DE102005035441B3 - Drehantrieb eines plattenförmigen Solarmoduls und Solaranlage - Google Patents

Abstract

In einen Drehantrieb zum Verdrehen eines plattenförmigen Solarmoduls werden von außen nur schrittweise Drehimpulse von begrenztem Drehweg eingeleitet. Eine drehbare Schaltscheibe in dem Drehantrieb weist eine regelmäßig gerasterte Steuerkontur mit Rastereinheiten nach Art einer Verzahnung auf. Im Zusammenwirken mit einem Steuerglied wird dadurch erreicht, dass die drehbare Schaltscheibe beim Verdrehen bis zu einem Grenzwinkel in eine definierte stabile Ausgangs- und Mittenlage zurückkehrt, beim Überschreiten des Grenzwinkels jedoch entsprechend mindestens einer Rastereinheit weiterdreht. Das Solarmodul ist mit der Schaltscheibe drehfest verbunden. Mit dieser Ausbildung wird erreicht, dass die Verstellgenauigkeit des Solarmoduls weitgehend unabhängig von dem von außen eingeleiteten Drehimpuls ist. Dadurch kann eine Gruppe von Drehantrieben gemeinsam mit einem zentralen Antrieb über mechanische Koppelglieder verdreht werden, und es kommt trotz der Ungenauigkeiten einer mechanischen Kopplung eine gute und gleichmäßige Einstellgenauigkeit der einzelnen Solarmodule zustande.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb eines plattenförmigen Solarmoduls, der zur Anpassung an die Richtung der Sonneneinstrahlung dient.
• Die Solarmodule können Fotovoltaik-Module oder thermische Solarmodule sein. Es ist bekannt, derartige Solarmodule schwenkbar anzuordnen, um sie dadurch der Richtung der Sonneneinstrahlung nachzuführen. Die Solarmodule werden dabei um aufrechte Achsen geschwenkt, wodurch sie dem scheinbaren Tagesverlauf der Sonne nachgeführt werden. Der Ausdruck „aufrecht" bedeutet, dass die Tragachse, an der die Solarmodule befestigt und abgestützt sind, senkrecht oder schräg aufwärts auf der Erdoberfläche stehen. Dazu ist auch ein Verschwenken um im wesentlichen horizontale Achsen bekannt, womit auf den unterschiedlich hohen Stand der Sonne entsprechend der Jahreszeiten Rücksicht genommen wird. Bei größeren Solaranlagen gibt es eine Vielzahl von einzelnen plattenförmigen Solarmodulen, die im Falle der Verstellbarkeit alle gemeinsam auf die Sonne ausgerichtet werden. Im Interesse einer großen Energieausbeute sollten alle Solarmodule möglichst die gleiche optimale Stellung einnehmen. Um das zu erreichen, könnte man jedes einzelne Solarmodul mit einem eigenen Verstellantrieb und einer eigenen Messzelle versehen, um ein optimales Steuern zu erreichen. Eine derartige Anlage wäre sehr aufwendig und erfordert auch einen erheblichen Wartungsaufwand, womit sich die Gesamtwirtschaftlichkeitsrechnung deutlich verschlechtert.
• Bekannt sind auch Einrichtungen zur mechanischen Übertragung der Verstellbewegung von einer gemeinsamen Antriebs- und Steuereinheit aus. Das kann z. B. durch Kettenantriebe oder Steuerstangen erfolgen, die von einem gemeinsamen Antriebsmotor aus betätigt werden.
• So ist aus DE 101 62 116 B4 eine Solaranlage bekannt, bei der mehrere Solareinheiten zur Übertragung der Stellbewegung mittels Seilen, Riemen, Ketten oder Gestänge gekoppelt sind.
• Die mechanische Übertragung hat jedoch den Nachteil, dass einerseits erhebliche Stellkräfte zu übertragen sind und andererseits eine große Verstellgenauigkeit und Gleichmäßigkeit für alle einzelnen Solarmodule gefordert sind. Am Ende einer längeren mechanischen Übertragungskette werden die einzelnen Solarmodule eine deutlich geringere Verstellbewegung ausführen, weil infolge von Spiel und Reibung in den Übertragungsgliedern nur noch ein Teil der von dem zentralen Stellmotor erteilten Bewegung an dem letzten Solarmodul ankommt.
