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Die
Erfindung betrifft eine Solaranlage in der Ausgestaltung einer Photovoltaikanlage
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Unter
Solartechnik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie
der Sonne (oder auch Solarenergie) in nutzbare Energieformen. Dabei
gliedert sich das Spektrum der Solartechnik in verschiedene Teilgebiete
auf, wobei danach unterschieden wird, ob aus der Sonnenstrahlung
Wärme oder elektrische Energie gewonnen wird.
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Mit
Hilfe von Solarkollektoren wird bei einer Solaranlage ein Wärmeträger
wie z. B. Wasser durch die Sonnenenergie erwärmt und dem
Anwender in Form von Warmwasser bereitgestellt oder einer Energiewandlung
zu nutzbarem Strom zugeführt. Im Gegensatz dazu wird bei
einer Photovoltaikanlage die Strahlungsenergie der Sonne direkt über
die Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, die dem Nutzer
als Solarstrom zur Verfügung steht.
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Entscheidend
für den wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Anlage sind
neben dem Standort weitere Faktoren, wie beispielsweise die Größe
der sonnenbeaufschlagten Fläche sowie die Qualität
der Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne.
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Um
die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche
effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren diverse Solaranlagen
entwickelt worden, die mehr Sonnenlicht gebündelt auf ein
Photovoltaikelement aufbringen. Eine optische Einrichtung, wie beispielsweise
eine Strahlung konzentrierende Fresnel-Linse, die wesentlich breiter
als das Photovoltaikelement ist, wird dabei vor das Photovoltaikelement gebracht,
so dass dieses mit einer höheren Strahlenkonzentration
beaufschlagt wird. Dadurch kann diese Solaranlage im Vergleich zu
Anlagen, die nur der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind aufgrund der
besseren Nutzung der Größe der sonnenbeaufschlagten
Fläche eine wesentlich größere Menge
an Sonnenlicht einfangen, mehr Energie erzeugen und trotz geringerer
Größe der Photovoltaikelemente den gleichen Ertrag
an Energie liefern wie eine vergleichbare Anlage, bei der die Energiewandleranordnung die
Größe der optischen Einheit aufweist.
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Eine
derartige Solaranlage wird beispielsweise in der
DE 20 2007 016 715 U1 gezeigt,
in der Fresnel-Linsen die von der Sonne einfallende Strahlung auf
eine Brennlinie bündeln. Diese sehr energiereiche Brennlinie
ist in der Lage, eine Flüssigkeit, die in einem Rohr verläuft,
zu erwärmen bzw. eine Photovoltaikzelle zu beaufschlagen,
so dass eine Energiewandlung in nutzbare Energie stattfindet. Dabei erweist
sich die Fresnel-Linse als besonders effiziente Möglichkeit,
die einfallenden Sonnenstrahlen auf einen gemeinsamen Punkt oder
eine gemeinsame Brennlinie zu fokussieren, da jedes einzelne Prisma individuell
angepasst werden kann und die Fresnel-Linse im Vergleich zu einer
herkömmlichen Linse sowohl Volumen als auch Gewicht einspart,
was zu einer vereinfachten Nachführung genutzt werden kann.
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Um
die Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne
effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren neben den starr
mit dem Untergrund verbundenen Anlagen diverse Solaranlagen entwickelt
worden, die sich kontinuierlich an den Sonnenstand anpassen. Der
einschlägige Stand der Technik zeigt beispielsweise Konzentratorsolarsysteme,
welche, um teure Flächenkosten von Solarmodulen zu sparen,
das einfallende Sonnenlicht durch eine vorgeschaltete Optik auf
eine kleine Fläche konzentrieren. Um stets einen optimalen
Wirkungsgrad der Anlage zu gewährleisten, wird die Solaranlage dem
Sonnenstand in der Art nachgeführt, dass im Brennpunkt
ständig ein bestmöglichster Wirkungsgrad sichergestellt
ist.
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Zusammengefasst
gilt, dass auf das Photovoltaikelement einer nicht fokussierenden
Photovoltaikanlage neben der direkten Strahlung auch zusätzlich
diffuse Strahlung trifft. Diese Anlagen müssen nicht nachgeführt
werden oder kommen mit geringer Nachführpräzision
aus, weshalb die Aufständerungskosten minimiert werden.
Um eine vorgegebene Nennleistung der Anlage zu erhalten wird im Vergleich
zu fokussierenden Anlagen eine größere Fläche
an Photovoltaikelementen benötigt, was einen hohen Aufwand
an teueren Solarmodulen bedeutet.
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Im
Vergleich dazu benötigt eine fokussierende Photovoltaikanlage
weniger Solarmodulfläche, da mehr Strahlung auf ein kleineres
Photovoltaikelement fällt, was die Effizienz der Anlage
steigert. Die Nachteile des fokussierenden Systems sind eine eingeschränkte
Nutzung von diffuser Strahlung, eine zusätzliche teure
Kühlung und ein aufwändiges Nachführsystem
mit in der Regel hoher Nachführpräzision.
