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Diese
Patentanmeldung stützt
sich auf die US-Provisional Patentanmeldung 60/619341, eingereicht
am 15. Oktober 2004.
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Vermeidung
der Verwindung eines gerahmten Solarmoduls und in einem ihrer Aspekte
betrifft sie Verfahren und Vorrichtungen, die eine Stützstange
beinhalten, die anfänglich
installiert werden kann oder mit der ein bestehendes gerahmtes Solarmodul
nachgerüstet
werden kann, um zu verhindern, dass der Rahmen des Solarmoduls unter verschiedenartigen
Belastungen verformt wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren sind bei der Verwendung von Photoelementen oder
dergleichen beträchtliche
Fortschritte gemacht worden, um Sonnenenergie direkt in brauchbare
elektrische Energie umzuwandeln. Typischerweise werden eine Vielzahl
von Photoelementen zwischen einer transparenten Schicht (z.B. Glas,
Kunststoff usw.) und einer transparenten oder opaken Rückseitenschicht
eingeschlossen, um flache, rechtwinklige Module (manchmal auch als "Laminate oder Elemente" bezeichnet) von
handhabbarer Größe (z.B.
2 ½Fuß × 5 Fuß) zu bilden.
Diese Module oder Laminate werden typischerweise in einem Rahmen
gehalten, der den Umfang des Moduls einfasst. Der Rahmen dient dem Schutz
des Moduls vor Biegung und kann zum Montieren des Moduls verwendet
werden. Solche gerahmten Module werden dann an eine Stelle transportiert,
an der sie zu einer Anordnung auf einem Dach eines Bauwerks oder
dergleichen zusammengebaut werden, wo die Anordnung der Sonne ausgesetzt
wird.
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Bei
bisherigen Installationen von Solarzellenanordnungen ist es typisch,
die Rahmen der Module auf Dachbefestigungssysteme (d.h. Abstandshalter)
zu befestigen, die ihrerseits an einem Dach eines Bauwerks befestigt
werden. Damit diese Module dauerhaft Bestand haben, müssen sie
allen Hebungen, Anpresskräften
und lateralen Belastungen (sowohl Druck als auch Spannung) widerstehen,
denen die Module während
ihrer Betriebsdauer ausgesetzt werden. Es ist häufig zweckmäßig, die gerahmten Module auf
einem Dach oder einer anderen Struktur zu montieren, indem nur die
Enden des Modulrahmens auf beabstandete Träger (z.B. Querstücke) auf dem
Dach oder einer anderen Struktur befestigt werden, statt den Rahmen
auf Dachträger
oder Querstücke
zu befestigen, die an einer Stelle oder Stellen zwischen den Enden
der Rahmen positioniert sind. Leider erweisen sich aber die Rahmen
von vielen bekannten, typischen gerahmten Modulen als unzulänglich,
insbesondere bezüglich
des Standhaltens von lateralen Belastungen am Modul bei rigiden
Bedingungen und insbesondere wenn nur die Enden der Rahmen an den
Befestigungsauflagen gesichert sind.
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In
einigen Umgebungen bewirkt z.B. eine große Ansammlung von Schnee und
Eis auf der Oberfläche
des Laminats eines gerahmten Solarmoduls, dass der Rahmen sich in
einem Umfang verformt, der das Modul selbst ernsthaft beschädigen kann.
In ähnlicher
Weise können
starke Windströme oder
andere Umgebungsfaktoren bewirken, dass der Rahmen sich biegt oder
auf andere Weise deformiert wird, was wiederum ernste Schäden am Modul
verursacht. Dementsprechend müssen,
damit ein gerahmtes Solarmodul in solchen Umgebungen über eine längere Lebensdauer
funktioniert, die Rahmen dieser Solarmodule stark und stabil genug
sein, um den stärkeren
Belastungen standzuhalten, denen man in diesen Umgebungen typischerweise
begegnet.
