DE10192244B4

DE10192244B4 - Nachführvorrichtung

Info

Publication number: DE10192244B4
Application number: DE10192244T
Authority: DE
Inventors: Peter Swemers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: DE10192244D2; AU6732201A; WO2001092790A1

Abstract

Nachführvorrichtung (1), zur Nachführung eines Kollektors, Absorbers, Reflektors oder Photovoltaikmoduls nach dem Stand der Sonne, mit einem um eine erste Drehachse (7) und eine zweite Drehachse (9) drehbaren flächigen Träger (2), wobei die erste Drehachse (7) im wesentlichen horizontal und die zweite Drehachse (9) im wesentlichen vertikal verläuft, der flächige Träger (2) an wenigstens zwei Auflagerpunkten in der ersten Drehachse (7) drehbar an einem Aufnahmeträger (3) befestigt ist und der Aufnahmeträger (3) drehbar um die vertikale Drehachse (9) an einem Standpfeiler (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeträger (3) mindestens einen oberen Querholm (11) aufweist, an welchem seitliche Träger (13,14) angebracht sind, welche mit einem unteren Querholm (12) in Verbindung stehen, wobei die Querholme (11,12) in deren Mitte Lager (10,15) aufweisen, mit denen der Aufnahmeträger (3) drehbar an dem Standpfeiler (4) gelagert ist und daß der Aufnahmeträger (3) eine um die zweite Drehachse (9) zylindrisch gebogene seitliche Zugmittelführung...

Description

Die Erfindung betrifft eine Nachführvorrichtung, zur Nachführung eines Kollektors, Absorbers, Reflektors oder Photovoltaikmoduls nach dem Stand der Sonne, mit einem um eine erste Drehachse und eine zweite Drehachse drehbaren flächigen Träger.

Derartige Vorrichtungen sind bereits in zahlreichen Varianten, beispielsweise gemäß der DE 3627480A1 , bekannt. Vielerorts werden Sonnenstrahlen mittels nachführbarer Sonnenkollektoren auf zentrale Energieerzeuger gerichtet oder Photovoltaik-Elemente zur Wirkungsgraderhöhung der Sonne nachgeführt. Ein Nachführen solcher Sonnenkollektoren ist mit einer ungleich höheren Effizienz gegenüber nicht nachgeführten Kollektoren verbunden.

Die bisherigen Methoden zur Nachführung derartiger Kollektoren sind jedoch äußerst aufwendig und daher kostspielig. In der Regel wird eine teure Hydraulik, Pneumatik oder mittels Servomotoren in mehreren Achsen angetriebene Mechanik benötigt, um einzelne Sonnenkollektoren der Sonne nachzuführen. Wirtschaftlich betrachtet sind bisherige Lösungen zur Nachführung von Sonnenkollektoren ungünstig und daher ist eine derartige Nutzung der Sonnenenergie anderen Methoden zur Energieerzeugung unterlegen. Aus diesem Grund finden sich nachgeführte Sonnenkollektoren nahezu ausschließlich im wissenschaftlichen Bereich zu Versuchszwecken und bei Anlagen zur Demonstration. Für eine Nutzung der Sonnenenergie, für die wirtschaftliche Erwägungen im Vordergrund stehen, ist eine Nachführung der Sonnenkollektoren bisher nicht realisierbar.

Eine Vorrichtung zum Nachführen von Sonnenkollektoren ist zum Beispiel bereits aus der Offenlegungsschrift DE 29 50 734 A1 bekannt. Der vorgeschlagene Sonnenkollektor ist in mehreren Achsen beweglich und kann über eine äußerst aufwendige angetriebene Mechanik exakt der Sonne nachgeführt werden. Der hohe konstruktive und bauliche Aufwand eines solchen Sonnenkollektors steht der Wirtschaftlichkeit dieser Art der Nutzung der Sonnenenergie entgegen.

Ausgehend von den Nachteilen und Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Nachführvorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie zu schaffen, welche kostengünstig herzustellen ist, einen geringen Wartungsaufwand während des Betriebs aufweist, eine hohe Lebensdauer mit sich bringt und hohe Windlasten sicher aufnimmt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Nachführvorrichtung gelöst.

