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Die
Erfindung betrifft ein Baukastensystem eines Gestells für Solaranlagen
und seine aufeinander abgestimmten Komponenten nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1
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Stand der Technik
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Nachführeinrichtungen
für Solarkollektoren oder
Solarmodule dienen der Maximierung der Energieausbeute von Solaranlagen
dadurch, dass die Sonnenstrahlung in einem möglichst günstigen Winkel – zumeist
senkrecht – auf
den Solarkollektor, das Solarmodul, das Reflektormittel oder den
auf den Solarkollektor oder die Solarzellen fokussierenden Strahlungskonzentrator
trifft. Hierzu ist es notwendig, die Lage der Solarkollektoren,
der Solarmodule, der Reflektormittel oder der auf die Solarkollektoren
oder Solarzellen fokussierenden Strahlungskonzentratoren dem wechselnden
Sonnenstand nachzuführen. Solche
Nachführeinrichtungen
sind bekannt.
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Bekannte
Gestelle für
Solaranlagen sind konstruktiv darauf ausgelegt, die von der Sonne
beschienenen Flächen
zur Energiegewinnung entweder gar nicht, nur einachsig oder nur
zweiachsig nachzuführen.
Denn es hängt
vom jeweiligen Standort einer Solaranlage ab, ob abhängig von
geländespezifischen
Verschattungen oder dem jeweils spezifischen Sonneneinstrahlungswinkel
im Tagesverlauf eine der jeweils möglichen Varianten zum Einsatz kommt.
Die einzelnen Baumuster bekannter Gestelle sind in der Regel nicht
dafür optimiert,
eine der Situation entsprechende Variante zur Wahl zu stellen.
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Als
Nachteil bekannter Solaranlagen mit nachgeführten Energiegewinnungsflächen sind
die vergleichsweise höheren
Betriebskosten bekannt, die aufgrund des Verschleißes von
Antriebsbauteilen durch Wartungs- und Reparaturarbeiten sowie durch die
Ersatzteilbeschaffung entstehen.
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Bekannte
Antriebslösungen
zum Antrieb sowohl der Azimut- als auch der Elevationsachse von Nachführeinrichtungen
sind Linearantriebe mit Trapezgewindespirideln sowie Riemen-, Seil-
oder Kettentriebe in Kombination mit elektrischen Schneckengetriebemotoren.
Vereinzelt ist der Einsatz von Stirnradgetriebemotoren zu beobachten.
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Mit
zunehmender Größe der Fläche nachgeführter Trageinrichtungen
steigen die Anforderungen an die Belastbarkeit und die Präzision des
Antriebs. Mit zunehmender Größe der nachzuführenden
Fläche
steigt beispielsweise das Gewicht der Trageinrichtung und ihr entsprechendes
Trägheitsmoment und
beispielsweise auch die potentiell auf sie einwirkende Windlast.
Da Dreh- und Schwenkradien proportional zur Größe der nachzuführenden
Fläche
zunehmen, führen
durch Windlast induzierte Bewegungen – wie beispielsweise Schwingungen – zunehmend
größere Momente
in den Antrieb zurück,
die den Verschleiß konventioneller
Antriebe erhöhen
und Teile der Konstruktion ermüden.
Das Auftreten solcher Momente wird durch das Spiel konventioneller Antriebslösungen,
in denen Linearantriebe mit Trapezgewindespindeln oder Schneckengetriebemotoren
zum Einsatz kommen, begünstigt.
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Die
von den Gestellen von Solaranlagen geforderte hohe Lebensdauer stellt
hohe Ansprüche
an Details des Antriebs. Der Einsatz von Linearantrieben mit Trapezgewindespindeln
oder Schneckengetriebemotoren ist bei der Anwendung im Bereich von Nachführeinrichtungen
aufgrund des Reib- und Gleitverschleißes sowie des Flankenabriebs
der üblicherweise
aus Kupferlegierungen (Bronze, Messing, Rotguss) gefertigten Muttern
(bei Linearantrieben mit Trapezgewindespindeln) und Schneckenrädern (bei Schneckengetrieben)
in mehrfacher Hinsicht von Nachteil. Zwar gestatten Linearantriebe
mit Trapezgewindespindeln und Schneckengetriebemotoren eine Bewältigung
der von den Nachführeinrichtungen geforderten
Belastbarkeit, Übersetzungsleistung (beispielsweise
in Form mehrstufiger Schneckengetriebe) und Bremswirkung (letztere
durch die Selbsthemmung des Schneckengetriebes). Das konstruktiv bedingte
Flankenspiel der Muttern in Linearantrieben mit Trapezgewindespindeln
und der Schnecken in Schneckengetrieben widerspricht jedoch generell dem
Bedürfnis
nach Spielfreiheit der Nachführeinrichtungen.