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Leider
gibt es eine große
Zahl von vorhandenen gerahmten Solarmodulen, die bereits installiert worden
sind, bei denen nur das Ende der Rahmen an die Montagestrukturen
befestigt worden sind. In vielen Gebieten, in denen rigide Wetterbedingungen vorliegen,
kann dies die Verformung der Rahmen der Module und damit die Zerstörung der
Module selbst verursachen. Um sicher zu sein, dass das nicht passiert,
müssten
diese gerahmten Module durch Module ersetzt werden, die Rahmen besitzen,
die geeignet sind, den schädigenden
Belastungen zu widerstehen. Diese wäre offensichtlich sehr teuer
und zeitaufwendig und in vielen Fällen für die meisten Nutzer untragbar.
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Dementsprechend
besteht ein Bedürfnis nach
gerahmten Solarmodulen mit stabileren Rahmen, die einer Verformung
unter rigiden Bedingungen widerstehen können, und es besteht ein Bedürfnis nach
der Modifizierung der Rahmen von vorhandenen Solarmodulen zur Vermeidung
ihrer Verformung, insbesondere wenn solche Module installiert sind,
indem nur die Enden des Rahmens an den Befestigungsauflagen befestigt
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Vermeidung der Verformung des Rahmens eines gerahmten Solarmoduls selbst
unter den rigidesten Wetterbedingungen bereit. Ein wichtiges Element
in der vorliegenden Erfindung ist ein Stützstangenelement, das zum Zeitpunkt der
Herstellung des gerahmten Moduls in den Rahmen installiert werden
kann oder als "Nachrüstung" installiert werden
kann, nachdem das gerahmte Solarmodul in Gebrauch genommen worden
ist.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein gerahmtes Solarmodul mit
einem Rahmen, der seinerseits zwei Seitenträger umfasst, die durch Endelemente
unter Bildung eines rechteckigen Rahmens miteinander verbunden sind.
Typischerweise verwinden sich Rahmen nach dem Stand der Technik in
der Regel, wenn sie merklichen Druck- und/oder Zugbelastungen ausgesetzt
sind, z.B. Belastungen, die durch das Gewicht von angehäuftem Eis
und Schnee auf dem Laminat im Rahmen verursacht werden, insbesondere
wenn der Rahmen über
die Enden des Rahmens montiert ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird mindestens ein Stützstangenelement zwischen
den Seitenträgern
an einer Stelle zwischen den Enden der Träger befestigt. Das Stützstangenelement
beinhaltet eine Stange mit einer Gestalt und aus einem Material,
das in der Lage ist, sowohl den Druck- als auch den Zugkräften zu
widerstehen, denen der Rahmen während
dessen Gebrauchs ausgesetzt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet das Stützstangenelement
eine Stange von ausreichender Länge,
um sich zwischen die Seitenträger
des Rahmens zu erstrecken. Die bevorzugte Stange hat einen U-förmigen Querschnitt
und besteht aus einem Material (z.B. verzinktem Stahl), das in der
Lage ist, sowohl den Druck- als
auch den Zugkräften
zu widerstehen, die auf den Rahmen wirken. Die Stange hat eine Spitze
an jedem Ende, durch die das Stangenelement an den Rahmen befestigt
wird. Jede Spitze beinhaltet eine Platte, die senkrecht zur Längsachse
der Stange ist und einen Aufhänger
am oberen und unteren Ende davon aufweist.