Die vorgeschlagene mechanische Kopplung der beiden Drehbewegungen an einander hat den besonderen Vorteil, daß nicht für jede Drehbewegung ein separater Antrieb benötigt wird, sondern beide Drehbewegungen den gleichen Antrieb nutzen können. Die mechanische Kopplung verleiht dem System darüber hinaus zusätzliche Stabilität.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Aufnahmeträgers liegt in der erstmalig kostengünstigen Realisierung einer Nachführvorrichtung. Der Aufnahmeträger ermöglicht es, die angreifenden Windlasten unter Vermeidung hoher Biegemomentbelastung auf den Standpfeiler zu übertragen.

Für eine geeignete, an die Sonnenlaufbahn angepaßte Nachführung ist es zweckmäßig, wenn die erste Drehachse horizontal und die zweite Drehachse vertikal verläuft. Auf diese Weise kann über die horizontale erste Drehachse der Neigungswinkel des flächigen Trägers an den Einstrahlwinkel der Sonne auf die Erde angepaßt werden und über die vertikale Achse die Erdrotation berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verstellung der Neigung des flächigen Trägers an die Drehbewegung um die vertikale zweite Drehachse gekoppelt ist. Daher ist es sinnvoll, die horizontale erste Drehachse fest mit dem Träger zu verbinden und die vertikale zweite Drehachse ortsfest zu wählen.

Die mechanische Kopplung der beiden Drehbewegungen erfolgt vorteilhaft über eine gelenkige aber abstandsstarre Verbindung des flächigen Trägers an einer von der horizontalen ersten Drehachse beabstandeten Stelle über eine beidseitig gelenkig angebrachte Distanzstütze mit einem raumfesten, von der vertikalen zweiten Drehachse beabstandeten Befestigungselement. Wird im Rahmen der Nachführung der Träger und die fest mit dem flächigen Träger verbundene horizontale erste Drehachse um die vertikale zweite Drehachse gedreht und greift an der von der horizontalen ersten Drehachse beabstandete Stelle die gelenkig angebrachte Distanzstütze an, so bewegt sich die mit der gelenkig angebrachten Distanzstüzte in Verbindung stehende Stelle auf einer Kreisbahn, welche Bestandteil der umhüllenden Sphäre des einseitig ortsfest angebrachten Distanzelementes ist. Abhängig von der Länge des Distanzelementes stellt sich somit eine gewünschte maximale und minimale Neigung des flächigen Trägers abhängig von der augenblicklichen Winkelstellung bezüglich der vertikalen zweiten Drehachse ein.

Damit die Nachführung bedarfsgerecht an die verschiedenen Jahreszeiten angepaßt werden kann und so beispielsweise der tiefere Stand der Herbstsonne gegenüber dem sommerlichen Niveau berücksichtigt werden kann, ist es sinnvoll, die Distanzstütze in ihrer Länge verstellbar auszubilden. Dies kann beispielsweise über ein Gewinde erfolgen, welches in regelmäßigen Abständen händisch nachjustiert wird. Die Längenverstellung der Distanzstütze kann auch motorisch angetriebenen sein, beispielsweise mittels eines Elektromotors. Dies würde zusätzlich eine permanente Feinjustage der Winkelstellung des flächigen Trägers ohne händischen Eingriff ermöglichen. Die erhöhte Präzision der Nachführung hätte eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades zur Folge. Eine derartige Einflußnahme auf die Nachführung ließe sich vorteilhaft zentral steuern. Die erfindungsgemäßen Vorteile, nämlich die Einsparung einer teuren, komplizierten Nachführung, bleiben dennoch erhalten, da es sich bei der zusätzlichen motorischen Verstellmöglichkeit nur um ein Modul zur Feinjustage handelt, welches aufgrund des nur kleinen Arbeitsweges kostengünstig kompakt ausgeführt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist eine beidseitige Befestigung des flächigen Trägers in seiner horizontalen ersten Drehachse drehbar in mindestens zwei Auflagerpunkten an einem Aufnahmeträger. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, daß die horizontale erste Drehachse und die vertikale zweite Drehachse in etwa durch den Schwerpunkt des Trägers verlaufen. Diese Anordnung ist im Hinblick auf die Statik der Vorrichtung besonders vorteilhaft, weil die schwerpunktmäßige Lagerung das Aufkommen von Momenten und Querkräften minimiert. Sowohl die statischen Bauteile, als auch die Lagerungen sind somit minimaler Belastung ausgesetzt.