Hilfskonstruktionen zur Optimierung des Andrucks von Muttern oder
Schnecken zur Verringerung des Flankenspiels sind ebenso wie der
ersatzweise Einsatz von Kugelgewindetrieben anstelle von Trapezgewindespindeln
aus Kostengründen
unattraktiv. Der Einsatz von Linearantrieben mit Trapezgewindespindeln
und Schneckengetrieben ist aber auch darüber hinaus von Nachteil, da
sich das bereits konstruktiv vorgesehene Flankenspiel mit zunehmendem
Verschleiß noch
weiter vergrößert, womit diese
Bauweisen der Forderung nach Spielfreiheit mit zunehmender Betriebsstundenzahl
immer weniger gerecht werden können.
Letztlich ist die Lebensdauer von Linearantrieben mit Trapezgewindespindeln
oder Schneckengetrieben durch den Verschleiß der Muttern (bei Linearantrieben
mit Trapezgewindespindeln) und Schneckenräder (bei Schneckengetrieben)
bedeutend geringer, als die zumeist für mehr als 20 Jahre Lebensdauer
ausgelegte Nachführeinrichtung
insgesamt. Infolgedessen können
diese Getriebebauarten der betriebswirtschaftlichen Forderung nach
minimalem Aufwand für
Wartung, Reparatur und Ersatzteile von Nachführeinrichtungen nicht gerecht
werden, weil ihr Verbau zu erheblichen Aufwendungen für notwendig
werdende Wartung, Reparatur und Ersatzteile führt. Der Verbau von Linearantrieben
mit Trapezgewindespindeln und von Schneckengetriebemotoren ist auch
aufgrund ihres vergleichsweise geringen Wirkungsgrads von Nachteil, vergleicht
man sie mit dem Wirkungsgrad der im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen
Lösung.
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Zur
Realisierung eines verschleißarmen
und wartungsfreundlichen Antriebs von Nachführeinrichtungen ist der Riemen-,
Seil- oder Kettentrieb besonders geeignet, wobei das Zugmittel (Riemen,
Seil oder Kette) um einen Kreisbogen oder Vollkreis gelegt und mit
diesem zur Kraftübertragung
verbunden ist. Das Zugmittel wird dabei dem treibenden Rad über zwei
Umlenkrollen zugeführt,
die dem treibenden Rad so vorgelagert sind, dass das Zugmittel ein ausreichend
engen Umschlingungswinkel um das treibende Rad erreicht, der einen
Schlupf des Zugmittels bei der Kraftübertragung oder durch Kräfte, die
beispielsweise durch Wind auf die Nachführeinrichtung einwirken, verhindert.
Eine solche Konstruktionsweise ist Stand der Technik.
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Nachteile
ergeben sich bei einem solchen Riemen-, Seil- oder Kettentrieb durch
die unzureichende Lagerung des treibenden Rades, aufgrund der es
zu Dauerbrüchen
der Getriebsabtriebswellen kommen kann, auf denen das treibende
Rad sitzt. Ein werterer Nachteil der Montage des treibenden Rades auf
der Getriebeabtriebswelle des Getriebemotors ist der damit verbundene
Montageaufwand im Falle von Reparaturen oder dem notwendig werdenden
Einbau eines Ersatzgetriebemotors, da in diesem Fall der gesamte
Kettentrieb zerlegt werden muss.
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Die
Bauweisen der Antriebe bekannter Nachführeinrichtungen sind für eine diskontinuierliche
Nachführung
optimiert. Das heißt,
die Verstellung erfolgt durch jeweils kurze Einschaltintervalle der
Antriebe. Im Falle des Einsatzes von Konzentratorzellen, d. h. von
Solarzellen, auf die durch einen Konzentrator gebündeltes
Licht fällt,
kann eine kontinuierliche Nachführung
notwendig werden, weil bereits geringe Winkelabweichungen gegenüber dem Stand
zur Sonne zu Einbußen
in der Energiegewinnung führen
können,
sobald der gebündelte
Lichtstrahl nicht mehr exakt die Solarzelle trifft. Ein entsprechender
kontinuierlicher Antrieb erhöht
jedoch die Anforderungen an dessen Verschleißfestigkeit, dessen Lebensdauer
und dessen Wartungsfreundlichkeit. Konventionelle Antriebslösungen,
in denen Linearantriebe mit Trapezgewindespindeln oder Schneckengetriebemotoren
zum Einsatz kommen, können
weder der hier geforderten Verschleißarmut, noch der hier geforderten
Spielfreiheit gerecht werden.
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Bekannte
Gestelle für
Solaranlagen, müssen der
auf das System wirkenden Windlast gewachsen sein. Konventionelle
Systeme versuchen dieses Problem zu umgehen, indem sie die windbelasteten
Flächen
der Trageinrichtung bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten aus
dem Wind drehen, um so die Trageinrichtungen als auch die Aufhängung der
Trageinrichtung sowie deren Komponenten zu entlasten. Die Untergestelle
bekannter Nachführeinrichtungen werden
entweder als außerordentlich
massiv konstruierte und in schweren Fundamenten gegründete Säulen oder
aber als breit auf dem Untergrund aufstehende Plattformen ausgeführt, auf
denen die Gestelle auf Fahrgestellen oder Gleitbahnen drehend verfahren
werden können.
