DE10144601A1 - Integrierte, von der Tagesnachführung des Sonnenstandes mechanisch abgeleitete Jahresnachführung von Photovoltaik-Solar-Modul Trägern nach der jahreszeitlich en Änderung des Sonnenstandes, in der Regel eingriffsfrei, mit Anpaßbarkeit der Installation an alle geografischen Breiten auf der Nord- und Südhalbkugel, an das Datum und die Tageszeit - Google Patents

Abstract

Integrierte, von der Tagesnachführung des Sonnenstandes mechanisch abgeleitete Jahresnachführung von Photovoltaik-Solar-Modul-Trägern nach der jahreszeitlichen Änderung des Sonnenstandes, in der Regel eingriffsfrei, mit Anpaßbarkeit der Installation an alle geografischen Breiten auf der Nord- und Südhalbkugel, an das Datum und die Tageszeit. DOLLAR A Die doppelflügeligen Solarmodule rotieren 360 DEG in 24 Stunden um die eigene Symmetriehochachse (B2) in einem Taumellager (B1) am oberen Querholm des Trapezrahmens (siehe Fig. Z1A1/2: A). Die Tagesnachführung 360 DEG in 24 h besorgt ein zeit-winkelgesteuerter Rohr-Schrittmotor (z. B. 2 DEG alle 8 Minuten), der ähnlich einem Rolladenmotor um ein feststehendes, mittiges Ritzel dreht (Fig. Z1A2: Da1). Die im Jahresverlauf entstehenden 365,25 Drehungen werden mittels eines Zahnraduntersetzers D1 auf eine Umdrehung des "Jahresrades" D2 reduziert. Über die mit dem Jahresrad fest verbundene, gelenkige ketten- oder zahnriemengestützte Pleueleinrichtung (D2 bis D4) entsteht im Zusammenwirken mit einem feststehenden Ritzel die Linearbewegung zur Jahresnachführung von +- 23,5 DEG . Bei einer kostensparenden, verbundenen Mehrfachinstallation neben- und/oder hintereinander angeordneter Module kann die Tagesrotation und jahreszeitliche Auslenkung der gesamten Anlage mechanisch weitergegeben werden (Bild Z4), mit nur einer Jahresaussteuerung am anderen Ende. Um Ausrichtungsfehler in der Sonnennachführung zu vermeiden, empfiehlt sich eine einfache ...

Description

Soweit bekannt, ist eine mechanisch integrierte Jahres- und Tagesnachführung, die über Jahre hinweg ohne Zutun eine verläßliche Ausrichtung an den Jahres- und Tageslauf der Sonne gewährleistet und eine Anpaßbarkeit der Installation an alle geografischen Breiten, Datum und Uhrzeit auf der Nord- und Südhalbkugel erlaubt, noch nicht vorhanden. Bekannt sind angedeutete Ansprüche, die einen separaten Motor mit Sensoreinrichtung erfordern, um die Jahresnachführung zu bewerkstelligen. Diese haben meiner Auffassung nach nicht die integrative Eleganz, Einfachheit und Flexibiltät meiner Lösung.

Ein doppelflügelig angeordneter, mit einer Welle (B2, Zeichnung Z1A1/2, Seite 1) verbundener Solar-Modul Träger (B) bewegt sich dem Sonnenlauf folgend. Er ist mittig befestigt mittels eines Taumellagers (B1) am oberen Querholm in einem trapezförmigen, stabilen, aufrecht feststehenden Rahmen (A), der mit seiner umschriebenen Fläche nach N-S ausgerichtet ist. Die notwendige Drehung des Modulträgers (360° in 24 h) wird durch eine an einem Ende angebrachte Motor- und Steuereinheit (D) um die Achse B1-Da1 bewirkt.