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Diese
Aufhänger
eignen sich dazu, in betreffende Passagen (z.B. Schraubdome) positioniert
zu werden, die ihrerseits entlang der Innenlänge der Seitenträger verlaufen,
um dadurch das Stützstangenelement
im Rahmen zu befestigen. Wiederum können diese Stützstangenelemente
anfänglich
zum Zeitpunkt der Herstellung im Rahmen installiert werden oder
später
als Nachrüstung
für bestehende Rahmen
hinzugefügt
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Der
eigentliche Aufbau und ersichtliche Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden bei Bezugnahme auf die Zeichnungen, nicht notwendigerweise den
Maßstab,
besser verständlich,
wobei entsprechende Nummern entsprechende Teile identifizieren und
worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines typischen gerahmten Solarmoduls ist,
das auf einem Dach von einem Bau installiert ist;
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2 eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des gerahmten Solarmoduls der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht von einem Abschnitt eines Seitenträgers des
Rahmens des Solarmoduls von 2 ist;
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4 eine
Schnittansicht des Rahmens des Solarmoduls von 2 entlang
der Linie 4-4 von 3 ist;
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5 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform der Stützstange
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine
Stirnansicht der Stützstange
von 5 bei Blickrichtung entlang der Linie 6-6 von 5 ist;
und
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7 eine
Stirnansicht von einer anderen Ausführungsform der Stützstange
von 5 ist.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wird, ist verständlich,
dass diese Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Erfindung soll
im Gegenteil alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente
umfassen, die im Geist und Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert,
enthalten sein können.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung veranschaulicht nun 1 ein
typisches gerahmtes Solarmodul 10, das auf einem Dach 11 gemäß bekannten Installationstechniken
montiert worden ist. Wie in der Technik verständlich, ist das gerahmte Modul 10 typischerweise
durch Anordnen einer Mehrzahl von Photoelementen (nicht gezeigt)
zwischen einer Schicht von einem transparenten Material (z.B. Glas,
Kunststoff usw.) und einem geeigneten Unterlagenmaterial in einem
Rahmen 12 gebildet, wodurch das fertige gerahmte Modul
tatsächlich
ein flaches plattenartiges PV-Laminat 13 ist, das im Rahmen 12 gehalten
wird. Der Rahmen 12 kann direkt am Dach angebracht sein
oder der Rahmen 12 des gerahmten Moduls 10 kann
wie veranschaulicht auf Montageaufbauten (d.h. Pfannen, "Abstandshalter" oder Dachträger 14 oder
dergleichen) positioniert und durch Bolzen, Klemmen usw. (nicht
gezeigt) daran befestigt werden. Wie in 1 gezeigt,
kann das gerahmte Modul nur durch Befestigen der Enden des Rahmens
an den Montageaufbau 14 an den Montageaufbau angebracht
werden. Das gerahmte Modul 10 ist so positioniert, dass
die photovoltaischen Zellen darin der Sonne ausgesetzt sind, um
die Sonnenenergie direkt in Elektrizität umzuwandeln, wie es in der
Technik verständlich
ist. In 1 ist nur ein solches montiertes
gerahmtes Modul gezeigt. Es ist aber verständlich, dass eine Mehrzahl
von gerahmten Modulen montiert werden können, um z.B. eine Anordnung von
montierten gerahmten Modulen auf einem Dach oder einem anderen Aufbau
zu bilden.
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Der
Rahmen 12 wie veranschaulicht ist im Grunde genommen ein
Rahmen, der gut bekannt ist und einer, der beim Bau von mehreren
handelsüblichen
gerahmten Solarmodulen, die derzeit weltverbreitet im Einsatz sind,
verwendet wird. Wie in den 1 bis 4 gezeigt,
umfasst der Rahmen 12 zwei Seitenträger 15, die an beiden
Enden durch Endelemente 16 (in 1 nur eins
gezeigt, wobei das andere aus Gründen
der Klarheit entfernt wurde) miteinander verbunden sind, um in diesem
Fall einen rechteckigen Rahmen zu bilden. Andere Rahmenformen, wie
quadratische Rahmen, können
verwendet werden. Jeder Seitenträger 15 ist
typischerweise ein Spiegelbild des anderen, so dass nur einer ausführlich beschrieben
wird. Der Seitenträger 15 ist
eine Länge
(z.B. 4 bis 5 Fuß)
von einem geeigneten Material (z.B. Aluminium). Jeder Träger 15 weist
einen Kanal 17, der entlang der Oberseite verläuft, und
einen einwärts
gerichteten Befestigungsflansch 15a zur Montage des Rahmens
auf einem Dach auf. Jeder Seitenträger weist auch eine obere Passage 18, die
wie gezeigt zylindrisch sein kann und längs entlang der Länge des
Trägers 15 unmittelbar
unter Kanal 17 verläuft,
und eine untere Passage 19, die wie gezeigt zylindrisch
sein kann und längs
entlang des unteren Rands des Trägers 15 verläuft, auf.