Infolgedessen gestaltet sich ein ertragreicher Einsatz von nachgeführten Systemen
in windreichen Regionen schwierig. Denn sofern Untergestelle als
Säulen
ausgeführt
sind, sind diese Säulen
durch erheblichen und teuren Materialaufwand auszusteifen, während die über eine
Säule als
Hebel in das Fundament eingeleiteten Momente nur zu halten sind,
indem ausreichend dimensionierte und daher teure Fundamente hergestellt
werden. Sofern das Gestell breit auf einer Plattform aufsteht, erfordert
dies den entsprechend aufwändigen
Bau dieser Plattform und eine nicht minder aufwendige Unterkonstruktion
zur Aufnahme der Solarkollektoren, Solarmodule, Reflektormittel
oder Strahlungskonzentratoren.
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Bekannte
Gestelle sind häufig
darauf ausgelegt, auf ebenem Gelände
aufgestellt zu werden. Dies gilt insbesondere für solche Gestelle, die breit auf
einer auf dem Untergrund aufstehenden Plattform starr installiert
sind oder auf dieser drehend verfahren werden. Sofern Gestelle zudem
nur geringe Bauhöhen
aufweisen, um möglichst
geringen Windwiderstand zu bieten und/oder Material zu sparen, können sie
nicht ohne weiteres an Hängen
oder auf hügeligem
Gelände
zum Einsatz kommen.
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Zur
Steuerung bekannter Nachführeinrichtungen
werden zumeist störanfällige elektronische Steuerungen
verwendet.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Gestell für
Solaranlagen vorzuschlagen, das je nach den Anforderungen seines
Einsatzes unterschiedlich ausgelegt werden kann.
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Dies
beinhaltet die Aufgabe, die Varianten einer möglichen Nachführung mit
Antriebskonstruktionsvarianten auszustatten, die sich durch hohe
Belastbarkeit, Spielfreiheit, Verschleißfestigkeit, hohe Zuverlässigkeit
und hohe Lebensdauer sowie durch eine geringe Leistungsaufnahme
auszeichnet, deren Wartung und andere Unterhaltskosten einschließlich notwendiger
Ersatzteile kostengünstig
ist und erforderlichen Falls eine kontinuierliche Nachführung gestattet.
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Ferner
beinhaltet es die Aufgabe, die Trageinrichtung zur Aufnahme der
Solarkollektoren, Solarmodule, Reflektormittel oder Konzentratoren
bezogen auf die gewünschte
Flächengröße und die
zu montierenden Energiegewinnungseinheiten möglichst windlaststabil, variabel
und kostengünstig
zu gestalten.
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Desweiteren
beinhaltet es die Aufgabe, eine leichte und preiswerte Unterkonstruktion
vorzuschlagen, die nach der Größe und dem
Gewicht der Trageinrichtung zur Aufnahme der Solarkollektoren, Solarmodule,
Reflektormittel oder Konzentratoren, je nach ortsspezifischer Windlast
und je nach ortsspezifischer Geländeform
produziert und/oder direkt vor Ort entsprechend angepasst werden
kann und sich je nach Beschaffenheit des Untergrunds auf unterschiedlichen
Gründungen
montieren lässt.
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Ferner
beinhaltet es die Aufgabe, eine zuverlässige Steuerung der Nachführung vorzuschlagen.
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Erfindungsdarlegung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Baukastensystem eines Gestells für Solaranlagen
nach der Lehre des Anspruch 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Baukastensystem eines
Gestells für
Solaranlagen und seine aufeinander abgestimmten Komponenten beruhen
auf der Idee, die Baugruppen eines Gestells in unterschiedlichen,
zueinander jedoch kompatiblen Varianten zu entwerten, sodass man
der Geländesituation,
der geländespezifischen
Verschattung, dem Windaufkommen, dem Sonneneintrahlungswinkel, den
Ansprüchen
der jeweils eingesetzten Modul-, Kollektor-, Reflektor- oder Konzentratortechnik
sowie den betriebswirtschaftlichen Prämissen des jeweiligen Projekts durch
eine Kombination jeweils unterschiedlicher Varianten der einzelnen
Baugruppen und deren spezifischer Auslegung gerecht werden kann.