Zur Tag- und Nachtgleiche befindet sich die Modulachse B2 in der Rotations­ achse des Systems (B1-Da1 = parallel zur Erdachse), dargestellt durch den Winkel α, (siehe Zeichnung Seite 1, Z1A2) entsprechend 90 - geografischer Breite der Installation. Die mechanische Auslenkung der Achse B2, entsprech­ end dem jahreszeitlichen Sonnenstand besorgt die Steuereinheit (D bis D4) mit zeitgesteuertem Schrittmotor, Untersetzer (365,25 zu 1) und eine (lineare Bewegung erzeugende) Pleuelsteuerung. Diese Rotation (360° in 24 h) bewirkt ein Schritt-Rohr-Motor (etwa 1° alle 4 Minuten oder 2° alle 8', das Rohr drehend bei feststehendem Ritzel (Da1), ähnlich einem Rolladenmotor und erfordert vergleichsweise sehr wenig Energie aus Solareigenstrom oder vom System aufladbarer Pufferbatterie (z. B. nachts).

Um Ungenauigkeiten der Ausrichtung der Module auszuschließen, empfiehlt sich eine einfache elektronische Vorrichtung mit Infrarot-Dioden, die den Sonnenstand auch bei bedecktem Himmel feststellen und nur bei Ablagen regelnd eingreift.

Bei einer kostensparenden, verbundenen Anordnung von mehreren Modulen neben- oder hintereinander (siehe Zeichnung S 4), die ihre Tagesrotation und jahreszeitliche Auslenkung über Gestänge bzw Kette (X/Y) z. B. weitergeben, wird für den Betrieb der ganzen Anlage nur eine Motor- und Steuereinheit (D-D4), Pufferbatterie und Elektronik an einem Ende und nur eine Jahresrad/Pleuel­ steuerung (D2-D4), siehe Zeichnung S2) am anderen Ende benötigt.

Diese Tagesrotation um die Systemachse (B1-Da1) wird durch die von der 365,25 zu 1 untersetzten Tagesrotation initiierten Jahresnachführung (D1-D4) modifiziert, sodaß, je näher zum Zeitpunkt des Sonnenhöchst- bzw Tiefststandes eine doppelkegelartige Rotation (+/- 23,5° max. im Scheitel), der Modulachse B2 entsteht, als ein Hauptmerkmal dieser Erfindung.

Bei der Motor-, Untersetzer- und Steuereinheit (siehe Zeichnung S2) dreht sich das Schrittmotorrohr (D), ähnlich einem Rolladenmotor, einmal in 24 Stunden um das feststehende Ritzel Da1 und bewirkt eine 365,25 zu 1 mechanische Untersetzung über den Untersetzer D1 auf das "Jahresrad" D2, das freigängig auf der Motorachse über dem Ritzel Da1 sitzt. Das Pleuel D2a ist fest mit dem Jahresrad verbunden. Die so untersetzte jährliche Drehung des "Jahresrades" D2 erzeugt im Zusammenwirken mit dem darüber liegenden, auf gleicher Welle festsitzenden Ritzel D2b die Linearbewegung der zahnriemengestützten gelen­ kigen Pleuelsteuerung (D2a/D3/D4) zur Nachführung des Solarmoduls (B) nach der jahreszeitlichen Änderung des Sonnenstandes (max. +/- 23,5° von der Tag- und Nachtgleiche aus gesehen).

Um die Installation an eine beliebige geografische Breite anzupassen wird alles zusammen (außer dem aufrecht feststehenden, mit seiner umschriebenen Fläche nach N-S ausgerichteten trapezförmige Rahmen (A)) mittels des robusten Viertelkreisbogens (C, Zeichnung S 1, Z1A2), an dessen Ende der Rohrmotor (D), der Untersetzer (D1) und die Pleuelsteuerung (D2a, D3, D4) liegen, um den oberen Querholm des Rahmens (A) im Sinne einer vertikalen Ebene so geneigt und dann befestigt (C1), daß der Winkel 90 minus geografischer Breite dem Winkel α entspricht. Die zu installierende geografische Breite ist auf dem Viertelkreisbogen (C) markiert.

