DE102006027152A1

DE102006027152A1 - Nachführung von solaren Energiegewinnungseinrichtungen

Info

Publication number: DE102006027152A1
Application number: DE102006027152A
Authority: DE
Inventors: Arnd Pietrzak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nachführungseinrichtung (1) zur Nachführung einer solaren Energiegewinnungseinrichtung (B), insbesondere einer Fotovoltaik-Vorrichtung, entsprechend der Erdbewegung. Die Nachführungseinrichtung (1) weist einen Zahnkranz (E) auf, der drehfest mit einem Träger zum Tragen der Energiegewinnungseinrichtung (B) und/oder mit der Energiegewinnungseinrichtung (B) verbunden ist, weist eine Drehachse (A) auf, um die der Zahnkranz (E), der Träger und/oder die Energiegewinnungseinrichtung (B) drehbar gelagert ist, und weist Antriebsmittel (D), insbesondere ein Zahnrad, auf, wobei die Antriebsmittel (D) mit dem Zahnkranz (E) zusammenwirken und ausgestaltet sind, zur einachsigen Nachführung den Zahnkranz (E) um die Drehachse (A) zu drehen.

Description

Die Erfindung betrifft Nachführungseinrichtungen zur Nachführung einer solaren Energiegewinnungseinrichtung entsprechend der Erdbewegung. Bei der Energiegewinnungseinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Fotovoltaik-Vorrichtung. Es können jedoch auch andere Energiegewinnungseinrichtungen nachgeführt werden, z.B. eine solarthermische Einrichtung.
Die einachsige Nachführung von solaren Energiegewinnungseinrichtungen ist allgemein bekannt und dient insbesondere dazu, die Energiegewinnungseinrichtung dem Tagesverlauf der Sonne nachzuführen. Die einachsige Nachführung ist im Gegensatz zur zweiachsigen Nachführung wesentlich kostengünstiger zu realisieren, ergibt aber im Jahresverlauf eine geringere Energieausbeute.
Aber auch bei einachsigen Nachführungen existieren Lösungen, die sich hinsichtlich des technischen Aufwandes für die Nachführung, hinsichtlich ihrer Wartungsfreundlichkeit und hinsichtlich ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit voneinander unterscheiden. Insbesondere bei kleineren Anlagen und Systemen sind Störanfälligkeit und Wartungsaufwand wesentliche Kriterien, die über den wirtschaftlichen Erfolg beim Betrieb der Anlagen oder der Systeme entscheiden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wartungsarme, robuste und kostengünstig herzustellende Nachführungseinrichtung anzugeben. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.
Es wird vorgeschlagen, dass die Nachführungseinrichtung einen Zahnkranz aufweist, der drehfest mit einem Träger zum Tragen der Energiegewinnungseinrichtung und/oder mit der Energiegewinnungseinrichtung verbunden ist. Die Nachführungseinrichtung weist eine Drehachse auf, um die der Zahnkranz, der Träger und/oder die Energiegewinnungseinrichtung drehbar gelagert ist. Antriebsmittel, insbesondere ein Zahnrad, wirken mit dem Zahnkranz zusammen und sind ausgestaltet, zur einachsigen Nachführung den Zahnkranz um die Drehachse zu drehen.
Unter Zahnkranz wird auch ein Teil verstanden, das in der Art eines Zahnkranzes an seinem Außenumfang eine Mehrzahl von Zähnen aufweist, jedoch innenseitig, innerhalb der Außenumfangslinie, ganz oder teilweise mit Material ausgefüllt ist. Beispielsweise wird daher auch ein Segment eines Zahnrades als Zahnkranz verstanden.
Senkrecht zu der Ebene, in der sich die durch die Zähne des Zahnkranzes definierte Außenumfangslinie erstreckt, besteht der Zahnkranz insbesondere aus gleichmäßig dickem Material. Z.B. wird der Zahnkranz aus einem Blech gefertigt. Das Blech ist beispielsweise ein Blech aus Baustahl oder Edelstahl. Optional kann der Zahnkranz an der Stelle, an der die Drehachse senkrecht zu der Ebene der Außenumfangslinie durch ihn hindurch tritt, eine Öffnung aufweisen, so dass der Zahnkranz um die Drehachse drehbar gelagert werden kann. Für die Lagerung eignet sich z.B. ein Flanschlager, das in die Öffnung eingebracht wird.
