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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung mittels mindestens
einem auf einem Dach angeordneten Energiegewinnungsmodul, insbesondere
mittels auf einem Schräg-Dach
mastfrei angeordnetem Energiegewinnungsmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Weiter
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels
mindestens einem auf einem Dach angeordneten Energiegewinnungsmodul,
insbesondere von auf einem Schräg-Dach
angeordneten Energiegewinnungsmodul, nach Anspruch 10.
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Zudem
betrifft die Erfindung eine Fotovoltaikanlage mit mindestens einem
auf einem Dach angeordneten Energiegewinnungsmodul nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 17.
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Verfahren
und Vorrichtungen von Solar- oder Energiegewinnungsmodulen sind
aus dem Stand der Technik bekannt. Unter Energiegewinnungsmodul versteht
man im Sinne der Erfindung alle Module, die eingesetzt werden können, um
aus erneuerbaren Energiequellen Energie zu erzeugen. Insbesondere sind
im Sinne der Erfindung unter Energiegewinnungsmodul Fotovoltaikmodule
und/oder thermische Module zu verstehen, die aus einfallendem Sonnenlicht
oder einfallender Wärmestrahlung
Energie wie elektrischen Strom erzeugen können, also allgemein Module
aus dem Bereich Solarthermie und Fotovoltaik. Im Stand der Technik
werden die Energiegewinnungsmodule in Abhängigkeit des Sonnenstands diesem
folgend so ausgerichtet, dass das Energiegewinnungsmodul möglichst
senkrecht oder so nahe an eine senkrecht angenäherte Position wie möglich zu der
Sonne ausgerichtet ist, da so der Solarertrag am größten ist.
Derartige Nachführungen
sind von auf Mästen
angeordneten Solarmodulen bekannt, bei denen ein Fotovoltaikmodul
auf einem Mast ein- oder mehrachsig gelagert ist und entsprechend
der Freiheitsgrade der Lagerung dem Sonnensand folgend durch Drehung
um die Achsen ausgerichet werden. Für Energiegewinnungsmodule,
die auf Dächern, insbesondere
Schrägdächern angeordnet
oder Teil dieser Dachhaut sind, sind derartige Verfahren und Vorrichtungen
aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Zum einen sind Dächer unterschiedlich
geneigt, zum anderen sind die Dächer
nicht immer genau nach Süden
ausgerichtet, sodass eine Anbringung hierfür sehr aufwendig ist. Nicht
zuletzt kann eine optimale Ausrichtung nicht immer aufgrund äußerer Einflüsse wie
Umwelteinflüsse,
z. B. zu hohe Windkräfte,
Hindernisse, z. B. anderer Energiegewinnungsmodule, Vögel oder
dergleichen erreicht werden.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung für einen
optimierten Solarertrag von auf Dächern mastfrei angeordneten
Energiegewinnungsmodulen zu schaffen, sodass Energiegewinnungsmodule
auch in Breitengeraden mit flach oder flacher einfallender Solarstrahlung
effektiv arbeiten.
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Diese
und weitere Aufgaben werden gelöst durch
ein Verfahren zur Energiegewinnung mittels mindestens einem auf
einem Dach, insbesondere einzeln, angeordneten Energiegewinnungsmodul, insbesondere
mittels auf einem Schräg-Dach
mastfrei angeordnetem Energiegewinnungsmodul, wobei das Energiegewinnungsmodul
in Abhängigkeit
des Sonnenstands nachgeführt
wird. Hierzu wird in einer Steuerung der Sonnenstand für den aktuellen
Standort des Energiegewinnungsmoduls berechnet. Daraus abgeleitet
berechnet die Steuerung die optimale Position oder Ausrichtung des
Energiegewinnungsmoduls, das heißt die Position, in der das
Energiegewinnungsmodul im Wesentlichen senkrecht zu der einfallenden
Solarstrahlung ausgerichtet ist. Ist eine genau senkrechte Ausrichtung
nicht möglich,
wird eine der Senkrechten soweit wie möglich angenäherte Ausrichtung angesteuert.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass weiter der Schritt
umfasst ist: Ausfahren des Energiegewinnungsmoduls aus einer an
eine Dachhaut angeschmiegten Ruheposition in eine betriebsbereite,