Auf der Südhalbkugel rotiert der Rohrmotor (D, siehe Zeichnung S2) in Gegen­ richtung, sitzt mit der Untersetzer- und Steuereinheit am nördlichen Ende des Vietelkreisbogens (C) und die Justierscheibe (D2c/D4a) und Zeitmarkierung (Da2) liegen spiegelverkehrt.

Eine einfache Justierung des Systems auf Datum und Uhrzeit erreicht man einerseits durch Drücken des gefederten Untersetzers (D1), was den Kraftweg entkoppelt und die Einstellung mittels der Justierscheibe (D2c) und Drehen des "Jahresrades" (D2) erlaubt, andererseits durch Drehen des Motorrohres (D) mit der darauf aufgebrachten Zeitmarkierung (Da2) in Referenz zum Zeiger unter dem Ritzel (Da 1).

Die Vorteile dieser Erfindung sind:

• - ein globaler, integrativer Ansatz, der überall einfach installier- und anpaßbare Photovoltaik-Solar-Modul-Träger, auch bausatzmäßig, verfügbar macht. Beinahe jedermann kann die geografische Breite des Installationsortes und die geografische N-S-Richtung feststellen (GPS, Polarstern oder mit fixiertem Brennglas und einem Brett durch den Dorflehrer), einen Viertelkreisbogen lösen und auf eine Markierung festsetzen, mit einer Anleitung ein gefedertes Zahnrad eindrücken, ein danebenliegendes Zahnrad nach einer Datumsmarkierung und einen Motor nach einer Zeitmarkierung bzw nach der Sonne mit einem angebauten, Schatten werfenden Peilstab drehen und schließlich die Anlage einschalten.
• - Beachtliche Vermehrung der gewonnenen umweltfreundlichen Solarenergie; dieser Effekt vergrößert sich drastisch mit der in Zukunft zu erwartenden Verbesserung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Modulen vor­ allem in verbunder Mehrfachinstallation (in der Raumfahrt bei über 40%).
• - Verwendung selbstschmierender, uv- und korrosionsbeständiger Plastikteile, wartungsfreier Lager und anderer frei verfügbarer Komponenten für langjährigen, autonomen Betrieb;
• - sehr geringer Materialverschleiß durch die sich nur sehr langsam bewegenden Teile. Eine windbezogene Dimensionierung wird in die Konstruktion einbezogen.

Claims (8)

1. Integrierte, von der Tagesnachführung des Sonnenstandes mechanisch abgeleitete Jahresnachführung von Photovoltaik-Solar- Modul-Trägern nach der jahreszeitlichen Änderung des Sonnenstandes, in der Regel eingriffsfrei, mit Anpaßbarkeit der Installation an alle geografischen Breiten auf der Nord- und Südhalbkugel, an das Datum und die Tageszeit, gekennzeichnet durch an eine 360°-in-24-Stunden-Tagesrotation, mechanisch gekoppelt umgesetzt bewirkte Nachführung der jahreszeitlichen Änderungen des Sonnenstandes von um die Symmetriehochachse doppelflügeligen, abseits der Tag- und Nachtgleiche, auch doppelkegelartig rotierenden, mit einer Welle (B2) verbundenen Modulträgern (B), die sich in einem stabilen, nach unten erweiterten, trapezartigen, mit der umschriebenen Fläche nach N-S ausgerichteten, aufrecht feststehenden Rahmen (A) bewegen und befestigt sind einerseits mittig am oberen Querholm des Trapezrahmens (A) mittels eines doppelkegelartige-Rotation-der-Welle (B2) erlaubenden Taumellagers (B1) und andererseits an einer justierbaren (D2c, D1), Kreis-zu-Linearbewegung umsetzenden, ketten- oder zahnriemengestützten (D3) Pleuelsteuerungs-, 365,25-zu-1-Untersetzungs- (D1) und Schritt-Rohr-Motoreinheit (D), die Nachführung der jahreszeitlichen Änderung des Sonnenstandes, von +/- 23,5° von der Tag- und Nachtgleiche aus gesehen besorgend, die am Ende eines mit dem am unteren Querholm des Rahmens (A) verbundenen, N-S mittig ausgerichteten, festehenden, robusten Viertelkreisbogens (C) liegt, welcher jedoch auch mit Hilfe darauf angebrachter Grad-Markierungen 90°-α eine Installationsanpassung an alle Breitengrade, durch entsprechende Rotation des gesamten beweglichen Teils im Sinne des vom Bogen angedeuteten, aufrecht stehenden Kreises, dessen Mittelpunkt im Taumellager liegt (B1) und anschließende Fixierung (C1) an dem Trapezrahmen (A) erlaubt.

