DE20305124U1 - Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen - Google Patents

Description

Gebrauchsmusteranmeldung "Gerät zur Sonnennachführung vort€olarenergieanlagen" - Beschreibung Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen

Die Sonne verändert im Tagesverlauf ihre Position relativ zu einem Standort auf der Erde. Will man die Solarenergie auffangen und nutzen, so ergibt sich das Problem, dass sich bei schrägem Einfall des Sonnenlichts eine gegebene Fläche geometrisch verkleinert, und zwar mit dem Kosinus der Abweichung zwischen dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und der Senkrechten zu der Fläche. Durch den schrägen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und die damit verbundene geometrische Verkleinerung einer gegebenen Fläche verringert sich entsprechend die auf dieser Fläche auftreffende Sonnenstrahlung.

Da die Sonneneinstrahlung auf eine gegebene Fläche am höchsten ist, wenn die Sonne zu jedem Zeitpunkt senkrecht auf diese Fläche einstrahlt, ist es sinnvoll, eine zur Aufnahme der Sonnenenergie bestimmte Fläche einer Solarenergieanlage so dem Lauf der Sonne nachzuführen, dass die Sonnenstrahlung zu jedem Zeitpunkt senkrecht auf diese Fläche einstrahlt oder die Abweichung von einer senkrechten Sonneneinstrahlung möglichst gering ist.

Eine einfache und wirksame Möglichkeit die sich aus einem schrägen, nicht senkrechten Einstrahlwinkel ergebenden Einstrahlungsverluste zu verringern oder zu vermeiden, besteht darin, die Bauelemente einer Solarenergieanlage, die der Aufnahme der Solarenergie dienen, im Folgenden Solarenergieaufnahmeelemente (50) genannt, nicht auf einer ebenen Erdoberfläche oder in einer parallelen Ebene zu einer ebenen Erdoberfläche anzuordnen, sondern entweder mit einem festen oder mit einem veränderbaren Winkel gegenüber einer ebenen Erdoberfläche oder mit einem festen oder veränderbaren Winkel gegenüber einer parallelen Ebene zu einer ebenen Erdoberfläche an-

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zuordnen und der Sonnenbewegung mit Hilfe eines Motors (17) und einer Steuerung (15) durch Drehung um eine senkrechte Achse nachzuführen.

Bei den Solarenergieaufnahmeelementen (50) kann es sich um Photovoltaikmodule, Warmwasserkollektoren oder beliebige andere Elemente handeln, die die Fähigkeit haben, Solarenergie aufzunehmen und nutzbar zu machen.

Der Gewinn, der sich durch Sonnennachführung gegenüber unbeweglich montierten Solarenergieaufnahmeelementen (50) ergibt, beträgt im Jahresdurchschnitt bis zu 40%. Die kostenwirtschaftliche Sinnhaftigkeit einer Sonnennachführung wird durch diesen Wert begrenzt. Übersteigen die Kosten der Sonnennachführung diesen Wert, so rentiert sie sich aus kostenwirtschaftlicher Sicht nicht.

Bisher ist es nicht gelungen, Sonnennachführungen mit ausreichender Funktionssicherheit und Stabilität so kostengünstig herzustellen, dass ihr Einsatz aus kostenwirtschaftlicher Sicht angezeigt ist.

Sonnennachführungen üblicher Bauart weisen entweder einen Masten auf, der senkrecht mit einem Fundament im Boden verankert ist und an dessen oberen Ende die Solarenergieaufnahmeelemente (50) zentral und drehbar befestigt sind, oder sie weisen ein Gestell auf, auf dem die Solarenergieaufnahmeelemente (50) oben befestigt sind und an dessen unterem Ende sich Räder befinden, die auf ebenem Boden, einer Grundplatte oder auf einer Schiene einer kreisförmigen Bahn folgen.

Bei der Bauart mit einem Masten ist die Größe der Solarenergieanlage begrenzt, da besonders bei Sturm sehr hohe Windlasten an der

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Solarenergieanlage auftreten und sowohl der Mast so stabil gebaut und im Boden verankert sein muss als auch das Tragegestell für die Kollektoren so aufwendig gebaut sein muss, dass eine solche Sonnennachführung einer Solarenergieanlage nicht kostenwirtschaftlich ist oder nur einen geringen kostenwirtschaftlichen Vorteil bietet.

