DE102010013141A1

DE102010013141A1 - Kollektorfeld mit Solarmodulen

Info

Publication number: DE102010013141A1
Application number: DE102010013141A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: DE102010013141B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kollektorfeld mit Solarmodulen zur Stromerzeugung oder Erwärmung einer Wärmeträgerflüssigkeit, wobei die Solarmodule, bezogen auf die Aufstellfläche, in Halterungen oder Stützanordnungen geneigt angeordnet sind. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Kollektorfeld mit Solarmodulen geschaffen werden, das sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet, durch zusätzliche Nutzung von Windenergie. Hierzu wird als Lösung vorgeschlagen, dass unmittelbar unterhalb der Unterseite der geneigt angeordneten Solarmodule 3 einer Solarmoduleinheit 2 ein sich in Windeinfallrichtung X erstreckendes Strömungsrohr 7 mit teilweise offener oder geschlossener Mantelfläche angeordnet ist.7 ein- oder beidseitig verbundenen Anschlussstücken 8 ist mindesten eine Axialturbine 11 angeordnet, die mit einem Stromerzeugungsgenerator verbunden ist. Die vorgeschlagene Lösung dient zur zusätzlichen Nutzung von Windenergie als sekundäre Energiequelle im Rahmen von Solar oder Photovoltaik-Anlagen. Durch die zusätzliche Gewinnung von elektrischem Strom wird die Effizienz des Gesamtsystems verbessert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kollektorfeld mit Solarmodulen zur Stromerzeugung oder Erwärmung einer Wärmeträgerflüssigkeit, wobei die Solarmodule, bezogen auf die Aufstellfläche, in Halterungen oder Stützanordnungen geneigt angeordnet sind. Solar- oder Voltaik- sowie Windkraftanlagen zur Erzeugung von Strom sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen bekannt.
Solarmodule, wie z. B. thermische Solarkollektoren oder Photovoltaikmodule, sind in der Regel auf geneigten Dächern von Gebäuden oder sogenannten Solarfeldern mittels geeigneter Halterungen und Stützanordnungen montiert.
In der Praxis übliche Ausführungen sogenannter Solarfelder bestehen z. B. aus einer Quer- und Längsstütze durch die das Solarmodul beabstandet vom Untergrund gehalten ist. Über installierte Antriebsmotoren mit Stell- und Zwischengliedern werden die Solarmodule entsprechend dem sich verändernden Einfallswinkel der Sonnenstrahlung nachgeführt, derart, dass die Sonnenstrahlen möglichst senkrecht auf das Solarmodul treffen. Aufgrund unterschiedlicher Witterungsbedingungen in Bezug auf Sonnenstrahlung und Wind gibt es auch Vorschläge für kombinierte Stromerzeugungseinrichtungen zur Nutzung von Wind- und Solarenergie. Bekannt sind Systeme, bestehend aus Solarkollektoren und durch Windkraft bewegbare Rotoren, die mit einem Stromerzeugungsgenerator in Verbindung stehen, wobei die zusätzliche Nutzung der Windkraft zur Erzeugung von Sekundärenergie dient.
Gemäß der DE 20 2009 002 259 U1 wird eine Rotorspindel mit einem integrierten Generator vorgeschlagen, wobei die Rotorblätter der Rotorspindel zusätzlich mit Solarmodulen ausgerüstet sind.
Aus der DE 100 30 292 A1 ist eine Anordnung zur Gewinnung von Energie aus Windkraft mit wenigstens einem durch Luftströmung bewegbaren Rotor und einem Generator bekannt. Der Rotor ist in einem Gebäude angeordnet, dessen aufsteigende Wände unterbrochen ist, wobei sich in oder zwischen den Unterbrechungen der Rotor befindet. Zusätzlich können Dach und/oder Außenwände mit Solarkollektoren ausgerüstet sein. Die bekannten kombinierten Systeme Rotor/Solarmodul sind in ihrer Herstellung und Wartung sehr aufwendig.
Sogenannte Solarfelder besitzen bei ausreichender Sonnenstrahlung einen guten Wirkungsgrad. Vorausgesetzt ist jedoch eine vorhandene Nachführung der Solarmodule. Der Betrieb der Solarfelder (Nachführung, Reinigung etc.) erfordert einen nicht unerheblichen Energieverbrauch, der sich nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kollektorfeld mit Solarmodulen zu schaffen, das sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet, durch zusätzliche Nutzung von Windenergie.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12.