Die Endelemente 16 sind typischerweise aus dem gleichen Einsatzmaterial
wie das Einsatzmaterial, das zur Erstellung der Seitenträger 15 verwendet
wird. Daher weisen die Endelemente 16 typischerweise gleiche Kanäle, Flansche
und Passagen wie die Seitenträger 15 auf.
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Wie
am besten aus 2 ersichtlich, ist das plattenartige
PV-Laminat 13 mit den Photoelementen darin in den Kanälen 17 der
beiden Seitenträger 15 angeordnet
und darin mit einer Substanz 20 (z.B. Warmbutyl oder Butylband)
befestigt. Die Elemente 16 sind an ihren betreffenden Enden
an Trägern 15 durch
Schrauben, Bolzen oder ein entsprechendes Mittel zur Befestigung
(nicht gezeigt) befestigt, die ihrerseits durch das Endelement und
in die betreffenden Passagen 18 und 19 der Seitenträger 15 einfädeln oder
in anderer Weise durchgehen. Wenn die Endelemente 16 aus
dem gleichen oder einem ähnlichen
Einsatzmaterial wie die Seitenträger 15 sind, können die
Enden des Laminats in den Kanal der Endelemente 16 eingepasst
werden und werden vorzugsweise eingepasst und typischerweise mit
einer Substanz wie Warmbutyl oder Butylband gesichert. Obwohl nur
ein relativ kurzer Teil von jeder Passage 18, 19 für die betreffenden
Schrauben oder ein anderes Mittel zur Befestigung erforderlich ist,
werden Seitenträger 15 (z.B.
Aluminiumkanalmaterial) routinemäßig mit
Durchgängen 18, 19 (in
der Industrie gewöhnlich
als "Schraubdom" bekannt) hergestellt,
die sich entlang der ganzen Länge
der Träger
erstrecken.
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Wenn
gerahmte Module 10, wie die vorstehend beschriebenen, auf
Dächern
oder dergleichen installiert werden, wird der Rahmen 12 häufig nur
an oder nahe an seinen Enden befestigt (siehe 1), wodurch
der Rahmen 12 mit einer relativ reduzierten Stütze über seine
Länge gelassen
wird. In manchen Umgebungen stellt das kein Problem dar. In Umgebungen,
in denen rigide Wetterbedingungen auftreten können (z.B. Schnee, Eis, Wind
usw.), kann aber ein Rahmen, der entlang seiner Länge nicht
gestützt wird,
zu einem frühen
Versagen des gerahmten Moduls 10 führen. Wie ohne weiteres ersichtlich,
beeinträchtigt
ein solches Versagen ernsthaft die Verwendung der Solarmodule in
diesen Gebieten, und vor dieser Erfindung war es zeitaufwendig und
teuer, gerahmte Solarmodule auszubessern, die unter solchen Bedingungen
bereits installiert wurden.
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In
kühlen
Gegenden können
sich z.B. Schnee und/oder Eis auf der Oberfläche des Moduls 10 anreichern
und dessen Gewicht kann eine starke Verwindung des Rahmens verursachen,
die ihrerseits zur Schädigung
oder Zerstörung
des Moduls selbst führen
kann. Es ist festgestellt worden, dass die nicht gestützten Seitenträger 15 des
Rahmens an einem typischen endmontierten gerahmten Solarmodul sich
in der Regel unter der Last verziehen, und dass die Träger sich
nach außen
neigen, statt im wesentlichen vertikal zu bleiben, manchmal mit
einer Ablenkung bis zu einem Winkel von 45°. Dies schwächt den Rahmen und ermöglicht es,
dass Drücke
und Spannungen sich auf der Glasoberfläche des Moduls aufbauen, was
schließlich
dazu führt, dass
das Glas unter dem Gewicht von Schnee/Eis bricht. Dieser Befund
war überraschend,
da es mit anderen Ansätzen,
einschließlich
der Verwendung von deutlich stärkeren
Rahmen, nicht gelungen ist, Module herzustellen, die diesen Lasten
in endmontierten gerahmten Modulen standhalten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein oder mehr Stützstangenelemente
an Punkten entlang der Längen
der Seitenträger 15 (z.B.