Ein wesentlicher Vorteil des Zahnkranzes besteht darin, dass er als sehr robustes Teil hergestellt werden kann. Außerdem kann er sehr stabil mit dem Träger oder der Energiegewinnungseinrichtung verbunden werden, beispielsweise an den beiden entgegengesetzten Enden des Zahnkranzes angeschweißt oder angelötet werden. Dabei müssen die Zähne sich nicht bis zu den Enden des Zahnkranzes erstrecken.
Außerdem kann der Zahnkranz über ein Zahnrad angetrieben werden, das wesentlich weniger Zähne aufweist als der Zahnkranz. Z.B. weist der Zahnkranz eine Anzahl von Zähnen auf, die im Bereich von 80 bis 150 liegt. Dagegen weist das Zahnrad z.B. eine Anzahl von Zähnen im Bereich von 8 bis 15 auf. Das für die Drehung des Zahnkranzes und die Drehachse erforderliche Drehmoment ist daher sehr gering und die Drehposition kann sehr präzise ohne großen technischen Aufwand eingestellt werden. Für den Antrieb reicht beispielsweise ein Winkelgetriebemotor aus, der von einer Uhrzeit-bezogenen Steuerung angesteuert wird.
Zusätzlich zu der beschriebenen einachsigen Nachführungseinrichtung kann noch eine zweite Achse vorgesehen sein, um die der Träger und/oder die Energiegewinnungseinrichtung oder um die die gesamte einachsige Nachführungseinrichtung zur Nachführung gedreht werden kann. Z.B. wird die Drehung um die zweite Drehachse per Hand bewirkt. Auf diese Weise kann einfach und kostengünstig an die jeweilige Jahreszeit angepasst werden.
Besonders kostengünstig kann der Zahnkranz durch eine Laserschneidevorrichtung oder durch eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlschneidevorrichtung aus einem Ausgangsmaterial ausgeschnitten werden. Nachträglich kann anhand der Schnittflächen am Außenumfang des Zahnkranzes festgestellt werden, ob der Zahnkranz nach diesem Verfahren hergestellt wurde. Insbesondere ist die Schnittkante beim Laserschneiden an der dem Laser zugewandten Seite meist leicht abgerundet. Auch weist die Schnittkante eine charakteristische, dem thermischen Verfahren des Laserschneidens entsprechende glatte Oberfläche auf.
Andere Umrisse als die Umrisse der Zähne können alternativ auch mit einem anderen Herstellungsverfahren hergestellt werden, beispielsweise gestanzt werden. Das Laserschneiden ist eine präzise Herstellungsmethode, mit der z.B. Fertigungstoleranzen um 10/100 mm auf einfache Weise erzielt werden können.
Vorzugsweise ist der Zahnkranz in einem Stück aus dem Ausgangsmaterial ausgeschnitten. Insbesondere können so Zahnkränze mit Kranzdurchmessern von mehr als einem Meter oder sogar mehreren Metern hergestellt werden.
Außerdem wird bevorzugt, dass der Zahnkranz halbkreisförmig ausgestaltet ist. Dabei können die Zähne in einem Abstand zu den einander gegenüberliegenden Enden des Zahnkranzes beginnen bzw. enden. Daher kann auch bei einem halbkreisförmigen Zahnkranz der Winkelbereich, über den sich die Zähne erstrecken, deutlich weniger als 180° betragen, z.B. 150° bis 170°. Ein größerer Winkelbereich wird für die meisten Standorte auf der Erde nicht benötigt.
Bezüglich des halbkreisförmigen Zahnkranzes kann eine (gedachte) Durchmesserlinie definiert werden, die sich in Richtung des Durchmessers des halbkreisförmigen Zahnkranzes erstreckt und einen ersten Endbereich des Zahnkranzes mit einem gegenüberliegenden zweiten Endbereich des Zahnkranzes verbindet. Optional kann der Zahnkranz auch tatsächlich eine durchgehende Materialverbindung zwischen den beiden Enden des Zahnkranzes aufweisen, wobei sich die Materialverbindung etwa in gerader Richtung entlang der Durchmesserlinie erstreckt.