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Zwischenzeitlich
hat man bereits vorgeschlagen, die Photovoltaikzelle einer Photovoltaikanlage sowohl
mit direkter als auch indirekter Strahlung zu beaufschlagen. Nachteilige
an solchen Systemen ist jedoch immer die Verschattung der Photovoltaikzelle durch
die Halteelemente bzw. die sogenannten Aufständerungsteile.
Da sich der Einfallswinkel in dem die Erde vom Sonnenlicht bestrahlt
wird im Jahresverlauf stark ändert, verschatten besonders
im Frühjahr oder Herbst die Aufständerungsteile
einer Photovoltaikanlage, die auf den Einfallswinkel im Sommer ausgerichtet
ist, den ohnehin schon schlechten Wirkungsgrad der Anlage in dieser
Jahreszeit.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile
zu minimieren und eine Solaranlage der genannten Art zu stellen,
deren Photovoltaikelement gegenüber dem Stand der Technik wirtschaftlicher
zu betreiben ist.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben. Dabei wird eine Photovoltaikanlage
mit einer Mehrzahl nebeneinander liegender Energiewandleranordnungen aus
jeweils einem Halteelement, einem Energiewandler und einer optischen
Einrichtung vorgeschlagen. Diese beugt mit der im Strahlenverlauf
oberhalb angeordneten optischen Einrichtung die Strahlung auf den
Energiewandler. Durch eine asymmetrische Anordnung der optischen
Einrichtung zum Energiewandler ist ein besonders wirkungsvoller
Aufbau der Photovoltaikanlage möglich, da die direkte Strahlung von
einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter durch die
optische Einrichtung hindurch zusätzlich auf die benachbarte
Energiewandleranordnung gerichtet ist und unmittelbare Strahlung
von der Strahlungsquelle bzw. den Strahlungstransmitter direkt auf
den Energiewandler trifft. Durch diese Gesamtbeaufschlagung des
Energiewandlers mit direkter Strahlung und zusätzlicher
indirekter Strahlung erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad
der Photovoltaikanlage, da keine optische Einrichtung im Strahlgang über
dem Energiewandler angeordnet ist. Transmissionsverluste sowie Verschattungen
durch eine näher an der Strahlungsquelle befindlichen optischen
Einrichtungen werden verhindert.
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Durch
eine vorteilhafte Anbringung des Halteelements außerhalb
des Strahlengangs zwischen optischer Einrichtung der Energiewandleranordnung und
dem beaufschlagten Energiewandler einer benachbarten Energiewandleranordnung
ist es möglich, den Strahlengang zwischen optischer Einrichtung
und Energiewandler frei von Halte- bzw. Trageelementen zu gestalten.
Die dadurch geringere Verschattung der Energiewandler führt
zu einer effizienteren Ausnutzung der vorhandenen Sonnenstrahlung,
da alle Strahlen auf den Energiewandler landen und keine Strahlung
an Halteteile verloren geht.
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Bei
einem bevorzugten Anwendungsbeispiel ist das Halteelement aus einer
Optikaufnahme, einer Energiewandleraufnahme und einem Stegabschnitt gebildet.
Dabei ist die Optikaufnahme gegenüber der Energiewandleraufnahme
auf der gegenüber liegenden Seite des Stegsabschnitts angeordnet,
wobei die Energiewandleraufnahme den Energiewandler trägt und
die Optikaufnahme die optische Einrichtung zum Energiewandler der
benachbarten Energiewandleranordnung beabstandet. Eine besonders
gute Optikaufnahme und/oder Energiewandleraufnahme wird von einer
im Wesentlichen U-förmigen Aufnahme gebildet, welche die
optische Einrichtung oder den Energiewandler trägt und
fixiert. Alternativ kann diese Aufnahme auch durch ein Klemmprofil
oder aus weiteren bekannten Elementen der Befestigungstechnik erfolgen.
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Ist
die Optikaufnahme und/oder die Energiewandleraufnahme so ausgebildet,
dass der im Eingriff befindliche Rand der optischen Einrichtung und/oder
des Energiewandlers lösbar und formschlüssig am
Halteelement angreift, ist eine sichere Montage zu einem späteren
Zeitpunkt als die Montage der Aufständerung und Unterkonstruktion
möglich. Darüber hinaus ist eine nachträgliche
Demontage zur Reinigung, Wartung oder zum Austausch der einzelnen
Elemente möglich.
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Eine
besonders einfache Herstellung der Halteelemente sieht vor, den
Querschnitt – bestehend aus den Abschnitten der Optikaufnahme,
des Stegabschnitts und der Energiewandleraufnahme – im
Wesentlichen S-förmig aufzubauen, wobei sich das Halteelement
senkrecht zu seiner Querschnittsfläche in linearer Richtung
erstreckt. Dieser Grundaufbau des Haltelements ermöglicht
die Verwendung von Rollform- oder Strangpressteilen die besonders günstig
und einfach hergestellt werden können.
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Weist
das Halteelement einen Basisabschnitt zur Befestigung an einer Unterkonstruktion auf,
so können die Bauteile der Energiewandleranordnung besonders
einfach an der Unterkonstruktion befestigt werden, ohne weitere
Befestigungsabschnitte am Halteelement anbringen zu müssen.
