Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Haltern und Nachführen von Sonnenkollektoren nach dem Sonnenstand. Mit dem Begriff Sonnenkollektoren werden hier und im Folgenden auch alle sinngemässen Einrichtungen umfasst, wie z.B. Solarmodule, fotovoltaische Zellen, thermische Flachkollektoren und Heliostaten.
Insbesondere bei der thermischen Nutzung der Sonnenenergie müssen hohe Prozesstemperaturen erreicht werden, welche eine Konzentration des Sonnenlichts als sinnvoll erscheinen lassen. Derartige Konzentratoren weisen jedoch meist einen engen \ffnungswinkel auf, sie müssen deshalb kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt werden. Es sind zahlreiche Sonnenkollektoren bekannt, welche mit einer zweiachsigen, zeitgesteuerten Nachführung die Solarzellen optimal senkrecht zur Sonneneinstrahlung ausrichten sollen. Dies kann beispielsweise mit Schrittmotoren oder Linearmotoren erfolgen, welche eine entsprechende Steuerung aufweisen müssen. Dies erfolgt in der Regel mit einem Mikroprozessor und Winkelgebern zur Positionskontrolle.
Der Sonnenstand kann abhängig von Ort, Datum und Uhrzeit berechnet oder von einer Datenbank simuliert werden. Über eine Ansteuerung können Aktuatoren in Bewegung gesetzt werden, beispielsweise die bereits erwähnten Schritt- oder Linearmotoren. Die Winkelgeber vergleichen die Ist- und Sollwerte und nehmen gegebenenfalls Korrekturen vor. Alle Bewegungen in einer Vorrichtung zum Haltern und Nachführen von Sonnenkollektoren erfolgen, verglichen mit anderen Motoren, sehr langsam und mit geringen Arbeitswegen. Der Energie verbrauch ist deshalb vergleichsweise gering und fällt kaum ins Gewicht. Allenfalls kann an Ort und Stelle produzierte Energie verwendet werden.
Es ist auch bekannt, die Sonnenstrahlen direkt zur Steuerung der Nachführung von Sonnenkollektoren zu verwenden.
In der DE.A1 3 627 480 beispielsweise wird eine Anordnung von Sonnen- bzw. Solarkollektoren beschrieben, bei welchen die Sonneneinstrahlung zu jeder Tages- und Jahreszeit etwa rechtwinklig auf die Einstrahlungsfläche von Kollektoren auftritt. Es ist eine horizontal drehbar gelagerte Welle und eine senkrecht fest stehende, radial verdrehbare Rundsäule vorgesehen. Die Kombination von einem handbetriebenen Schneckengetriebe und einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder ist umständlich und in industriellem Rahmen aufwändig.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach zu handhaben, problemlos automatisierbar und kostengünstig herzustellen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Durch entsprechende Anordnung von Verbindungswellen oder Umlenkungen lassen sich beliebig viele Nachführvorrichtungen von einer Antriebsquelle steuern. Die aufzuwendende Antriebsenergie ist, insbesondere bei einer mehrere Vorrichtungen durchgreifenden Welle, vergleichsweise gering. Der Antrieb muss bei energiesparender Steuerung nicht kontinuierlich erfolgen, die Antriebsaggregate können auch intervallweise eingeschaltet werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass erfindungsgemäss mit nur einer Antriebswelle durch gleichzeitige oder zeitlich verschobene Rotations- und Axialbewegungen ein Sonnenkollektor in horizontaler und vertikaler Richtung präzis und energiesparend nachgeführt werden kann.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung der Vorrichtung zum Haltern und Nachführen von Sonnenkollektoren,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung bei vertikal gestelltem Sonnenkollektor, und
Fig. 3 eine Variante gemäss Fig. 2 bei horizontal gestelltem Sonnenkollektor.
Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 dient dem Haltern und Nachführen eines Sonnenkollektors 12, von welchem lediglich ein Stützprofil teilweise dargestellt ist. Dieses ist über vier Distanzhalter 14 mit einem nachstehend im Detail beschriebenen Dreh- und Hubkopf 16 der Vorrichtung 10 starr verbunden. Diese Distanzhalter 14 haben den in Fig. 1 von hinten gezeigten Sonnenkollektor 12 in vertikaler Position in Abstand von der Vorrichtung 10 zu halten.
Die Vorrichtung 10 ist grösstenteils in einem stabilen, tragfähigen Gehäuse 18 angeordnet, welches unterhalb des Hubkopfes 60 für einen Dreh- und Hubkopf 16 angeordnet und mit einem ebenfalls stabil und tragfähig ausgebildeten Deckel 19 verschlossen ist.
Im unteren Bereich des Gehäuses 18 ragt beidseits eine durchgehende Antriebswelle 20 heraus, welche im vorliegenden Fall als im Querschnitt quadratisches Vierkantrohr mit einer Längsachse L ausgebildet ist. Die Antriebswelle 20 ist in Längsrichtung frei verschiebbar, was mit einem Doppelpfeil A angedeutet ist. Die Antriebswelle 20 ist in Lagern 22 in entsprechend ausgebildeten Lagerschalen des Gehäuses 18 der Vorrichtung 10 frei drehbar gelagert, was mit einem Doppelpfeil R angedeutet ist. Die Antriebswelle 20 ist querschnittlich derart gestaltet, dass sie als formschlüssiger Mitnehmer von Drehmomenten wirken kann, zweckmässig als regelmässiges Vieleckrohr, z.B. dreieckig, quadratisch, hexagonal oder rund mit Keilnut.
An der Antriebswelle 20, welche sich auch über mehrere Einrichtungen zum Umsetzen der Axial- und/oder Rotationsbewegungen erstrecken kann, können beliebige manuelle oder an sich bekannte maschinelle Antriebsmittel angesetzt werden.
Die Vorrichtung 10 beinhaltet im Wesentlichen
- ein unteres Hebelsystem 24 zum Umsetzen der Verschiebung bzw. der Axialbewegung der Antriebswelle 20 in ein Heben und Senken einer vertikalen Stützwelle 26, welche ihrerseits auf ein oberes Hebelsystem 28 zum Schwenken des Sonnenkollektors 12 mit einer vertikalen Schwenkbewegung V einwirkt, und,
- mechanische Mittel zum Umsetzen der Rotationsbewegung R der Antriebswelle 20 auf eine Stützwelle 26, welche eine horizontale Schwenkbewegung H des Sonnenkollektors 12 bewirkt.
Auf der Antriebswelle 20 ist innenseitig eines Lagers 22 ein Schieber 30 angeordnet, welcher im Wesentlichen u-förmig, mit nach innen abgewinkelten Schenkeln, ausgebildet ist.
Der Schieber 30 ist nicht direkt auf der Antriebswelle 20 fixiert, sondern drehbar auf einem Lager 31 gehaltert, welches seinerseits fest mit dem Schieber 30 verbundene Lagerschalen aufweist und diesen bei Axialbewegungen A mitnimmt.
Über je eine Achse 32 ist aussenseitig der Schenkel des Schiebers 30 je eine überstehende Lasche 34 frei drehbar angelenkt. Über je eine weitere Achse 36 sind diese Laschen 34 mit je einem dreieckförmigen Umlenkhebel 38 frei drehbar verbunden. Diese Umlenkhebel 38 sind ihrerseits über eine Achse 40 frei schwenkbar am Gehäuse 18 befestigt.
Über je eine weitere Achse 42 in der dritten Ecke der beiden dreieckförmigen Umlenkhebel 38 ist frei schwenkbar ein Bügel 44 angelenkt. Dieser ist u-förmig ausgebildet, mit den Achsen 42 an seinen beiden Schenkeln innenseitig der Umlenkhebel 38. An diesem Bügel 44 ist eine Spindel 46 starr befestigt, welche in einer entsprechend pfannenförmig ausgebildeten Aussparung der Stützwelle 26 über einen nicht sichtbaren Kugelkopf 48 (Fig. 2, 3) abstützt. Nach der vorliegenden Ausführungsform sind die Umlenkhebel 38 als rechtwinklige, gleichschenkliche Dreiecke ausgebildet. Nach anderen Ausführungsformen ergeben andere Dreiecksformen oder Winkelhebel eine andere Übersetzung. Dabei werden Überlegungen aus Platzgründen miteinbezogen.