Der Zahnkranz ist vorzugsweise so angeordnet, dass sich die Durchmesserlinie parallel zu einer Ebene erstreckt, in der beim Betrieb der Energiegewinnungseinrichtung die Aperturfläche der Energiegewinnungseinrichtung liegt. Unter der Aperturfläche wird insbesondere die in den meisten Fällen ebene Oberfläche eines oder mehrerer in einer Ebene angeordneter Fotovoltaik-Module verstanden. Die Aperturfläche kann aber auch eine lediglich gedachte ebene Fläche einer Energiegewinnungseinrichtung sein, die ausgestaltet ist, die durch die Aperturfläche einfallende solare Strahlung zu konzentrieren. Beispielsweise weist die Energiegewinnungseinrichtung hierzu einen Reflektor auf, der die Konzentration bewirkt.
Die Drehachse, um die der Zahnkranz gedreht werden kann, ist vorzugsweise so angeordnet, dass der Träger oder die mit dem Zahnkranz verbundene Energiegewinnungseinrichtung gedanklich durch die Drehachse in zwei gleich große Bereiche unterteilt wird, die sich gleichweit in entgegengesetzte Richtungen senkrecht von der Drehachse weg erstrecken. Die senkrecht zu dem Verlauf der Drehachse definierte Außenabmessung des Trägers bzw. der Energiegewinnungseinrichtung wird als Breite bezeichnet.
Bevorzugt wird, dass sich die Durchmesserlinie, gemessen von Außenumfang zu Außenumfang des halbkreisförmigen Zahnkranzes an dessen Enden, über zumindest die Hälfte der Breite des mit dem Zahnkranz verbundenen Trägers oder zumindest die Hälfte der Breite der mit dem Zahnkranz verbundenen Energiegewinnungseinrichtung erstreckt, wobei die Breite der Energiegewinnungseinrichtung als Breite der Aperturfläche der Energiegewinnungseinrichtung definiert ist. Auf diese Weise wird einerseits eine robuste Anordnung des Zahnkranzes an dem Träger oder der Energiegewinnungseinrichtung erreicht und andererseits besonders kleine Antriebsdrehmomente ermöglicht. Besonders bevorzugt wird, dass sich die Durchmesserlinie über zumindest drei Viertel der Breite erstreckt.
Zur besonders stabilen Befestigung des Zahnkranzes an dem Träger oder der Energiegewinnungseinrichtung können die beiden Enden des Zahnkranzes jeweils an dem Träger bzw. der Energiegewinnungseinrichtung befestigt sein.
Insbesondere kann sich die Durchmesserlinie senkrecht zu einer Vertikalen des Trägers oder der Energiegewinnungseinrichtung erstrecken, wobei die direkte solare Einstrahlung auf die Energiegewinnungseinrichtung am größten ist, wenn die direkte solare Strahlung in Richtung der Vertikalen auf die Energiegewinnungseinrichtung einfällt. Anders ausgedrückt verläuft die Durchmesserlinie vorzugsweise parallel zu der ebenen Aperturfläche.
Für die Erläuterung, Varianten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Nachführungseinrichtung wird auf die vorangegangene Beschreibung und auf die noch folgende Figurenbeschreibung verwiesen.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
1 eine Nachführungseinrichtung in einer ersten Drehstellung,
2 die Nachführungseinrichtung gemäß 1 in einer zweiten Drehstellung,
3 eine schematische Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Zahnkranz, wobei jedoch die durch die Zähne gebildeten Konturen weggelassen wurden, und
4 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zahnkranz, der durch Laserschneiden hergestellt wurde.
Die in 1 und 2 dargestellte Nachführungseinrichtung 1 weist eine Energiegewinnungseinrichtung auf, die z.B. aus den mit B bezeichneten Fotovoltaik-Modulen besteht, welche in den Figuren plattenförmig dargestellt sind. Beim Betrieb, d.h. bei Sonneneinstrahlung, erreicht die Strahlung die Oberseite der Module B und wird von diesen in elektrische Energie umgewandelt.
Mit den Modulen B oder mit einem in 1 und 2 nicht dargestellten Träger, der unterhalb der Module B angeordnet ist, ist ein Zahnkranz E verbunden. Dabei sind die Enden 3, 3' des Zahnkranzes E jeweils mit dem Träger oder den Modulen B verbunden.
