DE102008053247A1

DE102008053247A1 - Halteeinheit und Verfahren zur Ausrichtung eines flächigen Elements auf die Sonne

Info

Publication number: DE102008053247A1
Application number: DE102008053247A
Authority: DE
Inventors: Volker SCHÜREN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-25
Filing date: 2008-10-25
Publication date: 2010-04-29
Also published as: ES2387290A1; ES2387290B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halteeinheit (100) zur Ausrichtung eines flächigen Elements (110) auf die Sonne, wobei die Halteeinheit (100) ein festes Auflager (120, 150, 155) umfasst, das wie ein Kardangelenk funktioniert und an dem flächigen Element (110) befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements (110) in zwei Raumachsen zu ermöglichen. Ferner umfasst die Halteeinheit (110) eine erste Bewegungseinrichtung (130) mit einer variierbaren Länge, wobei die erste Bewegungseinrichtung (130) an einem ersten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) befestigbar ist. Die Halteeinheit (100) umfasst ferner eine zweite Bewegungseinrichtung (140) mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung (140) an einem vom ersten Stützpunkt (195) unterschiedlichen zweiten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) befestigbar ist sowie eine Steuereinheit (200), die ausgebildet ist, um die erste (130) und zweite (140) Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten (130) und/oder zweiten (140) Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halteeinheit zur Ausrichtung eines flächigen Elements auf die Sonne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ausrichtung eines flächigen Elementes auf die Sonne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Photovoltaik-Konzentratormodule bestehen aus kleinen Solarzellen auf die das einfallende Sonnenlicht mit Linsen, typischerweise Fresnel-Linsen, konzentriert wird. Diese Technik ermöglicht die bisher höchsten Wirkungsgrade in der Photovoltaik. Allerdings funktionieren die Module überhaupt nur, wenn sie stets genau auf die Sonne ausgerichtet werden. Dabei sind Genauigkeiten von beispielsweise 0,05° einzuhalten, was sich aus dem hohen Konzentrationsfaktor von beispielsweise 700 ergibt. Konzentrator-Panels setzen sich aus einer Vielzahl einzelner Konzentratorzellen zusammen und sind z. B. 20 qm groß.
Ein Nachführsystem ist für die unverzichtbare, hochgenaue Nachführung von Photovoltaikkonzentrator-Zellen in Fresnel-Linsen-Technik erforderlich. Nachführsysteme für herkömmliche Solarmodule bieten jedoch weder die erforderliche Genauigkeit, noch sind sie stabil genug, um auch bei Wind Ihre Ausrichtung zu behalten. Für herkömmliche Solarmodule ist eine Genauigkeit von 5° völlig ausreichend. Für Konzentratorzellen wird jedoch eine unvergleichlich höhere Genauigkeit und Stabilität benötigt, weil die Ausgangsleistung bei kleinsten Fehlstellungen, z. B. 1°, schon auf null fällt.
Ein ähnliches Problem stellt sich bei der Ausrichtung von Heliostaten auf einen Solarturm, wobei die Sonnenstrahlen in dieser Anordnung mittels des Spiegels des Heliostaten über eine teilweise große Entfernung auf den Solarturm konzentriert werden müssen. Stimmt in dieser Anordnung der Winkel des Heliostaten auf die Sonnen bzw. den Solarturm nicht in einem sehr engen Toleranzbereich mit einem vorbestimmten Wert überein, können die Sonnenstrahlen nicht auf einen engen räumlichen Bereich einer Konzentrationsstelle im Solarturm gebündelt werden. Auf diese Weise können an der Konzentrationsstelle keine derart hohen Temperaturen erzielt werden, wie es bei einer exakten Konzentration der Sonnenstrahlen aller Heliostaten-Spiegel auf diese räumlich kleine Konzentrationsstelle möglich ist. Der Wirkungsgrad eines solchen unpräzisen Heliostat-Solarturm-Systems würde somit reduziert werden.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halteeinheit zu schaffen, die eine verbesserte Sonnennachführung und somit eine höhere Energieausbeute durch eine genauere Ausrichtung des Heliostaten bzw. eines Solarpanels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Halteeinheit gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Halteeinheit zur Ausrichtung eines flächigen Elements auf die Sonne, wobei die Halteeinheit die folgenden Merkmale umfasst:

– ein festes Auflager, das wie ein Kardangelenk funktioniert und außermittig bezüglich des flächigen Elementes oder an einem Ende, insbesondere einem unteren Ende des flächigen Elements, befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements in zwei Raumachsen zu ermöglichen. Das feste Auflager wird vorzugsweise derart außermittige am Panel positioniert, dass die Gewichtskraft des Panals zusammen mit der zulässigen, überlagerten Windlast im Wesentlichen nur Druck- oder Zugkräfte auf verwendete Bewegungseinrichtungen ausübt, damit diese spielfrei arbeiten.
– eine erste Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge, wobei die Bewegungseinrichtung an einem ersten Stützpunkt an einer Rückseite des flächigen Elements befestigbar ist;
– eine zweite Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung an einem vom ersten Stützpunkt unterschiedlichen zweiten Stützpunkt auf der Rückseite des flächigen Elements befestigbar ist; und
– eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um die erste und zweite Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten und/oder zweiten Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements zu bewirken.

