DE102008023549A1

DE102008023549A1 - Kardanisch gelagerte Prozessfläche

Info

Publication number: DE102008023549A1
Application number: DE102008023549A
Authority: DE
Original assignee: Dieckmann Klaus E Dipl-Ing
Current assignee: Dieckmann Klaus E Dipl-Ing
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine kardanisch gelagerte Prozessfläche unter anderem für eine nachgeführte photovoltaische Solaranlage, deren Nachführung im Gegensatz zu zurzeit üblichen zweiachsig nachgeführten photovoltaischen Solaranlagen in der Nachführung hauptsächlich nur um die Azimutachse nachführt. Kernpunkt der Erfindung ist eine kardanische Aufhängung des Solarsegels. Im Gegensatz zu bestehenden Nachführungssystemen mit großen Vierpunktlagert ist, und dme Drehantrieb um die Azimutachse mit Doppelschneckengetriebe und einem Spindelhubgetriebeantrieb für die Elevationsachse wird eine Kreuzgelenk- oder Kardangelenklagerung mit kleineren Wälzlagerungen und kleineren Antriebseinheiten mit Planetengetriebemotoren in Eingriff mit Zahnradsegmenten verwendet. Die Steuerung der Schwenkbewegung der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solaranlage ist damit unkompliziert und einfach, da nicht aus zwei zusammenwirkenden Antrieben eine Bahnkurve zur Nachführung erreicht werden muss.