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Erfindungsgemäß besteht
das Baukastensystem aus einer selbstständigen Trageinrichtung für Solarkollektoren,
Solarmodule, Reflektormittel oder auf Solarkollektoren oder Solarzellen
fokussierenden Strahlungskonzentratoren – im folgenden Solarsegel genannt – mit produktintern genormten
Haltepunkten als einer ersten Baugruppe. Diese wird torsionssteif als
Fachwerktragwerk aus geeigneten Werkstoffen ausgeführt, wobei
das Fachwerktragwerk bezogen auf die produktintern genormten Haltepunkte
ausgelegt ist. Die produktintern genormten Haltepunkte ermöglichen
die Verwendung des Solarsegels auf unterschiedlichen Unterkonstruktionen,
ohne die Befestigungspunkte konstruktiv andern zu müssen.
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Konstruktionsbedingt
ist eine Aufhängung des
Solarsegels im Massenschwerpunkt meist nicht möglich. Das Solarsegel hat daher
an seiner Unterseite Befestigungspunkte, um ein Massenausgleichsgewicht
anbringen zu können.
Im Falle einer nachführbaren
Variante des Gestells wird dort ein Ausgleichsgewicht montiert,
damit sich das System im Gleichgewicht um die Azimutachse befindet,
wodurch sich der Energieaufwand für das elektromotorische Klappen
um die Azimutachse verringert.
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Die
Montage von Solarkollektoren, Solarmodulen, Reflektormitteln oder
Strahlungskonzentratoren unterschiedlichster Abmessungen wird durch eine
diese Elemente tragende Lattung ermöglicht, die auf das Fachwerktragwerk
geklemmt wird.
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Erfindungsgemäß besteht
das Baukastensystem aus einem Mittelteil, das eine zweite Baugruppe
darstellt und das zur Verbindung mit der Solarsegel über die
produktintern genormten Haltepunkte verfügt. Das Solarsegel ist durch
dieses Mittelteil mit dem Unterteil als der dritten Baugruppe verbunden,
wobei das Solarsegel je nach Auslegung des Mittelteils wahlweise
fixiert ist oder einachsig- oder zweiachsig nachgeführt werden
kann.
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Beherbergt
das Mittelteil einen Mechanismus zur Nachführung des Solarsegels, bieten
sich drei Ausführungsformen
an. In der ersten Ausführungsform
geschieht die Nachführung
durch das Klappen des Solarsegels um die schräg im Raum liegende Azimutachse
und das Klappen des Solarsegels um die waagerecht im Raum liegende
Elevationsachse. In dieser Variante handelt es sich um eine kardanische
Lagerung des Solarsegels. In der zweiten Ausführungsform wird das Solarsegel
um die vertikal im Raum liegende Azimutachse gedreht und um die
schräg
im Raum liegende Elevationsachse geklappt. Wahlweise können einzelne
Achsen – bevorzugt
die Elevationsachse – fixiert
werden, sodass wahlweise eine ein- oder zweiachsige Nachführung möglich ist.
In der dritten Ausführungsform
wird die Elevation über
ein Hebelwerk realisiert, das mit der drehenden Mechanik der Azimutachse
verbunden ist, die vertikal im Raum liegt. Die Besonderheit dieser
dritten Ausführungsform
besteht darin, dass das Hebelwerk zwingend eine Kurvenbahn ablauft,
die starr an das Mittelteil befestigt ist, wobei das Hebelwerk am
Ort der Aufstellung auf einen Einstrahlungswinkel der Sonne eingestellt
wird. Je nach Auslegung des Nachführantriebs und des Unterteils
s ist eine Elevation von ca. 25° bis
ca. 90° oder
ca. 45° bis
ca. 110° möglich. Im
Falle eines Klappens um die Azimutachse oder eines Schwenkens mittels
der Kurvenscheibenmechanik lässt
sich das Solarsegel je nach Auslegung des Nachführantriebs und des Unterteils nach
Osten und nach Westen bis auf einen Winkel vom Horizont von ca.
25° klappen,
wodurch sich ein Schwenkwinkel der Azimutachse von gesamt ca. 130° ergibt.
Im Falle einer Drehbewegung einer vertikal im Raum liegenden Azimutachse
ist die Drehung um 360° möglich.
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Im
Falle der ersten Ausführungsform – einer kardanischen
Lagerung – ist
die Aufhängung
des Solarsegels mit der Azimutachse verbunden, während die Elevationsachse mit
dem Teil verbunden ist, der an dem Unterteil befestigt ist. Im Falle
der zweiten und dritten Ausführungsform
ist die Aufhängung
des Solarsegels mit der Elevationsachse verbunden. Diese ist dann
auf dem um die Azimutachse drehenden Gelenk montiert, das auf dem
Unterteil befestigt ist.
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Das
Klappen um die Elevationsachse sowie das Klappen oder wahlweise
das Drehen um die Azimutachse erfolgt mittels eines Rollenkettentriebs,
bestehend aus dem getriebenen Rad, das mit der zu bewegenden Achse
verbundenen ist, einer je nach Ausführungsform endlichen oder unendlichen
Rollenkette, mindestens zwei Umlenkrollen und einem selbstständig gelagerten
treibenden Antriebsritzel sowie einer Klemmkupplung, mit der die
Abtriebswelle des Getriebemotors auf den Wellenstummel der Welle
des selbstständig
zweiseitig gelagerten Antriebsritzels gesteckt wird. Das Gegendrehmoment des
Aufsteckmotors wird mittels einer Zugdruckstange vom Mittelteil
aufgenommen. Dies hat den Vorteil, das ein Anflanschen des Getriebmotors
nicht notwendig ist.