2. Die Vorrichtung Viertelkreisbogen (C) nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß er in der unteren Hälfte eines imaginären, aufrechten Kreises liegt, auf der Nordhalbkugel die Motor-, Untersetzer- und Pleuelsteuereinheit (D) am südlichen Ende, auf der Südhalbkugel am nördlichen Ende trägt und die Einstellung der geografischen Breite der Installation als Winkel α, gebildet aus 90 minus geografischer Breite, als Winkel zwischen der Vertikalen durch das Taumellager (B1) und der Linie Motormitte (Da1) zu Taumellager, erlaubt, durch Rotation und Befestigung (C1) der gesamten Anlage zusammen, außer dem feststehenden Rahmen (A), um den oberen Querholm des Rahmens (A).

3. Die Vorrichtung Pleuelsteuerungs-, 365,25-zu-1-Untersetzungs- und Schritt-Rohr- Motoreinheit (D) nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des beweglichen Teiles der Anlage (B, D1-D4) durch das Rohr des Schritt-Rohr-Motors, ähnlich einem Rolladenmotor erfolgt, im Sinne des Sonnenlaufs, daher auf der Südhalbkugel in Gegenrichtung zur Nordhalbkugel, wobei um ein auf der Motorachse zentral feststehendes Ritzel (Da1) eine Zahnraduntersetzung (D1) 365,25 zu 1 im drehenden System auf ein Rad, nennen wir es Jahresrad (D2), bewirkt wird, das auf Motorachse freilaufend sitzt, seine Drehung über eine darauf angeflanschte, 2-teilige, gelenkige Pleuelanlage (D2a, D4), unter Zuhilfenahme einer Ritzel-, Ketten- oder Zahnriemeneinrichtung (D3) auf das eine Ende der Modulträgeranlage (B) als Linearsteuerbewegung im Sinne einer Jahresnachführung überträgt und gleichzeitig die 360° in 24 Stunden Tagesnachführung, unter Mitnahme der Untersetzer-(D1), Pleuel- und Steuereinrichtung (D2a, D3, D4) und Solarmodulträger (B) bewirkt sodaß bei einer kostensparenden, verbundenen Mehrfachanordnung beschriebener Module, neben- oder hintereinander nur eine Motor- und Steuerungseinheit D bis D4 an einem Ende und am anderen Ende nur eine Jahresrad-Pleuelsteuerung D2 bis D4 nötig ist, wenn Tagesrotation und Jahresraddrehung D2 mechanisch durch Gestänge bzw. Ketten entsprechend übertragen werden (siehe Zeichnung S2 und S4 X, Y).

4. Die Vorrichtung Ritzel-, Ketten- oder Zahnriemeneinrichtung (D1b, D3, D4) nach Anspruch 3 ist gekennzeichnet durch Erzwingung einer 360°-Bewegung am Pleuelgelenk im drehenden System, durch Verbindung mittels eines Zahnriemens oder Kette des feststehenden, am Motorrohr (D) über eine feststehende Achse, über dem auf derselben Achse freigängigen Jahresrad (D2) liegenden Ritzels (D2b), mit dem am Pleuelgelenk fest mit dem beweglichen Pleuel (D4) verbunden liegenden zweiten zahngleichen Ritzel.