Description

1. Allgemeines
In Wafern aus Silizium und andern modernen Werkstoffen wird Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umgewandelt. Die Umwandlung ist am größten bei senkrecht auf die Oberfläche des Wafers einfallender Strahlung.
In unbeweglichen, starren Anlagen, die mit den Wafern gebildet werden schwankt die Stärke der Umwandlung mit der Strahlungsrichtung.
Wird das Solarsegel beweglich dem Sonnenstand nachgeführt, so, dass die Strahlung immer nahezu senkrecht auf die Waferoberfläche auftrifft steigt der Wirkungsgrad der gesamten Anlage dadurch, dass die Sonnenstrahlen immer mit höchster Effizienz in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
2. Bauarten der Nachführung
Allgemein üblich und daher Stand der Technik sind heute Nachführsysteme, die mit den beiden Achsen Elevationsachse und Azimutachse, Nachführachse gemeinsam einen Kreisbogen beschreiben, der der Wanderung der Sonne über das Firmament exakt entspricht, so, dass die Sonnenstrahlen über den gesamten Nachführbereich senkrecht auf die Wafer auftreffen.
Diese Nachführung ist gut und erreicht den höchsten Wirkungsgrad, ist aber auch teuer und störanfällig durch die elektronische Steuerung, die im Freilandbetrieb durch die unterschiedlichen Temperaturen und Luftzustände die Elektronik anfällig macht und der ständige Betrieb von zwei Achsen bedeutet doppelten Verschleiß und damit höhere Wartungshäufigkeit. Die Lagerung der Azimutachse ist aufwendig in Vierpunktlagern durchgeführt. Diese Lager sind verspannungsempfindlich und neigen daher zur Schwergängigkeit unter Last, was starke Antriebmotoren erfordert oder großzügige große Lager erfordert. Diese im Durchmesser großen Lager sind empfindlich und erfordern eine sorgfältige Schmierung. Die Antriebe sind im Allgemeinen teuere Schneckengetriebe mit entsprechendem Verschleiß und mäßigem Wirkungsgrad.
Moderne zweiachsig nachgeführte Anlagen führen daher Schrittweise nach, das heißt aber, dass in der schrittweisen Nachführung die Einstrahlung nicht punktgenau senkrecht ist sondern eine Bandbreite von x um den Strahlungseinfall-Winkel 90° bildet.
Durch den optimalen Abstand zwischen mehreren nachgeführten Anlagen im Aufstellgelände werden die zweiachsig nachgeführten Anlagen nicht maximal ausgenutzt, was einer unnötigen Investition gleichkommt.
Bei kleineren Anlagen wird aus Kostengründen daher nur einachsig ein Schwenken um die Nachführachse durchgeführt und die Neigung der Elevationsachse bleibt starr eingestellt, jedoch im Winkel optimiert, je nach Standort der Anlage bezogen auf den Äquator.
Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile des einachsigen Schwenkens um die Nachführachse mit einem Verstellen der Elevationsachse zu verbinden um so den Wirkungsgrad in die Nähe der zweiachsig nach geführten Anlagen zu bringen, ohne die teure Drehung um die Azimutachse und den ständigen Betrieb mit zwei Antrieben zu verwenden.
Da die Bahn der Sonne im Laufe des Jahres einen verschiedenen Elevationswinkel hat, dieser Winkel sich aber nur sehr langsam ändert, je nach Jahreszeit steigt oder fällt kann eine motorische Nachstellung des Elevationswinkels ein Mal wöchentlich oder ein Mal monatlich erfolgen, während die Nachführung des Solarsegels entlang der Bahn der Sonne täglich innerhalb der Bewegungsfreiheit der gegenseitigen Verschattung der Anlagen erfolgen muss.
Da durch diese Festlegung die Anlage nicht um vertikale Azimutachse gedreht wird, sondern um eine geneigt im Raum liegende Azimutachse geschwenkt wird kann das Solarsegel kardanisch, um zwei Achsen schwenkbar, gelagert werden.
Der Elevationswinkel beträgt, je nach Aufstellort der Anlagen, Sonnenbahn zwischen den Wendekreisen Krebs und Steinbock, insgesamt ca. 45 Winkelgrad + Standortwinkel für z. B. Deutschland ca. 50 Winkelgrad ab Äquator oder 23 Winkelgrad ab Wendekreis des Krebses 67 Winkelgrad Süd im Sommer und 17 Winkelgrad Süd im Winter.
Bedingt durch den Abstand der Anlagen untereinander wird der Elevationswinkel im Winter auf ca. 30 Winkelgrad Süd begrenzt. In der der Sonne zugewandt ersten Reihe einer Anlage könnten die einzelnen Anlagen bis auf einen Elevationswinkel von 17 Winkelgrad Süd heruntergestellt werden, die übrigen Anlagen würden bei Sonnenstand Winter, Mittag, Süd, allerdings komplett verschattet werden.
Diese Beschreibung bezieht sich auf eine Aufstellung der Anlagen in ebenem Gelände. Werden die Anlagen in ansteigendem Gelände aufgestellt ist ein Elevationsneigung von 17 Winkelgrad denkbar.
Ebenfalls die gegenseitige Verschattung der Anlagen berücksichtigend wird der Schwenkwinkel um die Nachführachse optimiert, je nach Dichte der Aufstellung 60 Winkelgrad Ost bis 60 Winkelgrad West einen kompletten Schwenkwinkel von 120 Winkelgrad bildend.
Ausführung der kardanischen Lagerung des Solarsegels
Eine Nachführung der Elevationsachse bei kardanisch aufgehängten Solarsegeln ist mit längenänderbaren Schubstangen gleich Spindeltrieben möglich.
Eine Schwenkung um die Nachführachse um mehr als 30 Winkelgrad Ost bis 30 Winkelgrad West erfordert hingegen Antriebssysteme, die mit längenänderbaren Schubstangen, sogenannten Spindeltrieben nicht mehr erreicht werden können.
Das Solarsegel wird kardanisch in seinem Massen-Schwerpunkt aufgehängt um Drehmomente für das Schwenken aus Ungleichgewicht zu vermeiden.
Konstruktionsbedingt ist meist eine Aufhängung im Massenschwerpunkt nicht möglich. Die gesamte Konstruktion des Solarsegels besteht daher aus der gesamten Solarsegelfläche, deren Unterkonstruktion und einem Massenausgleichsgewicht.
Die Solarsegelfläche und das Massen-Ausgleichsgewicht haben als gemeinsame Hauptachse die Nachführachse, Azimutachse. Die Elevationsachse in dieser Konstruktion ist stets so gelegt, dass keine, respektive nur minimale, von der Antriebsmaschine beherrschbare Drehmomente entstehen können.