Unmittelbar unterhalb der Unterseite der geneigt angeordneten Solarmodule einer Solarmoduleinheit ist ein sich in Windeinfallrichtung erstreckendes Strömungsrohr mit teilweise offener oder geschlossener Mantelfläche angeordnet. Im Strömungsrohr oder in einem der Anschlussstücken einer Solarmoduleinheit, die ein- oder beidseitig die Strömungsrohre benachbarter Moduleinheiten verbinden, ist mindestens eine Axialturbine angeordnet, die mit einem Stromerzeugungsgenerator in Verbindung steht. Das Strömungsrohr kann z. B. als stabiles Tragrohr oder nur als eine Art Hüllrohr ausgebildet sein, mit geschlossener oder teilweise offener Mantelfläche (Schlitze o. ä.).
Zusätzlich kann am Außenumfang des Strömungsrohres zwischen den Anschlussstücken umlaufend um das Strömungs- bzw. Tragrohr mindestens eine Radialturbine angeordnet sein. Zur Bildung gezielter Luftströmungskanäle sind die einzelnen Solarmodule in Richtung Radialturbinenlaufrad mindestens in ihrer Höhe versetzt zueinander angeordnet. Die Radialturbine ist ebenfalls mit einem Stromerzeugungsgenerator verbunden. Die gebildeten Luftströmungskanäle dienen gleichzeitig zur Hinterlüftung der Solarmodule und tragen mit dieser zusätzlichen Kühlfunktion zur Leistungssteigerung bei.
Die vorgeschlagene Lösung dient zur zusätzlichen Nutzung von Windenergie als sekundäre Energiequelle im Rahmen von Solar oder Photovoltaik-Anlagen. Durch die zusätzliche Gewinnung von elektrischem Strom wird die Effizienz des Gesamtsystems verbessert. Wenn witterungsbedingt ausreichend Wind vorhanden ist, so kann parallel zur Nutzung von Sonnenenergie noch elektrischer Strom erzeugt werden. Dieser kann entsprechend anfallender Kapazität in das Netz eingespeist oder anderenfalls zur Nutzung als Energiequelle zum Antrieb für die Kollektornachführung und/oder für den Betrieb eines Kühlmittelkreislaufes im Gesamtsystem eingesetzt werden. Über Nachführung und Kühlung kann bei Photovoltaik-Anlagen eine Effektivitätssteigerung um ca. 20% erreicht werden, ohne dafür im Hauptsystem erzeugte oder dem Netz entnommene Energie einzusetzen.
Neben der Verwendung in größeren Anlagen zur Energieerzeugung über Kollektoren ist auch ein Einsatz in kleinen, z. B. häuslichen Anlagen, beispielsweise als integrierte Firstbaugruppe des Daches mit gleichzeitig lastabtragender Funktion, möglich. Grundsätzlich ist eine Anwendung überall da möglich, wo auch Solar- oder Photovoltaik-Anlagen zum Einsatz kommen.
Die Strömungsrohre können als stabile Tragrohre ausgebildet sein, wobei an diesen Halterungen oder Stützanordnungen für die Solarmodule einseitig befestigt sind.
Es können auch Strömungsrohre ohne tragende Funktion zum Einsatz kommen. Diese können auch eine Mantelfläche mit Öffnungen oder Aussparungen, wie z. B. in Längsrichtung verlaufende Schlitze, aufweisen. Strömungsrohre benachbarter Solarmoduleinheiten sind vorzugsweise über Anschlussstücke verbunden, die als ein sich nach einer oder beiden Seiten erstreckender umlaufender Kragenring mit trichterförmigen Aufnahmen zur endseitigen Halterung und Fixierung der Strömungsrohre ausgeführt sind.