• Es besteht also ein Bedürfnis, angesichts des in jedem Fall hohen konstruktiven und finanziellen Aufwandes für eine gemeinsame Verstellanlage auch das bestmögliche Ergebnis, d. h. eine möglichst genaue und gleichmäßige Nachführung der Stellbewegung für alle Solarmodule zu erreichen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Drehantrieb eines plattenförmigen Solarmoduls mit dem Ziel zu verbessern, dass ein zentraler Antrieb für eine Vielzahl von Solarmodulen auf wirtschaftliche Weise erreicht wird, wobei aber dennoch für jedes Solarmodul eine möglichst hohe und für alle Stellmodule gleichmäßige Stellgenauigkeit erzielt wird.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Drehantrieb gemäß Anspruch 1.
• Nach der erfindungsgemäßen Ausbildung ist die an dem plattenförmigen Solarmodul erzielte Einstellgenauigkeit weitgehend unabhängig davon, wie die durch ein Antriebsglied erzielte Stellkraft in den Drehantrieb eingeleitet wird. Der Drehantrieb des einzelnen Solarmoduls erzeugt sich gewissermaßen seine Genauigkeit selbst. Das erzielt die drehbeweglich gelagerte Schaltscheibe im Zusammenwirken mit einem beweglichen Steuerglied. Gemäß der vorgeschriebenen Steuerkontur wird bei kleineren Drehbewegungen der Schaltscheibe bis zu einem Grenzwinkel nichts weiter bewirkt, als dass die Schaltscheibe wieder in eine stabile Ausgangslage zurückkehrt. Dabei kann die Steuerkontur auch so ausgebildet sein, dass die Steuerscheibe bei kleineren Drehbewegungen unterhalb des Grenzwinkels in eine definierte Ausgangs- und Mittellage zurückkehrt. Erst beim Überschreiten des Grenzwinkels wird ein Weiterdrehen der Schaltscheibe um eine oder mehrere Rastereinheiten erreicht.
• Bei dem erfindungsgemäßen Drehantrieb kommt es somit nur darauf an, dass ein genügend hoher Drehimpuls von außen auf die Schaltscheibe gelangt, so dass diese überhaupt weitergedreht wird. Ungenauigkeiten bei einem zentralen Antrieb, die bei einer Gruppe von Solarmodulen unvermeidlich sind, werden dadurch ausgeglichen. Es genügt, dass der von außen eingeleitete Drehimpuls zum Weiterschalten auch der „schwächsten" Schaltscheibe ausreicht. Wenn darüber hinaus leichter bewegliche oder schon weiter verstellte Schaltscheiben einen zu starken Drehimpuls erhalten, so schadet das nicht, weil infolge der regelmäßig gerasterten Steuerkontur die zu weit gedrehte Schaltscheibe wieder in ihre stabile Ausgangs- und Mittenlage zurückkehrt. Jede Schaltscheibe stabilisiert sich gewissermaßen selbst, so dass auch von einer „mechanischen Digitalisierung" gesprochen werden kann. Auf diese Weise werden alle Solarmodule einer Gruppe gleichmäßig genau gemeinsam verstellt.
• Weiterbildungen der Drehantriebs sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. Der erfindungsgemäße Drehantrieb wird vor allem im Zusammenhang mit dem Verdrehen des plattenförmigen Solarmoduls um die aufrechte Drehachse beschrieben. Er ist aber in gleicher Weise grundsätzlich auch für das Verdrehen waagerechter Achsen brauchbar.
• Im Zuge einer Vereinfachung der Drehantriebe wird es in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Drehantrieb jedoch bevorzugt, dass die Solarmodule nur um eine aufrechte Achse verdrehbar sind, während die Schrägstellung der Solarmodule gegenüber dieser Achse auf einen Wert eingestellt wird, der einem brauchbaren zeitlichen Mittelwert zwischen den Jahreszeiten entspricht.
• Die Erfindung betrifft auch eine Solaranlage zur Energiegewinnung, die aus einer Vielzahl von einzelnen plattenförmigen Solarmodulen besteht, von denen jedes um eine aufrechte Achse gesteuert verdrehbar ist, wobei der Antrieb gemeinsam oder gruppenweise durch mechanische Übertragungsglieder von einer oder mehreren zentralen Antriebseinheiten erfolgt und die Drehantriebe der Solarmodule nach den Ansprüchen 1 bis 6 ausgebildet sind.