Das obere Hebelsystem 28 umfasst eine schwenkbar am oberen Ende der vertikalen Stützwelle 26 gelagerte Spindel 50, welche starr mit einem oberen Bügel 52, welcher ebenfalls u-förmig ausgebildet ist und im Bereich seiner Schenkel über je eine Achse 54 mit einer z-förmigen nach innen abgebogenen Fahne 56 des Dreh- und Hubkopfes 16 schwenkbar verbunden ist. Dieser ist funktionell ein um zwei Achsen 58 in einem Drehkopf 60 schwenkbarer Umlenkhebel.
Der Drehkopf 60 ist, in Fig. 2, 3 besser erkennbar, mit einem Lager 76 im Gehäusedeckel 19 verbunden, welcher eine entsprechende Lagerschale hat. Die Stützwelle 26 ist bezüglich des Drehkopfs 60 längs verschiebbar.
Auf einem Zwischenboden 62 des Gehäuses 18 ist eine Lagerschale für ein Lager 64 angeordnet, welches von der in Längsrichtung frei verschiebbaren Stützwelle 26 durchgriffen ist. Abgestützt ist die Stützwelle 26, wie vorstehend erwähnt, durch die Spindel 46.
Sowohl mit dem Lager 64 für die Stützwelle 26 als auch mit dem linken Lager 22 für die Antriebswelle 20 ist je ein Antriebsrad 66, 68 verbunden oder daran angeformt, im vorliegenden Fall mit Nuten in Axialrichtung.
Über eine stirnseitig am Gehäuse 18 befestigte Umlenkwelle 70 ist ein flexibles, schlupffreies Antriebsorgan 72, im vorliegenden Fall ein Zahnriemen, zwischen den beiden Antriebsrädern 66, 68 gespannt. Die Umlenkung des Zahnriemens erfolgt an einer nicht drehbaren Welle durch Gleiten über die Umlenkwelle 70, wobei die Zähne des Riemens aussen liegend sind.
In den Fig. 2 und 3 sind die Extrempositionen des Dreh- und Hubkopfes 16 dargestellt. In Fig. 2 wäre der nicht dargestellte Sonnenkollektor 12 (Fig. 1) senkrecht, in Fig. 3 waagrecht.
Im Wesentlichen entspricht diese Vorrichtung 10 derjenigen von Fig. 1, der Drehkopf 60 ist jedoch um 90 DEG gedreht. Dank des Kugelkopfs 48 ist dies ohne weiteres möglich. Die Verbindung zwischen der vertikalen Stützwelle 26 und der Spindel 50 bzw. dem oberen Bügel 52 ist in Form eines Scharniers 74 mit einem Bolzen ausgebildet, sonst könnte das obere Scharniersystem 28 mit dem Dreh- und Hubkopf 16 nicht vertikal geschwenkt werden.
Das Nachführen des Sonnenkollektors 12, welches kontinuierlich oder schrittweise erfolgen kann, läuft erfindungsgemäss wie folgt ab.
