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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biaxialen Ausrichtung von Solarmodulen und ein Verfahren zur Solarenergiegewinnung.
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Azimutale Koordinaten (horizontale Koordinaten) benutzen den Horizont als Bezugsebene, die Zenit-Nadir-Achse als Polachse. Die Koordinaten sind damit der Höhenwinkel und der Azimut, für den als Nullpunkt meist die Südrichtung gewählt wird. Das Azimut ist der Winkel zwischen der Meridianebene und der Vertikalebene eines Gestirns. Allgemein bezeichnet das Azimut im System von Kugelkoordinaten diejenige Koordinate, deren Koordinatenlinien Längenkreise sind (d. h. jeder Längenkreis hat ein konstantes Azimut). Den Höhenwinkel eines Himmelskörpers nennt man auch Altitude. Die Höhe eines Gestirns kann zwischen +90° (Zenit) und –90° (Nadir) betragen, wobei eine positive Höhe anzeigt, dass das Objekt über dem Horizont steht, während eine negative Höhe bedeutet, dass das Objekt unter dem Horizont steht.
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Die Drehung der Erde um die eigene Achse und die Neigung der Erdachse relativ zur Umlaufbahn der Erde um die Sonne führen dazu, dass die Sonne an einem beliebigen Punkt der Erde (mit Ausnahme der polnahen Gebiete zu bestimmten Jahreszeiten) täglich für eine gewisse Zeit sichtbar ist, wobei sie für den Betrachter scheinbar eine Bahn verfolgt, die östlich mit dem Aufsteigen über den Horizont beginnt und westlich mit dem Versinken unter den Horizont endet.
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Diese scheinbare Bewegung der Sonne führt dazu, dass der Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Erdoberfläche am Standort des Betrachters sich im Laufe des Tages verändert. Dadurch ändert sich auch die Energiedichte, d. h. die Energiemenge pro Flächeneinheit, und damit auch die Leistungsdichte, d. h. die Leistung pro Flächeneinheit bzw. Energiedichte pro Zeiteinheit.
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Sonnenenergie wird gegenwärtig hauptsächlich auf zwei Wegen gewonnen: entweder durch Sammeln der Strahlungswärme in einem Wärmeträgermedium, welches durch einen sogenannten Kollektor geleitet wird (Solarthermie), oder durch Umwandlung der Energie des einfallenden Lichts in elektrische Energie in einer sogenannten Photozelle unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts (Photovoltaik). In beiden Fällen werden die Energieumwandler, d. h. ein oder mehrere Kollektoren bzw. Photozellen, meist in einem Gehäuse untergebracht. Eine solche Baueinheit wird Solarmodul genannt. Nachfolgend wird der Begriff Solarmodul einheitlich für Solarthermiemodule und Photovoltaikmodule verwendet.
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Um die eingestrahlte Energie der Sonne möglichst gut auszunutzen, müssen Solarmodule der scheinbaren Sonnenbahn so nachgeführt werden, dass die Sonnenstrahlen stets senkrecht auf das Solarmodul auftreffen. Hierzu wurden in der Vergangenheit viele verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
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Nunmehr wird zum Nachführen von Solarmodulen eine Vorrichtung zur biaxialen Ausrichtung von Solarmodulen relativ zur Erdoberfläche vorgeschlagen, bei der das Solarmodul durch Schwenken um zwei voneinander unabhängige, senkrecht zueinander angeordnete Schwenkachsen erfolgt, wobei die erste Schwenkachse bezogen auf die Erdoberfläche konstant horizontal verläuft und die zweite Schwenkachse mit dem Solarmodul um die erste Schwenkachse geschwenkt wird, so dass sie mit der Erdoberfläche denselben Winkel einschließt wie das Solarmodul.
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In einer Ausgestaltung umfasst diese Vorrichtung ein Grundgestell zur Aufstellung auf einem Untergrund, beispielsweise dem Erdboden, ein am Grundgestell schwenkbar angeordnetes Zwischengestell sowie ein am Zwischengestell schwenkbar angeordnetes Modulgestell zur Aufnahme mindestens eines Solarmoduls, wobei mindestens eine erste Antriebseinrichtung mit Grundgestell und Zwischengestell so in Wirkverbindung steht, dass das Zwischengestell durch Betreiben der ersten Antriebseinrichtung relativ zum Grundgestell um eine erste Schwenkachse schwenkbar ist, mindestens eine zweite Antriebseinrichtung mit Zwischengestell und Modulgestell so in Wirkverbindung steht, dass das Modulgestell durch Betreiben der zweiten Antriebseinrichtung relativ zum Zwischengestell um eine zweite Schwenkachse schwenkbar ist, und die erste Schwenkachse und die zweite Schwenkachse senkrecht zueinander verlaufen.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine dritte Antriebseinrichtung mit Zwischengestell und Modulgestell so in Wirkverbindung steht, dass das Modulgestell durch Betreiben der dritten Antriebseinrichtung relativ zum Zwischengestell um eine dritte Schwenkachse schwenkbar ist, wobei die zweite Schwenkachse und die dritte Schwenkachse parallel zueinander verlaufen, so dass auch die dritte Schwenkachse senkrecht zur ersten Schwenkachse verläuft.