Zwei Stützen F, F' der Nachführungseinrichtung 1 stützen den Träger oder die Module B gegen den Boden ab bzw. tragen die Anordnung. Alternativ können die Stützen auch eine Querstrebe des Zahnkranzes abstützen, der dann wiederum mit dem Träger oder direkt mit der Energiegewinnungseinrichtung verbunden ist. Die Stützen können auch mit mehreren der getragenen Teile verbunden sein. Dabei wird die tragende Verbindung zwischen der Stütze F bzw. F' zu dem oder den unmittelbar damit verbundenen Teilen über ein Drehlager C bzw. C' hergestellt, so dass der Zahnkranz E, die Module B und der optional vorgesehen Träger um eine durch die Lager C, C' definierte Drehachse A gegen die Stützen F, F' bzw. gegen den Boden gedreht werden können. In der hier verwendeten Terminologie erstreckt sich die Drehachse A in Längsrichtung der Module B, so dass die Lager C, C' etwa, in Längsrichtung betrachtet, am Anfang und Ende der Module B angeordnet sind.
Wie dargestellt ist lediglich ein Zahnkranz E vorgesehen. Bei alternativen Ausgestaltungen kann jedoch auch ein Zahnkranz an jedem der Enden der Module B vorgesehen sein.
Wie schematisch in 1 und 2 dargestellt ist, weist die Nachführungseinrichtung 1 ein Zahnrad D auf, das kämmend mit den Zähnen am Außenumfang des Zahnkranzes E zusammenwirkt und bei Drehung des Zahnrades D eine Drehung des Zahnkranzes, der Module B und optional des Trägers um die Drehachse A bewirkt.
2 zeigt eine zweite Drehstellung.
Das Zahnrad D wird, wie schematisch dargestellt, von einem Motor G angetrieben. Der Zahnkranz E verläuft in einer Ebene, die senkrecht zu der Aperturfläche der Module B steht. Die Aperturfläche wird hier durch die Oberfläche der Module B auf der Oberseite in 1 gebildet. Daher verläuft die Ebene, in der sich der Zahnkranz E erstreckt, senkrecht zu der Drehachse A. Außerdem ist der Zahnkranz E so angeordnet, dass seine Enden 3, 3' in gleichem Abstand zu der jeweils in Längsrichtung verlaufenden Außenkante 4, 4' der Module B positioniert sind. Dies ist gleichbedeutend mit der Tatsache, dass die Drehachse A in der Mitte zwischen den Außenkanten 4, 4' verläuft. Auf diese Weise wird eine gegen Windkräfte sehr stabile Anordnung erzielt. Auf die Module B gleichmäßig einwirkender Wind führt nicht zu einem resultierenden Drehmoment um die Drehachse A.
3 zeigt einen Zahnkranz 12 für eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Nachführungseinrichtung. Der Zahnkranz weist an seinem Außenumfang, der in 3 über eine Halbkreislinie von oben über rechts außen nach unten verläuft, eine Mehrzahl von nicht dargestellten Zähnen auf. Der Außenumfang ist mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet.
Außerdem sind die einander gegenüberliegenden Enden 13, 13' des Zahnkranzes 12 über eine direkte, in gerader Richtung verlaufende Materialverbindung 16 miteinander verbunden. In der Mitte der Materialverbindung 16 befindet sich ein Loch 17 zur Aufnahme eines Drehlagers. Der halbkreisförmige Bereich zwischen der Materialverbindung 16 und dem ringförmigen Bereich 18, der die Zähne 15 an seinem Außenumfang trägt, enthält kein Material des Zahnkranzes 12. Z.B. ist der gesamte Zahnkranz 12 durch Laserschneiden aus einem Metallblech ausgeschnitten worden. Die Enden 13, 13' oder die gesamte links in 3 liegende Seitenfläche des Zahnkranzes 12 kann/können mit einem Träger oder einer Energiegewinnungseinrichtung verbunden werden.
4 zeigt ein Stück eines durch Laserschneiden hergestellten Zahnkranzes 22, wobei links in der Fig. das Profil einer Laserstrahl geschnittenen Außenkante des Zahnkranzes 22 dargestellt ist. Beim Laserschneiden drang der Laserstrahl von oben in der 4 nach unten durch das Ausgangsmaterial hindurch, so dass die Ecke (durch einen Pfeil gekennzeichnet), an der die obere Oberfläche 21 in die Schnittkante 23 übergeht, leicht abgerundet ist.