Eine besonders robuste und einfache drehbare Lagerung des Aufnahmeträgers ergibt sich, wenn dieser sich in seiner Mitte auf einer Konusspitze abstützt, welche das obere Ende eines ortsfesten Standpfeilers bildet. Die Lagerung auf einer Konusspitze ist weitaus kostengünstiger als jede Form der Wälzlagerung. Angesichts der niedrigen Lagerbelastung hinsichtlich der quasi statischen Bewegung ist diese Anordnung konstruktiv sinnvoll und wirtschaftlich äußerst günstig. Diese höchst einfache Form der Gleitlagerung ist zudem sehr wartungsarm und zuverlässig.

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Nachführvorrichtung entfaltet sich erst gänzlich beim Einsatz einer Vielzahl dieser Vorrichtungen. Vorteilhaft lassen sich mehrere gleichartige Vorrichtungen in einer Reihe mit Zugmitteln verbinden und die Winkeleinstellung mittels eines Stellantriebs über das Zugmittel vornehmen. Hierbei ist es zweckmäßig, den Aufnahmeträger mit einer um die vertikale zweite Drehachse zylindrisch gebogenen seitlichen Zugmittelführung auszustatten, über welche Zugmittel geführt werden, mittels derer die Winkelstellung in der vertikalen zweiten Drehachse eingestellt wird. Auf diese Weise können beispielsweise 50 erfindungsgemäße Nachführvorrichtungen mit nur einem Stellantrieb der Sonne nachgeführt werden. Auf der dem Stellantrieb gegenüberliegenden Seite eines Zugmittels kann mittels eines Gegengewichts die stets stabile Winkelposition der Nachführvorrichtungen gewährleistet werden. Statt eines Zugmittels können auch starre Verbindungen zwischen dem Stellantrieb und den Nachführvorrichtungen, beziehungsweise den Nachführvorrichtungen untereinander vorgesehen werden.

Im folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen die Erfindung näher verdeutlicht. Es zeigt:
1: Eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nachführvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Nachführvorrichtung ist in 1 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Sie besteht im wesentlichen aus einem Träger 2, einem Aufnahmeträger 3 und einem Standpfeiler 4.
Der Träger 2 besteht im wesentlichen aus zwei Längsprofilen, die den Träger zu zwei Seiten hin abschließend begrenzen und zwei Querprofilen, welche jeweils im Abstand von etwa einem Drittel der Länge der Längsprofile an den Längsprofilen angebracht sind. Durch eine Hauptträgheitsachse parallel zu den Längsprofilen 2a verläuft eine erste horizontale Drehachse, in welcher der Träger 2 an der Rahmenkonstruktion des Aufnahmeträgers 3 angebracht ist. Am unteren Rand des rahmenförmigen Aufnahmeträgers 3 ist eine Zugmittelführung 8 angebracht, welche im Halbkreis zylindrisch gebogen ist. An der horizontal ausgerichteten halbkreisförmigen Zugmittelführung 8 ist ein nicht dargestelltes Zugmittel angebracht.
Durch die vertikale Hauptträgheitsachse des Aufnahmeträgers 3 verläuft eine vertikale zweite Drehachse 9. Die vertikale zweite Drehachse 9 ist in etwa so ausgerichtet, daß sie sich mit der horizontalen ersten Drehachse 7 schneidet.
Der Aufnahmeträger 3 ist auf dem Standpfeiler 4 in der vertikalen zweiten Drehachse 9 mittig gelagert. Die Lagerung erfolgt über eine am oberen Ende des Standpfeilers 4 befindliche Konusspitze 10.
Der rahmenförmige Aufnahmeträger besteht im wesentlichen aus einem oberen 11 und einem unteren Querholm 12 sowie zwei seitlichen Trägern 13, 14. Der untere Querholm 12 ist mit einer Durchführung für den Standpfeiler 4 versehen, welcher am oberen Ende in eine Konusspitze 10 mündet, die zur Aufnahme der Aufstandskraft des Trägers 2 dient. Etwaige Querkräfte aus beispielsweise einer Windbelastung werden sowohl durch die Konusspitze 10 als auch über die Lagerung an der Durchführung 15 aufgenommen.
An dem Standpfeiler 4 ist ein Befestigungselement 16 angebracht, welches mit einer Distanzstütze 17 in Verbindung steht, die sowohl an dem Befestigungselement 16 als auch an dem Träger 2 gelenkig angebracht ist.
Wird die dargestellte Nachführvorrichtung 1 mittels des nicht dargestellten Zugmittels gedreht, findet gleichzeitig eine Veränderung der Neigung des Trägers 2 statt.
Die Distanzstütze 17 ist in ihrer Länge verstellbar, so daß eine Feinjustage des überstrichenen Neigungswinkels abhängig von der Jahreszeit durchgeführt werden kann.
Die gesamte Nachführvorrichtung 1 ist in gewöhnlichem Baustahl als Schweißkonstruktion hergestellt und oberflächenverzinkt.