Konstruktive Gestaltung der kardanischen Lagerung des Solarsegels
Es sei die Kenntnis über das Prinzip einer kardanischen Lagerung vorausgesetzt.
Die beiden Achsen – Nachführachse, Azimutachse und Elevationsachse stehen „senkrecht” aufeinander und bilden in der Konstruktion eine verdrehsteife feste Verbindung, ein aus Profilen, z. B. Rohren, gebildetes Kreuz.
Das Solarsegel ist mit der Nachführachse, der Ständer, das Untergestell, ist mit der Elevationsachse verbunden.
Die Elevationsachse liegt waagerecht im Raum, es treten daher in den Lagerstellen nur geringe axiale Kräfte auf.
Die Nachführachse liegt nur in einem Extremfall waagerecht im Raum, in den verbleibenden Fällen liegt die Nachführachse schräg zur Waagerechten im Raum, es treten daher in den Lagerstellen Axialkräfte auf.
Durch turbulente Windverhältnisse und oder Schnee- und Eislasten in den Anlagen können die Solarsegel einseitig belastet werden, was zu Drehmomenten in den Lagerstellen führen kann. Die kardanische Lagerung muss daher drehmomentsteif ausgelegt sein.
Die Verwendung von sogenannten Stehlagern, eine Normlagerreihe, ist nicht möglich, da Stehlagergehäuse nicht für axiale Lasten ausgelegt sind.
Aus fertigungstechnischen und spezifischen Lagerungsgründen werden die Lagerstellen aus abgedichteten, nachschmierbaren, vorgespannten Kegelrollenlagern gebildet.
Details der Lagerung der Nachführachse
Das zur Darstellung der Nachführachse und der Elevationsachse gebildete Kreuz aus Profilen, z. B. Rohren, ist biege- und drehmomentsteif ausgebildet.
Auf dem Profil der Nachführachse ist ein ebenso biege- und drehmomentsteifer Motorträger befestigt.
Das Profil des Motorträgers und das Profil der Nachführachse sind mit Aussteifungen miteinander zusätzlich verbunden.
An diesen Aussteifungen sind Elemente des Antriebs der Verstellung der Elevationsachse angebracht.
Details der Konstruktion des Solarsegels
Zur Aussteifung der Konstruktion und zur Aufnahme des Massenausgleichsgewichtes des Solarsegels ist auf der dem Solarmodul abgewandten Seite des Solarsegels eine Verstrebung angebracht, die außer dem Ausgleichsgewicht auch Elemente des Antriebs zum Schwenken um die Nachführachse aufnimmt.
Details der Unterkonstruktion des Elevationslagers, des Chassis
Das Chassis bildet zusammen mit dem Elevationslager, dem Antrieb für die Verstellung der Elevationsachse, der Nachführachse und dem Antrieb zur Schwenkung um die Nachführachse eine komplette vormontierte Baugruppe, die auf die Unterkonstruktion, den Ständer aufgesetzt wird.
Details der Konstruktion des Ständers
Der Ständer besteht aus dem in den Boden zu rammenden Haupt-Pfahl, zwei Stück in den Boden zu rammenden Sicherungspfählen, einer Säule und einer Sicherungsstütze, die die Säule mit den Sicherungsstützen verbindet und so auch gegen Verdrehung durch Windkräfte aussteift.
Details zu den Antrieben
Zum Antrieb des Schwenkens und des Verstellens der Elevationsachse werden kraftschlüssige schlupffreie Übertragungselemente, vorzugsweise Verzahnungen verwendet. Als Antriebsmaschinen kommen hoch untersetzende Getriebemotoren hohen Wirkungsgrads, vorzugsweise mit Stirnverzahnungen, zum Einsatz.
Details zu Steuerung
Die Bewegungen werden durch mechanische Endschalter mit Zwangsöffnung und Öffner – Schließer Funktion überwacht und begrenzt.
Die Steuerung erfolgt über eine redundant Computer überwachte Zeitschaltanlage mit Störmeldung und Störspeicherung.
Funktion einer Anlage mit kardanischer Aufhängung des Solarsegels
Grundeinstellung der Anlage:
Solarsegel in Ruhestellung in der Nachführachse ausgerichtet nach Süden.
Elevationsachse eingestellt auf Neigungswinkel Juni.
Die Grundeinstellung der Anlage ist die Sturmstellung
In der Grundeinstellung hat das Solarsegel den geringsten Windwiderstand
Ausgangslage: Das Solarsegel befindet sich in Ruhestellung.
Solarsegel in Stellung Süd, Elevationsachse in Arbeitsstellung.
Mit dem Erreichen der Startzeit für den Antrieb der Schwenkung um die Nachführachse wird der Antriebsmotor eingeschaltet und das Solarsegel schwenkt um die Nachführachse nach Osten bis zum Erreichen des Endschalters Ost.
In dieser Stellung verharrt das Solarsegel so lange, bis die Steuerung den Motor in der Drehrichtung umschaltend wieder startet.
Der Antriebsmotor schwenkt das Solarsegel zeitgleich und geschwindigkeitsgleich mit der Bewegung der Sonne, bis zum Erreichen des Endschalters „Ruhestellung”.
In dieser Stellung vergleicht die Steuerung die Ruhestellung mit der Ortszeit 12.00 Uhr.
Mit Erreichen der Ortszeit wird der Antriebsmotor wieder gestartet und der Motor schwenkt das Solarsegel zeitgleich, geschwindigkeitsgleich mit der Bewegung der Sonne nach Westen bis zum Erreichen des Endschalters West.
In dieser Stellung verharrt das Solarsegel so lange, bis die Steuerung den Motor in der Drehrichtung umschaltend wieder startet.
Der Motor schwenkt das Solarsegel zurück in die Ruhestellung.
Nach dem Erreichen der Ruhestellung wird der Motor abgeschaltet und die Anlage bleibt in dieser Stellung bis zum Neustart am nächsten Tag.
Der Antriebsmotor fährt die Elevationsachse nach Jahresuhr auf den zugeordneten Endschalter und stellt damit den Elevationswinkel ein.
Die Elevationsachse kann auch manuell auf den jeweiligen Jahreswert gefahren, eingestellt werden.
Vor Startbeginn wird per Windmessung die Windgeschwindigkeit kontrolliert. Bei höheren als zulässigen Windgeschwindigkeiten verbleibt die Anlage in Ruhestellung.
Bei Auftreten von Windgeschwindigkeiten höher als der gespeicherte Gefahrenwert wird die Anlage automatisch in die Grundstellung = Sturmstellung gefahren.
Der automatische Betrieb ist mit Signallampen gesichert.