Befindet sich zwischen Basisabschnitt und Halteelement ein zusätzliches
elastisches Element, das Schwingungen, Vibrationen und Torsion zwischen Halteelement
und Unterkonstruktion aufnehmen kann, ist eine besonders starre
Anordnung der Energiewandleranordnung möglich, wodurch
der Strahlengang auch bei äußeren Einflüssen
wie beispielsweise Wind konstant bleibt und nicht durch auftretende
Torsion der Bauteile zueinander eine Toleranz im Strahlenverlauf
zu einer schlechteren Beaufschlagung der Energiewandler führt.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass optische Einrichtungen und
Energiewandler in der Art rückseitig von einem Halteelement
aufgenommen und getragen werden, dass keine optischen Verluste aufgrund
in den Strahlengang ragender Halteabschnitte zu einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades führen.
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Gemäß einer
Variante der Photovoltaikanlage erstrecken sich die Energiewandleranordnungen zwischen
zwei im Parallelabstand zueinander verlaufenden Haltewangen, die
Halteelemente darstellen. Durch eine derartige Befestigung der Energiewandleranordnung
können die verschattungsintensiveren Optikaufnahmen und
Energiewandleraufnahmen der vorherigen Ausführungsform
entfallen, da die Elemente stirnseitig gefasst werden. Vorteilhafterweise sind
an den Wangen Stützelemente angebracht, an denen die optische
Einrichtung und die Energiewandleranordnung fixiert und bei Bedarf
wieder demontiert werden können.
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Um
einer Durchbiegung der Energiewandleranordnung bei breiteren Anlagen
entgegen zu wirken, können bei Variante mit Haltewangen
zusätzliche Halteelemente zwischen optischer Einrichtung und
Energiewandler angebracht werden um das Eigengewicht der Bauteile
abzufangen.
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Alternativ
zu einer starren Verbindung der optischen Einrichtung und des Energiewandlers
zu den Haltewangen ist es möglich, die Vorrichtung bestehend
aus optischer Einrichtung, Energiewandleranordnung und Stützelement
mittels einem Bolzen drehbar in die Haltewangen eingreifen zu lassen.
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Ein
besonders hoher Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage wird erreicht,
wenn die dem Energiewandler zugewandte Oberfläche des Halteelements verspiegelt
oder ein zusätzlich aufgebrachtes spiegelndes Element trägt.
Die dadurch auf das Halteelement auftreffende direkte Strahlung
von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter wird aufgrund
der Reflexion der spiegelnden Oberfläche zusätzlich
auf den Energiewandler gelenkt, der dem Halteelement zugeordnet
ist. Ein Anstellwinkel des Halteelements zur Senkrechten zwischen
15 und 45°, gemessen in einer 0°-Stellung der
Energiewandleranordnung, hat sich als besonders günstig
in Bezug auf die Anlagenhöhe sowie der Energieeffizienz der
Photovoltaikanlage erwiesen. Die Effizienz der Anlage kann weiter
gesteigert werden, wenn der Anstellwinkel zwischen 25 und 30° liegt,
insbesondere wenn der Anstellwinkel 28° beträgt.
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Durch
das Anbringen zusätzlicher Abstützungen, die am
Halteelement angreifen und zur Unterkonstruktion führen,
wird die Energiewandleranordnung besonders stabil, was der Strahlganggenauigkeit
entgegenkommt, und darüber hinaus widerstandsfähiger
gegen äußere Einflüsse wie z. B. Windlasten.
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Die
Effizienz der Photovoltaikanlage kann darüber hinaus gesteigert
werden, wenn das Halteelement Wärme abführende
Eigenschaften, wie z. B. aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und/oder
Wärme abführenden Elementen wie z. B. Kühlrippen
zur Vergrößerung der Oberfläche, aufweist.
Die entstehende Wärmeenergie aufgrund auftreffender Sonnenstrahlung
auf dem Energiewandler kann über diese Maßnahmen
an die Umgebung abfließen. Daraus folgt eine temperaturabhängige
Steigerung des Wirkungsgrads des Energiewandlers bei Kühlung.
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Vorteilhafterweise
ist die optische Einrichtung der Photovoltaikanlage als optische
Strahlablenkungseinrichtung ausgeführt. Die auf die optische Einrichtung
treffenden Sonnenstrahlen werden somit von der optischen Strahlablenkungseinrichtung
auf die zugeordneten Energiewandler gebeugt. Dabei kann die Optik
der Strahlablenkungseinrichtung so ausgeführt werden, dass
die Strahlen abgelenkt, gestreut oder fokussiert werden.
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Um
die Strahlablenkungseinrichtung der optischen Einrichtung ausreichend
zu schützen, wird diese insbesondere bei Verwendung einer
Fresnel-Linsenstruktur mit einer Glasfläche bzw. ähnlichem
Stoff oder einer Oberflächenbeschichtung vor Umwelteinflüssen
geschützt. Durch die Glasfläche, die oberhalb
und/oder unterhalb der Strahlablenkungseinrichtung angebracht ist,
wird die Strahlablenkungseinrichtung gegen Schmutz, Verkratzen oder
UV-Strahlung geschützt. Vorzugsweise sind die Flächen
zueinander abgedichtet, so dass weder zwischen die Glas- noch zwischen
die Kunststoff-Glasebene Verunreinigungen eintreten können.