Bei der Bauart mit einem Gestell und Rädern treten folgende Probleme auf:

- Der Untergrund muss sehr eben sein und darf nicht verschmutzen, damit die Räder problemlos laufen können. Dies ist bei Freilandaufstellung - und Solarenergie wird i.d.R. im Freien „geerntet" eine Aufgabe, die bislang, mit Lösungen auf dem Stand der Technik nur mit hohen Kosten gelöst wird.

- Die Sonnennachführung muss motorisch angetrieben werden, wenn sie automatisch erfolgen soll. Dazu können entweder die Räder direkt angetrieben werden, oder für den Antrieb muss eine zusätzliche Einrichtung zur Übertragung der Motorkräfte verwendet werden, die auch zusätzliche Kosten verursacht. Werden die Räder direkt angetrieben, so müssen ausreichend viele Räder angetrieben werden, so dass ausreichender Kraftschluss zum Untergrund gegeben ist.

- Wählt man eine Lösung mit Schiene, so müssen die Räder - wie bei einer Eisenbahn - in einer für Schienen geeigneten Weise ausgeführt werden, was zusätzliche Kosten verursacht; außerdem verursacht die Schiene selbst Kosten.

Neben den erheblichen Kosten ist speziell bei der Bauart mit einem Gestell und Rädern die Verschmutzung der Lauffläche ein ernstes

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Problem für die Funktionssicherheit der Sonnennachführung. In der Praxis kann eine sehr starke Verschmutzung durch Sand, Laub und abgebrochene Äste oder sonstigen Unrat entstehen, die zum Versagen der Sonnennachführung führen kann.

Durch die in den Schutzansprüchen beschriebenen Lösungen können Geräte zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen mit ausreichender Stabilität und Funktionssicherheit zu weit geringeren Kosten hergestellt werden als dies mit bekannten Lösungen möglich ist.

Merkmale dieser in Schutzanspruch 1 beschriebenen Lösung sind ein Bodenring (11), darauf montierte Trag- und Führungselemente (9) und ein drehbar gelagerter Tragring (13).

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

- Der Tragring (13) dient einerseits als Grundrahmen für die Anordnung von Solarenergieaufnahmeelementen (50) und gleichzeitig durch seine Kreisform als Übertragungselement für die Antriebskräfte des Motors zur automatischen Sonnennachführung. Dies spart gleichzeitig Kosten und macht die Konstruktion stabil, da die kreisrunde Form des Tragringes unter konstruktiven Gesichtspunkten die stabilste Form gegen Verformungen innerhalb der Tragebene ist.

- Die Trag- und Führungselemente (9) halten den Tragring (13) soweit über dem Bodenring (11), dass auch starke Verschmutzungen die Drehbewegung des Tragrings (13) nicht beeinträchtigen können. Der Tragring (13) wird in Drehrichtung vorzugsweise sehr glatt ausgeführt, so dass er sich nicht verhaken oder festfahren kann.

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- Der Bodenring (11) bildet ein sehr stabiles und besonders in den Ausführungen nach Schutzansprüchen 5 bis 7 auch ein besonders kostengünstiges Fundament für das gesamte Gerät. Der Bodenring (11) schließt die Solarenergieanlage nach unten ab und lässt sich leicht auf unterschiedlichsten Untergründen und u.a. auch auf Dächern befestigen.

Beispiele mit günstigen Ausführungen der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis 9 erläutert:

Figur 1 zeigt ein solches Gerät zur Sonnennachführung für Solarenergieanlagen, das jedoch - wegen der besseren Übersichtlichkeit ohne Solarenergieaufnahmeelemente (50) abgebildet wurde. Es sind dargestellt:

- Der Bodenring (11), der das Fundament für die Solarnachführung und die ganze Anlage bildet. Da der Bodenring auch sehr groß sein kann, kann es besonders günstig sein, wenn er gemäß Schutzanspruch 6 aus mehreren Teilsegmenten (7) zusammen gefügt ist. Die Teilsegmente können einfach hergestellt werden und erst am Aufstellort der Solarenergieanlage zusammengefügt werden. Auf diese Weise kann der Bodenring sehr groß sein und trotzdem gut transportiert werden.

- Besonders kostengünstig kann der Bodenring gemäß Schutzanspruch 5 unter Verwendung von wasserfest verleimten Pressspanplatten ausgeführt werden.

- Die Trag- und Führungselemente (9), die gemäß den Schutzanspruch 1 kreisförmig angeordnet auf dem Bodenring angebracht

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sind und die den Tragring tragen, führen und drehbar so lagern, dass er sehr leicht die Drehbewegung zur Sonnennachführung ausüben kann und gleichzeitig die Solarenergieaufnahmeelemente (50), die am Tragring (13) befestigt werden, so mit dem Bodenring verbinden, dass sie nicht abgehoben werden können.