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Dabei können die Antriebseinrichtungen jeweils mindestens eine Linearverstelleinrichtung sowie einen Hebelmechanismus umfassen, welcher eine lineare Bewegung in eine Schwenkbewegung umwandelt. Linearverstelleinrichtungen in diesem Sinne können beispielsweise Zahnstangenantriebe, Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder oder andere geeignete Mittel umfassen.
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Solarmodule sind im Allgemeinen rechteckig. Daher kann weiter vorgesehen sein, dass das Grundgestell, Zwischengestell und Modulgestell jeweils rechteckige Rahmen gleicher Größe sind, welche übereinander angeordnet sind. Dabei ist das Zwischengestell entlang einer gegenüber dem Untergrund konstant horizontal verlaufenden ersten Schwenkachse mit dem Grundgestell schwenkbar verbunden oder ohne physische Verbindung zwischen Grundgestell und Zwischengestell um eine solche Schwenkachse schwenkbar angeordnet. Das Modulgestell ist demgegenüber mit dem Zwischengestell entlang einer relativ zur ersten Schwenkachse rechtwinklig verlaufenden zweiten Schwenkachse mit dem Zwischengestell schwenkbar verbunden oder ohne physische Verbindung zwischen Zwischengestell und Modulgestell um eine solche Schwenkachse schwenkbar angeordnet. Die zweite Schwenkachse kann dabei entlang einer seitlichen Begrenzung des Solarmoduls bzw. des Modulgestells verlaufen. Ist eine dritte Schwenkachse vorgesehen, die parallel zur zweiten Schwenkachse verläuft, so kann diese entlang der gegenüberliegenden seitlichen Begrenzung des Solarmoduls bzw. des Modulgestells verlaufen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine vierte Antriebseinrichtung mit Zwischengestell und Modulgestell so in Wirkverbindung steht, dass das Modulgestell durch Betreiben der vierten Antriebseinrichtung relativ zum Zwischengestell um eine vierte Schwenkachse schwenkbar ist, wobei die erste Schwenkachse und die vierte Schwenkachse parallel zueinander verlaufen. Durch diese Ausgestaltung ist es beispielsweise möglich, Solarmodule auf geneigten Flächen, wie beispielsweise Hausdächern zu installieren und der scheinbaren Sonnenbewegung nachzuführen. Muss das Solarmodul steiler angestellt werden als die Dachfläche, so wird es um die erste Achse geschwenkt. Muss das Solarmodul hingegen flacher angestellt werden als die Dachfläche, so wird es um die vierte Achse geschwenkt.
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Wie oben bereits ausgeführt, kann auch vorgesehen sein, dass die schwenkbare Anordnung des Zwischengestells am Grundgestell oder/und des Modulgestells am Zwischengestell ohne physische Verbindung, d. h. ohne zusätzliche Gelenke oder dergleichen, durch die jeweilige Antriebseinrichtung realisiert ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass Linearverstelleinrichtungen zwischen den relativ zueinander schwenkbaren Gestellen so angeordnet sind, dass durch deren Betrieb eine Schwenkbewegung um die jeweiligen Achsen bewirkt wird. Hierzu können weitere geeignete Mittel, beispielsweise Hebelgetriebe oder dergleichen, zwischen den relativ zueinander schwenkbaren Gestellen angeordnet sein.
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Auf dem Modulgestell kann mindestens ein Solarthermiemodul, oder/und mindestens ein Photovoltaikmodul angeordnet sein. Kombinationen von Solarthermiemodulen und Photovoltaikmodulen auf ein und demselben Modulgestell sind hiervon ausdrücklich mit umfasst.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass eine Steuerungseinrichtung mit den Antriebseinrichtungen so in Wirkverbindung steht, dass das oder die Solarmodule kontinuierlich der scheinbaren Sonnenbewegung nachgeführt werden. Zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung so eingerichtet sein, dass die Antriebseinrichtungen nur bei Überschreitung einer wählbaren Lichtstärke in Betrieb gesetzt werden oder/und dass die Antriebseinrichtungen bei Überschreitung einer wählbaren Windstärke außer Betrieb gesetzt werden.
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In einer Weiterbildung kann außerdem am Modulgestell oder am Zwischengestell oder am Grundgestell oder einem auf dem Modulgestell angeordneten Solarmodul eine Sonnenstandserfassungseinrichtung angeordnet sein, welche zur messtechnischen Erfassung des Sonnenstands ausgebildet ist und zur Übergabe der Messdaten an die Steuerungseinrichtung mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist. Hierdurch wird eine vollautomatische Nachführung des oder der Solarmodule ermöglicht.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass am Modulgestell oder am Zwischengestell oder am Grundgestell oder einem auf dem Modulgestell angeordneten Solarmodul eine Windgeschwindigkeitsmesseinrichtung angeordnet ist, welche zur messtechnischen Erfassung der Windgeschwindigkeit ausgebildet ist und zur Übergabe der Messdaten mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist.