solarertragsmaximierende Position. Unter einer solarertragsmaximierenden
Position wird im Zusammenhang der Erfindung die Position verstanden,
welche unter in Bezug auf die berücksichtigten Größen optimal
ist. Dabei können
in einer einfachen Ausführungsform
lediglich die Einstrahlwinkel der Solarstrahlen berücksichtigt
werden. In vorteilhaften Ausgestaltungen werden weitere Größen, wie
Umwelteinflüsse
oder individuelle Anforderungen an eine Ästhetik des Dachs, berücksichtigt. Das
Energiegewinnungsmodul wird so montiert, dass es bei Nacht, das
heißt,
wenn keine nutzbare Solarstrahlung vorliegt, in einer Ruheposition
angeordnet ist. Diese ist so gewählt,
dass das Fotovoltailmodul möglichst
den optischen Eindruck des Daches nicht beinträchtigt, das heißt, im Wesentlichen
parallel zu dem Dach, genauer der Dachhaut ausgerichtet ist oder
in einer Ausgestaltung in die Dachhaut integriert ist. Somit haben
Umwelteinflüsse
wie Wind und dergleichen nur eine minimale Angriffsfläche gegen
das Energiegewinnungsmodul. In der Steuerung wird in einer Ausgestaltung
unter anderem auch der Sonnenaufgang und der Sonnenuntergang für den Ort berechnet,
an dem sich das Energiegewinnungsmodul befindet. Sobald der Zeitpunkt
des Sonnenaufgangs vorliegt, steuert die Steuerung das Energiegewinnungsmodul
bzw. dessen Lagerung an und das Energiegewinnungsmodul wird aus
der Ruheposition in die solarertragsmaximierende Position, das heißt so nahe
wie möglich
an eine senkrechte Ausrichtung zu der einfallenden Solarstrahlung,
ausgerichtet. Bei Sonnenuntergang wird das Energiegewinnungsmodul
entsprechend in die Ruheposition eingefahren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Nachführen den
Schritt umfasst: Nachführen
des Fotovoltaikmodus von einer betriebsbereiten Position in eine nächste betriebsbereite
Position. Sobald sich das Energiegewinnungsmodul in einer betriebsbereiten Position
befindet, wird die Position permanent und/oder in festlegbaren Abständen überprüft und nachgeführt, das
heißt
von einer betriebsbereiten Position, in welcher eine solarertragsmaximierende
Position eingestellt ist, in die nächste betriebsbereite, das
heißt
solarertragsmaximierende Position, gestellt. Das Nachführen kann
kontinuierlich oder diskret erfolgen, wobei die Nachführung in
beliebigen Zeitintervallen erfolgen kann, beispielsweise alle 30 Sekunden
oder alle 5 Minuten oder auch nur alle Stunde.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Nachführen weiter
den Schritt umfasst: Ausgleichen einer Dachschräge, um eine optimale Nachführung unabhängig von
der Dachschräge
durchzuführen.
Bei den von den mastmontierten Energiegewinnungsmodulen bekannten
Nachführverfahren
erfolgt das Nachführen
unabhängig
von einer Schrägstellung
der Energiegewinnungsmodule. Um für möglichst alle Dachtypen und
alle Regionen einsetzbar zu sein, berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren
vorzugsweise bei der Nachführung
die Dachschräge. Das
heißt,
bei der Ausrichtung des Energiegewinnungsmoduls wird nicht nur der
Sonnenstand berücksichtigt.
Zudem wird eine Schrägstellung,
sowie die Verdrehung aus der Südrichtung,
wie sie bei der Montage auf Schrägdächern vorkommt,
in der Nachführung
berechnet. Auf diese Weise kann das Verfahren für im Wesentlichen alle Regionen
und Dachtypen eingesetzt werden, wobei stets eine solarertragsmaximierende
Ausrichtung gewährleistet
ist. Unter einer Berücksichtigung
der Dachschräge
wird in einer Ausgestaltung nicht nur der Ausgleich des Winkels
für einzelne
Dachmodule, sondern auch die Berücksichtigung
der gegenseitigen Beeinträchtigung
einzelner Module aufgrund der Anordnung an einem Schräg-Dach verstanden.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Nachführen weiter
den Schritt umfasst: Ausgleichen von Umgebungseinflüssen wie
Wind, Hindernissen und dergleichen. Über entsprechende Sensoren
oder dergleichen lassen sich entsprechende Umgebungseinflüsse erfassen
und bei der Steuerung berücksichtigen.
