DE20317666U1

DE20317666U1 - Vorrichtung zur Nachführung eines Sonnenlichtkollektors

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Publication number: DE20317666U1
Application number: DE20317666U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-15
Filing date: 2003-11-15
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2013-11-16

Abstract

Vorrichtung zur Nachführung eines Sonnenlichtkollektors nach dem Tageslauf der Sonne, dadurch gekennzeichnet, daß die exakte Sonnenausrichtung ganzjährig durch einen einzigen, kontinuierlich arbeitenden Antrieb mit konstanten Drehzahl erfolgt, wobei die beiden Drechachsen im Winkel der Erdachsenneigung zueinander stehen und die Drehbewegung der Jahresachse (11) mechanisch an die Drehung der Tagesachse (1) gekoppelt ist.

Description

Bisherige zweiachsige Sonnennachführungen benötigen zur Ausrichtung auf die Sonne eine aufwändige Sensorik, eine komplizierte Datenverarbeitung, oder beides, sowie elektrische oder hydraulische Stellmodule als Antriebselemente. Diese, neben der eigentlichen Trägerkonstruktion für das nachzuführende Objekt, sehr kostenintensiven Zusatzaufwendungen, standen bisher einer weiten Verbreitung sonnennachgeführter Objekte im Weg. Bisher sind Alternativen bekannt, die sich einachsig parallel zur Erdachse drehen und über mechanische Elemente versuchen den jahreszeitlichen Sonnenlaufänderungen zu folgen(z.B.DE10134045). Diese sind jedoch für viele Anwendungen (insb. Konzentratoren) zu unpräzise oder/und bedürfen einer häufigen Nachjustierung.
Desweiteren sind bekannt:

– Zweiachsige Sonnennachführung mit gekoppelten, aber senkrecht zueinande stehenden Achsen (DE 20021890u1).
– Eine Nachführung mit gekröpfter Achse und zwei Aufhängungspunkten, deren Konstruktion zwar auch zwei, sich an Erdachse und Erdumlaufbahnachse orientierende, Achsen besitzt, jedoch zwei Antriebe und eine aufwändige Halterung benötigt, sowie die Lichtweiterleitung eines durch Doppekeflektion mit Parabolspiegeln erzeugten konzentrierten Lichtbündels nicht ermöglicht (DE2702297c2).
– Kettengeführte Koppelungen mehrerer Sonnennachführungen herkömmlicher Bauart (DE20215556u1).

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegen folgende Probleme zugrunde:

– Eine Alternative zu den bisherigen zweiachsigen Sonnennachführungen zu bieten, die, weil sie kompliziert und teuer sind, trotz vieler Nutzungsmöglichkeiten kaum Anwendung finden.
– Eine technisch einfache und auch für Entwicklungsländer geeignete Sonnennachführungen zu entwickeln.
– Eine exakte Sonnennachführungen, auch ohne Elektronik und Elektrizität, gewissermaßen rein mechanisch zu ermöglichen.
– Eine, für die Weiterleitung von gesammeltem Licht optimierte Kollektorbefestigung zu integrieren.
– Kostengünstige, mit Hilfe von Mehrfachreflektion, auch für Solarturmkraftwerke geeignete Nachführungen bereitzustellen