1. Nachführen der Neigung des Sonnenkollektors 12 gemäss den Fig. 1 bis 3.
Die Lage gemäss den Fig. 1 und 2 mit etwa vertikalem Sonnenkollektor 12 wird als Ruhelage angenommen. Soll nach dem Sonnenaufgang der Sonnenkollektor flacher eingestellt werden, wird die Antriebswelle 20 manuell oder prozessorgesteuert um einen Erfahrungswert oder einen berechneten Wert nach links verschoben. Dabei wird das Lager 31 in entsprechendem Umfang mitgenommen und damit indirekt auch der Schieber 30. Über die Lasche 34 wird ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den Umlenkhebel 38 ausgeübt und dieser um die Achsen 40 gedreht. Dabei wird auch der Bügel 44 mit der Spindel 46 angehoben. Diese liegt mit ihrem Kugelkopf 48 in einer entsprechenden Pfanne der Stützwelle 26, hebt diese an und wirkt über die obere Spindel 50 auf den oberen Bügel 52 ein, welcher wiederum eine vertikale Schwenkbewegung V des den Sonnenkollektor 12 tragenden Dreh- und Hubkopfs 16 auslöst.
Alle Lager und Achsen sind möglichst spielfrei, jedoch leichtgängig ausgebildet. Besonders zu beachten ist, dass die Lager 22 für die Antriebswelle 20 und die Lager 64, 76 der Stützwelle 26 stets ortsfest bleiben, eine Axialverschiebung dieser Wellen jedoch zulassen.
Damit der Sonnenkollektor 12 der Ost-West-Bewegung der Sonne folgen kann, muss er auch horizontal schwenkbar sein. Diese horizontale Schwenkbewegung H wird durch ein Drehmoment der Antriebswelle 20 übertragen, wobei manuell oder automatisch eine geringe Drehbewegung ausgelöst wird. Das Drehmoment wird über das linke Lager 22 für die Antriebswelle 20 auf das Antriebsrad 68 übertragen. Das über das Antriebsrad 68 gespannte flexible Antriebsorgan, beispielsweise ein Zahnriemen, überträgt das Drehmoment auf das Antriebsrad 66, dieses wiederum über das Lager 64 auf die Stützwelle 26. Bei einer Drehung wird auch das Lager 76 und mit ihm der darauf fixierte Drehkopf 60 entsprechend gedreht.
Die vertikale und horizontale Verstellung des Sonnenkollektors 12 erfolgt vorzugsweise gleichzeitig und kontinuierlich oder in geringen Zeitabständen. Bei kontinuierlicher Einstellung des Sonnenkollektors 12 erfolgt die Bewegung in Axialrichtung A gleichzeitig mit einer Rotationsbewegung der Antriebswelle 20. Dank des Kugelkopfs 48 kann die Stützwelle 26 in jeder beliebigen Position auch geschwenkt werden.
Bei schrittweiser Regelung können die Axialbewegungen A und Rotationsbewegungen R der Antriebswelle 20 gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
The invention relates to a device for holding and tracking solar panels according to the position of the sun. The term solar collectors here and below also encompasses all relevant facilities, such as Solar modules, photovoltaic cells, thermal flat collectors and heliostats.
In particular, when using solar energy thermally, high process temperatures must be reached, which make a concentration of sunlight seem reasonable. However, such concentrators usually have a narrow opening angle, so they have to be adjusted continuously or at short intervals to the respective position of the sun. Numerous solar collectors are known which are to optimally align the solar cells perpendicular to the solar radiation with a two-axis, time-controlled tracking. This can be done, for example, with stepper motors or linear motors, which must have an appropriate control. This is usually done with a microprocessor and angle encoders for position control.
The position of the sun can be calculated depending on the location, date and time or simulated from a database. Actuators can be set in motion via a control, for example the stepper or linear motors already mentioned. The angle encoders compare the actual and target values and make corrections if necessary. All movements in a device for holding and tracking solar collectors take place very slowly and with little working distance compared to other motors. The energy consumption is therefore comparatively low and is negligible. At most, energy produced on the spot can be used.
It is also known to use the sun's rays directly to control the tracking of solar panels.
In DE.A1 3 627 480, for example, an arrangement of solar or solar collectors is described in which the solar radiation occurs approximately at right angles to the radiation surface of collectors at any time of the day and season. A horizontally rotatable shaft and a vertically fixed, radially rotatable round column are provided. The combination of a hand-operated worm gear and a hydraulic or pneumatic cylinder is cumbersome and complex in an industrial context.