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Der
Rollenkettentrieb hat den Vorteil, dass er eine hohe, verschleißarme und
spielfreie Kraftübertragung
ermöglicht.
Spielfreiheit ergibt sich durch die Umlenkrollen, die die Kette
dem Antriebsritzel zuführen,
indem sie einen Umschlingungswinkel der Rollenkette um das Antriebsritzel
von mehr als 180° ermöglichen,
sodass auch bei hohen Momenten kein Schlupf der Kette möglich ist.
Im Falle von Schwenk- oder Drehwinkeln von unter 360° wird die
Rollenkette auf einem an der zu bewegenden Achse befestigten Kreisbogensegment
geführt
und dort an mindestens einer Stelle fixierend und an mindestens
einer Stelle mit einer federbelasteten Spannvorrichtung befestigt. Im
Falle einer nicht rückführenden
Nachführung
einer drehenden Azimutachse um 360°, wie sie nahe dem Polarkreis
interessant sein könnte,
ist die Kette kraftschlüssig
mit dem getriebenen Rad verbunden, wobei mindestens eine der Umlenkrollen
als Spannrolle ausgebildet ist oder eine andere Vorrichtung zur Spannung
der Kette vorhanden ist.
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Der
Vorteil einer federbelasteten Spannvorrichtung besteht darin, die
durch Temperaturschwankungen oder Lebensalter bedingten Längenänderungen
der Kette kontinuierlich auszugleichen. Durch die gleich bleibend
hohe Kettenspannung wird die Spielfreiheit und Präzision des
Antriebs werter erhöht.
Zugleich gewährleistet
eine gleich bleibende Kettenspannung eine höhere Lebensdauer der Kette.
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Die
selbstständige
zweiseitige Lagerung des Antriebsritzels hat den Vorteil, dass die
Radialkräfte, die
durch die Kette auf das Antriebsritzel einwirken, nicht zum Dauerbruch
durch die hohen Biegemomente führen,
wie sie in einer nur einseitig gelagerten Welle auftreten.
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Der
durch die selbstständige
Lagerung des Antriebsritzels ermöglichte
Einsatz einer Klemmkupplung, mit der die Welle, auf der das Antriebsritzel des
Kettentriebs sitzt, mit der Abtriebswelle des Getriebemotors verbunden
wird, sowie der hierdurch möglich
werdende Verzicht auf einen Getriebemotorflansch, hat den Vorteil,
dass der Getriebemotor als Aufsteckmotor besonders wartungsfreundlich
montiert ist. Auf diese Weise kann er ausgetauscht werden, ohne
dass das übrige Antriebssystem,
insbesondere der Kettentrieb, zerlegt werden muss. Die Trennung
der Getriebemotoren vom Kettentrieb hat zudem den Vorteil, dass
Getriebemotoren ohne weiteres nach Wahl des Kunden verwendet werden
können.
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Bei
der Auswahl in Frage kommender Getriebemotoren ist dem Stirnradgetriebmotor
der Vorzug zu geben, deren Stirnradgetriebe aus gehärteten Stirnzahnrädern bestehen.
Stirnradgetriebe haben eine nur sehr geringe Reibung, da das Ineinandergreifen
der Verzahnung einen Abrollvorgang darstellt. Infolge der geringen
Reibung haben Stirnradgetriebe mit gehärteten Stirnzahnrädern auch
eine sehr hohe Lebensdauer bei geringem Verschleiß, der zugleich
eine sehr hohe Genauigkeit über
einen großen
Zeitraum garantiert. Daher ist auch der Wirkungsgrad eines gehärteten Zahnradpaares
eines Stirnradgetriebes sehr hoch. Er liegt bei ca. 0,98, während der
Wirkungsgrad eines Schneckengetriebes beispielsweise je nach Übersetzung
zwischen 0,6 und 0,8 beträgt.
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Der
Einsatz von Stirnradgetriebemotoren hat den Vorteil, dass Stirnradgetriebe
bereits konstruktionsbedingt außerordentlich
wenig Spiel haben und dieses konstruktionsbedingte Spiel des Stirnradgetriebes
sich aufgrund des geringen Verschleißes auch nur sehr langsam vergrößert. Damit
lässt sich durch
den Einsatz von Stirnradgetriebemotoren sowohl die Anforderung erfüllen, die
beispielsweise von Wind induzierte Bewegung des Solarsegels zu verringern,
die durch Spiel im Antrieb begünstigt
wird, als auch die Forderung nach hoher Lebensdauer sowie die Forderung
nach einer dauerhaft präzisen Nachführung im
Falle einer kontinuierlichen Nachführung.