5. Die Vorrichtung: 2teilige, gelenkige Pleuelanlage (D2a, D4) nach Anspruch 3 kennzeichnet sich als Umsetzer der Drehbewegung des Jahresrades (D2) in eine Jahresnachführ-Linearbewegung des freien Pleuelendes auf die Moldulträgerwellenachse (B2), darauf eine entsprechende Neigung in der Vertikalen Ebene bewirkend, durch Zusammenwirken des auf der eigenen Achse frei drehenden, über den Untersetzer (D1) angetriebenen und damit sein fest verbundenes Pleuel (D2a) mitdrehenden Jahresrades (D2) mit dem auf derselben Achse darüber festsitzenden Ritzel (D2b), das wiederum über die Ketten- oder Zahnriemeneinrichtung (D3) das im Pleuelgelenk liegende, mit dem beweglichen Pleuel (D4) verbundene identische Ritzel im drehenden System so ansteuert, daß eine halbjährliche 360° Drehung des beweglichen Pleuels (D4) erzeugt wird und so zusammen mit der Drehung des Jahresrades (D2) die Steuerbewegung erzeugt.

6. Die Steuerungs-Vorrichtung in Anspruch 3 kennzeichnet sich durch eine Installations- und Justiereinrichtung indem einerseits der mit der darunterliegenden, samt Achse mitdrehenden Feder in Position gehaltene Umsetzer (D1) nach unten in Richtung Untersetzer-Halterung (D1x) gedrückt wird, so den Antriebsweg entkoppelt und erlaubt Jahresrad (D2) und Pleuel (D4) so zu bewegen, daß das Datum an der Justierscheibe, (D2c) die auf der Südhalbkugel spiegelbildlich eingebaut ist, im Pleuelgelenk mittels des am beweglichen Pleuel (D4) angebrachten Domes (D4a) eingestellt werden kann, und andererseits durch Entsperren und Drehen des Motorrohres die relevante, lokale Tageszeit an dem Zeiger (Da2), unterhalb des feststehenden Ritzels im Zentrum des Motors (Da1) und dem aufgebrachten Zeitkreis, spiegelbildlich auf der Südhalbkugel, eingestellt werden kann.

7. Die bekannte Vorrichtung der Tagesnachführung nach Anspruch 1 ist gekennzeichnet entweder durch entsprechende Anpassung einer ebenso bekannten optischen Sensorsteuerung, sodaß bei zu geringer Eigenstromerzeugung also auch bei Nacht, für den Betrieb des Rohrmotors eine wiederaufladbare Pufferbatterie die Stromversorgung übernimmt, zur Gewährleistung einer schrittweisen Weiterführung der 360°-in-24-Stunden-Anforderung, etwa in 1 Grad alle 4, oder 2 Grad alle 8 Minuten Schritten, sodaß die Position der Solarmodule bei Sonnenaufgang oder genügendem Eigenstrom etwa stimmt und etwaige kleine Abweichungen von der optischen Sensorsteuerung korrigiert werden oder durch Korrektur eventueller Abweichungen der optimalen Ausrichtung mittels einer einfachen, sich Infrarot-Dioden bedienender bekannter Steuerelektronik, auch bei bedecktem Himmel den Sonnenstand feststellend, bei generell vom zeit-winkelgesteuerten Schrittmotor bewirkter Tagesrotation, von Eigenstrom oder Pufferbatterie angetrieben.

8. Die Bezeichnung "In der Regel eingriffsfrei" nach Anspruch 1 ist gekennzeichnet durch über Jahre ohne notwendige Systemeingriffe erfolgender Betrieb der integrierten Jahres- und Tagesnachführung des Photovoltaik-Solar-Modulträgers, solange nach der korrekten Installation kein Defekt oder Stromausfall der Pufferbatterie auftritt.