ausführung von durchgehenden Löchern LR wird ein Teil der Wärme auch durch diese hindurch direkt von den Photovoltaikzellen PVZ abgeführt. Bei einer Ausführung der Turbulenzelemente TBE als Sicken wird die gesamte anfallende Wärme über das Trägerelement TE abgeführt. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement TE ist als Lochblech LB aus Aluminium ausgebildet. Das Astelement AE ist als geschlossenes Rechteckprofil RP ausgebildet und trägt ein Blattelement BE. Zur Erzielung einer Neigung des Blattelements BE bezüglich seiner Längsachse erfolgt die Verbindung über einen Zwischenkeil ZK. Das Astelement AE verbindet das Blattelement BE mit dem flexiblen Verbindungselement FVE. Dieses ist im gewählten Ausführungsbeispiel als Blattfeder BF ausgebildet, die radial in einem zylindrischen Montageelement ME befestigt ist. Alle Blattfedern BF liegen in einer Radialebene des Montageelements ME. Zur besseren Biegespannungsverteilung sind die Blattfedern BF trapezförmig ausgebildet, die schmale Seite trägt das Astelement AE, die breite Seite ist im Montageelement ME befestigt. Weiterhin sind die Blattfedern BF im gewählten Ausführungsbeispiel mehrlagig aufgebaut (in den 1A, 1B durch einen Strich angedeutet). Dadurch können die Blattfedern BF ab einer bestimmten Windbelastung durch Abknickung reagieren (vergleiche auch 2, 3B). Unterhalb jeder Blattfeder BF ist eine weitere Blattfeder WBF mit einer ähnlichen Ausgestaltung wie die obere Blattfeder BF im Montageelement ME befestigt. Die weitere Blattfeder WBF endet im Bereich des Astelements AE und verhindert eine zu starke Zurückbiegung der oberen Blattfeder BF zur Vermeidung einer Kollision mit dem Stammelement SE und zur Dämpfung der Rückschwingung der oberen Blattfeder BF.
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Die 1B zeigt eine Draufsicht auf das Montageelement ME mit im Ausführungsbeispiel acht, in einer Radialebene angeordneten Blattelementen BE. Gut zu erkennen ist die Ausprägung der Trägerelemente TE. Ihre Form ist lanzettenförmig, außen breit und abgerundet, innen schmal und mit einer Aussparung AS versehen, die eine Verbiegung der Trägerelemente TE in Richtung Montageelement ME nicht behindert. Unterhalb der Aussparungen AS sind die oberen Blattfedern BF zu erkennen. Auf den Trägerelementen TE sind die Photovoltaikzellen PVZ, bei denen es sich beispielsweise um Dünnschichtsolarzellen PVZ auf Kupfer-Indium-Sulfid-(CIS-)Basis handeln kann, angeordnet (in 1B nur teilweise angedeutet, wobei die Teilung der einzelnen Dünnschichtsolarzellen PVZ nur beispielhaft gezeigt ist, die einzelnen Dünnschichtsolarzellen PVZ können größer oder auch ganzflächig auf dem Trägerelement TE ausgebildet sein). In der Mitte der Trägerelemente TE sind vier Verschraubungen zur Befestigung der Zwischenkeile ZW bzw. der Astelemente AE auf der Unterseite der Trägerelemente TE angedeutet. Gezeigt ist in 1B eine Ausführungsform der Trägerelemente TE mit Turbulenzelementen TBE in Form von Sicken auf der Unterseite der Trägerelemente TE, sodass auf der Oberseite der Trägerelemente TE keine Löcher sichtbar sind.
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Die Photovoltaikanordnung PVA nach der Erfindung ermöglicht eine große Temperaturstabilität der Photovoltaikzellen PVZ durch die ständige Windkühlung. In Verbindung mit einer einstellbaren Ausrichtung der Photovoitaikzellen PVZ können diese somit mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeiten und eine maximale Solarstromausbeute gewährleisten. Um Beschädigungen der Photovoltaikanlage PVA durch zu starken Wind zu vermeiden, weist diese bezogen auf das Montageelement ME eine vertikale Drehachse VD und zwei parallele, horizontal übereinander angeordnete Drehachsen OHD, UHD auf. Jede Drehachse VD, OHD, UHD ist über ein schwer- oder federkraftbelastetes Rückstellelement RSE in ihrer Drehung in eine Ausgangsposition rückführbar. Die Wirkungsweisen dieser Drehachsen VD, OHD, UHD und Rückstellelemente RSE sind den nachfolgenden 2 bis 4 zu entnehmen. Mittels dieser Elemente und der biegbaren Blattfedern BF sind die Blattelemente BE mittelbar von einem aus beliebigen Windrichtungen anströmenden starken Wind in die Windströmung drehbar, sodass durch die Minimierung der Windangriffsfläche keine Schäden entstehen können.
