DE102011115474A1

DE102011115474A1 - Vorrichtungen zur Optimierung des Wirkungsgrades, zum Schutz und zur Betriebsstabilisierung solarer Module bei einwirkenden Umwelteinflüssen

Info

Publication number: DE102011115474A1
Application number: DE102011115474A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: MACHTWISSEN DE AG; Machtwissende AG
Current assignee: MACHTWISSEN DE AG; Machtwissende AG
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-04-04
Also published as: EP2766673A2; US20150076314A1; WO2013050490A2; WO2013050490A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Wirkungsgradoptimierung und zum Schutz von reflektierenden und absorbierenden Sonnenkollektoren vor umweltbedingten Belastungen, durch strömungsspezifische Optimierung einzelner Kollektormodule oder zusammengesetzter Kollektormodulgruppen und -felder. Der Wirkungsgrad steigt durch die Ausführungsformen mit der Genauigkeit der Nachführung/Minimierung der Winkelablagen der Module vom Sonnenstand. Verluste treten durch die mittlere statische Winkelablage und dynamische Auslenkung auf. Bleibende Verformungen sollten vermieden werden. Daher die Aufgabe der Erfindung: In Abhängigkeit jeglicher Betriebsbedingungen/lokaler Umwelteinflüsse bei min. Verformungen/Abweichungen vom Sonnenstandwinkel, ein- oder zwei-axial nachgeführter Module/Moduleinheiten, einen max. Wirkungsgrad des Aufbaus sicherzustellen. Die Vorrichtung kann in einer Vorzugsrichtung verfahren als auch um weitere Drehachsen und/oder nur um weitere Achsen des Systems gefahren werden. Dies erhöht die Systemsicherheit, gibt die Möglichkeit des einfacheren Systemaufbaus und des optimierten Anlagenbetriebs. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auch in Teilkörpern/-flachen ausgeführt sein kann, lässt sich im einfachsten Fall als ebene Platte ausführen, die über einen/mehrere Befestigungspunkt(e) (un)mittelbar starr/schwenkbar am solaren Modul befestigt wird. Ergänzt werden kann der Aufbau durch Verbindungselemente, in denen Sieb- oder Zaumelementen integriert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Wirkungsgradoptimierung und zum Schutz von reflektierenden und absorbierenden Sonnenkollektoren vor umweltbedingten Belastungen, durch strömungsspezifische Optimierung einzelner Kollektormodule oder zusammengesetzter Kollektormodulgruppen und -felder.
Stand der Technik:
Solare Kraftwerke nutzen in der Regel konzentrierende, absorbierende und/oder reflektierende Module in Einzelkonfiguration, meist allerdings in Feldkonfiguration, d. h. in Zusammenstellung mehrerer Einzelmodule. Diese Module wandeln die solare Einstrahlung direkt, z. B. durch photovoltaische Zellen, oder indirekt, z. B. durch Umwandlung der solaren Einstrahlung, welche zum Beispiel durch Spiegel auf einen Wärmetauscher konzentriert werden, in thermische Energie und anschließend mittels bekannten Wandlungsprozessen in elektrische Energie um.
Die durch solare Kraftwerke zu erzielenden Wirkungsgrade steigen in ihren unterschiedlichen Ausführungsformen grundsätzlich mit der Genauigkeit der Nachführung bzw: der Minimierung möglicher Winkelablagen der solaren Module vom Sonnenstand. Verluste treten insbesondere durch mittlere statische Winkelablage und zusätzliche dynamische Auslenkung auf. Dabei spielen die auftretenden Umwelteinflüsse und hierbei insbesondere die vorherrschende Windbelastung eine wesentliche Rolle und sorgen in Abhängigkeit mittlerer Wirkungsgrößen (mittlere Anströmungsgeschwindigkeit, mittlerer Turbulenzgrad und Böigkeit) für entsprechende Auslenkungen von der idealen Positionierung zur Sonne.