- Der Tragring (13), wie er in den Trag- und Führungselementen (9) gelagert ist.

- Der Motor (17) mit Ritzel, der den Tragring (13) antreibt. Das Ritzel ist entsprechend dem Element zur Übertragung der Antriebskräfte (19) des Motors (17) ausgeformt.

- Ein Element zur Übertragung der Antriebskräfte (19) des Motors (17) auf den Tragring (13), das beispielhaft ausgeführt sein kann als Keilriemen, Zahnriemen, Kette oder Seil, dargestellt wie es im Tragring geführt und geschützt ist. Dieses Element zur Übertragung der Antriebskräfte (19) kann an einem Punkt des Tragrings befestigt sein, da es ausreichend ist, wenn die Drehbewegung der Sonnennachführung weniger als 360° beträgt.

- Eine Steuerung (15), die den Motor (17) so ansteuert, dass die Solarenergieaufnahmeelemente stets direkt zur Sonne hin ausgerichtet sind.

- Ein Stab (21), der günstiger Weise am Tragring (13) befestigt ist und an dem optische Sensoren (23) auf der rechten und linken Seite so befestigt sind, dass die Steuerung feststellen kann, auf welcher Seite des Stabes sich die Sonne befindet und den Tragring (13) mit Hilfe des Motors so lange in die Richtung der Sonne drehen kann, bis der Stab (21) direkt auf die Sonne zeigt, und die

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Solarenergieaufnahmeelemente (50), die in diesem Fall quer zum Stab (21) auf dem Tragring (13) montiert sein müssen, auf die Sonne ausgerichtet sind. Dieser Stab (21) kann aber auch an den Solarenergieaufnahmeelementen (50) befestigt werden.

Figur 2 zeigt den Tragring (13) als Teilansicht mit dem Schnitt A-B, der gemäß Schutzanspruch 4 als eine besonders günstige Ausformung des Tragrings (13) als ein nach außen offenes, zu einem Ring gebogenes U-Profil ausgeführt ist. Das "U" kann einen Riemen, eine Kette oder ein Seil aufnehmen, führen und schützen; gleichzeitig können die Niederhalter (36), die günstiger Weise als Rollen ausgeführt sind, in das "U" eingreifen und den Tragring (13) nach unten drücken und festhalten. Der Tragring kann auch aus mehreren Teilen zusammengefügt sein, so dass er dem Bodenring entsprechend, beliebig groß sein kann.

Figur 3 zeigt gemäß Schutzanspruch 7 ein Teilsegment des Bodenringes, das besonders günstig aus zwei gleichen Ringabschnitten (3) besteht, die übereinander fest so zusammengefügt sind, dass sie leicht gegeneinander verschoben sind. Hierdurch ergeben sich laschenartige Vorsprünge, mit denen die einzelnen Teilsegmente einfach und fest zu einem vollständigen Bodenring zusammengefügt werden können. Man sieht, dass auf den Teilsegmenten einige Trag- und Führungselemente (9) schon vormontiert sind, so dass am Aufstellort der Solarenergieanlage nur die Teilsegmente des Bodenringes zusammengefügt werden müssen und der Tragring (13) in die Trag- und Führungselemente eingelegt werden kann.

Figur 4 zeigt eine Platte (1), auf die in gleichen Abständen Teilkreise mit gleichem Radius (R) aufgezeichnet sind. Die Ringabschnitte (3) lassen sich besonders Material sparend und mit besonders wenig

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Aufwand herstellen, wenn man gemäß Schutzanspruch 7 genau die Form wählt, die sich ergibt, wenn man den Innenradius gleich dem Außenradius des Ringabschnitts wählt. Nach dem Zusammenfügen der Teilsegmente (7) ist dann die Außenseite des Bodenrings kreisförmig, die Innenseite jedoch nicht. Dies ist für die gegebene Anwendung nicht von Nachteil. Der Vorteil ist, dass man zum Ausschneiden eines Ringabschnitts aus einer Platte nur einen Schnitt benötigt und nicht zwei Schnitte, die man bei Wahl einer anderen Form benötigen würde. Es fällt bei dieser Form auch besonders wenig Verschnitt an.