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Der
hohe Wirkungsgrad der Stirnradgetriebemotoren hat eine deutliche
Effizienzsteigerung der Leistungsaufnahme im Vergleich zu den üblicherweise
in nachgeführten
Solaranlagen zum Einsatz kommenden Schneckengetriebemotoren zur
Folge. Dies ist insbesondere auch dann ein Vorteil, wenn das Solarsegel
kontinuierlich nachgeführt
werden soll.
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Stirnradgetriebe
lassen eine höhere
Drehzahlvariabilität
zu, als Schneckengetriebe. Der Verbau von Stirnradgetrieben in Nachführeinrichtungen bietet
daher den Vorteil, die Nachführeinrichtung durch
Ausnutzung des oberen Drehzahlbereichs des Antriebsmotors oder durch
Kopplung mit weiteren schnell laufenden Hilfsmotoren schneller in
gewünschte
Positionen verfahren zu können,
als dies mit Schneckengetriebemotoren möglich ist.
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Zur
Anwendung gelangen Synchron- oder Asynchronmotoren, die sich mittels
Frequenzumformung in der Drehzahl variabel fahren lassen. Der Verwendung
von permanentmagnetisch erregten Synchronmotoren ist der Vorzug
zugeben, da sie eine kostengünstige
kontinuierliche Nachführung
erlauben. Permanentmagnetisch erregte Synchronmotoren haben zudem
den Vorteil einer hohen Drehzahlvariabilität, was der Verstellgeschwindigkeit
des Solarsegels im Bedarfsfall zu gute kommt.
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Da
Stirnradgetriebe nicht selbsthemmend sind, wird der Stirnradgetriebmotor
mit einer federbelasteten Haltebremse ausgestattet. Durch die sehr hohe
Untersetzung kann diese Haltebremse bezogen auf die aus der Nachführeinrichtung
rückführenden
Drehmomente sehr klein sein.
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Die
Verwendung von Normteilen im Antriebsbereich, wie genormten Rollenketten,
Normmotoren oder genormten Klemmkupplungen, birgt Vorteile bei der
weltweiten Beschaffung von Ersatzteilen.
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Die
hohe Untersetzung und der hohe Wirkungsgrad der Stirnradverzahnungen
gestattet die Verwendung sehr kleiner und preiswerter Normbremsmotoren.
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Die
Steuerung der Nachführung
erfolgt mittels einer elektronischen oder mittels einer elektrischen
Steuerung. Bevorzugt kommt eine elektrische Steuerung zum Einsatz,
deren Referenzpunkt die Ruhestellung des Solarsegel um 12:00 Uhr
Ortszeit ist. Diese Ruhestellung nimmt das Solarsegel ein, sofern
es nicht nachgeführt
wird. Die Ruhestellung hat den Vorteil, dass sie eine natürliche Stellung
des Solarsegels bedeutet, in der sich horizontalen Windbewegungen
am wenigstens Angriffsfläche
bietet. Einer Zeitschaltuhr sind kalenderabhängige Startzeiten vorgegeben.
Bei erreichen der Startzeit schwenkt das Solarsegel bis in die Stellung
eines Endschalters Ost. Das Solarsegel wird dann im Lauf des Tages nach
Westen bewegt, bis die Stellung eines Endschalters West erreicht
ist. Hierbei ist zwischen der diskontinuierlichen und der kontinuierlichen
Nachführung
zu unterscheiden. Im Falle der diskontinuierlichen Nachführung wird
die Nachführung
in Intervallen für
kurze Zeit eingeschaltet. Dann eilt das Solarsegel dem Stand der
Sonne ein wenig voraus und verharrt, bis der Stand der Sonne der
Einstellung des Solarsegels um einen bestimmten Wert vorausläuft. Im
Falle der kontinuierlichen Nachführung
schwenkt das Solarsegel zeitgleich und geschwindigkeitsgleich mit
der Bewegung der Sonne. Nach Erreichen des Endschalters West fährt das
Solarsegel in die Ruhestellung zurück und verweilt dort bis zum
Erreichen der Startzeit. Sofern keine kontinuierliche Nachführung der
Elevationsachse benötigt
wird, die wie oben dargestellt gesteuert wird, wird der Elevationswinkel eingestellt,
indem die Elevationsachse nach Jahresuhr auf den der betreffenden
Jahreszeit zugeordneten Endschalter gefahren wird.
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Erfindungsgemäß ist das
Mittelteil auf einem dreibeinigen Unterteil montiert, das eine dritte
Baugruppe darstellt.