Hierbei erfordern insbesondere konzentrierende Technologien zur Bündelung solarer Einstrahlung eine hohe Genauigkeit der Nachführung entsprechender Systeme nach dem Sonnenstand, welche je nach verwendeter Kraftwerkstechnologie als ein- oder zweiaxiale Nachführungssysteme ausgeführt sein können. Je nach Ausführung der solaren Module können diese einzeln oder parallel in Reihe durch einen oder mehrere Antriebe verfahren werden. Die Auswahl der Antriebskomponenten richtet sich entsprechend nach dem Typus der Anlage bzw. des Systems und den einwirkenden Umwelteinflüssen und den sich daraus ergebenden Bemessungsgrundlagen.
Die Auslegung solarer Kraftwerke bzw. deren Einzelkomponenten und speziell der absorbierenden und/oder reflektierenden Module für den Anlagenbetrieb wird heute standardmäßig unter Verwendung von zugehörigen Normen und Vorschriften für Bauwerke vorgenommen. Diese geben die Bemessungslasten der für Umwelteinflüsse, wie Wind und Schnee, zu erwartenden Lasten vor. In Einzelfällen werden Modellversuche zur Verifizierung dieser Vorgaben durchgeführt.
Die für die Auslegung entsprechender Systeme heranzuziehenden Bemessungslasten bzw. korrespondierende zulässige Verformungen lassen sich grundsätzlich in unterschiedliche Klassen, von denen hier einige wichtige genannt werden sollen, unterteilen:

(a) die Eigenverformung der absorbierenden und/oder reflektierenden Module durch Eigengewicht im gesamten Operationswinkelbereich der möglichen Nachführung, d. h. von derzeit alpha = –30° (Sicherungsposition) bis alpha = 180° (Sonnenuntergangsposition). Für den Fall der nicht nachgeführten Systeme werden hierfür ggf. auch die Bemessungslasten einer statischen Position herangezogen. Zur Ermittlung der Bemessungslasten können die wirkenden Eigenlasten als quasi statisch mit bekanntem Kraftvektor (vertikal) angenommen werden.
(b) die Verformung jedes individuellen Kollektormoduls durch umweltbedingte zusätzlich zu dem unter (a) dargestellten Eigenwicht; im Wesentlichen durch Windlasten aufgeprägte Verformungen bzw. Verdrillung entsprechender Anordnungen der Kollektormodule. Diese Lasten und die sich daraus ergebenden Verformungen treten instationär (zeitlich und örtlich) auf.
(c) zusätzlich auftretende Effekte der Verformung in den o. g. Klassen durch auftretende Temperaturdifferenzen im Tages- und Jahresgang; bei den derzeit in Betrieb befindlichen Systemen sind diese im Vergleich zu den durch Windeinfluss aufgeprägten Verformungen zu vernachlässigen.

Je nach Anlagentyp der solaren Energieanlage stellen die nach den o. g. Eigenverformungsklassen einzeln, oder in Kombination auftretenden maximalen Verformungen und Verdrillungen (oder die korrespondierenden Kräfte und Momente) der absorbierenden und/oder reflektierenden Kollektormodulflächen in Abhängigkeit der jeweiligen Winkelstellung im Operationswinkelbereich bei den zu erwartenden Windgeschwindigkeiten im Betrieb den leistungsbezogenen Auslegungs- bzw. Dimensionierungsfall der einzelnen Module oder zusammengesetzter Modulgruppen dar. Im Fall der nicht nachgeführten Systeme d. h. statischer Aufbauten werden hierfür kombinierte Verformungen und korrespondierende Bemessungslasten einer statischen Position im Operationswinkelbereich herangezogen.
Im anvisierten Operationswinkelbereich und unter Zugrundelegung der maximal zulässigen Windgeschwindigkeiten des regulären Betriebs sollten unter Beachtung entsprechender Auslegungskriterien theoretisch gleichbleibende, maximale Anlagenwirkungsgrade zu erzielen sein.