Figur 5a zeigt einen besonders günstigen Aufbau eines Trag- und Führungselementes (9), wie er in Schutzanspruch 2 dargestellt ist, im Detail. Es besteht aus:

- der Tragrolle (40), die den Tragring (13) trägt und auf der er während der Drehung abrollen kann. Die Tragrolle (40) ist mit einer Achse drehbar in den seitlichen Halteelementen (38) und (32) gelagert.

- der inneren Führungsrolle (30), die den Tragring von innen so führt, dass er auf der Tragrolle (40) gehalten wird. Die innere Führungsrolle (30) ist mit einer Achse drehbar auf dem Halteelement (32) gelagert.

- dem Niederhalter (36), der günstiger Weise als Rolle ausgebildet ist und der den Tragring (13) von oben auf die Tragrolle (40) drückt und gegen Abheben sichert. Der Niederhalter (36) ist an dem Halteelement (38) befestigt und dann, wenn er als Rolle ausgebildet ist, mit einer Achse drehbar an dem Halteelement (38) gelagert.

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- der Grundplatte (34), auf der die Halteelemente (38) und (32) befestigt sind und mit der das Trag- und Führungselement (9) in seiner Gesamtheit auf dem Bodenring (11) befestigt wird.

Figur 5b zeigt ein Trag- und Führungselement (9), wie es in Schutzanspruch 2 beschrieben ist, von oben gesehen aus Blickrichtung 1.

Figur 6 zeigt ein Trag- und Führungselement (9), bei dem gemäß Schutzanspruch 3 die Grundplatte (34) sowie die Halteelemente (38) und (32) aus einem durchgehenden Blechstreifen gebogen sind. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung.

Figur 7 zeigt den Schnitt C-D durch die Sonnennachführung. Es wird gezeigt, wie ein Trag- und Führungselement (9) auf dem Bodenring (11) befestigt ist, wie der Tragring (13) in dem Trag- und Führungselement (9) gelagert ist und wie ein Element zur Übertragung der Antriebskräfte (19) in dem Tragring geführt und geschützt ist.

Figur 8 zeigt, wie Solarenergieaufnahmeelemente (50) auf der Solarnachführung so montiert sind, dass eine vollständige Solarenergieanlage entsteht.

Figur 9 zeigt die Solarenergieanlage aus Blickrichtung 2 und wie mit einfachen Montageelementen (52) die Solarenergieaufnahmeelemente (50) auf dem Tragring (13) angebracht werden können.

Claims (7)

1. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen durch Drehung um eine senkrechte Achse dadurch gekennzeichnet, dass ein Tragring (13), auf dem Solarenergieaufnahmeelemente (50) befestigt werden können und der mit Hilfe eines Motors (17), eines Elements zur Übertragung der Antriebskräfte (19) des Motors (17) auf den Tragring (13), einer Steuerung (15) und von Sensoren (23) stets so zur Sonne hin gedreht werden kann, dass die Solarenergieaufnahmeelemente (50) günstig zur Sonne ausgerichtet sind, durch mehrere Trag- und Führungselemente (9) getragen, geführt und drehbar gelagert wird und diese Trag- und Führungselemente (9) auf einem Bodenring (11) kreisförmig angeordnet und befestigt sind.

2. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (13) auf Tragrollen (40), auf denen der Tragring (13) während der Drehung abrollen kann, und von inneren Führungsrollen (30) sowie mit Niederhaltern (36), die den Tragring (13) von oben auf die Tragrolle (40) drücken und gegen Abheben sichern, so drehbar gelagert und geführt wird, dass der Tragring (13) auf der Tragrolle (40) gehalten wird.

3. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauteile (32), (34) und (38) der Trag- und Führungselemente (9) in einem Stück ausgeführt sind.

4. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Tragrings (13) U-förmig ausgeführt ist.

5. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenring (11) unter Verwendung von wasserfest verleimten Pressspanplatten ausgeführt ist.

6. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenring (11) aus mehreren Teilsegmenten (7) besteht.

7. Gerät zur Sonnennachführung von Solarenergieanlagen nach Schutzanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (7) aus gleichen, übereinander zusammengefügten, leicht gegeneinander verschobenen Ringabschnitten (3) bestehen, so dass sich an den beiden Enden der Teilsegmente (7) Laschen ergeben, mit denen man die Teilsegmente (7) zu einem Bodenring (11) zusammenfügen kann, wobei für die Ringabschnitte (3) eine Form gewählt werden kann, bei der der Innenradius gleich dem Außenradius des Ringabschnitts (3) ist.