Um die Reflektionsverluste an der sonst spiegelnden Oberfläche
der Strahlablenkungseinrichtung zu verringern, wird vorteilhaft
entspiegeltes Glas und/oder entspiegelter Kunststoff für
die optische Einrichtung verwendet. Ein besonders effizienter Aufbau
der Energiewandleranordnung wird erzielt, wenn der Ablenkwinkel,
gemessen von einem nahezu senkrechten Strahlengang einer Strahlungsquelle
oder einem Strahlungstransmitter, auf die optische Einrichtung zwischen
20° und 60° gebeugt wird. Dieser Beugungswinkel
definiert die Position der optischen Einrichtung zum Energiewandler.
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Eine
weitere Variante der Photovoltaikanlage sieht vor, die optische
Einrichtung aufzuteilen, so dass mehrere Strahlablenkungseinrichtungen
bestehend aus Abschnitten mit unterschiedlichen Beugungswinkeln
entstehen. Durch diese Unterteilung und den resultierenden unterschiedlichen
Beugungswinkel kann zum einen die Bewegung der Sonne über
den Tagesverlauf als auch eine individuelle Strahlablenkung abgestimmt
auf einen eigenförmigen Energiewandler angepasst werden.
Beispielsweise können die optische Einrichtung und/oder
die Halteeinrichtung einen polygonzugartigen oder bogenförmigen
Querschnitt, vorzugsweise konvex zur Strahlungsquelle hin ausgerichtet,
aufweisen.
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Durch
die Anbringung regelmäßiger Verstärkungen
kann die optische Einrichtung abgestützt werden. Die dadurch
vergrößerte Torsionssteifigkeit ermöglicht
eine genauere Strahlführung der optischen Einrichtung auf
den Energiewandler, da durch Wind oder Nachführbewegungen,
aber auch durch Eigengewicht oder Materialverschleiß, wie
z. B. Durchbiegung oder Toleranzen durch Wärmeausdehnung,
entstehende Ungenauigkeiten durch die beispielsweise als Stahldraht
ausgeführte Verstärkung abgefangen und verhindert
werden kann. Die in periodischen Abständen eingesetzte
Verstärkung greift vorzugsweise am Halteelement an.
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Der
am Fuße des Halteelements angebrachte Energiewandler der
Energiewandleranordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie in nutzbare
Energieformen wie vorzugsweise elektrische oder thermische Energie
besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer
Solarzelle, die für zwei- bis 20-fache Konzentrationen,
insbesondere zwei- bis sechsfache Konzentrationen, ausgelegt ist.
Diese Solarzellen für niedrig fokussierende Systeme sind unkompliziert
und kostengünstig in der Herstellung gegenüber
hoch fokussierenden Solarzellen. Eine hohe Wandlungseffizienz ergibt
sich beim Einsatz von Zellen basierend auf kristallinem Silizium
oder amorphem Silizium sowie bei der Verwendung von Kupfer Indium
oder Cadmiumtellurid-Modulen. Höhere Effizienzen lassen
sich zudem beispielsweise mittels einer Tandem- oder Tripple-Zelle
erzielen.
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Vorteilhafterweise
werden die Energiewandleranordnungen einer Photovoltaikanlage in
Reihe nebeneinander und vorzugsweise parallel auf einer Unterkonstruktion
montiert. Durch die Anbringung der Energiewandleranordnung auf einer
Unterkonstruktion ist sichergestellt, dass keine weiteren zur Photovoltaikanlage
gehörenden Teile zwischen Energiewandleranordnung und Strahlungsquelle
befindlich sind und somit keinen Schatten auf die Energiewandleranordnung
werfen bzw. im Strahlengang zwischen optischer Einrichtung und Energiewandler
angeordnet sind.
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Eine
besonders gute Unterkonstruktion entsteht durch den Einsatz von
Querträgern, die nebeneinander, vorzugsweise rechtwinklig
zur Erstreckung der Energiewandleranordnung angeordnet sind. Durch
den Einsatz dieser Querträger werden die Energiewandleranordnungen
zueinander fixiert und stabilisiert. Durch die Verwendung von Hohlprofilen
als Querträger kann eine besonders leichte Unterkonstruktion,
die wiederum leichter zu montieren und zu handhaben ist, geschaffen
werden.
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Zur
Nachführung der Energiewandleranordnung nach dem aktuellen
Sonnenstand, der sich im Laufe des Tages verändert, wird
die Photovoltaikanlage mittels einer Nachführeinrichtung
dem Sonnenstand nachgeführt. Diese Nachführung
ermöglicht einen vom Sonnenstand abhängigen maximalen
Wirkungsgrad der Energiewandler, die durch die Nachführung
stets mit einem Maximum an Sonnenstrahlung beaufschlagt werden.
Dazu verfügt die Photovoltaikanlage sowohl über
einen Sonnenstandsmesser als auch über einen Antrieb, der
die Nachführbewegung auf die Nachführeinrichtung überträgt,
wobei die Querträger wippenartig in einem gemeinsamen Drehpunkt,
dem Sonnenstand nachgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Photovoltaikanlage werden
die auf die Unterkonstruktion befestigten Energiewandleranordnungen über
eine Seilanordnung, die aus nebeneinander angeordneten, vorzugsweise
im Jawerth-Seilbinderprinzip angeordneten, Spannseilen besteht,
dem Sonnenstand nachgeführt, wobei die Seile die Nachführbewegung auf
die Querträger übertragen.