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Das
Unterteil besteht aus drei Stützrohren gleicher
oder unterschiedlicher Länge
mit an mehreren Stellen angebrachten Knotenblechen, die mit Bohrungen
für Befestigungselemente
versehen sind. Die Stützrohre
sind mit Windverbänden
gegenseitig versteift. Am oberen Ende sind die Stützrohe über Knotenbleche
direkt am Mittelteil befestigt. Im oberen Drittel sind die Stützrohre
zudem mit Spannschlössern
mit dem Mittelteil verbunden. Am unteren Ende werden die Stützrohre
an den angebrachten Knotenblechen an Verdrängerpfosten, Bohrpfählen oder konventionellen
Betonfundamenten befestigt. Das Unterteil kann mit unterschiedlicher
Spreizung der Stützrohre
aufgestellt werden, wobei eine Zusammenlegung der drei Stützrohe der
Ausbildung einer Säule
bestehend aus drei nebeneinander liegenden Stützrohren entspricht.
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Das
Dreibein ermöglicht
es, das Mittelteil in seiner vertikalen Lage unabhängig vom
Gelände
exakt auszurichten, wobei sich ein Schiefstand des Dreibeins in
Relation zur gewünschten
vertikalen Achse des Mittelteils mittels der am unteren Ende des
Mittelteils angreifenden Spannschlösser ausgleichen lässt.
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Die
Vorteile der dreibeinigen Ausführung
des Unterteils entstehen durch die Möglichkeit, mit der Auslegung
der Spreizung und der Höhe
der Stützrohre
und durch die Ausgestaltung der die Stützrohre verbindenden Windverbände mit
geringen Anpassungsleistungen ortsspezifischen Windlast- und Geländesituationen
gerecht werden zu können,
wobei zugleich vergleichsweise wenig Material eingesetzt werden
muss, sodass eine leichte und preiswerte Konstruktion möglich wird.
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Das
Dreibein benötigt
zudem weniger aufwendige Gründungen,
als die bekannten Drehgestelle oder Säulen, sofern die Spreizung
des Dreibeins das abzutragende Moment in einem ausreichend großen Radius
in den Boden einleitet.
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Durch
die Variation der Längen
der Stützrohre
können
die dreibeinigen Unterteile auch in hügeligem Gelände sowie in Hanglagen verbaut
werden, wodurch gerade auch schwierige Gelände zur Gewinnung von Solarenergie
erschlossen werden können.
Das Anpassungsvermögen
der Konstruktion an das Gelände
wird noch durch die Möglichkeit
zur Befestigung an unterschiedlichen Gründungen erhöht.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden nachfolgend beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Ein
Gestell für
Solaranlagen in seitlicher Ansicht;
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2 das
Gestell gemäß 1 in
Ansicht von hinten;
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3 die
zweiachsige Lagerung des Oberteils auf dem Mittelteil mit Ketten-
oder Riementrieben in seitlicher Ansicht der Elevationsachse;
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4 die
zweiachsige Lagerung des Oberteils auf dem Mittelteil mit Ketten-
oder Riementrieben in seitlicher Ansicht der Azimutachse;
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5 die
zweiachsige Lagerung mit vertikaler, ketten- oder riemengetrieben
Azimutachse und einer von einer Kurvenscheibe geführten Hebelmechanik
zur Verstellung der Elevationsachse in Seitenansicht;
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6 die
zweiachsige Lagerung mit vertikaler, ketten- oder riemengetriebener
Azimutachse und einem Kurbeltrieb zur Verstellung der Elevationsachse
in Seitenansicht.
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In 1 ist
ein Gestell für
Solaranlagen 01 in seitlicher Ansicht dargestellt, das
sich aus einem Oberteil 02 bestehend aus einer selbstständigen Trageinrichtung 13 für Solarkollektoren,
Solarmodule, Reflektormittel oder auf Solarkollektoren oder Solarzellen
fokussierenden Strahlungskonzentratoren 05, an der ein
Massenausgleichsgewicht 15 montiert ist, aus einem Mittelteil 03 bestehend
aus einem das Oberteil 02 tragenden Befestigungssystem 06,
einem Antriebssystem 07 und einem an das Unterteil befestigten
Sockel 08 und einem Unterteil 04 bestehend aus
den Stützrohren 09,
den daran befestigten Knotenblechen 10, den an dem Mittelteil
angreifenden Spannschlössern 11 und
den Windverbänden 12 zusammensetzt.
Das Unterteil ist unten an seinen Knotenblechen an Fundamenten 14 verbunden.
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In 2 ist
das Gestell für
Solaranlagen 01 gemäß 1 von
hinten zu sehen, wodurch ein Befestigungspunkt 16 am Oberteil 02 für das Massenausgleichsgewicht 15 zu
sehen ist. Auch das Mittelteil 03 mit einem Antriebsystem 07 und
dem auf dem Unterteil montierten Sockel 08, der sich über das
Unterteil hinaus erhebt, ist in dieser Ansicht besser zu erkennen.