Claims

Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsegel, die mit Solarmodulen bestückte Plattform 1, nach Abbildung A Blatt 1 auf dem Ständer 2, oder der tragenden Säule 2, mittels eines Kardangelenkes 3 um zwei Achsen schwenkbar befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsegel nach Abbildung A Blatt 1 annähernd im Massenschwerpunkt des Solarsegels 1 an der Nachführachse 4 auf dem Kardangelenk 3 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsegel 1 nach Abbildung A Blatt 1 auf der den Solarmodulen abgewandten Seite eine Aussteifung 5 trägt.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussteifung 5 nach Abbildung A Blatt 1 ein Drehmoment übertragendes Segment 6 befestigt ist, das die Antriebs- und Schwenkkraft auf das Solarsegel 1 überträgt.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment übertragende Segment 6 vorzugsweise ein Zahnradsegment ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussteifung 5 nach Abbildung A Blatt 2 ein Massenausgleichsgewicht 7 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsegel 1 nach Abbildung A Blatt 2 zusammen mit dem Massenausgleichsgewicht 7 sich nahezu im Gleichgewicht befindend und um die Nachführachse 4 geschwenkt werden kann.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Kardangelenk 3 aus zwei zu einem Kreuz 8 zusammengefassten Profilen besteht.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Enden 10 der beiden Profile zu Aufnahmen 11 für Lager, vorzugsweise Wälzlager ausgebildet sind.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager hermetisch gegen Verschmutzung, Feuchtigkeit und Korrosion durch Dichtungen 12 geschützt sind.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager durch Schmiernippel 13 nachgeschmiert werden können.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Kreuz 8 ein Motorträger 14 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Motorträger 14 ein Getriebemotor 15 montiert ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das der Getriebemotor 15 auf seiner Abtriebwelle 16 ein Ritzel 17 trägt, das in das Segment 6, vorzugsweise Zahnradsegment, eingreift.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das der Getriebemotor 15 über das Ritzel 17 und das Segment 6 das Solarsegel um die Nachführachse schwenkt.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuz 8 Abbildung A Blatt 2 mit dem Motorträger 14 durch Versteifungen 18 verbunden ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Versteifung 18 ein Segment 19 ausgebildet ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment 19 vorzugsweise ein Zahnradsegment ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Kardangelenk mit seiner Elevationsachse 26 auf dem Chassis 20 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Chassis 20 ein Motorträger 21 ausgebildet ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Motorträger ein Getriebemotor 22 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Abtriebswelle des Getriebemotors ein Ritzel 23 befestigt ist, das in das Segment 19 eingreift und damit das Solarsegel um die Elevationsachse 26 schwenkt.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass das Chassis nach Abbildung A Blatt 2 auf dem Ständer 2, der Säule 2 befestigt ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule 2 nach Abbildung A Blatt 2 von einem Stützelement 24 gesichert ist.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule 2 und das Stützelement 24 auf in den Boden gerammten Pfählen 25 stehen.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlageüberwachung mit elektromechanischen Endschaltern erfolgt.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mittels Computer überwacht wird.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradsegmente und die Ritzel der Antriebsmaschinen mit Faltenbälgen gegen Umwelteinflüsse geschützt sind.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Computer gestützte Überwachung der Anlage fährt die Anlage in Ruhestellung, wenn 1. Die Anlage abends auf Stellung Nacht zurückfährt. 2. Durch Sturmwarnung oder durch Windmessung der zulässige Winddruck überschritten wird 3. Durch Stromausfall der Antriebsstrom für die Antriebsmotoren ausgefallen ist. In diesem Fall schaltet die Anlage automatisch auf Batteriebetrieb und Wechselrichter um und fährt die Anlage in Ruhestellung.
Kardanisch gelagerte Prozessfläche, nachführbar, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage wahlweise durch Personal manuell betrieben werden kann. Im Bemühen Beschäftigung für ältere Mitmenschen zu schaffen kann die Anlage über eine Umschaltung manuell betrieben werden. Im manuellen Betrieb wird: 1. die Stellung der Elevationsachse durch die Wartungsperson eingestellt. 2. der Startzeitpunkt des Antriebsmotors für die Nachführung manuell eingestellt.