The inventor has set himself the task of creating a device of the type mentioned at the outset which is easy to handle, can be automated easily and is inexpensive to manufacture.
The object is achieved according to the invention by the characterizing part of patent claim 1. Special and further developing embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
An appropriate number of tracking devices can be controlled by a drive source by appropriate arrangement of connecting shafts or deflections. The drive energy to be used is comparatively low, in particular in the case of a shaft passing through several devices. The drive does not have to be continuous with energy-saving control, the drive units can also be switched on at intervals. It has proven particularly advantageous that, according to the invention, a solar collector can be tracked precisely and in an energy-saving manner in the horizontal and vertical directions with only one drive shaft by simultaneous or temporally shifted rotational and axial movements.
The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing, which are also the subject of dependent claims. They show schematically:
1 is a cutaway perspective view of the device for holding and tracking solar panels,
Fig. 2 is a side view of the device with the solar collector placed vertically, and
3 shows a variant according to FIG. 2 with the solar collector positioned horizontally.
A device 10 shown in FIG. 1 is used to hold and track a solar collector 12, of which only one support profile is partially shown. This is rigidly connected via four spacers 14 to a rotary and lifting head 16 of the device 10 described in detail below. These spacers 14 have to hold the solar collector 12 shown from behind in FIG. 1 in a vertical position at a distance from the device 10.
The device 10 is for the most part arranged in a stable, load-bearing housing 18 which is arranged below the lifting head 60 for a turning and lifting head 16 and is closed by a cover 19 which is likewise designed to be stable and load-bearing.
In the lower area of the housing 18, a continuous drive shaft 20 protrudes on both sides, which in the present case is designed as a square tube with a longitudinal axis L which is square in cross section. The drive shaft 20 is freely movable in the longitudinal direction, which is indicated by a double arrow A. The drive shaft 20 is mounted in bearings 22 in appropriately designed bearing shells of the housing 18 of the device 10, which is indicated by a double arrow R. The drive shaft 20 is cross-sectionally designed such that it can act as a positive driver of torques, expediently as a regular polygonal tube, e.g. triangular, square, hexagonal or round with keyway.
Any manual or mechanical drive means known per se can be attached to the drive shaft 20, which can also extend over several devices for converting the axial and / or rotational movements.
The device 10 essentially includes
a lower lever system 24 for converting the displacement or the axial movement of the drive shaft 20 into a raising and lowering of a vertical support shaft 26, which in turn acts on an upper lever system 28 for pivoting the solar panel 12 with a vertical pivoting movement V, and,
- Mechanical means for converting the rotational movement R of the drive shaft 20 to a support shaft 26, which causes a horizontal pivoting movement H of the solar collector 12.
On the inside of a bearing 22, a slide 30 is arranged on the drive shaft 20, which is essentially U-shaped, with legs angled inwards.
The slider 30 is not fixed directly on the drive shaft 20, but is rotatably supported on a bearing 31, which in turn has bearing shells firmly connected to the slider 30 and takes it with it during axial movements A.
The leg of the slider 30 is articulated on the outside of each axis 32, a projecting tab 34 freely rotatable. These tabs 34 are each freely rotatably connected to a triangular bellcrank 38 via a further axis 36. These reversing levers 38 are in turn fastened to the housing 18 in a freely pivotable manner via an axis 40.
A bracket 44 is pivoted freely about a further axis 42 in the third corner of the two triangular bellcranks 38. This is U-shaped, with the axes 42 on its two legs on the inside of the deflection lever 38. A spindle 46 is rigidly attached to this bracket 44, which in a correspondingly pan-shaped recess in the support shaft 26 via a non-visible ball head 48 (Fig. 2, 3) supports. According to the present embodiment, the bellcranks 38 are formed as right-angled, isosceles triangles. In other embodiments, different triangular shapes or angle levers give a different translation. Considerations are taken into account for reasons of space.