Ferner schafft die Erfindung eine Halteeinheit zur Ausrichtung eines flächigen Elements in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit die folgenden Merkmale umfasst:

– ein festes Auflager, das wie ein Kugelgelenk funktioniert und an dem flächigen Element befestigbar ist und das ausgebildet ist, um eine Bewegung des flächigen Elements um drei Raumachsen zu ermöglichen;
– eine erste Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge, wobei die erste Bewegungseinrichtung an einem ersten Stützpunkt an dem flächigen Element befestigbar ist;
– eine zweite Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung an einem vom ersten Stützpunkt unterschiedlichen zweiten Stützpunkt an dem flächigen Element befestigbar ist;
– eine dritte Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge, wobei die dritte Bewegungseinrichtung an einem weiteren Stützpunkt an dem flächigen Element befestigbar ist; und
– eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um die erste, zweite und dritte Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements zu bewirken.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ausrichtung eines flächigen Elements durch eine Halteeinheit in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit ein festes Auflager umfasst, das wie ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk funktioniert und außermittig oder an einem Ende, insbesondere an einem unteren Ende des flächigen Elements befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements in zwei Raumachsen zu ermöglichen, wobei die Halteeinheit ferner eine erste Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge aufweist, wobei die erste Bewegungseinrichtung an einem ersten Stützpunkt an dem flächigen Element angreift, wobei die Halteeinheit ferner eine zweite Bewegungseinrichtung mit einer variierbaren Länge aufweist, wobei die zweite Bewegungseinrichtung an einem vom ersten Stützpunkt unterschiedlichen zweiten Stützpunkt an dem flächigen Element angreift; und wobei die Halteeinheit eine Steuereinheit umfasst, die ausgebildet ist, um die erste und zweite Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Langenvariation der ersten und/oder zweiten Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements zu bewirken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Ansteuern einer Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung, um durch eine Längenvariation der ersten Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements zu bewirken; und
– Ansteuern einer Variation der Länge der zweiten Bewegungseinrichtung unabhängig von dem Ansteuern der Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung, um durch eine Längenvariation der zweiten Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine stabile und präzise Nachführung des flächigen Elements, das beispielsweise der Spiegel eines Heliostaten oder ein Solarzellen-Modul ist, auf die Sonne möglich wird, wenn das planare oder flächige Element beispielsweise an einem unteren Ende eines geeigneten, festen Auflagers und zumindest zwei Bewegungseinrichtungen befestigt wird, die an unterschiedlichen Stützpunkten auf der Rückseite des flächigen Elements befestigt sind. Durch die Längenvariation der beiden Bewegungseinrichtungen kann eine Neig- oder Kippbewegung in zumindest zwei Raumachsen durchgeführt werden, die eine Nachverfolgung des flächigen Elements auf die Sonne ausreichend ermöglicht. Die Ansteuerung der Langenvariation der beiden Bewegungseinrichtungen kann dabei durch die Steuereinheit gesteuert bzw. geregelt werden, so dass eine optimale Ausrichtung der Oberfläche des flächigen Elements auf die Sonne sichergestellt werden kann. Durch die Befestigung des Auflagers am Ende oder unteren Ende des flächigen Elementes kann ferner eine sehr hohe Stabilität des flächigen Elementes bzw. der Halteeinheit insbesondere bei stärkerem Wind sichergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz bietet den Vorteil, dass eine Nachführung der Oberfläche des flächigen Elements durch konstruktiv einfache mechanische Elemente möglich wird. Der durch den erfindungsgemäßen Ansatz ermöglichte Bewegungsbereich ist dabei zur Nachführung der Oberfläche des flächigen Elementes gegenüber der Sonne ausreichend groß. Herkömmliche zentrale Dreh- und Neigungsgetriebe auf einer Mastanordnung sind gegenüber Windkräften zu nachgiebig. Eine ausreichende Genauigkeit der Ausrichtung auf die Sonne wird nicht durch die geringe Herstellungstoleranz der verwendeten Bauelemente sondern durch eine spielfreie Ausführung der Hubelemente und deren ständige Nachführung an den aktuellen Sonnenstand durch die Steuereinheit gewährleistet. Durch die vollständige Last des flächigen Elementes auf das untere Auflager und die (günstigenfalls nicht an einem Trägermast sondern am Boden befestigten Bewegungseinrichtungen) kann somit eine hochstabile Tragekonstruktion mit einfachen technischen Mitteln realisiert werden, die durch eine breitere Standbasis deutliche Stabilitätsvorteile und eine bessere Wartungsfreundlichkeit gegenüber einer Ausrichtungskinematik auf bzw. an einem Trägermast aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Auflager zwei Neigungslager, eine zwischen den Neigungslagern angebrachte Verbindungsstange sowie ein Kipplager, welches an der Verbindungsstange angebracht ist und die Drehung um die Längsachse der Haltestange erlaubt. Auf diese Weise kann auf einfache und kostengünstige Weise ein festes Auflager bereitgestellt werden, das die Anforderungen an Drehungsbeweglichkeit um die beiden Raumachsen ermöglicht und zugleich eine ausreichende Standfestigkeit der Halteeinheit gegenüber beispielsweise einer Belastung des flächigen Elementes durch Wind bietet.
In einer anderen Ausführungsform kann die dritte Bewegungseinrichtung an einem Stützpunkt der ersten oder zweiten Bewegungseinrichtung an dem flächigen Element befestigbar sein. Ein derartiges Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein sehr einfaches Basislager beispielsweise in der Form eines Kugelgelenks verwendet werden kann, so dass eine ausreichende Standfestigkeit auch bei hohen Windgeschwindigkeiten gegeben ist. Zugleich ist durch die Befestigung der dritten Bewegungseinrichtung an einem Stützpunkt, an dem auch die erste oder zweite Bewegungseinrichtung gefestigt ist noch eine ausreichend große Beweglichkeit sichergestellt, so dass die Funktionalität der Halteeinheit gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die erste, zweite und/oder dritte Bewegungseinrichtung eine Hubspindel, eine Hydraulikeinheit, eine Kettenzugeinheit und/oder eine Seilzugeinheit umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass einfache und bewährte Elemente zur Sicherstellung der Längenvariationsmöglichkeit der Bewegungseinrichtungen verwendet werden können, so dass sich die Längenvariation kostengünstig ausführen lässt.
Auch kann das Auflager, die erste, zweite und/oder die dritte Bewegungseinrichtung ausgebildet sein, um im Zusammenwirken das Planare Element derart zu Verdrehen, dass eine Normale auf das Planare Element nicht weniger als einen Winkel von 20° gegenüber der Horizontalen aufweist. Dies bietet eine Erleichterung bei der Konstruktion des Halteelementes, da lediglich ein kleinerer Bewegungsbereich des flächigen Elementes sichergestellt werden muss. Dieser eingeschränkte Bewegungsbereich ermöglicht jedoch weiterhin eine sehr große Ausbeute des einfallenden Sonnenlichts, da bei niedrigen Sonnenständen keine starke Einstrahlung auf das Planare Element zu erwarten ist, so dass auch durch eine Verschwenkung der Normale des flächigen Elementes in einen Bereich von unter 20° gegenüber der Horizontalen kein wesentlicher Mehrbeitrag der Energieausbeute resultieren würde.