Mittelpunkt zwischen ihren Enden) vorgesehen. Diese Stützstangen überspannen
das gerahmte Modul von einem Seitenträger 15 zum anderen. Das Stützstangenelement
liefert nicht nur Zugfestigkeit für den Rahmen, um die Seitenträger vor
dem Biegen nach außen
zu schützen,
sondern stellen auch bevorzugt Druckfestigkeit bereit, um die Seitenträger vor
dem Biegen nach innen zu schützen.
Das Stangenelement dient auch dazu, es zu vermeiden, dass die Träger sich von
der Vertikalen einwärts
oder auswärts
verziehen. Diese Stützstangenelemente
können
durch jedes übliche
Mittel, z.B. Bolzen, Schrauben, Schweißen, Klebstoffe usw., an den
Rahmen 12 angebracht werden, sie werden aber bevorzugt
in einer nachstehend beschriebenen Weise befestigt.
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Grundsätzlich umfasst
das Stützstangenelement 25 (2, 5 und 6)
eine Stange 26 mit einer ausreichenden Länge, um
sich zwischen den Trägern 15 des
Rahmens 12 zu spannen, und besteht aus einem geeigneten
Material, das in der Lage ist, sowohl Druck- als auch Zugkräften zu
widerstehen, wie Druck- und Zugkräften, die auf den Enden des
Stützstangenelements
in der gleichen Richtung wie die Längsachse des Stützstangenelements
wirken. Beispiele für
solche Materialien sind Aluminium und dessen Legierungen, Edelstahl
oder bevorzugt verzinkter Stahl. Die Stange 26 kann verschiedene Querschnittskonfigurationen
annehmen (z.B. rund, rechteckig, dreieckig usw.) und sie kann massiv
oder hohl sein und kann eine Querschnittsform wie ein "U" oder ein V" aufweisen. Die Stange 26 ist
wie gezeigt bevorzugt mit einem U-förmigem
Querschnitt gebildet, bei dem der Boden des U relativ flach statt
gekrümmt
ist (6). Eine solche Konfiguration liefert die notwendige
Festigkeit, wobei sie leichter und weniger teuer in der Herstellung
als eine massive Stange ist.
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Ein
Mittel zur Befestigung des Stangenelements 25 an den Rahmen 12 (z.B.
Spitze 27) ist an beiden Enden der Stange 26 angeordnet.
Jede Spitze 27 weist eine Platte 28 auf, die senkrecht
zur Längsachse
der Stange steht. Die Platte 28 beinhaltet einen oberen
Aufhänger 29 und
einen unteren Aufhänger 30 für den nachstehend
beschriebenen Zweck. Die Spitzen 27 können integriert mit der Stange
durch Extrusion oder Stampfverfahren gebildet sein, aber wegen der
damit verbundenen Kosten werden die Spitzen 27 bevorzugt
gesondert gebildet und dann an den betreffenden Enden der Stange durch
irgendein geeignetes Mittel, z.B. Schweißen, 31 befestigt. Wie in 6 gezeigt,
ist die Stange 26 bevorzugt wirksam an der Platte 28 zwischen
zwei Trägern 33 zentriert,
die ihrerseits an den Seiten der Platte 28 befestigt sind,
wobei geeignete Schweißverbindungen
durchgeführt
werden, um die Spitze 27 am Ende der Stange 26 zu
sichern. Spitzen 27 (d.h. Platte 28 und Träger 33)
sind bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Stange 25 gebildet.
Bevorzugt ist aus dem nachstehend beschriebenen Grund die U-förmige Stange 26 an
Spitzen 27 in einer umgekehrten Position befestigt (6).