Erforderlichenfalls sind die Strömungsrohre über mehrere in der Aufstellfläche befindliche Auflager abgestützt. Die Anschlusstücke, in denen das oder die Strömungsrohr(e) gehalten sind, sollten zusätzlich über Verankerungen im Boden bzw. in der Aufstellfläche abgestützt werden. In der Kehle des Kragenringes ist ein umlaufendes Tragprofil angeordnet. Anschlussstück und/oder Strömungsrohr können um ihre Längsachse drehbar gelagert sein. Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn eine Nachführung der Solarmoduleinheiten zweckmäßig ist.
Bevorzugt ist die Axialturbine im Bereich der Kehle des Anschlussstückes angeordnet. Eine zusätzliche Radialturbine ist umlaufend um das Strömungs- bzw. Tragrohr angeordnet. Die Axialturbine kann auch im Strömungsrohr angeordnet sein. Je Solarmoduleinheit können auch mehrere Turbinen in einer Art Reihenschaltung angeordnet sein. Über die endseitigen trichterförmigen Anschlussstücke an den Strömungsrohren erfolgt das Zuströmen von frischer Luft für den Antrieb einer in Reihe nachgeschalteten Axialturbine und ein Abströmen der Antriebsluft von der davorliegenden Axialturbine zum Abbau des sich aufbauenden Staudrucks.
Bei einer Nachführung der Solarmoduleinheiten dreht sich das Anschlussstück (Kragenring) zusammen mit den Strömungsrohren mit, wobei jedoch zu bemerken ist, dass der Drehwinkel nicht allzu groß ist.
Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 zwei Kollektorfelder mit Solarmoduleinheiten in vereinfachter schematischer Darstellung als Frontansicht und
2 eine Solarmoduleinheit mit integrierter Axial- und Radialturbine in vereinfachter Darstellung, als Seitenansicht.
In der 1 sind zwei Kollektorfelder 1 mit mehreren Solarmoduleinheiten 2 gezeigt, wobei jede der Solarmoduleinheiten 2 identisch aufgebaut ist und die einzelnen Solarmoduleinheiten 2 als Reihe zusammen geschalten sind. Die einzelnen Solarmodule 3 einer Solarmoduleinheit 2 sind in geneigter Anordnung auf einer Trägereinheit 4 montiert und können als entsprechende Module für eine thermische Solaranlage oder eine Photovoltaikanlage ausgelegt sein. Eine Solarmoduleinheit besitzt beispielsweise eine Länge von 3 m, eine Höhe von 3 m und eine Breite von 4,5 m.
Zu jeder Solarmoduleinheit 2 gehört eine Trägereinheit 4. Die Trägereinheit 4 besteht aus in Längs- und Querrichtung verlaufenden Stützen 5, 6 mit entsprechenden Aufnahmen für die einzelnen Solarmodule 3. Die Solarmodule 3 sind zueinander in ihrer Höhe versetzt angeordnet, wie in 2 gezeigt. Der gewählte Höhenabstand zwischen zwei benachbarten Solarmodulen kann konstant oder unterschiedlich sein. Der Abstand sollte so bemessen sein, dass strömungstechnisch gute Bedingungen für den Antrieb einer Radialturbine erreicht werden. Durch den Höhenversatz entstehen in Richtung Radialturbinenlaufrad 12a gerichtete Luftströmungskanäle 24. In dem Freiraum unterhalb der geneigt angeordneten Solarmodule 3 ist ein horizontal verlaufendes Strömungsrohr 7 angeordnet. Dieses ist über Anschlussstücke 8 mit den Strömungsrohren benachbarter Solarmoduleinheiten 2 verbunden.
Die einzelnen Anschlusstücke 8 bestehen aus einem Kragenring, mit nach einer oder beiden Seiten sich erstreckenden trichterförmigen Erweiterung 9. In der Kehle des Kragenringes 8 ist umlaufend ein rundgewalztes Tragprofil 10 eingesetzt. Das Tragprofil erstreckt sich nicht über den gesamten Umfang, wie in 2 zu sehen. An den beiden Enden des Tragprofils stützt sich die die Solarmodule aufnehmende Trägereinheit 4 ab.
Bei einer abschließenden Solarmoduleinheit, wie beispielsweise der ersten und letzten Einheit einer Reihe, besitzt der Kragenring 8 nur eine sich in einer Richtung erstreckende trichterförmige Erweiterung 9.