Bei bestimmten Schräglagen
und bestimmten Sonnenständen
kann das Energiegewinnungsmodul eine extreme Ausrichtung zu dem
Dach aufweisen, in welcher das Energiegewinnungsmodul anfälliger für Windlasten
ist. Um in solchen extremen Fällen
ein Versagen des Energiegewinnungsmoduls zu verhindern, wird zu
Lasten eines maximalen Solarertrags eine andere Ausrichtung des
Energiegewinnungsmoduls eingestellt, in welcher ein sicherer Betrieb
des Energiegewinnungsmoduls möglich
ist. Bei dieser Position handelt es sich unter Berücksichtigung
der Umwelteinflüsse
um die optimale und damit solarertragsmaximierende Position. Nach
Wegfall der störenden
Umgebungseinflüsse
wird das Energiegewinnungsmodul in eine dann solarertragsmaximierende Stellung
gebracht. Bevorzugt ist deshalb, dass das Nachführen zumindest ein teilweises
Einfahren in eine geschützte
Position und/oder Ruheposition des Fotovoltaikmodus umfasst, insbesondere
bei geringer Sonneneinstrahlung und/oder gefährdenden Umgebungseinflüssen. In
der geschützten
Position oder gar in der Ruheposition ist das Energiegewinnungsmodul
vor den äußeren Einflüssen zu
Lasten einer Ertragsmaximierung geschützt und kann weiter betrieben
werden, wenn auch mit vermindertem Ertrag.
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Widerum
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Nachführen und/oder
das Ausfahren bei Erreichen oder Überschreiten eines kritischen
Wertes begrenzt wird. Bei Anbringung des Energiegewinnungsmoduls
auf dem Dach können
abhängig
von der Region und/oder der Dachschräge kritische Stellungen des
Energiegewinnungsmoduls berechnet oder bestimmt werden. Um das Erreichen
kritischer Zustände
zu vermeiden, können
Grenzwerte vorgegeben werden, bei deren Erreichen oder Überschreiten
eine Begrenzung der Ausrichtung des Energiegewinnungsmoduls erfolgt. Beispielsweise
kann eine Hubbegrenzung oder eine Rotations- oder Winkelbegrenzung vorgegeben werden.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Nachführen mittels
mindestens einer Drehung um eine Achse, bevorzugt um zwei Achsen
realisiert wird. Das Energiegewinnungsmodul ist hierfür drehbar
gelagert, zum Beispiel um mehrere Drehachsen. Über eine entsprechende Rotation
kann eine Ausrichtung zum Sonnenstand erfolgen.
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Eine
andere Ausführungsform
sieht dagegen vor, dass das Nachführen mittels einer Translation entlang
einer Geraden, bevorzugt entlang mehrerer Geraden realisiert wird.
Das Energiegewinnungsmodul kann beispielsweise mittels einem Hubmechanismus
mit mehreren Hubgeraden gelagert werden. Über einzelne Ansteuerung der
Hubgeraden lässt sich
das Energiegewinnungsmodul nur mittels translatorischen Bewegungen
optimal ausrichten. Bevorzugt ist eine Lagerung mittels drei Hubgeraden,
die beispielsweise durch Hubzylinder realisiert werden können und
einzeln ansteuerbar sind.
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Die
technische Lehre der Erfindung sieht weiter vor, dass bei einer
Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels mindestens einem auf einem
Dach angeordneten Energiegewinnungsmodul, insbesondere von auf einem
Schräg-Dach
angeordneten Energiegewinnungsmodul, Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen. Die Mittel ermöglichen
eine Umsetzung des Verfahrens. Zum Beispiel kann das Energiegewinnungsmodul mittels
einer entsprechenden Dachmontageeinrichtung an dem Dach angebracht
sein.
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Insbesondere
sieht eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vor, dass die Mittel eine Nachführeinrichtung
umfassen, um das Energiegewinnungsmodul entsprechend dem Sonnenstand auszurichten.