Weiteres, sicherheitsrelevantes Auslegungskriterium für die solaren Energieanlagen d. h. die einzelnen absorbierenden und/oder reflektierenden Kollektormodule als auch den hieraus zusammengestellten Modulgruppen stellt die langjährige Schadensfreiheit der Anlagen auch unter ungünstigsten Umwelteinflüssen d. h. z. B. bei Windgeschwindigkeiten, die deutlich über den Betriebswindgeschwindigkeiten liegen, dar. Die solaren Anlagen werden, um diesen Umweltbedingungen widerstehen zu können, meist in eine sog. Sicherungspositionen gefahren, welche sich bezogen auf den Betriebsfall durch – relativ gesehen – niedrigere, auftretende Lasten und korrespondierenden Drehmomente im Vergleich zu den Betriebskonfigurationen auszeichnen. Die in dieser Position auftretenden Verformungen und zugehörige Lasten/Momente können dabei aufgrund der maximal möglichen Windgeschwindigkeiten wesentlich größer/höher sein als dies für den Anlagenbetrieb, welcher bei höchsten Wirkungsgraden stattfinden soll, zulässig ist. Bleibende d. h. plastische Verformungen sollten dennoch vermieden werden.
Vergleicht man die Anforderungen der Auslegung der solaren Energieanlagen vor dem Hintergrund der Minimierung möglicher Verformungen und deren direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anlagen während des Betriebs und parallel dazu die Anforderungen an die Anlagen in der Sicherungsposition, stellt man fest, dass sich diese bauartbedingt fast ausschließlich aus den Bedingungen und Verfahren zur Verformungsreduzierung während des regulären Betriebs ergeben. Entsprechend dimensionierte und ausgelegte Anlagen halten ebenfalls den in der sog. Sicherungspositionen auftretenden maximal auftretenden Lasten und Momenten stand. Dies allerdings bei erhöhter elastischer Verformung.
Die unter den o. g. Gesichtspunkten ausgelegten und für den Betrieb optimierten solarer Kraftwerke bzw. optimierten reflektierenden und/oder absorbierende Solarkollektoren sowie daraus zusammen gesetzte Modulgruppen werden theoretisch höchste Wirkungsgrade bei der Wandlung der solaren Einstrahlung in elektrische oder in thermische Energie sicherstellen.
Im regulären Kraftwerksbetrieb müssen neben den dafür notwendigen, minimalen Abweichungen/Verformungen von der optimalen Geometrie und/oder optimalen Ausrichtung der der einzelner Module oder/und zusammengesetzter Modulgruppen zum Sonnenstand, um maximale Gesamtanlagenwirkungsgrade sicherzustellen, viele weitere, diversifizierte Einzelparameter des Gesamtkraftwerks angepasst und optimiert werden. Den Wandlungsprozess (Kreisprozess zur Wandlung thermischer in elektrische Energie) betreffend, sind diese aus dem konventionellen Kraftwerksbetrieb bekannt und können unter Einhaltung von Analogien/Theorien zur Ähnlichkeit direkt auf solare Energieanlagen übertragen werden.
Eine einfache Optimierung unter Beachtung aller sich aus der Anordnung und Konfiguration zusammengesetzter, solarer Modulgruppen, den zugehörigen Verfahreinheiten/Trackingeinheiten und aller im solaren Feld vorgenommenen Einbauten ergebenden Parameter wird nicht möglich sein. Hier ergibt sich auf lange Sicht der Bedarf, dies für jede individuelle Konfiguration unter Beachtung der jeweils individuell einfließenden, bauartbedingten Parameter zu erarbeiten.
Die Optimierung und Anpassung aller Einzelschritte des regulären Betriebes werden zusammen einen optimierten Gesamtwirkungsgrad sicherstellen und für minimale sog. Stromgestehungskosten (Kosten der Erzeugung elektrischer Energie) sorgen, die zukünftig über Erfolg und Einsatz entsprechender Technologien entscheiden.
Betrachtet man solare Kraftwerkssysteme d. h. die zur Auslegung und Bemessung dieser Systeme bzw. der einzelner Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, real herangezogenen Grundlagen, so stellt man zwangsläufig fest, dass bisher entsprechende Aufbauten als Bauwerke und somit als statische Aufbauten angesehen werden. Analysiert man deren Betrieb näher, ist erkennbar, dass bei der Sonnenstandsnachführung der einzelner Kollektormodule, und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, die jeweils sensitive Fläche zu Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie bewegt/verfahren wird. Dies geschieht bei Anlagen hoher energetischer Effizienz mindestens ein-axial meist zwei-axial im Operationswinkelbereich bei hochgenauer Nachführungsgenauigkeit. Bauartbedingt bestehen bei diesen Kraftwerksystemen die in Bezug auf Umwelteinflüsse auslegungsrelevanten Komponenten bis zu 98% aus solaren Modulen, d. h. sensitiver Fläche zur Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie, die im Kraftwerksbetrieb bewegt/verfahren werden können. Die bisherige Auslegung dieser Systeme unter Zugrundelegung der Bemessungsgrundlagen zur Auslegung statischer Bauwerke scheint daher weder angepasst noch optimal; durch das Verfahren/Tracking der solaren Energieanlagen und die damit verbundenen Änderungen der Anlagengeometrie variieren die anzulegenden Bemessungsgrundlagen in einem enormen Wertebereich.