Insbesondere können die erste Bewegungseinrichtung und die zweite Bewegungseinrichtung je eine Seilzugeinheit mit einer Seiltrommel und einem Seil mit variierbarer Länge umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass Seilzüge sehr preiswert und knickfest sind und sich für einen beliebigen Betätigungsweg realisieren lassen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Seil von jeder der beiden Bewegungseinrichtungen an einem anderen Stütz- oder Aufhängepunkt befestigbar sein, der sich an einem Rand des flächigen Elementes befindet. Hierdurch kann eine Entlastung des Seils durch geschickte Ausnutzung der Hebelwirkung eines äußeren Angriffspunktes des Seils am flächigen Element erreicht werden.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Auflager in einer Öffnung des flächigen Elementes angeordnet sein. Dies bietet einen großen Spielraum für die Neigungsbewegungen des flächigen Elementes gegenüber der Horizontalen, so dass nahezu alle Ausrichtungspositionen durch die vorgeschlagene Konstruktion einfach angefahren werden können.
Ferner kann auch ein Stützmast zum Tragen des flächigen Elementes vorgesehen werden, der sich durch die Öffnung des flächigen Elementes erstreckt. Dies bietet eine verbesserte Haltemöglichkeit des flächigen Elementes, da der Stützmast bei einer Durchführung durch die Öffnung auch seitliche Kräfte von dem flächigen Element sehr gut aufnehmen kann, die beispielsweise durch den Einfluss von Wind auf das flächige Element wirken.
Eine sehr gute und vor allem stabile Haltemöglichkeit kann erreicht werden, wenn die Seile der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung durch den Stützmast geführt werden und von einer Spitze des Stützmastes aus zu den Stütz- oder Aufhängungspunkten geführt werden. Dies ermöglicht eine Stützung des flächigen Elementes von unten durch das Auflager als auch eine Halterung des flächigen Elementes von oben durch die Aufhängung an den Seilen.
Besonders stabile Halteeinheiten können dann erreicht werden, wenn die Seile der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung einen Flachgurt, insbesondere aus einem Glasfaser- oder Kohlenstoff-Material umfassen.
Um ein unkontrolliertes Abwickeln der Seile von den Seiltrommeln zu verhindern, kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die erste und zweite Bewegungseinrichtung zumindest eine Seiltrommel umfassen, die über ein selbsthemmendes Getriebe angetrieben wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Halteeinheit ferner Winkelsensoren im Bereich des Auflagers umfassen, die zur Bestimmung der aktuellen Ausrichtung des flächigen Elementes ausgebildet sind. Hierdurch wird eine Ausrichtungsposition des flächigen Elementes beispielsweise an einem Morgen eines neuen Tages sehr schnell einstellbar, so dass eine schnelle Inbetriebnahme des flächigen Elementes ermöglicht wird.
Um eine gute Sicherung des flächigen Elementes auch beispielsweise bei Sturm zu erreichen, kann die Halteeinheit ferner ein mechanisches Verriegelungselement umfassen, das ausgebildet ist, um das flächige Element, insbesondere in einer waagrechten Position in Bezug zur Standfläche der Halteeinheit, gegen eine weitere Bewegung zu verriegeln.
Eine gute und verlässliche Vorspannung des flächigen Elementes gegen die Bewegungseinrichtungen kann dann erreicht werden, wenn das Auflager von einem Schwerpunkt des flächigen Elementes entfernt am flächigen Element befestigbar ist. Dies ermöglicht ein Kippen des flächigen Elementes in Richtung seines Schwerpunktes, so dass durch das Gewicht des flächigen Elementes die Vorspannung auf die Bewegungseinrichtungen einfach und zuverlässig erreicht werden kann.
Günstig auf die Präzision der Vorrichtung wirkt sich aus, wenn das Basislager und die Bewegungseinrichtungen stets in einer Richtung belastet werden und dadurch spielfrei sind. Dazu sollten das Gewicht des Panels und die betriebsmäßig zulässigen Windkräfte zusammen an den Führungselementen immer in eine Richtung wirken, was durch Austarieren des Panels erreicht werden kann.
Günstig ist es auch, wenn die Steuereinheit eine Schnittstelle umfasst, über welche ein Wert bezüglich eines Sonnenstandes zu einer bestimmten Zeit empfangbar ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Längenvariation der ersten zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung unter Verwendung des empfangenen Wertes bezüglich des Sonnenstandes durchzuführen. Dies biete den Vorteil, bei der Inbetriebnahme oder beispielsweise bei Beginn eines jeden neuen Tages bereits einen groben Ausrichtwert für die Planare Oberfläche durch die Berechnung aus einer astronomischen Formel zur Verfügung zu haben und somit die Einregelung des flächigen Elementes auf den optimalen Ausrichtwinkel gegenüber der Sonne deutlich schneller durchführen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die zur Ausrichtung von zumindest einem Photovoltaik-Modul vorgesehen ist, kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um eine elektrische Leistung des Photovoltaik-Moduls auszuwerten und zumindest die erste, zweite und dritte Bewegungseinrichtung ansprechend auf die ausgewertete elektrische Leistung anzusteuern. Dies bietet den Vorteil, dass bereits verfügbare Signale in Form einer vom Solarmodul abgegebenen Leistung die in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung unterschiedliche Werte aufweisen kann, zur Ansteuerung und Optimierung der Ausrichtung des flächigen Elementes verwendet werden können/kann. Es braucht somit kein zusätzlicher Sensor zur Optimierung der Ausrichtung des flächigen Elementes vorgesehen werden, welcher die Herstellungskosten der Halteeinheit erhöhen würde.
Ferner kann auch die Steuereinheit ausgebildet sein, um die Länge der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung derart anzusteuern, dass die elektrische Leistung des Photovoltaik-Moduls maximal wird. In dieser Ausführungsform kann eine einfache aber effektive Auswertung der elektrischen Leistung, des elektrischen Stroms oder elektrischen Spannung erfolgen, die durch schaltungstechnische oder numerische Lösungen sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden können.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Steuereinheit ausgebildet sein, um alternierend eine Längenvariation der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung zu bewirken. Dies bietet den Vorteil, dass ein schnelles Auffinden des optimalen Ausrichtungswinkels möglich wird. Somit kann eine Verbesserung des Ausrichtwinkels, die beispielsweise durch eine Längenvariation der ersten Bewegungseinrichtung bewirkt wurde eindeutig dieser Bewegungseinrichtung zugeordnet werden, so dass sich regelungstechnische Schwankungen bei der Regelung der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung auf ein Minimum begrenzen lassen.