Diese Probleme werden mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Dies wir erreicht, indem man berücksichtigt, daß es nur zwei gleichmäßige Bewegungen sind, welche bewirken, daß die Sonne für uns nicht stillsteht und sich darauf beschränkt diese beiden Bewegungen getrennt voneinander zu egalisieren.
Bei den beiden relevanten Bewegungen handelt es sich um die Erddrehung um ihre eigene Achse, sowie den Umlauf der Erde um die Sonne. Diese beiden Rotationen müssen infolge der Neigung der beiden Drehachsen zueinander getrennt betrachtet werden (Taumelbewegung der Erdachse und die Elyptik der Erdumlaufbahn um die Sonne sind hier vernachlässigt). Die Achse welche dem Ausgleich der Erdrotation dient, wird hier „Tagesachse", und die Achse welche dem Ausgleich des Erdumlaufs um die Sonne dient „Jahresachse" genannt.
Beide Rotationsbewegungen werden erfindungsgemäß dadurch egalisiert, daß um die entsprechenden Achsen jeweils Gegenbewegungen mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit erfolgen. Die zwei Drehachsen sind hierbei durch den ortsspezifischen Breitengrad und die Erdachsenneigung (23,5°) festgelegt.
Da diese Rotationen keine Schwankungen aufweisen, ist für diesen erfindungsgemäßen Lösungsansatz ein gleichmäßiger Antrieb ausreichend. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Gegenrotation um die Jahresachse durch eine vorteilhafte Einrichtung wie in Schutzanspruch 1 und 3 beschrieben, keinen eigenen Antrieb benötigt, sondern durch die angetriebene Rotation der Tagesachse automatisch hervorgerufen wird. Hierdurch entfällt ein zweiter Antrieb.
Die Bezeichnung Sonnenlichtkollektor erfasst hier und im weiteren, sämtliche der Nutzung oder Weiterleitung von Sonnenlicht dienenden Geräte wie Photovoltaikmodule, Absorber, Kocher, Spiegel, usw..
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,

– daß sie nur einen einzigen Antrieb benötigt,
– daß anstelle von Stellmotoren nur ein gleichmäßiger Antrieb notwendig ist und somit die Möglichkeit einen einfachen, evl. nichtelektrischen Antrieb zu benutzen vorhanden ist.
– daß die Mechanik offen nachvollziehbar und einfach ist.
– daß die Konstruktion bei einer Aufreihung baugleicher Konstruktionen (z.B. in einem Solarpark oder auf einem Dachfirst) eine gleichzeitige Steuerung vieler Geräte mit nur einem langen Achsantrieb erlaubt.
– daß die Herstellung sehr preisgünstig möglich und nur mit einfacher Technik verbunden ist (wichtig für Entwicklungsländer).
– teure und störanfällige Bauteile wie Sensorik, Stellmotoren, Elektronik, Software und eine aufwändige kardanische Mechanik fehlen.
– daß die Aufhängung zentral ist, und somit die Einleitung des, mit Hilfe eines Parabolspiegel und einer Gegenreflexion an einem zweiten Parabolspiegel erzeugten Lichtbündels, in einen den Sonnenstrahlen parallelen Lichtleiter möglich ist; und somit neben der Nachführung von Geräten die einer direkten Sonnenlichtnutzung dienen, wie z.B. Solarzellen, sowohl eine Lichtlenkung in Gebäude, als auch die Umlenkung des am unteren Ende der Tagesachse austretenden Strahlungsbündels, über fest montierte Spiegel auf einen mit anderen Anlagen gemeinsamen Brennpunkt, möglich ist, um eine Leistungsdichte zu erreichen, wie sie für Solarkraftwerke und industrielle Nutzung notwendig ist..
– daß ein Lichtleiter zwischen Entstehungspunkt (2. Parabolspiegel) und Übergabepunkt (Gestellauflage) des konzentrierten Lichtbündels nur eine Abwinkelung zu überwinden hat.
– daß die Anpassung an den jeweiligen Ort sehr einfach ist (Neigungswinkel ist entsprechend dem Breitengrad einzustellen).