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Eine
Weiterbildung der Photovoltaikanlage sieht vor, am unteren Ende
des Halteelements in Weiterführung des Energiewandlers
ein Windleitelement anzubringen. Durch das Fortführen der
Querschnittsfläche mit einem Windleitelement können
auf die Photovoltaikanlage wirkende Winde besonders wirksam durch
die in Reihe montierten Energiewandleranordnungen geführt
werden, was zu einer geringeren Windanfälligkeit der Anlage,
längerer Standzeit und geringeren Ausfällen führt.
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Eine
besonders hohe Ausnutzung der auf die Energiewandleranordnung treffenden
Sonnenstrahlen wird erreicht, wenn die optische Einrichtung in einer
0°-Position der Energiewandleranordnung in der Art oberhalb
des Energiewandlers angeordnet ist, dass eine Kante der optischen
Einrichtung, die der benachbarten Energiewandleranordnung zugewandt ist,
im Wesentlichen deckungsgleich mit der Kante des Energiewandlers
einer längs benachbarten Energiewandleranordnung ist. Durch
diese im Wesentlichen deckungsgleich miteinander angeordneten parallel
verlaufenden Kanten der einzelnen Energiewandleranordnungen zueinander
ist sichergestellt, dass alle auf die Photovoltaikanlage treffenden
Sonnenstrahlen entweder durch die optische Einrichtung, das verspiegelte
Halteelement oder direkt auf den Energiewandler treffen, um Energie
zu erzeugen.
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Nachfolgend
ist die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage anhand
mehrerer in der Zeichnung dargestellter Beispiele noch näher
erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtansicht einer Photovoltaikanlage mit einer
Mehrzahl nebeneinander liegender Energiewandleranordnungen;
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2 einen
Querschnitt einer Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung
nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
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5 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung
nach einem vierten Ausführungsbeispiel; und
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6 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung
nach einem fünften Ausführungsbeispiel.
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Im
Folgenden werden fünf Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage mit einer
Energiewandleranordnung beschrieben. Der allgemein gültige
Aufbau der Photovoltaikanlage, bestehend aus einer Energiewandleranordnung
mit jeweils einem Halteelement, einem Energiewandler und einer optischen
Einrichtung, die auf einer Unterkonstruktion montiert sind, wird
anhand einer ersten Ausführungsform beschrieben. Darüber
hinausgehende Merkmale sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
werden in den weiteren Ausführungsformen beschrieben, wobei
auf weitere Erläuterungen zu bereits aus der ersten Ausführungsform
bekannten Merkmalen verzichtet wird.
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Die
in 1 dargestellte Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
Photovoltaikanlage 1 zeigt eine Mehrzahl nebeneinander
liegender Energiewandleranordnungen 2, die sich aus den
wesentlichen Bauteilen eines Halteelements 4, eines Energiewandlers 6 und
einer optischen Einrichtung 8 zusammensetzt. Die parallel
nebeneinander in Reihe montierten Energiewandleranordnungen 2 sind
auf einer Unterkonstruktion 10 aus einem Gitter von Querträgern 12 montiert.
Die Unterkonstruktion 10 bildet zusammen mit dem Gestell 14 die
Aufständerung, wobei die montierten Energiewandleranordnungen
auf der Unterkonstruktion 10 mittels einer Nachführung 16 dem
Sonnenstand nachführt werden. Zur Befestigung kann die
Photovoltaikanlage auf einem Fundament 18 fixiert werden.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2,
die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf eine Unterkonstruktion 10,
bestehend aus Querträgern 12, montiert sind. Die
Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus dem Halteelement 4,
dem Energiewandler 6 und der optischen Einrichtung 8,
werden dabei vom Halteelement 4 in der Art angeordnet,
dass die optische Einrichtung 8 zum einen zur gegenüberliegenden Seite
des Halteelements und somit dem Energiewandler abgewandt ist, und
zum anderen vom Energiewandler in der Art beabstandet ist, dass
die optische Einrichtung 8 vertikal näher der
Sonne zugewandt ist, im Vergleich zum Energiewandler 6 der gleichen
Energiewandleranordnung 2, durch diesen asymmetrischen
Aufbau der Energiewandleranordnung 2, der die optische
Einrichtung 8 auf der gegenüberliegenden Seite
des Halteelements 4 in Bezug auf den Energiewandler 6 trägt,
wird folgender Strahlengang ermöglicht. Eine direkte Strahlung,
die von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter,
beispielsweise der Sonne, aus im Wesentlichen parallel zueinander
verlaufenden Einzelstrahlen die auf die optische Einrichtung 8 treffen,
werden von der optischen Einrichtung 8 derart gebeugt,
dass die Strahlen auf den Energiewandler 6 einer benachbarten
Energiewandleranordnung 2 treffen. Zu diesem Zweck besteht
die optische Einrichtung 8 aus einer optischen Strahlablenkungseinrichtung.