Ferner kann auch die Steuereinheit ausgebildet sein, um einen Wert der elektrischen Leistung vor einer Variation der Länge der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung mit einem Wert der elektrischen Leistung nach einer Variation der Länge der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung zu vergleichen und abhängig von dem Vergleichsergebnis die Länge der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung zu vergrößern oder zu verkleinern. Eine solche Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil einer Implementationsmöglichkeit für eine einfach aber sicher funktionierende Regelungseinheit, welche sich folglich kosten senkend auf die Herstellung einer derartigen Halteeinheit auswirkt.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Steuereinheit eine MPP-Regeleinheit zur Variation eines Arbeitspunktes auf einer elektrischen Kennlinie des Photovoltaik-Moduls aufweisen, wobei die Steuereinheit ferner ausgebildet ist, um einen Betrieb der MPP-Regeleinheit und der Längenvariation der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung zu steuern. Eine solche Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass Schwankungen, die möglicherweise durch eine MPP-Regelung in Verbindung mit einer (evtl. ansonsten gleichzeitig erfolgenden) Ansteuerung der ersten, zweiten und/oder dritten Bewegungseinrichtung ergeben, zu überwachen und gegebenenfalls durch eine alternative Einschaltung der MPP-Regelung bzw. der Bewegungseinrichtungsregelung kontrollieren zu können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Anordnung von Elementen eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Anordnung von Komponenten eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung der Anordnung von Komponenten eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung der Anordnung von Komponenten eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren.
Eventuell angegebene Dimensionen und Maße sind nur exemplarisch, so dass die Erfindung nicht auf diese Dimensionen und Maße beschränkt ist. Gleiche oder ähnliche Elemente sind mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden können oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
In 1 ist eine schematische Anordnung von Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei zeigt die 1 eine Halteeinheit 100, bei der ein flächiges Element 110 von einem Auflager 120, einer ersten Bewegungseinrichtung 130 und einer zweiten Bewegungseinrichtung 140 gehalten wird. Die Bewegungseinrichtungen 130 und 140 können dabei elektrisch betreibbare Hubspindeln, hydraulische Bewegungseinrichtungen, Seil- oder Kettenzugeinrichtungen oder ähnliche Komponenten umfassen, die eine Längenvariation der Bewegungseinrichtungen ermöglichen und sicherstellen. Das flächige Element 110 kann beispielsweise ein (planares) Konzentrator-Photovoltaik-Moduls oder ein (planarer) Spiegel eines Heliostaten sein. Alternativ kann es sich auch um ein gekrümmtes flächiges Element 110 wie beispielswiese einen Parabolspiegel handeln, dessen Oberfläche zur Bündelung von Lichtstrahlen der Sonne verwendet wird. Das Auflager 120 kann dergestalt ausgebildet sein, dass zwei Lagerstützen 150 vorgesehen sind, zwischen denen eine Verbindungsstange 160 um eine im Wesentlichen horizontale Achse drehbar angeordnet ist. An dieser Verbindungsstange 160 ist ein Kipplager 170 angeordnet, welches die Verbindungsstange 160 mit einer Haltestange 180 verbindet, an welcher ein (unteres) Ende des flächigen Elementes 110 befestigt ist. Durch das Kipplager 170 ist die Haltestange 180 um eine Drehachse drehbar gelagert, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Drehachse durch Verbindungsstange 160 zwischen den beiden Lagerstützen 150 angeordnet ist. Die Haltestange 180 ist ferner im Wesentlichen rechtwinklig mit einer Querstrebe 190 verbunden, die die beiden Stützpunkte 195 (auf der der Sonne abgewandten Seite des flächigen Elementes 110) miteinander verbindet, an denen die erste 130 beziehungsweise die zweite Bewegungseinrichtung 140 an dem flächigen Element 110 befestigt sind. Weiterhin ist in der Anordnung gemäß 1 eine Steuereinheit 200 vorgesehen, die mit der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 verbunden ist und die ausgebildet ist, um eine Längenveränderung der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerung der Längenvariation der ersten bzw. zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 durch eine Ansteuerung eines Elektromotors für die als Hubspindel oder als Hydraulikzylinder ausgebildete Bewegungseinrichtung ausgestaltet sein. Ist das flächige Element 110 als Konzentrator-Photovoltaik-Modul ausgestaltet, kann die Steuereinheit 200 ferner ausgebildet sein, um die Steuerung der ersten 130 und zweiten 140 Bewegungseinrichtung auf der Basis einer Auswertung des über die Anschlussleitung 210 vom Photovoltaik-Modul gelieferten Stroms bzw. der gelieferten Spannung oder elektrischen Leistung zu bestimmen.
Die in 1 dargestellte Anordnung einer Halteeinheit kann am Beispiel eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls als planares Element 110 nun folgendermaßen funktionieren: Wird durch die Auswertung einer elektrischen Kenngröße auf der Anschlussleitung 210 (wie beispielsweise einem Strom, einer Spannung oder einer Leistung) erkannt, dass es zu einem Absinken dieser Kenngröße kommt, wird durch die Steuereinheit 200 eine Veränderung des Ausrichtungswinkels einer Normale des flächigen Elements 110 zur Sonne veranlasst. Dies kann durch eine Ansteuerung einer Längenvariation der ersten 130 und/oder zweiten Bewegungseinrichtung erfolgen, wodurch die Bewegung der ersten 130 oder zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 über die Stützpunkte 195 auf das Planare Element 110 erfolgt. Durch eine Verdrehungsmöglichkeit um die Drehachsen durch das Kipplager 170 (und die Haltestange 180) sowie die Verbindungsstange 160 zwischen den Lagerstützen 150 kann eine Ausrichtungsänderung der Normale auf das Planare Element 110 bewirkt werden. Hierbei ist kann die Ausrichtungsänderung zwar nur in einem eingeschränkten Bewegungsbereich erzielt werden, der jedoch für eine Maximierung der über die Anschlussleitung 210 entnehmbaren elektrischen Leistung vollkommen ausreichend ist. Beispielsweise braucht eine Bewegungsmöglichkeit für Normalenwinkel von weniger als 20° gegenüber der Horizontalen nicht vorgesehen werden, da in diesem Ausrichtungsbereich eine Einstrahlung der Sonne so schwach ist, dass keine wesentlichen Leistungsverbesserungen bei einer Ausrichtung in diesem Ausrichtungsbereich zu erwarten sind.