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Ausgehend von der 1 zeigt die 2 die Reaktion der Photovoltaikanlage PVA, wenn diese ein starker Wind SWH genau von hinten trifft. Das die Blattelemente BE tragende Montageelement ME dreht sich um die untere horizontale Drehachse UHD, die zwischen einem inneren Stammelementabschnitt ISA und einem äußeren Stammelementabschnitt ASA, der gabelförmig zum Durchlass des inneren Stammelementabschnitts ISA ausgebildet ist, angeordnet ist, zunächst in die Windrichtung. Dabei wird ein Gegengewicht GG, das für die untere horizontale Drehachse UHD das Rückstellelement RSE bildet, am unteren Ende des inneren Stammelementabschnitts ISA ausgelenkt. Befindet sich das Montageelement ME in der Vertikalen, werden zu weiteren Verringerung der Windangriffsfläche die Blattelemente BE an ihren Blattfedern BF nach vorne gebogen. Dieser Vorgang ist mit dem Schließen einer Blüte vergleichbar und führt zur Minimierung der Windangriffsfläche. Lässt der Wind nach, „öffnen” sich zunächst wieder die Blattelemente BE durch die Rückstellkraft der Blattfedern BF. Danach schwingt das Montageelement ME durch die Schwerkraftwirkung des Gegengewichts GG wieder in seine Ausgangsposition. Die gesamte Rückstellung erfolgt kontinuierlich in Abhängigkeit vom Nachlassen des Windes und läuft durch zwei Ölbremszylinder, welche das innere und äußere Stammelement ISA, ASA auf beiden Seiten verbinden, gedämpft ab.
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Ausgehend von der 1 zeigt die 3A eine erste Stellung der Photovoltaikanlage PVA bei starkem Wind SWV genau von vorne. Das Montageelement ME wird über die untere horizontale Drehachse UHD in die zum starken Wind SWH von hinten entgegen gesetzte Richtung ausgelenkt. Die 3B zeigt im Anschluss an die 3A, dass bei einer weiteren Zunahme des starken Winds SWV von vorne zunächst das Montageelement ME über die obere horizontale Drehachse OHD von einem Auflager AUF, an das es in einer eingestellten Neigungsposition anstößt, an ein weiteres Auflager ANS gedreht wird. Steht das Montageelement ME dann wieder senkrecht, schließen sich anschließend wieder die Blattelemente BE wie im Fall des starken Winds SWH von hinten zu einer weiteren Verringerung der Windangriffsfläche. Bei einem Nachlassen des Windes öffnen sich zunächst wieder die Blattelemente BE. Danach wird das Montageelemente ME durch das Gegengewicht GG wieder in die Vertikale gezogen. Als Rückstellelement RSE für die obere Drehachse ODA wirkt dabei die Schwerkraft des mit den Blattelementen BE bestückten Montageelements ME und die versetze Anbringung der oberen Drehachse ODA vom Schwerpunkt des bestückten Montageelements ME.
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In allen anderen Fällen, in denen der starke Wind nicht genau von hinten oder von vorne kommt, reagiert die Photovoltaikanlage PVA zunächst mit einer Drehung des Montageelement ME um die vertikale Drehachse VD, um das Montageelement ME mit den ausladenden Blattelementen BE in den Wind zu drehen. Die vertikale Drehachse VD befindet sich zwischen dem äußeren Stammelementabschnitt ASA, der an seinem oberen Ende auch die untere horizontale Drehachse UHD trägt, und einem Sockelelement SOE, das standfest mit dem Untergrund der Photovoltaikanlage PVA verbunden ist.
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Ausgehend von der 1 ist starker Wind SWS von der Seite in der 4A dargestellt. In der 4B ist dann ausgehend von der 4A wieder das Schließen der Blattelemente BE bei einer werteren Verstärkung des Winds dargestellt, wenn die Photovoltaikanlage PVA gemäß 4A in den Wind gedreht wurde, sodass sich nunmehr der Fall „starker Wind SWH von hinten” ergibt. Das Rückstellelement RSE für die Drehung um die vertikale Drehachse VD wird von einer Zugfeder SF gebildet, die zwischen dem äußeren Stammelementabschnitt ASE und dem Sockelelement SOE befestigt ist und bei einer Drehung des äußeren Stammelementabschnitt ASE ausgelenkt wird.
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Das zylindrische Montageelement ME ist am oberen Ende des Stammelements SE in einer zur Radialebene des Stammelements SE geneigten Ebene als Ausgangsstellung angeordnet. Der Neigungswinkel des Montageelements ME gegenüber der Sonneneinstrahlung wird durch die einstellbare Anordnung des Auflagers AUF festgelegt. In den 5A, 5B sind verschiedene Neigungswinkel dargestellt. In beiden Figuren ist auch zu erkennen, dass das Montageelement ME um die obere horizontale Drehachse OHD bis zur Berührung des weiteren Auflagers ANS drehen kann, wobei mit zunehmender Schrägstellung die mögliche Drehbewegung in die Vertikale immer kürzer wird.
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Bezugszeichenliste
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- AE
- Astelement
- ANS
- weiteres Anschlag
- AS
- Aussparung
- ASA
- äußerer Stammelementabschnitt
- AUF
- Auflager
- BE
- Blattelement
- BF
- Blattfeder
- FVE
- flexibles Verbindungselement
- GG
- Gegengewicht
- ISA
- innerer Stammelementabschnitt
- LB
- Lochblech
- LR
- Loch
- ME
- Montageelement
- OHD
- obere horizontale Drehachse
- PVA
- Photovoltaikanordnung
- PVZ
- Photovoltaikzelle
- RP
- Rechteckprofil
- RSE
- Rückstellelement
- SE
- Stammelement
- SF
- Zugfeder
- SOE
- Sockelelement
- SWH
- starker Wind von hinten
- SWS
- starker Wind von der Seite
- SWV
- starker Wind von vorne
- TBE
- Turbulenzelement
- TE
- Trägerelement
- UHD
- untere horizontale Drehachse
- VD
- vertikale Drehachse
- WBF
- weitere Blattfeder
- ZK
- Zwischenkeil