Diese aus Prismen bestehende Fresnel-Linsenstruktur ermöglicht
eine Ablenkung, Streuung oder Fokussierung der Strahlen auf den
Energiewandler 6.
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Der
Energiewandler 6 der Energiewandleranordnung 2 besteht
aus einem Photovoltaikelement zur Erzeugung elektrischer Energie.
Alternativ dazu kann der Energiewandler 6 auch aus einem
Wandler bestehen, der die aufgebrachte Energie in eine weitere Energieform
wie z. B. Warmwasser überführt.
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Das
Halteelement 4 erfüllt eine Vielzahl von Funktionen.
An einem oberen Ende des Halteelements 4 ist eine Optikaufnahme 22 angebracht,
welche die optische Einrichtung 8 an ihrem Randbereich aufnimmt.
In diesem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel besteht
die Optikaufnahme 22 aus dem Halteelement 4, das
in gekröpfter Art und Weise fortgeführt ist. Zur
Fixierung der optischen Einrichtung 8 wird ein zusätzliches
Klemmelement 24 in der Art an der Energiewandleranordnung 2 befestigt,
dass die optische Einrichtung 8 zwischen gekröpftem
Ende des Halteelements 4 und dem Klemmelement 24 eingeklemmt
ist. Im die Verschattung gering zu halten, wird die Optikaufnahme
möglichst klein ausgeführt.
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An
der Optikaufnahme 22 schließt sich ein Stegabschnitt 26 des
Halteelements 4 an. Dieser Stegabschnitt 26 beabstandet
die Optikaufnahme 22 und die daran befestigte optische
Einrichtung 8 zum Energiewandler 6 und zur Unterkonstruktion 10.
Die Länge des Stegabschnitts 26 ist angepasst
auf die Gesamtgröße der Energiewandleranordnung 2 und dem
Beugungswinkel B der optischen Einrichtung 8. Im weiteren
Verlauf des Halteelements 4 schließt sich am Stegabschnitt 26 eine
Energiewandleraufnahme 28 an. Die Energiewandleraufnahme 28 fixiert
zum einen den Energiewandler 6 in der Energiewandleranordnung 2,
bildet in diesem Ausführungsbeispiel die Verbindung zur
Unterkonstruktion 10 und ermöglicht darüber
hinaus einen Wärmeabtransport des Energiewandlers 6.
Diese abgeführte Wärme entsteht durch die Beaufschlagung
des Energiewandlers 6 mit Sonnenenergie. Im Allgemeinen
wird ein höherer Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 1 erzeugt, wenn
der Energiewandler 6 eine in sich homogene und möglichst
geringe Temperaturdifferenz zur Umgebung aufweist. Um die Wärme
des Energiewandlers 6 bestmöglich an die Umgebung
abfließen zu lassen, besteht die Energiewandleraufnahme 28 aus einem
besonders wärmeleitfähigen Material und liegt – wie
in 2 zu sehen – möglichst großflächig
an dem Energiewandler 6 an. Die Energiewandleraufnahme 28 verfügt über
seitliche Klemmbereiche, die zur Aufnahme und Fixierung des Energiewandlers 6 dienen.
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Die
Optikaufnahme 22 und die Energiewandleraufnahme 28 sind
so konzipiert, dass eine Montage der optischen Einrichtung 8 und
des Energiewandlers 6 vor Ort möglich ist, nachdem
das Halteelement 4 auf die Unterkonstruktion montiert wurde, um somit
Beschädigungen an den sensiblen Teilen bei der Montage
der Aufständerung zu vermeiden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel schließt sich an die
Energiewandleraufnahme 28 des Halteelements 4 ein
Windleitelement 30 an. Dieses Windleitelement 30,
bestehend aus einem fortgeführten Blechabschnitt, führt
die Kontur des im Wesentlichen Z-förmigen Querschnitts
der Energiewandleranordnung 2 fort, um auf die Anlage wirkenden
Wind widerstandsärmer durch die Lücken zwischen
den einzelnen Energiewandleranordnungen 2 zu führen.
Dadurch erhält die Photovoltaikanlage 1 eine geringere Windanfälligkeit,
die weiter verringert werden kann, indem die Anlage gesteuert durch
eine Winderfassung in einem optimalen Winkel zur Windrichtung geschwenkt
wird. Diese Funktion der Photovoltaikanlage 1 führt
zu einer längeren Betriebsdauer und somit zu einer höheren
Effizienz der Photovoltaikanlage 1, da die Anlage länger
in ihrem optimalen Betriebszustand Energie erzeugen kann, ohne aus
dem Wind genommen zu werden, um Defekte zu vermeiden.