Die Ausrichtungsansteuerung kann dabei derart erfolgen, dass zunächst die von dem Photovoltaik-Modul über die Anschlussleitung 210 gelieferte elektrische Kenngröße wie einer Leistung, einem Strom oder einer Spannung gemessen wird, nachfolgend entweder nur eine Variation der Länge der ersten 130 oder zweiten Bewegungseinrichtung 140 durchgeführt wird und hieran anschließend eine weitere Messung der elektrischen Kenngröße auf der Anschlussleitung 210 durchgeführt wird. Alternativ können auch sowohl die Länge der ersten als auch die Länge der zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 vor einer weiteren Messung der elektrischen Kenngröße auf der Anschlussleitung 210 verändert werden. Tritt bei dem Vergleich der elektrischen Kenngröße vor der Längenveränderung ein schlechteres Ergebnis auf, als bei der Messung der elektrischen Kenngröße nach der Längenveränderung, konnten durch die Längenänderung ein positiver Effekt auf die Ausrichtung des flächigen Elementes erreicht werden. Anderenfalls stellt die Veränderung der Ausrichtung eine Verschlechterung des Ausrichtewinkels dar und sollte in einem nachfolgenden Schritt rückgängig gemacht werden. Somit kann durch eine ständige Kontrolle bzw. Veränderung des Längen der ersten 130 und zweiten Bewegungseinrichtung 140 ein „Pendeln” um den optimalen Ausrichtungswinkel des flächigen Elementes 110 erreicht werden.
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Halteeinheit 100 für einen Spiegel eines Heliostaten ist jedoch ein Sensor über die Ausrichtung und die tatsächliche Sonneneinstrahlung vorzusehen, dessen Signale für die Steuerung in der Steuereinheit 200 verwendet werden können. Hierbei sind jedoch die Winkelbeziehungen zu berücksichtigen, dass der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen gleich dem Ausfallswinkel der Sonnenstrahlen ist, so dass eine entsprechend versetzte Ausrichtung der Normale des flächigen Elements zu erfolgen hat.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansatzes dargestellt. Hierbei wird statt den beiden Lagerstützen 150, der Verbindungsstange 160, dem Kipplager 170, der Haltestange 180 sowie der Querstange 190 ein einfaches und somit kostengünstiges Basislager 155 in Form eines Kugelgelenkes verwendet. Dies ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der Halteeinheit 100. Zugleich ist jedoch aus Gründen der Stabilität eine dritte Bewegungseinrichtung 220 vorzusehen, die analog zu der ersten und/oder zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 ausgestaltet sein kann. Die dritte Bewegungseinrichtung 220 sollte aus statischen Gründen an einem der beiden Stützpunkte 195 der ersten bzw. zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 befestigt sein und kann an ihrem anderen Ende an einem Lagerpunkt der anderen der ersten 130 oder zweiten 140 Bewegungseinrichtung befestigt sein. Die Ansteuerung der drei Bewegungseinrichtungen gemäß der Anordnung in 2 kann dabei entsprechend der Ansteuerung der Anordnung von zwei Bewegungseinrichtungen aus 1 durchgeführt werden, wobei die Längenvariation der zusätzlichen dritten Bewegungseinrichtung 220 in die resultierende Neigung des flächigen Elementes 110 einzuberechnen ist.
In den 3 und 4 sind schematische Darstellungen von weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen vorgestellt, bei denen die Hubspindeln 130 und 140 aus den 1 und 2 durch Seilzüge (mit einer variierbaren Länge zwischen dem Anschlag- oder Stützpunkt 195 und den jeweiligen Trommeln 230) ersetzt sind. Seilzüge sind im Gegensatz zu Hubvorrichtungen preiswert, knickfest und lassen sich für einen beliebigen Betätigungsweg realisieren. In 3 wird hierzu ein Mast 240 vorgesehen, an dem das Panel als flächiges Element 110 außermittig, insbesondere außerhalb seines Schwerpunktes, mit einem Kreuzgelenk 120 als Auflager aufgehängt ist. Das Kreuzgelenk 120 ist dabei in einer Öffnung des Panels 110 angeordnet. Durch die Aufhängung außerhalb des Schwerpunktes würde das Panel 110 in Richtung des Schwerpunktes abkippen, wird jedoch durch erste Bewegungseinrichtung 130 und die zweite Bewegungseinrichtung 140 an einem solchen Abkippen gehindert. Die erste und zweite Bewegungseinrichtung bestehen im Ausführungsbeispiel aus 3 in Seilzügen, deren Seile durch das Drehen der Seiltrommeln 230 in ihrer Länge variiert werden. Insofern besteht die variierbare Länge der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 in einer unterschiedlichen Seillänge der Seile der Seilzüge. Die Seile der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 sind von unten an Aufhänge- oder Stützpunkten 195 (die in den 3 und 4 beispielsweise Ösen sind) befestigt, die am oberen Rand des Panels 110 angeordnet sind. Somit verhindern die Seile der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 (bei arretierter Seiltrommel 230) das Abkippen des Panels 110 auf die Seite seines Schwerpunktes. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Mast 240 gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 3 durch die Öffnung des Panels 110 hindurchgeführt. Die Seile der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 130 bzw. 140 sind ferner, ausgehend von den Seiltrommeln 230, von unten nach oben durch den Mast 240 geführt und verlassen den Mast 240 an seiner Spitze. Von oben kommend sind die Seile dann an Aufhänge- bzw. Stützpunkten 195 am (unteren) Rand des Panels 110 befestigt und verhindern (ebenfalls bei arretierter Seiltrommel 230) das Abkippen des Panels 110 auf die Seite seines Schwerpunktes.
Wie die schematischen Darstellungen aus den 3 und 4 zeigen, ist das Panel 110 mittels eines Kreuzgelenkes als Auflager 120 aufgehängt, welches ein Neigen und Kippen des Panels 110, nicht jedoch eine Drehung desselben erlaubt. Das Kreuzgelenk 120 ist außermittig, insbesondere außerhalb des Schwerpunktes des Panels 110 derart positioniert, dass die beiden Seilzüge 130 und 140 durch ein Kippen des Panels 110 (in Richtung seines Schwerpunktes) auf Grund der außermittigen Aufhängung immer unter Spannung stehen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Stütz- oder Aufhängepunkte 195 zur besseren Ausnutzung der Hebelkräfte günstigerweise am Rand des Panels 110 angeordnet sind. Auch die Windkräfte bei maximal zulässiger Windgeschwindigkeit sind dann stets kleiner als die Vorspannung durch die statische Gewichtsverteilung. Zusätzliche Gewichte am Panel 110 oder an den Aufhänge- oder Stützpunkten 195 sind denkbar. Durch eine aufeinander abgestimmte Betätigung oder Ansteuern der beiden Seilzüge 130 und 140 mittels der Steuereinheit 210 kann das Panel (110) jederzeit in nahezu beliebiger Richtung auf die Sonne ausgerichtet werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß der 4 weist jedoch den geringfügigen Nachteil auf, dass hier eine Abschattung des Panels 110 durch den Mast 240 und die Seile erfolgt. Als Vorteil des Ausführungsbeispiels nach 4 ist jedoch anzuführen, dass in einer solchen Realisierung der Erfindung die Seilrollen 230 gut zugänglich sind, da die Seile im Mast 240 nach unten geführt werden und die Seiltrommeln 230 direkt im Bereich des Mastfußes angeordnet werden können, was die leichte Zugänglichkeit bei Wartungsarbeiten sicherstellt.