Mehrere Solarmodule 3 können über die Verbindung mit den Strömungsrohren benachbarter Solarmodule gekoppelt werden, wobei ein Kragenring 8 mit beidseitiger trichterförmiger Erweiterung 8 als Kopplungselement dient. Die Erweiterungen können als Knotenbleche ausgeführt sein.
Im inneren Bereich des Kragenringes 8 oder des Strömungsrohres 7 ist eine Axialturbine 11 angeordnet (2). Zusätzlich kann an der äußeren Mantelfläche des Strömungsrohres 7 noch eine Radialturbine 12 angeordnet sein. Jede Solarmoduleinheit 2 ist mindestens mit einer Axialturbine 11 ausgerüstet. Die Axialturbine wird als vorgefertigte Baueinheit eingesetzt. In einem Kollektorfeld mit entsprechender Ausrichtung der Solarmodule in Sonneneinfallsrichtung befinden sich die unterhalb der Solarmodule 3 liegenden Strömungsrohre quer zur Sonneneinfallsrichtung und damit in der Hauptwindrichtung. Auftretender Wind wird somit gezielt durch die Strömungsrohre 7 geleitet und treibt die Axialturbinen 11 an. Die Windeinfallsrichtung X ist in 1 durch einen Pfeil angedeutet. Die jeweilige Radialturbine 12 wird über die auf der Oberseite der höhenversetzt angeordneten Solarmodule 3 entstehende Thermik und/oder durch in Sonneneinfallsrichtung anliegenden Wind angetrieben.
Axial- als auch Radialturbine sind zur Erzeugung von elektrischem Strom mit einem Generator verbunden, in analoger Weise wie dies bei Windkraftanlagen üblicher Standard ist.
Für eine effektive Nutzung der Sonneneinstrahlung ist eine Nachführung der Solarmoduleinheiten erforderlich. Am unteren Bereich der Trägereinheit 4 einer Solarmoduleinheit 2 greift ein Hubelement 13 an, das über einen Stellantrieb betätigt wird (2). Das Hubelement 13 ist fest im Boden, in einem Fundament 14, verankert.
Zur Nachführung ist es erforderlich, um die Mittelachse des Strömungsrohres 7 eine Schwenkbewegung zu ermöglichen. Hierzu ist das Tragprofil 10 des Kragenringes 8 in einer feststehenden Auflagereinheit 15 drehbar um die Mittelachse des Kragenringes 8 bzw. Strömungsrohres 7 gelagert, wie in 2 gezeigt. Zur Lagerung sind Stützen 16, 17 und 18 mit Rollen 19, 20 und 21 im Boden verankert, beispielsweise in einem Fundament 14. Über die beiden äußeren Rollen 19 und 21, die in den Stützen 16 und 18 gelagert sind, wird der Tragring 10 abgestützt. Die mittlere Rolle 20, die in der zweiarmigen Stütze 17 gelagert ist, greift an der Innenseite des Tragringes 10 an und dient gleichzeitig als Führung und Sicherung gegen ein Abheben.
Tragring 10 und Stützen 16, 17 und 18 dienen somit zugleich auch als Last aufnehmende Mittel für die Solarmoduleinheit 2.
Zur Nachführung einer Solarmoduleinheit kann ein entsprechend ausgelegter Stellantrieb auch direkt am Tragprofil 10 angreifen. Ein Hubelement ist dann nicht mehr erforderlich. Der vom nicht näher gezeigten Generator erzeugte Strom wird in Batterien 22 gespeichert.
Jede Solarmoduleinheit ist mit einer oder mehreren Batterien ausgestattet. Der in den Batterien gespeicherte Strom wird u. a. zum Antrieb der Stellantriebe für den Nachlauf (Vor- und Rücklauf) der Solarmoduleinheiten genutzt. Überschüssiger Strom wird in das Netz eingespeist.
Zur weiteren Effektivitätssteigerung kann zusätzlich noch eine Kühlung und/oder Reinigung für die Solarmodule installiert werden.
Dazu kann eine Kühlflüssigkeit an der Oberfläche der Kollektoren und/oder im Inneren der Kollektoren und/oder an der Unterseite der Kollektoren geführt werden. Eine Kühlung erfolgt insbesondere für Module einer Photovoltaik-Anlage.