• Bei einer derartigen Solaranlage könnten somit mehrere oder eine Vielzahl von Solarmodulen gemeinsam über die üblichen mechanischen Antriebs- oder Koppelglieder wie Ketten, Seilen oder Stangen von einer zentralen Antriebseinheit aus betätigt werden. Die zentrale Antriebseinheit kann den Antriebs- oder Koppelglieder nur Impulse von begrenzter Weglänge erteilen und muss dann wieder zurückgestellt werden. Die zentrale Antriebseinheit dient dabei nur dazu, die Energie zum Verstellen der einzelnen Module in die Drehantriebe einzuleiten. Die Verstellgenauigkeit kommt in den Drehantrieben selbst zustande.
• Die Erfindung wird anschließend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Figuren ist das Folgende dargestellt:
• 1 zeigt eine Solaranlage mit mehren verdrehbaren plattenförmigen Solarmodulen.
• 2 stellt Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Drehantriebs dar.
• 3 hat zwei Beispiele für die direkte Krafteinleitung von linear wirkenden Antriebsgliedern in die Schaltscheibe 4 zum Gegenstand.
• In 1 ist dargestellt, wie mehrere verdrehbare Solarmodule in einer Reihe aufgestellt sind. Dabei ist jedes Solarmodul mit einer Tragachse 2 auf seinem zugehörigen Sockel 3 befestigt. Über Transmissionsglieder 10 werden Antriebsgliedern 9 der Sockel 3 kurze, impulsartige Drehbewegungen erteilt, wozu die Transmissionsglieder hin und her bewegt werden. Die gemeinsame Antriebseinheit für die Transmissionsglieder ist aber nicht dargestellt. Gemäß der vergrößerten Darstellung nach 2 ist mit 2 die Tragachse bezeichnet, an der das Solarmodul 1 schräg aufwärts drehfest angeordnet ist. Die Tragachse 2 ist ihrerseits mit der Schaltscheibe 4 drehfest verbunden, die in dem Sockel 3, also ortsfest, verdrehbar gelagert ist. Die Schaltscheibe 4 ist das Herzstück des gesamten Antriebs. Sie hat im dargestellten Ausführungsbeispiel grundsätzlich Kreisform. Dabei ist aber nur über einen Drehweg von 180 Grad an der Schaltscheibe 4 eine Steuerkontur 5 vorgesehen. Die Steuerkontur 5 hat die Grundform einer gewellten Zahnung, wobei der Grund der Zahnlücken eine stabile Ausgangs- und Mittenlage für das benachbarte Steuerglied 6 bildet. Das Steuerglied 6 ist schwenkbar an dem Sockel 3 befestigt und wird mittels einer Zugfeder 7, die an einem Haltestift 8 befestigt ist, stets gegen die Steuerkontur 5 gezogen.
• Äußerlich entsprechen die Schaltscheibe 4 und das Steuerglied 6 einem Hemmrad und einer Sperrklinke. Im Gegensatz dazu ist jedoch die wellenförmige Steuerkontur 5 so ausgebildet, dass bei kleinen Drehbewegungen der Schaltscheibe bis zu einem bestimmten Grenzwinkel kein weiteres Schalten erfolgt, sondern die Schaltscheibe wieder in ihre stabile Ausgangs- und Mittenlage zurückkehrt. Erst wenn die Drehbewegung einen Grenzwinkel überschreitet, erfolgt ein Weiterschalten um mindestens eine Rastereinheit der Steuerkontur.
• Zum Verdrehen der Steuerscheibe dient ein Antriebsglied 9, das hier gleichfalls scheibenförmig und auf der Tragachse 2 und damit auch gegenüber der Steuerscheibe 4 verdrehbar ist. Eine begrenzte Koppelbewegung zwischen dem Antriebsglied 9 und der Schaltscheibe 4 erfolgt durch das kreisbogenförmige Langloch 13 in dem Antriebsglied 9 und einem Stift 14, der sich an der Schaltscheibe 4 befindet. Wenn das Antriebsglied 9 um einen genügend großen Grenzwinkel verdreht wird, nimmt es über den Stift 14 die Schaltscheibe 4 mit, wodurch diese weiter verdreht werden kann. Die Drehbewegung wird dem Antriebsglied 9 durch ein Transmissionsglied 10 erteilt, das lediglich in kurzen Schritten hin und zurück bewegt werden kann. Das Langloch 13 erlaubt das Rückdrehen des Antriebsgliedes 9 und des Transmissionsgliedes 10 und dient zugleich zum Ausgleich von Stellungsunterschieden bei der gruppenweisen Anordnung von Drehantrieben.