Die in 7 gezeigte Ausführungsform ist tatsächlich die
gleiche wie die vorstehend beschriebene, außer dass die Stange 26 nur
an einen Träger 33a geschweißt ist, der
integriert mit der Platte 28 gebildet werden kann, indem
ein einzelnes Stück
des Einsatzmaterials gebogen wird.
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Zum
Zusammenbau der Stangenelemente 25 in den Rahmen 12 kann
die Stützstange 26 nach Bedarf
zuerst mit einem Isoliermaterial isoliert, z.B. mit einem Isolierband
umhüllt,
werden. Das Stangenelement 25 wird dann manipuliert, um
die Aufhänger 29, 30 an
den Spitzen 27 an jedem Ende der Stange 26 in
die Passagen bzw. Schraubendome 18, 19 zu positionieren,
und das Stangenelement wird an der gewünschten Stelle entlang der
Seitenträger 15 positioniert.
Das Element 25 wird bevorzugt so positioniert, dass die
umgekehrte oder flache Oberfläche 26a (6)
der U-förmigen
Stange 26 der Unterseite 13a des plattenartigen
PV-Laminats 13 gegenübersteht
(2). Dies ist wichtig, da das PV-Laminat, selbst
mit Stangen 25 vor Ort, unter rigiden Bedingungen immer
noch durchbiegen kann, so dass es mit der Stange in Kontakt kommt.
Wenn die Beine der U-förmigen
Stange aufwärts
in Richtung des Laminats 13 gerichtet wurden, könnten sie
das Laminat beim Kontakt durchbohren oder in anderer Weise beschädigen. Somit
ist in einer Ausführungsform
der Erfindung eine Schraube, eine Niete, ein Bolzen, ein Kleber
oder ein ähnliches
Befestigungsmittel nicht notwendig, um das Stützstangenelement an dem Rahmen
zu befestigen. Ein solches Stützstangenelement
gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung kann einfach durch die Platzierung der Aufhänger in den
Passagen in dem Rahmen wie gerade beschrieben ohne den Einsatz von
Schrauben, Bolzen, Nieten, Kleber oder einem anderen Befestigungsmittel an
den Rahmenseitenträgern
angebracht werden. In anderen Ausführungsformen können Schrauben, Bolzen,
Nieten, Kleber oder ein anderes Befestigungsmittel verwendet werden,
um das Stützstangenelement
an den Rahmen anzubringen.
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Obwohl
ein Stützstangenelement 25,
das sich in der Mitte zwischen den Enden der Träger 15 befindet, gewöhnlich ausreicht,
um unter den meisten Bedingungen eine Verwindung des Rahmens 12 zu
verhindern, können
zusätzliche
Stangen entlang des Rahmens verteilt werden, falls dies als notwendig
erachtet wird. Diese Stützstangen
können
auch hinzugefügt
werden, wenn der Rahmen anfänglich hergestellt
wird und vor der Installation. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist aber die Tatsache, dass die vorliegende Erfindung
verwendet werden kann, um ohne weiteres viele der vorhandenen gerahmten
Solarmodule, die heutzutage verwendet werden, "nachzurüsten", indem das Stützstangenelement der vorliegenden
Erfindung bei gerahmten Solarmodulen hinzugefügt wird, selbst nachdem die
Module installiert worden sind.
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Die
US-Provisional Patentanmeldung 60/619341, eingereicht am 15. Oktober
2004, wird hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren
und Vorrichtung zur Vermeidung der Verwindung eines Rahmens von
einem Solarmodul (10), wobei der Rahmen (12) zwei
Seitenträger (15)
umfasst, die durch Endelemente miteinander verbunden sind, um einen
rechteckigen Rahmen zu bilden. Mindestens ein Stützstangenelement (26)
ist an den Trägern
an einem Punkt zwischen deren Enden befestigt und erstreckt sich
zwischen ihnen. Die Stützstange
ist von einer Gestalt und aus einem Material, die in der Lage sind,
sowohl den Druck- als auch
den Zugkräften
standzuhalten, die auf den Rahmen angewendet werden.