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Die
nebeneinander auf einem Querträger 12 montierten
Energiewandleranordnungen 2 werden mittels einer Nachführeinrichtung 16 um
einen gemeinsamen Drehpunkt D geschwenkt, um sonnenstandsabhängig
einen höchstmöglichen Wirkungsgrad der Energiewandleranordnung 2 zu
erzeugen.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2,
die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion
montiert sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend
aus dem Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und
der optischen Einrichtung 8, weist einen zusätzlichen
Basisabschnitt 32 auf, der die Verlängerung des
Stegabschnitts 26 darstellt. Über diesen Basisabschnitt 32 ist
eine variablere Anbindung der Energiewandleranordnung 2 an
die Unterkonstruktion 10 möglich. Durch diese
Veränderung ist es auch möglich, die Energiewandleraufnahme 28 kürzer
und somit Material sparender zu gestalten. In dieser Ausführungsform
wird sowohl die Optikaufnahme 22 als auch die Energiewandleraufnahme 28 als U-förmige
Aufnahme gebildet. Dabei entspricht die lichte Breite der U-förmigen
Schenkel im Wesentlichen der Stärke der optischen Einrichtung
bzw. des Energiewandlers 6. Zur ausreichenden Abstützung des Energiewandlers 6 ist
der untere Schenkel der Energiewandleraufnahme länger ausgebildet,
um eine ausreichende Abstützung zu schaffen.
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Wie
in 3 zu sehen ist, gelangt neben der Strahlung, die
mittels der optischen Einrichtung auf den benachbarten Energiewandler 6 gebeugt
wird, eine zusätzliche Strahlung unmittelbar von der Strahlungsquelle
oder dem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler 6.
Somit erhöht sich die Konzentration der auf den Energiewandler 6 treffenden
Strahlen um die Menge der Strahlung, die zusätzlich direkt
auf den Energiewandler 6 trifft. Somit setzt sich die Gesamtbeaufschlagung
des Energiewandlers aus indirekter Strahlung und direkter Strahlung
zusammen.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2,
die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion 10 montiert
sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus einem
Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der optischen
Einrichtung 8, werden mittels dem Basisabschnitt 32 auf
der Unterkonstruktion 10 montiert. In diesem Ausführungsbeispiel
trägt der Basisabschnitt 32 sowohl den Energiewandler 6,
der mittels Glasflächen verstärkt ist, als auch
den Stegabschnitt 26 der in diesem Ausführungsbeispiel
um 22° aus der Senkrechten geneigt ist und an dessen Ende
sich die Optikaufnahme 22 befindet, welche, um eine besonders
einfache Herstellung und Befestigung der optischen Einrichtung 8 zu ermöglichen,
aus periodisch versetzten Abkantungen besteht. Wohingegen in den
vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Flächen
der optischen Einrichtung 8 zu dem Energiewandler 6 im
Wesentlichen parallel angeordnet war, ist die optische Einrichtung 8 im
dritten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel angeordnet,
der die im Wesentlichen senkrecht zur Erde treffenden Strahlen auf
eine größere optische Einrichtung verteilt und
diese dadurch präziser auf den Energiewandler 6 beugen
kann.
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In
diesem Ausführungsbeispiel bestehen sowohl der Basisabschnitt 32 als
auch der Stegabschnitt 26 aus einem Aluminiumstrangpressprofil. Dabei
ist ein dem Energiewandler 6 zugewandter Abschnitt des
Halteelements 4 mit einer Spiegeloberfläche 34 versehen.
Diese Spiegeloberfläche 34 kann sowohl durch eine
Oberflächenbehandlung, wie z. B. Polieren, des vorhandenen
Halteelements 4 oder durch Aufbringen einer spiegelnden
Beschichtung auf das Halteelement 4 sowie durch das Aufbringen eines
zusätzlich spiegelnden Elements auf das Halteelement 4 geschaffen
werden.
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Diese
Spiegeleigenschaft des Halteelements 4 ermöglicht
es der Energiewandleranordnung 2 zusätzlich zu
der indirekten Strahlung durch die optische Einrichtung 8 hindurch
und der direkten Strahlung unmittelbar auf den Energiewandler 6 eine
dritte zusätzliche Strahlung auf den Energiewandler 6 zu lenken.
Dabei wird auf die Spiegeloberfläche 34 des Halteelements 4 treffende
Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter über die
Reflexion der Spiegeloberfläche 34 auf den Energiewandler 6 geleitet.
Durch diese dritte Strahlung auf den Energiewandler 6 erhöht
sich die Gesamtbeaufschlagung des Energiewandlers 6 und
somit der Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlage.
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5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2,
die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion 10 montiert
sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus dem
Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der optischen
Einrichtung 8, werden dabei von einem Basisabschnitt 32 getragen, der
die optische Einrichtung 8 sowie den Energiewandler 6 rückseitig
aufnimmt. Diese Konstruktion verzichtet durch die rückseitige
Aufnahme im Wesentlichen auf die Optikaufnahme 22 und die
Energiewandleraufnahme 28, wodurch eine größere
Optikfläche bzw. Energiewandlerfläche entsteht,
da die Randbereiche zur Befestigung wegfallen und der Energieerzeugung
dienen können. Der Basisabschnitt 32 dieses Ausführungsbeispiels
ist so stabil gebaut, dass er alle daran befestigten Bauteile tragen
und zusätzlich über eine periodisch eingesetzte
Verstärkung 36 verfügt, die in regelmäßigen
Abständen die optische Einrichtung 8 abstützt
und ein Durchhängen dieser vermeidet.