Die Nachführeinrichtung
kann einen Verstellmechanismus und eine Steuerung mit einer entsprechenden
Recheneinheit umfassen, beispielsweise einen Computer. Der Computer
berechnet anhand verschiedener Programmschritte den anliegenden
und/oder den voraussagbaren Stand der Sonne. Dazu wird die ertragsmaximale
Stellung des Energiegewinnungsmoduls berechnet, unter Berücksichtigung
der Dachschräge
und der Abweichung aus der Südrichtung
und ggf. von Umwelteinflüssen
und Grenzwerten. Anhand der berechneten Daten werden Stellgrößen generiert,
welche an die Lagerung des Energiegewinnungsmoduls übermittelt
werden. Anhand der Daten richtet die Lagerung dann das Energiegewinnungsmodul
aus.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist weiter vorgesehen, dass die Mittel
mindestens eine Ein-Ausfahr-Einrichtung umfassen, um das Energiegewinnungsmodul
aus einer an eine Dachhaut angeschmiegten Ruheposition in eine betriebsbereite,
solarertragsmaximierende Position und umgekehrt zu verfahren. Damit
das Energiegewinnungsmodul bei Nichtgebrauch sicher und das Erscheinungsbild
des Daches nicht wesentlich beeinflussend angeordnet ist, wird dieses
an die Dachhaut angeschmiegt angeordnet, das heißt, das Energiegewinnungsmodul
verläuft
parallel zu einer Dachseite oder ist in der Dachhaut integriert.
Hierzu ist die Lagerung entsprechend ausgebildet. Um in eine ertragsmaximierende
Stellung zu fahren, wird das Energiegewinnungsmodul über die
Ein-Ausfahr-Einrichtung
ausgefahren. Das Verfahren kann translatorisch, rotatorisch oder
als Kombination davon erfolgen. Die Einrichtung kann einen oder
mehrere Aktuatoren wie Zylinder, Dreh- oder Antriebsachsen, Hubeinrichtungen,
Getriebe und dergleichen umfassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel weiter
eine Ausgleichseinrichtung zum Ausgleichen einer Dachschräge und/oder
von Umgebungseinflüssen
wie Wind, Hindernisse und dergleichen umfassen.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Mittel eine Begrenzungseinrichtung
umfassen, um das Ausfahren und/oder das Nachführen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen
zu begrenzen. Die Begrenzungseinrichtung kann einen Anschlag oder mehrere
Anschläge
umfassen. Die die Begrenzungseinrichtung kann auch Steuermittel
umfassen, welche bei Erreichen eines Grenzwertes eine Begrenzung
der Bewegung des Energiegewinnungsmoduls einschränken. Weiter kann die Begrenzungseinrichtung
auch Sensoren umfassen, um zum Beispiel Umwelteinflüsse, Hindernisse
und dergleichen zu erfassen, sodass diese bei der Nachführung berücksichtigt
werden können.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens
eine Dreheinrichtung mit mindestens einer Drehachse, bevorzugt mit
mehreren Drehachsen, umfassen, um eine Nachführung mittels Rotation zu realisieren.
Die Dreheinrichtung kann separat ausgebildet sein oder in die Lagereinrichtung
integriert sein oder selber die Lagereinrichtung zumindest teilweise
bilden. Die Dreheinrichtung umfasst bevorzugt mehrere Achsen, sodass
eine Nachführung
des Energiegewinnungsmoduls um mehrere Achsen realisierbar ist.
Die Achsen sind dabei im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet.
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Alternativ
kann in einer anderen Ausführungsform
vorgesehen sein, dass die Mittel mindestens eine Translationseinrichtung
mit mindestens einer Translationsgeraden, bevorzugt mit mehreren Translationsachsen
umfassen, um eine Nachführung mittels
Translation zu realisieren. Bevorzugt kann das Energiegewinnungsmodul
auf drei Translationsgeraden gelagert sein, sodass eine Nachführung ohne
Rotationsbewegung durchgeführt
werden kann. Die Translationsgeraden sind einzeln ansteuerbar und
können
beispielsweise als Hubzylinder oder andere Aktuatoren ausgebildet
sein.
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Die
technische Lehre der Erfindung sieht weiter vor, dass bei einer
Fotovoltaikanlage mit mindestens einem auf einem Dach angeordneten
Energiegewinnungsmodul, vorgesehen ist, dass mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung
vorgesehen ist. Insbesondere lassen sich mehrere Energiegewinnungsmodule
anordnen, wobei die Energiegewinnungsmodule alle einzeln nachführbar ausgebildet sind.
Die Steuerung kann für
jedes Energiegewinnungsmodul separat oder über eine Zentralsteuerung für mehrere
oder alle gemeinsam erfolgen.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
mindestens einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist.
Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder
Vorteile, einschließlich
konstruktive Einzelheiten, räumliche
Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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In
den Figuren ist Folgendes dargestellt:
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1a–e zeigen
ein Dach mit einem dem Sonnenstand nachgeführten Energiegewinnungsmodul
und
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1e zeigt,
das auch eine Nordseite erschlossen werden kann, da das Modul über die
Firsthöhe
herausklappt.