Die in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele können ferner derart ausgestaltet sein, dass die Wickler bzw. Seiltrommeln 230 sehr einfach gestaltet werden können, wenn statt einem Seil ein Flachgurt verwendet wird, der wie ein Sicherheitsgurt aufgewickelt wird. Speziell können Flachgurte aus Glasfaser oder Kohlefaser zur Erreichung einer hohen Steifigkeit vorteilhaft sein. Wie bereits ausgeführt, können die Seiltrommeln 230 (Wickler) auch zur guten Erreichbarkeit am Mastfuß angeordnet sein. Um ein unkontrolliertes Abrollen des Seils bei einer Betätigung der Seiltrommen 230 zu verhindern, kann ferner die Seilrolle 230 günstigerweise über ein selbsthemmendes Getriebe angetrieben werden. Als mögliche Antriebsmotoren für die Seiltrommel kommen insbesondere Stellmotoren mit Absolutgeber, Schrittmotoren oder Stellmotoren mit Inkrementalgebern und einem Referenzschalter in Betracht. Winkelsensoren im Bereich des Kreuzgelenks 120 zur Bestimmung der Ist-Position können eine günstige Möglichkeit zum Auffinden der Sonnen-Position am Morgen sein. Die Stellmotoren benötigen in diesem Fall keine Absolutgeber. Ferner kann in einer waagerechten Sicherheitsposition eine zusätzliche mechanische Verriegelung vorgesehen werden, die ein Umschlagen des Panels 110 bei Sturm verhindert. Diese mechanischen Verriegelungen können Rasthaken oder Abstandshalter sein, gegen die das Panel 110 mit Hilfe der Seilzüge 130 bzw. 140 verspannt wird. Auch kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Kreuzgelenk statt in einem Durchbruch bzw. einer Öffnung auch hinter dem Panel 110 angeordnet werden.
Die Vorteile der Erfindung gemäß der Ausführungsbeispiele aus den 3 und 4 gegenüber den Ausführungsbeispielen aus den 1 und 2 können darin gesehen werden, dass diese Ausführungen der Erfindung sehr wartungsfreundlich sind, da die Seilrolle 230 mit den Antriebsmotoren in Bodennähe leicht erreichbar sind. Weiterhin sind diese Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 konstruktiv sehr einfach, sowie universell und kostengünstig, da der Integrationsgrad gering ist. Schließlich kann die in den 3 und 4 vorgeschlagene Anordnung von Komponenten für alle geographischen Breiten die gleiche sein, so dass keine Veränderung der Konstruktion für unterschiedliche Anwendungsbereiche zu berücksichtigen ist.
Insgesamt lässt sich somit feststellen, dass zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems somit eine Art „Tripod-Konstruktion” vorgeschlagen wird, die eine größtmögliche Steifigkeit gegen Windkräfte bei überschaubarem Aufwand bietet.
Vorliegend werden verschiedene Lösungsansätze mit zwei und ein Lösungsansatz mit drei Bewegungseinrichtungen bzw. Hubspindeln oder Seilzügen exemplarisch dargestellt. Das Gewicht des Panels als planarem Element 110 wird als Vorspannung der Mechanik zur Erzielung einer spielfreien Lagerung genutzt, was zur Erzielung der Genauigkeit von Vorteil ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Konzentrator-Photovoltaik(PV)-Panel somit an drei Punkten gefasst und mit Hubspindeln oder Hubzylindern, die neben dem Stützfuß 150 in Bodennähe gelagert sind, der Sonne nachgeführt. Die Feinpositionierung geschieht mittels eines Regelkreises in einer Steuereinheit, der die elektrische Ausgangsleistung durch kleine Suchbewegungen der Hubspindeln maximiert. Da hoch konzentrierende PV-Generatoren nur dann funktionieren, wenn sie stets präzise (z. B. 0,05°) auf die Sonne ausgerichtet sind, gewährleistet die stabile, kostengünstige Kinematik der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend den dargestellten Ausführungsbeispielen diese präzise Ausrichtung spielfrei auch bei Wind.
Die Hubspindeln können hydraulisch, elektrisch, mit Ketten oder Seilzügen ausgeführt werden. Es wird keine hohe Präzision benötigt, wenn die Feinpositionierung über eine Regelung erfolgt, die die Ausgangsleistung maximiert.
Die Hubspindeln werden beispielsweise wie vorstehend beschrieben unabhängig voneinander so bewegt, dass das Panel 110 durch Neigen und Kippen um das Basislager 150 bzw. 155 auf die Sonne ausgerichtet wird. Je näher die Hubspindeln 130 bzw. 140 am Basislager 150, 155 angreifen, umso größer werden die Kräfte. Dafür verringert sich der Stellweg. Um alle möglichen Sonnenstände abzudecken, die sich, abhängig vom Breitengrad, übers Jahr einstellen können, benötigen die Hubspindeln 130, 140 große Hübe. Die Hübe können reduziert werden, wenn man darauf verzichtet, niedrigste Sonnenstände, z. B: unter 20°, anzufahren. Der Energieertrag leidet kaum darunter, weil die eingestrahlte Energie bei niedrigem Sonnenstand abnimmt und sich die Panels 110 gegenseitig verschatten.
Wie in den 1 oder 2 dargestellt ist, sollte das Basislager 120 bei Einsatz von zwei Hubspindeln 130, 140 als Kardangelenk ausgeführt werden, welches nur das Neigen und Kippen des Panels 110 zulässt, jede Drehung um den Lagerpunkt bzw. die Lagerpunkte 150 aber verhindert. Besonders einfach kann das Basislager 155 ausgeführt werden, wenn drei Hubspindeln 130, 140, 220 zum Einsatz kommen. Diese erzeugen auch ein statisch bestimmtes System, wenn das Basislager 155 ein Kugelgelenk mit allen Freiheitsgraden ist. Eine solche Lagerung stellt keine hohen Anforderungen an die Konstruktion. Ob sich der Einsatz einer dritten Hubspindel 220 lohnt, hängt davon ab, ob die höhere Windstabilität, die diese Konstruktion bietet, benötigt wird.