Die Umwälzung der dazu erforderlichen Kühl- oder Reinigungsflüssigkeit erfolgt in einem Kreislaufsystem mit verdunstungsausgleichender Nachspeisung.
Durch die höhenversetzte Anordnung der Solarmodule und die dadurch gebildeten Strömungskanäle 24 wird bereits eine Luftkühlung bewirkt.
In der 2 ist ein Kaskadenkühler 23 schematisch mit angedeutet.
Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser) wird aus einem Sammelbehälter mit Hilfe einer Umwälzpumpe und entsprechender Verrohrung an die Überlaufbereiche der einzelnen Solarmodule gepumpt. Diese überströmt von dort eine Kollektorlinie und wird in einer Ablaufrinne aufgefangen. Von der Rinne wird die Kühlflüssigkeit in einen im beschatteten Bereich unterhalb der Solarmodule 3 angeordneten Kühler geleitet. Zur Kühlung kann die querströmende Luft unter der beschatteten Kollektorfläche der Solarmodule genutzt werden. Darüber hinaus ist auch die Rückkühlung über einen Tiefbrunnen oder eine Kältemaschine möglich. Nach der Kühlung gelangt die Kühlflüssigkeit zurück in den Sammelbehälter. Bei Überströmung der Oberfläche Solarmodule erfolgt gleichzeitig eine Abreinigung.
Der Bedarf an elektrischer Energie für den Kühl- und/oder Reinigungsprozess wird über die systemeigene Nutzung der Windenergie abgedeckt, wobei der in der Batterie 22 gespeicherte Strom genutzt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202009002259 U1 [0004]
DE 10030292 A1 [0005]

Claims

Kollektorfeld mit einer oder mehreren Solarmoduleinheiten zur Stromerzeugung oder Erwärmung einer Wärmeträgerflüssigkeit, wobei die Solarmodule, bezogen auf die Aufstellfläche, in Halterungen oder Stützanordnungen geneigt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb der Unterseite der geneigt angeordneten Solarmodule (3) einer Solarmoduleinheit (2) ein sich in Windeinfallrichtung (X) erstreckendes Strömungsrohr (7) mit teilweise offener oder geschlossener Mantelfläche angeordnet ist und im Strömungsrohr (7) oder in mit dem Strömungsrohr (7) ein- oder beidseitig verbundenen Anschlussstücken (8) mindestens eine Axialturbine (11) angeordnet ist, die mit einem Stromerzeugungsgenerator verbunden ist.
Kollektorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Strömungsrohres (7) oder des Anschlussstückes (8) mindestens eine Radialturbine (12) angeordnet ist, und die einzelnen Solarmodule (3) zur Bildung gezielter Luftströmungskanäle (24) in Richtung Radialturbinenlaufrad (12a) mindestens in ihrer Höhe versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Radialturbine (12) mit einem Stromerzeugungsgenerator verbunden ist.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrohre (7) als stabile Tragrohre ausgebildet sind und an diesen Halterungen oder Stützanordnungen für die Solarmodule (3) befestigt sind.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr (7) in Längsrichtung verlaufende Schlitze aufweist.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrohre (7) über mehrere in der Aufstellfläche verankerte oder befestigte Auflager abgestützt sind.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusstücke (8), in denen das oder die Strömungsrohr(e) (7) gehalten ist (sind), mittels Auflagern (16, 17, 18) verbunden sind.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (8) als ein sich nach einer oder beiden Seiten erstreckender umlaufender Kragenring mit Aufnahmen (9) zur endseitigen Halterung und Fixierung der Strömungsrohre (7) ausgebildet ist.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kehle des Kragenringes des Anschlussstückes (8) ein umlaufendes Tragprofil (10) angeordnet ist.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrohre (7) mehrerer Solarmoduleinheiten (2) miteinander koppelbar sind.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussstück (8) und/oder Strömungsrohr (7) um ihre Längsachse drehbar gelagert sind.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (12) am Außenumfang des Strömungsrohres (7) zwischen den Anschlussstücken (8) umlaufend um das Strömungs- bzw. Tragrohr (7) angeordnet ist.
Kollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (10) nur teilweise umlaufend angeordnet ist und an seinen freien Enden die Trägereinheit (4) abgestützt und mit dem Tragring (10) verbunden ist.