Claims

Nachführungseinrichtung (1) zur Nachführung einer solaren Energiegewinnungseinrichtung (B), insbesondere einer Fotovoltaik-Vorrichtung, entsprechend der Erdbewegung, wobei die Nachführungseinrichtung (1) – einen Zahnkranz (E) aufweist, der drehfest mit einem Träger zum Tragen der Energiegewinnungseinrichtung (B) und/oder mit der Energiegewinnungseinrichtung (B) verbunden ist, – eine Drehachse (A) aufweist, um die der Zahnkranz (E), der Träger und/oder die Energiegewinnungseinrichtung (B) drehbar gelagert ist, – Antriebsmittel (D), insbesondere ein Zahnrad, aufweist, wobei die Antriebsmittel (D) mit dem Zahnkranz (E) zusammenwirken und ausgestaltet sind, zur einachsigen Nachführung den Zahnkranz (E) um die Drehachse (A) zu drehen.
Nachführungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zahnkranz (E) durch eine Laserschneidevorrichtung oder durch eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlschneidevorrichtung aus einem Ausgangsmaterial, insbesondere aus Stahlblech, ausgeschnitten ist.
Nachführungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zahnkranz (E) in einem Stück aus dem Ausgangsmaterial ausgeschnitten ist.
Nachführungseinrichtung nach den drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zahnkranz (E) halbkreisförmig ausgestaltet ist, wobei eine gedachte Durchmesserlinie, die sich in Richtung des Durchmessers des halbkreisförmigen Zahnkranzes (E) erstreckt, einen ersten Endbereich 3 des Zahnkranzes (E) mit einem gegenüberliegenden zweiten Endbereich 3' des Zahnkranzes (E) verbindet.
Nachführungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Durchmesserlinie parallel zu einer Ebene erstreckt, in der beim Betrieb der Energiegewinnungseinrichtung (B) die Aperturfläche der Energiegewinnungseinrichtung (B) liegt.
Nachführungseinrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Durchmesserlinie, gemessen von Außenumfang zu Außenumfang des Zahnkranzes (E), über zumindest die Hälfte der Breite des mit dem Zahnkranz (E) verbundenen Trägers oder zumindest die Hälfte der Breite der mit dem Zahnkranz (E) verbundenen Energiegewinnungseinrichtung (B) erstreckt, wobei die Breite der Energiegewinnungseinrichtung (B) als Breite der Aperturfläche der Energiegewinnungseinrichtung (B) definiert ist.
Nachführungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Durchmesserlinie über zumindest drei Viertel der Breite erstreckt.
Nachführungseinrichtung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Durchmesserlinie senkrecht zu einer Vertikalen des Trägers oder der Energiegewinnungseinrichtung (B) erstreckt, wobei die direkte solare Einstrahlung auf die Energiegewinnungseinrichtung (B) am größten ist, wenn die direkte solare Strahlung in Richtung der Vertikalen auf die Energiegewinnungseinrichtung (B) einfällt.
Verfahren zum Herstellen einer Nachführungseinrichtung (1) zur Nachführung einer solaren Energiegewinnungseinrichtung (B) entsprechend der Erdbewegung, wobei – ein Zahnkranz (E) drehfest mit einem Träger zum Tragen der Energiegewinnungseinrichtung (B) und/oder mit der Energiegewinnungseinrichtung (B) verbunden wird, – eine Drehachse (A) so vorgesehen wird, dass der Zahnkranz (E), der Träger und/oder die Energiegewinnungseinrichtung (B) drehbar gelagert ist, – Antriebsmittel (D), insbesondere ein Zahnrad, vorgesehen werden, wobei die Antriebsmittel (D) mit dem Zahnkranz (E) zusammenwirken und ausgestaltet sind, zur einachsigen Nachführung den Zahnkranz (E) um die Drehachse (A) zu drehen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zahnkranz (E) durch eine Laserschneidevorrichtung oder durch eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlschneidevorrichtung aus einem Ausgangsmaterial, insbesondere aus Stahlblech, ausgeschnitten wird.