Die erfmdungsgemäße Lösung wird exemplarisch durch eine Vorrichtung wie in 1 erreicht. Hierbei beinhaltet ein freistehendes oder fest montiertes Gestell (hier das Beispiel eines Dreibeins) einen um eine vorgegebene Achse (1) drehbaren Aufsatz (2), der in einem festgelegten Winkel (3) zum Erdboden (entsprechend dem Breitengrad) nach Norden ausgerichtet ist. Dieser Aufsatz (2) wird durch einen geeigneten Antrieb (4) entgegen der Erdrotation gedreht (ca.1 U/24 h). Bei einem tangential zur Tagesachse (1) ansetzenden Drehantrieb, wird die notwendige Hemmung gegen Windlast durch Verwendung eines steilen Schneckengetriebes (6) erreicht. Am Beispiel ist dies durch eine senkrecht zur Aufsatzachse montierte Achse (5) dargestellt, die über das Schneckengetriebe (6) den Aufsatz (2) dreht . Die Neigung der zweiten Rotationsachse (11) zur ersten (1) beträgt grundsätzlich 23,5° (7)(dies entspricht der Erdachsenneigung gegen die Achse der Erdumlaufbahn um die Sonne). Sie wird auf den, schwenkbar am Aufsatz angebrachter Ausleger (8), der das nachzuführende Objekt (9) trägt, übertragen, indem dieser (8) auf einer schräg am Aufsatz (2) befestigten Scheibe (10) aufliegt. Diese runde gezahnte Scheibe (10) bildet die senkrechtstehende Ebene zur Jahresachse (11). Ausleger (8) und Taumelscheibe (10) sind gegeneinander um die Tagessachse (1) verdrehbar und werden über einen gewichtsgesteuerten Zahnradeingriff (12), der einem Uhrwerkanker ähnelt, gegeneinander fixiert (Fig.3). Das sich bei jeder Umdrehung des Aufsatzes (2) aufgrund der Schwerkraft einmal hin- und herbewegende Gewicht (13 ), bewirkt mit seinem fortschreitenden Eingriff in die Zähne der Taumelscheibe (10) eine Verschiebung des Auslegers (8) zur Taumelscheibe (10). Diese Verschiebung beträgt pro Umdrehung des Aufsatzes 1/365 eines Kreises. Eine Umdrehung des Aufsatzes (2) in ca. 24 Stünden egalisiert die Erdachsendrehung, und eine Umdrehung des Auslegers (8) gegenüber der Taumelscheibe egalisiert in einem Jahr die Drehung der Erde um die Sonne.
Die Anlage läuft bei ausreichender Antriebsenergie und hoher Ganggenauigkeit desselben völlig eigenständig. Bei fehlender Ganggenauigkeit des Antriebs ist eine gelegentliche Nachjustierung und bei einem Uhrwerk das Aufziehen erforderlich.

Claims

Vorrichtung zur Nachführung eines Sonnenlichtkollektors nach dem Tageslauf der Sonne, dadurch gekennzeichnet, daß die exakte Sonnenausrichtung ganzjährig durch einen einzigen, kontinuierlich arbeitenden Antrieb mit konstanten Drehzahl erfolgt, wobei die beiden Drechachsen im Winkel der Erdachsenneigung zueinander stehen und die Drehbewegung der Jahresachse (11) mechanisch an die Drehung der Tagesachse (1) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des auszurichtenden Trägerauslegers (8) durch eine an der Tagessachse angebrachten Taumelscheibe (10) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Trägerauslegers auf der Taumelscheibe mit Hilfe eines Pendelgewichts (13) mit Zahnradeingriff erfolgt, welches ansonsten der Fixierung dieser beiden Bauteile zueinander dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine lange Antriebsachse einen Parallelbetrieb mehrer Anlagen mit nur einem Antrieb erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Aufhängung so gestaltet ist, daß die Weiterleitung des, über eine Doppelreflektion zweier Parabolspiegel gesammelten Lichtes, in Form eines Lichtbündels durch die hohle Zentralaufhängung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel zwischen Sammelpunkt (2. Parabolspiegel) und Übergabepunkt (Gestellauflage) nur eine Abwinkelung zu überwinden hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung an den jeweiligen Ort durch die Neigungsverstellung der Tagesachse, orientiert am Breitengrad, erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tagesachse durch den Fuß eines Dreibeins gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell klappbar und transportabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung an den jeweiligen Ort durch die Neigungsverstellung eines Stützbeines erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein entsprechend dimensioniertes mechanisches Uhrwerk als Antriebselement dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Solarzellen und einem Akkumulator versorgter Elektromotor als Antriebselement dient.