Hinzu kommen, sofern man anstatt der theoretischen Auslegung den realen Anlagenbetrieb betrachtet, die auf das Gesamtkraftwerk wirkenden Umwelteinflüsse, und hierbei die auftretende Betriebswindgeschwindigkeit sowie die sich daraus ergebenden Belastungen und Momente der Einzelmodule und viel wichtiger der daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, welche durch die optimierte Auslegung – zumindest theoretisch – minimal sein sollten. Im Gegensatz zu der theoretischen Herangehensweise der statischen Betrachtung der Kräfte und Momente an den isolierten Modulen und zusammengesetzten Kollektormoduleinheiten treten im regulären Anlagenbetrieb neben den kumulierten Einzelbelastungen zusätzliche Interferenzbelastungen (Wechselwirkung der Anströmungsbedingungen mit weiteren Anlagenteilen) auf. Die auftretenden statischen und bauartabhängig auch dynamischen Interferenzbelastungen können dabei, je nach vorherrschenden Betriebsbedingungen und zugehörigen Umweltparametern im Operationsbereich ein Vielfaches der theoretisch angenommenen, kumulierten Belastung der Kollektormoduleinheiten des Gesamtkraftwerksystems sein.
Eine detaillierte theoretische und experimentelle Beachtung/Berücksichtigung aller auftretender Interferenzen und deren Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Gesamtkraftwerkes, bzw. die daraus induzierte Verformung der einzelnen solaren Module und zusammengesetzter Moduleinheiten, wird so zur Auslegung und Dimensionierung zukünftig unerlässlich sein. Speziell durch diesen Optimierungsschritt lassen sich langfristig optimierte Wirkungsgrade durch minimale Verformung der eingesetzten Komponenten der Module und dieser selbst erzielen.
Technisch vergleichbare Maschinen, Anlagen oder Geräte, die bei gleichbleibendem Systemaufbau und der sich daraus ergebenden Geometrie in unterschiedlichen Betriebs- und/oder Anwendungsbereichen unter z. B. veränderlichen Orientierungswinkeln betrieben werden können, lassen meist eine individuelle Anpassung/Auslegung an/für jeden einzelnen Betriebspunkt der Maschine, Anlage/des Aufbaus oder des Gerätes zu. Diese Auslegung/Optimierung im Betriebsbereich wird in den seltensten Fällen rein unter Berücksichtigung theoretisch, statischer sondern fast ausschließlich unter Berücksichtigung realer, dynamischer Gesichtspunkte durchgeführt.
Hierfür sein als einfaches Beispiel das Flugzeug genannt. Dieses muss einer einzigen Systemkonfiguration – bei Anpassung entsprechend möglicher Systemparameter wie beispielsweise der Veränderung des Anstellwinkels und/oder dem Ausfahren zusätzlicher Klappenelemente – bei maximalem Gewicht starten, die Flugaufgabe energieeffizient erfüllen und unter reduzierter Last landen können – für mindestens fünfundzwanzig Betriebsjahre, meist allerdings für wesentlich längere Zeiträume.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in Abhängig der herrschenden, wechselnden Betriebsbedingungen und lokalen Umwelteinflüsse – insbesondere bei auftretenden, starken auch dynamischen Belastungen durch Wind – der solaren Kraftwerksysteme d. h. einzelner solarer Module und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, minimale Verformungen und Abweichungen vom idealen Trackingwinkel/Sonnenstandswinkel ein- oder zwei-axial nachgeführten Module und zusammengesetzter Moduleinheiten durch Umwelteinflüsse und somit einen maximalen Wirkungsgrad des Aufbaus für jede individuelle Betriebssituation/belastung sicherzustellen. Auf die einzelnen solaren Module und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten übertragen bedeutet dies, dass minimale Eigenverformungen der o. g. Klassen und weiterer Verformungsmechanismen im Operationsbereich auch für den realen Betriebsfall unter den möglichen auftretenden Betriebsrandbedingungen sichergestellt werden müssen.