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In 3 ist
die Mechanik zur zweiachsigen Nachführung des Oberteils 02 im
Mittelteil 03 als zweiachsige Lagerung zu sehen, wobei
diese Seitenansicht das Kreisbogensegment des Antriebs der Elevationsachse 19 zeigt.
Ferner sind die waagerecht im Raum liegende Elevationsachse 18 und
die schräg
im Raum liegende Azimutachse 17 zu erkennen, auf denen
die im Baukasten genormte Aufhängung 06 des
Oberteils 02 sitzt. Auf dem Kreisbogensegment 19 wird
ein endlicher Riemen- oder
eine endliche Kette geführt,
der oder die über
Umlenkrollen 21 um das treibende Rad 22 geführt wird.
Der Getriebemotor, der die Elevationsachse antreibt, ist in dieser
Ansicht verborgen. Jedoch zeigt der ebenfalls zu sehende Antrieb
der Azimutachse im Profil die zweiseitige Lagerung 28 des
selbstständig
gelagerte treibende Rad des Riemen- oder Kettentriebs 22 sowie
die Klemmkupplung 23, mit der die Abtriebswelle des Stirnradgetriebes 26 des
Getriebemotors 24 auf den Wellenstummel der Welle gesteckt
wird, die mit dem treibenden Rad verbunden ist. Zudem ist die federbelastete
Haltebremse 25 zu erkennen.
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In 4 ist
die Mechanik zur zweiachsigen Nachführung des Oberteils 02 im
Mittelteil 03 zu sehen, wobei diese Seitenansicht das Kreisbogensegment
des Antriebs der Azimutachse zeigt. Ferner sind die waagerecht im
Raum liegende Elevationsachse 18 und die schräg im Raum
liegende Azimutachse 17 zu sehen. Hier sitzt die im Baukasten
genormte Aufhängung 06 des
Oberteils 02. Die Darstellung zeigt insbesondere den Antrieb
der Elevationsachse, bestehend aus der federbelasteten Haltebremse 25,
dem Getriebemotor 24 und dessen Stirnradgetriebe 26,
der Klemmkupplung 23, der zweiseitigen Lagerung 28 des
selbstständig
gelagerten treibenden Rades des Riemen- oder Kettentriebs 22,
sowie die Lage der Umlenkrollen im Riemen- oder Kettentrieb und
die auf dem Kreisbogensegment der Elevationsachse liegenden Kette 20 sowie
deren Befestigung 38.
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In 5 ist
die Mechanik zur Nachführung des
Oberteils 02 im Mittelteil 03 zu sehen, wobei
die Azimutachse 42 vertikal im Raum liegt. Die Azimutachse
ist fest mit einem Kreisbogen- oder Kreisbogensegment 35 verbunden,
auf dem ein Riemen- oder Kettentrieb geführt wird, der einem selbstständig gelagerten
treibenden Rad 22 zugeführt
wird, das wiederum über
eine Klemmkupplung 23 mit einem Stirnradgetriebe 26 des
Getriebemotors 24 und der federbelasteten Haltebremse 25 verbunden
ist. In 5 ist die Antriebseinheit 22, 23, 26, 24, 25 der Azimutachse 18 fest
mit der vertikal im Raum stehenden Azimutachse 42 verbunden,
während
der Riemen- oder Kettentrieb 35 kraftschlüssig mit
dem Sockel des Mittelteils 08 verbunden ist. Wie 6 zeigt, ist
auch eine Ausführung
in umgekehrter Reihenfolge möglich,
wobei die Antriebseinheit 36 fest am Sockel des Mittelteils 08 montiert
ist, während
Riemen- oder Kettentriebe 35 kraftschlüssig mit vertikal im Raum stehenden
Azimutachse 42 verbunden ist.
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In 5 erfolgt
der Antrieb der Elevationsachse 17 mittels eines Hebelwerks,
bestehend aus einem Winkelhebel 30, einem einachsigen Gelenk 33 und
einer einstellbaren Führungsstange 31,
die mit einem Gelenk 34 an die im Baukasten genormten Aufhängung 06 des
Oberteils 02 befestigt ist. Der Winkelhebel 30 ist
mit der vertikal im Raum stehenden Azimutachse 42 fest
in einem Gelenk 40 verbunden und läuft mit einer Führungsrolle 29 zwingend eine
Kurvenscheibe 39 ab, wobei die Kurvenscheibe 39 fest
mit dem Sockel des Mittelteils 08 verbunden ist.
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In 6 erfolgt
der Antrieb der Elevationsachse 17 mittels eines Kurbeltriebs,
bestehend aus der Kurbel 41, die mit einem einachsigen
Gelenk 33 mit der einstellbaren Führungsstange 31 verbunden ist,
die mit einem Gelenk 34 an die im Baukasten genormten Aufhängung 06 des
Oberteils 02 befestigt ist und der von einem Getriebemotor 37 angetrieben wird,
der fest mit der vertikal im Raum stehenden Azimutachse 42 verbunden
ist.