Das Anfahren der gewünschten Sonnenrichtung kann durch die Steuereinheit 200 mittels mathematischer Transformation geschehen, die die Winkelkomponenten Azimut und Höhenwinkel in die Längen der Hubspindeln 130, 140 umrechnet. Diese Längen werden dann über geeignete Aktoren, wie beispielsweise Elektromotoren oder eine Hydraulik, eingestellt.
Da der Einsatz hochpräziser Mechanik und Messtechnik aus Kostengründen vermieden werden soll, ist nicht zu erwarten, dass die optimale Position auf rein kinematische Weise aufgefunden werden kann. Es sollte deshalb eine Feinjustage der Position vorgesehen werden, die die elektrische Ausgangsleistung der PV-Anlage regelungstechnisch berücksichtigt. Solarwechselrichter besitzen meist eine MPP- Regelung (MPP = maximum power point = Punkt maximaler Leistung), die die Solarzelle im Punkt maximaler elektrischer Leistung betreibt. Überlagert zu dieser MPP-Regelung, die sich nur auf den Arbeitspunkt auf der elektrischen Kennlinie der Solarzelle bezieht, wird eine weitere MPP-Regelung vorgesehen, die durch Variation der beiden Winkelkomponenten, Azimut und Höhenwinkel, in einem kleinen Bereich um die theoretisch richtige Position herum Probebewegungen erzeugt, mit dem Ziel, die Winkelkombination zu finden, bei der die Ausgangsleistung maximal wird. Eine stabile Regelung wird dadurch erreicht, dass die Winkeloptimierung entweder deutlich langsamer als die elektrische MPP-Regelung vonstatten geht, oder beide Optimierungsvorgänge von einer übergeordneten Ablaufsteuerung koordiniert werden.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren 300 zur Ausrichtung eines flächigen Elements 110 durch eine Halteeinheit 100 in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit 100 ein festes Auflager 155 umfasst, das wie ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk funktioniert und an einem unteren Ende des flächigen Elements 110 befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements 110 in zwei Raumachsen zu ermöglichen. Die Halteeinheit 100 umfasst ferner eine erste Bewegungseinrichtung 130 mit einer variierbaren Länge aufweist, wobei die erste Bewegungseinrichtung 130 an einem ersten Stützpunkt 195 an dem flächigen Element 110 angreift. Zusätzlich umfasst die Halteeinheit 100 zur Ausführung des Verfahrens eine zweite Bewegungseinrichtung 140 mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung 140 an einem vom ersten Stützpunkt 195 unterschiedlichen zweiten Stützpunkt 195 an dem flächigen Element 110 angreift. Auch weit die Halteeinheit 110 eine Steuereinheit 200 auf, die ausgebildet ist, um die erste 130 und zweite 140 Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten 130 und/oder zweiten 140 Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements 110 zu bewirken. Das Verfahren im engeren Sinn, für welches Patentschutz beantragt wird und wie es in 3 als Ablaufdiagramm exemplarisch wiedergegeben ist, weist dabei einen Schritt des Ansteuerns 310 einer Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung 130 auf, um durch eine Längenvariation der ersten Bewegungseinrichtung 130 ein Verdrehen des flächigen Elements 110 zu bewirken. Weiterhin umfasst das Verfahren einen zweiten Schritt des Ansteuerns 320 einer Variation der Länge der zweiten Bewegungseinrichtung 140 unabhängig von dem Ansteuern der Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung 130, um durch eine Längenvariation der zweiten 140 Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements 110 zu bewirken.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein Computerprogramm zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens vorgesehen werden, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage durchgeführt wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Funktionalität der Steuereinheit 200 auch durch bzw. in effizienten technischen Strukturen wie Computer, Signalprozessoren, Mikrocontrollern und/oder ähnlichen entsprechend ausgebildeten Hardwarekomponenten ausgeführt werden kann.

100: Halteeinheit
110: planares Element, Spiegel eines Heliostaten, Konzentrator-Photovoltaik-Modul
120: Auflager
130: erste Bewegungseinrichtung
140: zweite Bewegungseinrichtung
150: Neigungslager
155: Basislager
160: Verbindungsstange
170: Kipplager
180: Haltestange
190: Querstange
195: Stützpunkte der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung
200: Steuereinheit
210: Anschlussleitung
220: dritte Bewegungseinrichtung
230: Seiltrommel, Wickler
240: Stützmast
300: Verfahren zur Ausrichtung eines flächigen Elements durch eine Halteeinheit in Bezug auf die Sonne
310: Schritt des Ansteuerns einer Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung
320: Schritt des Ansteuerns einer Variation der Länge der zweiten Bewegungseinrichtung

Claims

Halteeinheit (100) zur Ausrichtung eines flächigen Elements (110) in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit (100) die folgenden Merkmale umfasst: – ein festes Auflager (155), das wie ein Kardangelenk funktioniert und außermittig oder an einem Ende, insbesondere an einem unteren Ende des flächigen Elements (110) befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements (110) in zwei Raumachsen zu ermöglichen; – eine erste Bewegungseinrichtung (130) mit einer variierbaren Länge, wobei die erste Bewegungseinrichtung (130) an einem ersten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; – eine zweite Bewegungseinrichtung (140) mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung (140) an einem vom ersten Stützpunkt (195) unterschiedlichen zweiten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; und – eine Steuereinheit (200), die ausgebildet ist, um die erste (130) und zweite (140) Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten (130) und/oder zweiten (140) Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken.
Halteeinheit (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (120) zwei Neigungslager (150), eine zwischen den Neigungslagern (150) angebrachte Verbindungsstange (160) sowie ein Kipplager (170) umfasst, welches an der Verbindungsstange (160) angebracht ist.
Halteeinheit (100) zur Ausrichtung eines flächigen Elements (110) in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit (100) die folgenden Merkmale umfasst: – ein festes Auflager (155), das wie ein Kugelgelenk (155) funktioniert und außermittig oder an einem Ende, insbesondere an einem unteren Ende des flächigen Elements (110) befestigbar ist und das ausgebildet ist, um eine Bewegung des flächigen Elements (110) um drei Raumachsen zu ermöglichen; – eine erste Bewegungseinrichtung (130) mit einer variierbaren Länge, wobei die erste Bewegungseinrichtung (130) an einem ersten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; – eine zweite Bewegungseinrichtung (140) mit einer variierbaren Länge, wobei die zweite Bewegungseinrichtung (140) an einem vom ersten Stützpunkt (195) unterschiedlichen zweiten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; – eine dritte Bewegungseinrichtung (220) mit einer variierbaren Länge, wobei die dritte Bewegungseinrichtung (220) an einem weiteren Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; und – eine Steuereinheit (200), die ausgebildet ist, um die erste (130), zweite (140) und dritte (220) Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken.