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Ein
zwischen Basisabschnitt und Unterkonstruktion befindliches elastisches
Element 38 kann Schwingungen, Vibrationen sowie Torsion
der Photovoltaikanlage 1 aufnehmen, so dass diese Beeinträchtigungen
weder einen Schaden an den Funktionsteilen, wie z. B. optischer
Einrichtung 8 oder Energiewandler 6, nehmen können
als auch zu keiner Verringerung der Effizienz der Anlage aufgrund Nachführungenauigkeit
der sich aufgrund Torsion ergebenden Ungenauigkeit der optischen
Einrichtung 8 ergebenden Strahlablenkung.
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Eine
Nachführbewegung der Energiewandleranordnungen 2 entsprechend
dem Sonnenstand kann sowohl über einen Antrieb 20 geschehen,
der mittels einer Schubstange, einem Zahnradantrieb oder ähnlichem
die Nachführbewegung auf die Unterkonstruktion 10 überträgt,
so dass die Gesamtheit der Energiewandleranordnungen, die auf Querträgern 12 montiert
sind, um einen gemeinsamen Drehpunkt D dem Sonnenstand nachgeführt
werden.
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Alternativ
zu dieser Art der Nachführung kann ein besonders verwindungssteif
ausgeführter Querträger 12 mittels einer
Seilanordnung 40 die Nachführbewegung an die Energiewandleranordnungen 2 weitergeben.
Dazu befinden sich im Querträger 12 Aufnahmen
für die Seilanordnung 40. Diese Seilanordnung 40 besteht
aus im Wesentlichen parallel zueinander gespannten Seilen, die mehrere
Photovoltaikanlagen miteinander verbinden können, wobei die
aufgebrachte Seilspannkraft von Querträger 12 zu
Querträger 12 weitergeben wird. Werden die Spannseile
polygonzugartig nach dem Jawerth-Seilbinderprinzip gespannt, so
wird eine besonders geringe Durchbiegung der seilverspannten Unterkonstruktion 10 ermöglicht.
Die Nachführbewegung einer solch seilverspannten Photovoltaikanlage 1 wird ebenfalls
mittels eines Antriebs 20 um einen Drehpunkt D ermöglicht.
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6 zeigt
ein fünftes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2,
die im Querschnitt gesehen nebeneinander an einer Konstruktion bestehend
aus Haltewangen 42 montiert sind. Diese Haltewangen 42 nehmen
die optischen Einrichtungen 8 sowie die Energiewandler 6 mittels
Stützelementen 44 an ihren Stirnseiten auf, so
dass sich diese in besonders einfacher Art rotatorisch um den Drehpunkt
D dem Sonnenstand nachführen lassen. Um eine etwaige Durchbiegung
der optischen Einrichtung 8 oder des Energiewandlers 6 zu
verhindern, können zwischen den Elementen Halteelemente 4 angebracht
werden. Alternativ zur starren Befestigung der Stützelemente
an den Haltewangen ist es möglich, einen Bolzen 46 an
den Haltewangen 42 anzubringen, der die Stützelemente 44 und
die dazwischen fixierten optischen Einrichtungen 8 und
Energiewandler 6 drehbar lagert. Diese Konstruktion ermöglicht
eine relativ flache Ausführung der Haltewangen 42,
die somit bei schräg auftreffenden Sonnenstrahlen, beispielweise
im Frühjahr oder Herbst, einen geringeren Teil der Energiewandler 6 abschatten.
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Die
vorgestellte Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Photovoltaikzellen
als Energiewandler 6 beschränkt. Vielmehr zeigt
die Erfindung Möglichkeiten, um verschiedenste Arten von
Energiewandlern mit mehr Sonnenstrahlen zu beaufschlagen, um effizientere
Wirkungsgrade zu schaffen.
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Die
Erfindung zeigt eine Solaranlage in der besonderen Ausgestaltung
einer Photovoltaikanlage 1 mit einer Mehrzahl nebeneinander
liegender Energiewandleranordnungen 2 mit jeweils einem
Halteelement 4, einem Energiewandler 6 und einer
optischen Einrichtung 8 offenbart, mit der ein Strahlengang
auf den Energiewandler 6 richtbar ist, wobei die optische
Einrichtung 8 näher an einer Strahlungsquelle
angeordnet ist. Die Photovoltaikanlage 1 zeigt eine asymmetrische
Anordnung der optischen Einrichtung 8 zum Energiewandler 6,
wobei die optische Einrichtung 8 der Energiewandleranordnung 2 auf den
Energiewandler 6 einer benachbarten Energiewandleranordnung 2 gerichtet
ist.
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- 1
- Photovoltaikanlage
- 2
- Energiewandleranordnung
- 4
- Halteelement
- 6
- Energiewandler
- 8
- optische
Einrichtung
- 10
- Unterkonstruktion
- 12
- Querträger
- 14
- Gestell
- 16
- Nachführeinrichtung
- 18
- Fundament
- 20
- Antrieb
- 22
- Optikaufnahme
- 24
- Klemmelement
- 26
- Stegabschnitt
- 28
- Energiewandleraufnahme
- 30
- Windleitelement
- 32
- Basisabschnitt
- 34
- Spiegeloberfläche
- 36
- Verstärkung
- 38
- elastisches
Element
- 40
- Seilanordnung
- 42
- Haltewangen
- 44
- Stützelemente
- 46
- Bolzen
- D
- Drehpunkt
- B
- Beugungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007016715
U1 [0006]