The upper lever system 28 comprises a spindle 50 which is pivotably mounted on the upper end of the vertical support shaft 26 and which is rigid with an upper bracket 52, which is also U-shaped and in the region of its legs via an axis 54 each with a z-shaped inward bent flag 56 of the rotary and lifting head 16 is pivotally connected. This is functionally a reversing lever which can be pivoted about two axes 58 in a rotary head 60.
The rotary head 60, as can be seen better in FIGS. 2, 3, is connected to a bearing 76 in the housing cover 19, which has a corresponding bearing shell. The support shaft 26 is longitudinally displaceable with respect to the turret 60.
A bearing shell for a bearing 64 is arranged on an intermediate floor 62 of the housing 18 and is penetrated by the support shaft 26 which is freely displaceable in the longitudinal direction. As mentioned above, the support shaft 26 is supported by the spindle 46.
Both with the bearing 64 for the support shaft 26 and with the left bearing 22 for the drive shaft 20, a drive wheel 66, 68 is connected or formed thereon, in the present case with grooves in the axial direction.
A flexible, slip-free drive element 72, in the present case a toothed belt, is stretched between the two drive wheels 66, 68 via a deflection shaft 70 fastened on the end face to the housing 18. The toothed belt is deflected on a non-rotatable shaft by sliding over the deflection shaft 70, the teeth of the belt being on the outside.
2 and 3, the extreme positions of the rotary and lifting head 16 are shown. In Fig. 2, the solar collector 12, not shown (Fig. 1) would be vertical, in Fig. 3 horizontal.
This device 10 essentially corresponds to that of FIG. 1, but the rotary head 60 is rotated by 90 °. Thanks to the ball head 48, this is easily possible. The connection between the vertical support shaft 26 and the spindle 50 or the upper bracket 52 is in the form of a hinge 74 with a bolt, otherwise the upper hinge system 28 with the rotating and lifting head 16 could not be pivoted vertically.
The tracking of the solar collector 12, which can take place continuously or step by step, takes place according to the invention as follows.
1. Tracking the inclination of the solar collector 12 according to FIGS. 1 to 3.
1 and 2 with an approximately vertical solar collector 12 is assumed to be the rest position. If the solar collector is to be set flatter after sunrise, the drive shaft 20 is shifted to the left manually or by processor control by an empirical value or a calculated value. The bearing 31 is taken along to a corresponding extent and thus indirectly also the slide 30. A torque is exerted clockwise on the deflection lever 38 and the latter is rotated about the axes 40. The bracket 44 with the spindle 46 is also raised. This rests with its spherical head 48 in a corresponding pan of the support shaft 26, lifts it and acts via the upper spindle 50 on the upper bracket 52, which in turn triggers a vertical pivoting movement V of the rotating and lifting head 16 carrying the solar collector 12.
All bearings and axles are as free of play as possible, but smoothly designed. It is particularly important to note that the bearings 22 for the drive shaft 20 and the bearings 64, 76 of the support shaft 26 always remain stationary, but allow these shafts to move axially.
So that the solar collector 12 can follow the east-west movement of the sun, it must also be pivotable horizontally. This horizontal pivoting movement H is transmitted by a torque of the drive shaft 20, a slight rotary movement being triggered manually or automatically. The torque is transmitted to the drive wheel 68 via the left bearing 22 for the drive shaft 20. The flexible drive element, for example a toothed belt, which is tensioned via the drive wheel 68, transmits the torque to the drive wheel 66, which in turn transmits it via the bearing 64 to the support shaft 26. When rotating, the bearing 76 and with it the rotary head 60 fixed thereon are rotated accordingly ,
The vertical and horizontal adjustment of the solar collector 12 is preferably carried out simultaneously and continuously or at short intervals. With continuous adjustment of the solar collector 12, the movement in the axial direction A takes place simultaneously with a rotational movement of the drive shaft 20. Thanks to the ball head 48, the support shaft 26 can also be pivoted in any position.
With step-by-step control, the axial movements A and rotational movements R of the drive shaft 20 can take place simultaneously or in succession.