Halteeinheit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Bewegungseinrichtung (220) an einem Stützpunkt (195) der ersten (130) oder zweiten (140) Bewegungseinrichtung an dem flächigen Element (110) befestigbar ist.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (130), zweite (140) und/oder dritte (220) Bewegungseinrichtung eine Hubspindel, eine Hydraulikeinheit, eine Kettenzugeinheit und/oder eine Seilzugeinheit umfasst.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (120), die erste (130), zweite (140) und/oder die dritte (220) Bewegungseinrichtung ausgebildet sind, um im Zusammenwirken das flächige Element (110) derart zu Verdrehen, dass eine Normale auf das flächige Element (110) nicht weniger als einen Winkel von 20° gegenüber der Horizontalen aufweist.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bewegungseinrichtung (130) und die zweite Bewegungseinrichtung (140) je eine Seilzugeinheit mit einer Seiltrommel (230) und einem Seil mit variierbarer Länge umfasst.
Halteeinheit (100) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil von jeder der beiden Bewegungseinrichtungen (130, 140) an einem anderen Stütz- oder Aufhängepunkt (195) befestigbar ist, der sich an einem Rand des flächigen Elementes (110) befindet.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (120) in einer Öffnung des flächigen Elementes (110) angeordnet ist.
Halteeinheit (100) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützmast (240) zum Tragen des flächigen Elementes (110) vorgesehen ist, der sich durch die Öffnung des flächigen Elementes (110) erstreckt.
Halteeinheit (100) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile der ersten (130) und zweiten (140) Bewegungseinrichtung durch den Stützmast (240) geführt werden und von einer Spitze des Stützmastes (240) aus zu den Stütz- oder Aufhängungspunkten (195) geführt werden.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile der ersten (130) und zweiten (140) Bewegungseinrichtung einen Flachgurt, insbesondere aus einem Glasfaser- oder Kohlenstoff-Material umfassen.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (130) und zweite (140) Bewegungseinrichtung zumindest eine Seiltrommel (230) umfassen, die über ein selbsthemmendes Getriebe angetrieben wird.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Winkelsensoren im Bereich des Auflagers umfasst, die zur Bestimmung der aktuellen Ausrichtung des flächigen Elementes (110) ausgebildet sind.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein mechanisches Verriegelungselement umfasst, das ausgebildet ist, um das flächige Element (110), insbesondere in einer waagrechten Position in Bezug zur Standfläche der Halteeinheit (100), gegen eine weitere Bewegung zu verriegeln.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (120) von einem Schwerpunkt des flächigen Elementes (110) entfernt am flächigen Element (110) befestigbar ist.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) eine Schnittstelle umfasst, über welche ein Wert bezüglich eines Sonnenstandes zu einer bestimmten Zeit empfangbar ist, wobei die Steuereinheit (200) ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Längenvariation der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritte (220) Bewegungseinrichtung unter Verwendung des empfangenen Wertes bezüglich des Sonnenstandes durchzuführen.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Ausrichtung von zumindest einem Photovoltaik-Modul (110) als flächigem Element (110), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) ausgebildet ist, um die elektrische Leistung des Photovoltaik-Moduls (110) auszuwerten und zumindest die erste (130), zweite (140) und/oder dritte (220) Bewegungseinrichtung ansprechend auf die ausgewertete elektrische Leistung anzusteuern.
Halteeinheit (100) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) ausgebildet ist, um die Länge der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung derart anzusteuern, dass die elektrische Leistung des Photovoltaik-Moduls (110) maximal wird.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) ausgebildet ist, um alternierend eine Längenvariation der ersten Bewegungseinrichtung (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung zu bewirken.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) ausgebildet ist, um einen Wert der elektrischen Leistung vor einer Variation der Länge der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (140) Bewegungseinrichtung mit einem Wert der elektrischen Leistung nach einer Variation der Länge der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung zu vergleichen und abhängig von dem Vergleichsergebnis die Länge der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung zu vergrößern oder zu verkleinern.
Halteeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) eine MPP-Regeleinheit zur Variation eines Arbeitspunktes auf einer elektrischen Kennlinie des Photovoltaik-Moduls (110) aufweist, wobei die Steuereinheit (200) ferner ausgebildet ist, um einen Betrieb der MPP-Regeleinheit und der Regelung der Längenvariation der ersten (130), zweiten (140) und/oder dritten (220) Bewegungseinrichtung zu steuern.
Verfahren (300) zur Ausrichtung eines flächigen Elements (110) durch eine Halteeinheit (100) in Bezug auf die Sonne, wobei die Halteeinheit (100) ein festes Auflager (155) umfasst, das wie ein Kardangelenk funktioniert und außermittig oder an einem Ende, insbesondere an einem unteren Ende des flächigen Elements (110) befestigbar ist und das ausgebildet ist, um ein Verdrehen des flächigen Elements (110) in zwei Raumachsen zu ermöglichen, wobei die Halteeinheit ferner eine erste Bewegungseinrichtung (130) mit einer variierbaren Länge aufweist, wobei die erste Bewegungseinrichtung (130) an einem ersten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift, wobei die Halteeinheit (100) ferner eine zweite Bewegungseinrichtung (140) mit einer variierbaren Länge aufweist, wobei die zweite Bewegungseinrichtung (140) an einem vom ersten Stützpunkt (195) unterschiedlichen zweiten Stützpunkt (195) an dem flächigen Element (110) angreift; und wobei die Halteeinheit eine Steuereinheit (200) umfasst, die ausgebildet ist, um die erste (130) und zweite (140) Bewegungseinrichtung unabhängig voneinander anzusteuern, um durch eine Längenvariation der ersten (130) und/oder zweiten (140) Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Ansteuern (310) einer Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung (130), um durch eine Längenvariation der ersten Bewegungseinrichtung (130) ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken; und – Ansteuern (320) einer Variation der Länge der zweiten Bewegungseinrichtung (140) unabhängig von dem Ansteuern der Variation der Länge der ersten Bewegungseinrichtung (130), um durch eine Längenvariation der zweiten (140) Bewegungseinrichtung ein Verdrehen des flächigen Elements (110) zu bewirken.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 23, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage durchgeführt wird.