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2a–b zeigen
ein translatorisch nachgeführtes
Energiegewinnungsmodul.
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3 zeigt
vergrößert ein
Energiegewinnungsmodul auf einer Dachhaut.
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Die 1a–f zeigen
ein Dach 1 mit einem dem Sonnenstand der Sonne S nachgeführten Energiegewinnungsmodul 2 in
einer Draufsicht. Das Dach 1 ist als Schrägdach ausgebildet
mit zwei spitz zusammenlaufenden Dachhälften 10, 12,
wobei die Oberfläche
des Dachs 1 die Dachhaut bildet. In der 1a ist
ein Sonnenstand dargestellt, der in etwa dem Sonnenaufgang darstellt,
mit der im Osten aufgehenden Sonne S. Das Energiegewinnungsmodul 2,
welches vor Sonnenaufgang in einer Ruheposition angeordnet war,
wird mittels einer Ein-Ausfahr-Einrichtung in eine solarertragsmaximierende
Stellung ausgefahren, sodass das eine Wirkfläche 20 des Energiegewinnungsmoduls 2 im
Wesentlichen senkrecht zur Sonne ausgerichtet ist. Die Ausrichtung
der Wirkfläche 20 wird
im Folgenden als Ausrichtung des Energiegewinnungsmoduls 2 bezeichnet.
In den 1b bis 1e ist
die Ausrichtung des Energiegewinnungsmoduls 2 zu einem
jeweils unterschiedlichen Sonnenstand dargestellt. Dabei wandert
der Sonnenstand naturgemäß von Ost
nach West, sodass 1b etwa den Sonnenstand vormittags, 1c etwa
den Sonnenstand mittags, 1d etwa den
Sonnenstand nachmittags und 1e etwa
den Sonnenstand bei Sonnenuntergang darstellen. Wie anhand der 1a bis 1e ersichtlich,
wird das Energiegewinnungsmodul 2 entsprechend dem Sonnenstand
mitgeführt.
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1f zeigt
einen mittäglichen
Sonnenstand gemäß 1c,
wobei das Energiegewinnungsmodul jedoch auf einer anderen Dachhälfte als
in den 1a bis 1e angeordnet
ist. Entsprechend weiter ausgefahren werden muss das Energiegewinnungsmodul,
um die mittäglich
einfallenden Sonnenstrahlen 3 optimal in Energie umzuwandeln.
In den 1a bis 1f wird
das Energiegewinnungsmodul rotatorisch nachgeführt, das heißt, über entsprechende
Rotationsachse.
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2a–b zeigen
ein translatorisch nachgeführtes
Energiegewinnungsmodul 2. Das Energiegewinnungsmodul 2 ist
an drei Punkten A, B, C gelagert. Die Lagerung an den Punkten A,
B, C erfolgt mittels Hubeinrichtungen, die vorliegend als Hubzylinder
ausgebildet sind. Mittels dieser Hubzylinder lässt sich die Nachführung des
Energiegewinnungsmoduls 2 auf dem Dach 1 gemäß dem Sonnenstand, wie
dargestellt durchführen,
sodass das Energiegewinnungsmodul 2 stets möglichst
senkrecht zu den Sonnenstrahlen 3 ausgerichtet ist und
so eine Ertragsmaximierung an Solarenergie gewährleistet ist. 2a zeigt
den Sonnenstand bei Sonnenaufgang und 2b zeigt
den Sonnenstand nachmittags. Durch die drei Hubzylinder ist weiter
eine Schrägstellung
des Energiegewinnungsmoduls 2, genauer der in 2a–b sichtbaren
Oberfläche 21,
aus einer im Wesentlichen parallel zum Dach 1 angeordneten Ebene
in eine dazu geeignet geneigte Ebene möglich.
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3 zeigt
vergrößert ein
Energiegewinnungsmodul 2 auf einer Dachhaut. Das Energiegewinnungsmodul 2 ist
auf einer mitdrehenden Abdeckung 30 angeordnet, über welche
das Energiegewinnungsmodul 2 gesteuert dem Sonnenstand
nachgeführt
werden kann. Neben der rotatorischen Nachführung ist das Energiegewinnungsmodul 2 über ein Kippachse 40 mit
der Abdeckung 30 verbunden, sodass sich das Energiegewinnungsmodul 2 entsprechend
dem Sonnenstand neigen lässt,
um in einer ertragsmaximalen Stellung ausgerichtet zu sein. Die Abdeckung 30 ist
vorliegend als eine Drehscheibe ausgebildet.