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Schließlich kann in einer dritten Weiterbildung vorgesehen sein, dass am Modulgestell oder am Zwischengestell oder am Grundgestell oder einem auf dem Modulgestell angeordneten Solarmodul eine Lichtstärkeerfassungseinrichtung angeordnet ist, welche zur messtechnischen Erfassung der einfallenden Lichtstärke ausgebildet ist und zur Übergabe der Messdaten mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur kombinierten Erd- und Sonnenwärmegewinnung vorgeschlagen, bei dem Erdwärme und Sonnenwärme getrennt voneinander gewonnen und bis zur Nutzung in einem gemeinsamen Wärmeträgermedium zwischengespeichert werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist hierzu vorgesehen, dass auf ein erstes Wärmeträgermedium, das in einem ersten Primärkreislauf zirkuliert, in einem Solarthermiemodul Sonnenwärme übertragen wird, in einem ersten Wärmetauscher die Sonnenwärme vom ersten Wärmeträgermedium auf ein zweites, in einem ersten Sekundärkreis zirkulierendes Wärmeträgermedium übertragen wird, das in einem Pufferspeicher vorgehalten wird, und in einem zweiten, Wärmetauscher die in einem dritten Wärmeträgermedium, das in einem zweiten Primärkreislauf zirkuliert, enthaltene Erdwärme auf das zweite Wärmeträgermedium übertragen wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens kann beispielsweise die oben beschriebene Vorrichtung zur biaxialen Ausrichtung von Solarmodulen relativ zur Erdoberfläche vorteilhaft verwendet werden. Dabei ist das Solarthermiemodul auf einer solchen Vorrichtung angeordnet und wird kontinuierlich der scheinbaren Sonnenbewegung nachgeführt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung in perspektivischer Darstellung,
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2 das Wirkprinzip der Linearverstelleinrichtungen, und
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3 die vertikale Nachführung in einer Seitenansicht,
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4 die vertikale Nachführung in einer Draufsicht,
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5 die horizontale Nachführung in einer Seitenansicht, und
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6 die horizontale Nachführung in einer Draufsicht.
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Grundgestell 1, Zwischengestell 2 und Modulgestell 3 sind jeweils rechteckige Rahmen gleicher Größe, wobei das Grundgestell 1 horizontal liegend auf der Erdoberfläche angebracht ist. Entlang einer Außenseite des Grundgestells 1 und des Zwischengestells 2 verläuft eine erste Schwenkachse 5, um die das Zwischengestell 2 relativ zum Grundgestell 1 schwenkbar ist. Hierzu sind das Grundgestell 1 und das Zwischengestell 2 miteinander durch eine Antriebseinrichtung 8 miteinander verbunden, die eine Linearverstelleinrichtung 9, im Ausführungsbeispiel einen Hydraulikzylinder, und einen Hebelmechanismus 10 umfasst.
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Die erste Schwenkachse 5 ist sinnvollerweise in der Ost-West-Richtung ausgerichtet und sie ist und bleibt in einer horizontalen Ausrichtung, d. h. sie hat eine konstante Position gegenüber der Erdoberfläche. Beim Betätigen der zwischen Grundgestell 1 und Zwischengestell 2 angeordneten Antriebseinrichtung 8 wird das Zwischengestell 2 um die erste Schwenkachse 5 geschwenkt, so dass das Zwischengestell 2 der Altitude des Sonnenstands nachgeführt werden kann.
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Rechtwinklig zur ersten Schwenkachse 5 verläuft an einer Außenseite des Grundgestells 1 eine zweite Schwenkachse 6, um die das Modulgestell 3 relativ zum Zwischengestell 2 geschwenkt werden kann. Parallel zur zweiten Schwenkachse 6 verläuft an der anderen Außenseite des Zwischengestells 2 eine dritte Schwenkachse 7, um die das Modulgestell 3 ebenfalls relativ zum Zwischengestell 2 geschwenkt werden kann. Beim Betätigen einer der beiden zwischen Zwischengestell 2 und Modulgestell 3 angeordneten Antriebseinrichtungen 8 wird das Modulgestell 3 um die zweite Schwenkachse 6 bzw. um die dritte Schwenkachse 7 geschwenkt, so dass das Modulgestell 3 dem Azimut des Sonnenstands nachgeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundgestell
- 2
- Zwischengestell
- 3
- Modulgestell
- 4
- Solarmodul
- 5
- erste Schwenkachse
- 6
- zweite Schwenkachse
- 7
- dritte Schwenkachse
- 8
- Antriebseinrichtung
- 9
- Linearverstelleinrichtung
- 10
- Hebelmechanismus