• Andere Möglichkeiten zum Verdrehen der Schaltscheibe 4 sind in 3 dargestellt. Gemäß der Darstellung a wirkt ein Zugseil 11 als Antriebsglied direkt über Ausgleichsfedern 15 auf die Schaltscheibe 4 ein.
• Nach der Darstellung b ist eine Koppelstange 12 vorgesehen, wobei durch das Langloch 16 in der Koppelstange 12 und den Stift 17 an der Schaltscheibe 4 dieselbe schon beschriebene Wirkung zustande kommt.

Claims (7)

1. Drehantrieb eines plattenförmigen Solarmoduls (1), der zur Anpassung an die Richtung der Sonneneinstrahlung dient, mit den folgenden Merkmalen: a) mit dem plattenförmigen Solarmodul (1) ist eine ortsfest gelagerte drehbare Schaltscheibe (4) drehfest verbunden; b) die Schaltscheibe (4) weist eine regelmäßig gerasterte Steuerkontur (5) mit Rastereinheiten nach Art einer Verzahnung auf; c) mit der Steuerkontur (5) wirkt mindestens ein bewegliches Steuerglied (6) zusammen; d) wobei die Anordnung derart getroffen ist, dass im Zusammenwirken mit dem Steuerglied (6) die drehbare Schaltscheibe (4) erst nach Verdrehen um einen Grenzwinkel eine um mindestens eine Rastereinheit veränderte neue Raststellung erreicht; e) die drehbare Schaltscheibe (4) ist mit einem Antriebsglied (9) gekuppelt, das der Schaltscheibe (4) schrittweise Drehimpulse von begrenztem Drehweg erteilt; f) im Zusammenwirken von Schaltscheibe (4) und Antriebsglied (9) ist ein Leerweg vorgesehen, der die Differenz zwischen dem in der Schaltscheibe (4) und dem im Antriebsglied eintreffenden Steuerimpuls ausgleicht.
2. Drehantrieb nach Anspruch 1, bei dem die drehfeste Verbindung zwischen der Schaltscheibe (4) und dem plattenförmigen Solarmodul (1) durch eine Tragachse (2) erfolgt, an der das Solarmodul (1) befestigt ist.
3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schaltscheibe (4) zumindest halbkreisförmig ist und die Steuerkontur (5) an der kreisbogenförmigen Umfangslinie ausgebildet ist, wobei das Steuerglied (6) ähnlich einer Sperrklinke in Ausnehmungen eingreift, welche die Rastereinheiten der Steuerkontur (5) bilden.
4. Drehantrieb nach Anspruch 1 bis 3, mit Ausbildung des Antriebsgliedes (9) als Riemenscheibe oder Kettenrad, das über ein kreisbogenförmiges Langloch (13) und einen Stift (14) mit der Schaltscheibe (4) unter Einhaltung eines Leerweges gekuppelt ist.
5. Drehantrieb nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Antriebsglied in Form eines Zugseils (11), das mit der Schaltscheibe (4) über Ausgleichsfedern (15) gekoppelt ist.
6. Drehantrieb nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Antriebsglied in Form einer Stange (12), die über ein Langloch (16) und einen Stift (17) mit der Schaltscheibe (4) gekoppelt ist.
7. Solaranlage zur Energiegewinnung, die aus einer Vielzahl von einzelnen plattenförmigen Solarmodulen (1) besteht, von denen jedes um eine aufrechte Achse gesteuert verdrehbar ist, wobei der Antrieb gemeinsam oder gruppenweise durch mechanische Übertragungsglieder (10, 11, 12) von einer oder mehreren zentralen Antriebseinheiten erfolgt und die Drehantriebe der Solarmodule (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6 ausgebildet sind.