Claims

Nachführvorrichtung (1), zur Nachführung eines Kollektors, Absorbers, Reflektors oder Photovoltaikmoduls nach dem Stand der Sonne, mit einem um eine erste Drehachse (7) und eine zweite Drehachse (9) drehbaren flächigen Träger (2), wobei die erste Drehachse (7) im wesentlichen horizontal und die zweite Drehachse (9) im wesentlichen vertikal verläuft, der flächige Träger (2) an wenigstens zwei Auflagerpunkten in der ersten Drehachse (7) drehbar an einem Aufnahmeträger (3) befestigt ist und der Aufnahmeträger (3) drehbar um die vertikale Drehachse (9) an einem Standpfeiler (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeträger (3) mindestens einen oberen Querholm (11) aufweist, an welchem seitliche Träger (13,14) angebracht sind, welche mit einem unteren Querholm (12) in Verbindung stehen, wobei die Querholme (11,12) in deren Mitte Lager (10,15) aufweisen, mit denen der Aufnahmeträger (3) drehbar an dem Standpfeiler (4) gelagert ist und daß der Aufnahmeträger (3) eine um die zweite Drehachse (9) zylindrisch gebogene seitliche Zugmittelführung (8) aufweist, durch welche Zugmittel geführt werden.
Nachführvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehachse (7) horizontal und die zweite Drehachse (9) vertikal verläuft.
Nachführvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale erste Drehachse (7) fest mit dem Träger (2) verbunden ist.
Nachführvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale zweite Drehachse (9) ortsfest ist.
Nachführvorrichtung (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung des flächigen Trägers (2) um die erste Drehachse (7) mechanisch an die Drehbewegung um die zweite Drehachse (9) gekoppelt ist.
Nachführvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) an einer von der horizontalen ersten Drehachse (7) beabstandeten Stelle über eine beidseitig gelenkig angebrachte Distanzstütze (17) mit einem raumfesten, von der vertikalen zweiten Drehachse (9) beabstandeten Befestigungselement (16) gelenkig aber abstandsstarr verbunden ist.
Nachführvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstütze (17) in ihrer Länge verstellbar ausgebildet ist.
Nachführvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehachse (7) in etwa durch den Schwerpunkt des Trägers (2) verläuft.
Nachführvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drehachse (9) in etwa durch den Schwerpunkt des Trägers (2) verläuft.
Nachführvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Aufnahmeträger (3) etwa in seiner Mitte drehbar gelagert auf einer Konusspitze (10) abstützt, welche das obere Ende eines ortsfesten Standpfeilers (4) bildet.
Nachführvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Nachführvorrichtungen (1) in einer Reihe mit Zugmitteln oder Stangen verbunden sind und die Nachführung mittels eines Stellantriebs über die Zugmittel oder Stangen erfolgt.