Diese Aufgabe wird bei den Kollektormodulen und -aufbauten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen (3), welche direkt durch einen oder mehrere Anflanschungspunkte/Befestigungspunkte (2) fest und/oder lose mit dem Aufbau oder zusätzlich durch die Verwendung eines oder mehrerer Verbindungselemente (4) fest und/oder lose mit dem Aufbau verbunden und/oder durch mögliche Hilfsvorrichtungen (14) mittelbar oder unmittelbar am Aufbau montiert sein können, und in geeigneter Weise mit dem Betrieb des Aufbaus statisch und/oder gleichförmig oder ungleichförmig korreliert sind, je nach betriebsoptimaler Anforderung optimale Struktur- und/oder Momentenbelastungen für die einzelnen solaren Module als auch die zusammengesetzten Modelgruppen sicherstellen, welche Auslöser für die Eigenverformungen der o. g. Klassen im Operationsbereich sind und somit erhebliche Wirkungsgradminimierung zur Folge haben können. Durch die Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Vorrichtungen zur Aufnahme oder Befestigung fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe (5) lassen sich sowohl für den Betriebsfall als auch für die Sicherungsposition zusätzlich notwendige Strukturlasten und Momente zur Optimierung des Gesamtsystems einbringen. 1a zeigt einen möglichen Aufbau eines solarthermischen Kollektormoduls mit zwei dezentral montierten, erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Die Vorrichtung kann gemäß der zu erwartenden Belastungen als aktiver oder passiver Manipulator in einfacher und/oder auf den Anwendungsfall angepasster Geometrie ausgeführt sein und kann auf den Anwendungsfall bezogen, d. h. einzelne Kollektormodule und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, gleichförmig in fest montierter Bauweise oder in gleichförmig oder ungleichförmig korrelierter Weise zur Betriebsbewegung mitbewegt und/oder auch isoliert verfahren werden.
Die Vorrichtung kann bauartbedingt in einer Vorzugsrichtung d. h. um eine Hauptdrehachse der einzelnen Module oder zusammengesetzter Modulgruppen verfahren als auch um weitere Drehachsen und/oder nur um weitere Achsen des Systems in geeigneter Weise mit dem Betrieb des Aufbaus statisch und/oder gleichförmig oder ungleichförmig korreliert gefahren werden.
Im regulären, ungestörten Anlagenbetrieb sichert die starre und/oder bewegliche Vorrichtung im Verbund mit den einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten den optimalen Wirkungsgrad des Gesamtaufbaus der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module. Bei zunehmendem Einfluss der umweltrelevanten Parameter d. h. insbesondere bei zunehmendem Einfluss von Wind und in Abhängigkeit des jeweiligen Modulbetriebspunktes und den damit auftretenden Verformungen, Kräften und Momenten als Aktionskräfte, welcher im Ergebnis als leistungsmindernd wahrgenommen werden, können sowohl die mitbewegten starren Vorrichtungen, deren positiver Einfluss auf den Wirkungsgrad in vorherigem Optimierungsprozess sichergestellt werden muss, als auch die beweglichen Vorrichtungen, durch geeignetes Verfahren in die – den variierenden Umweltparametern optimal angepassten Weise – zur Wiederherstellung des optimalen Wirkungsgrades d. h. Aufbringen entsprechender Widerstandskräfte der einzelnen Module und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten genutzt werden.
Beispielhaft heißt dies für den Anwendungsfall, dass bei aufkommenden hohen Windgeschwindigkeit z. B. in einem Parabolrinnenkollektorfeld, welches aus Reihen zusammengesetzter Einzelkollektoren besteht die jeweils durch eine oder mehrere Verfahreinheiten bewegt werden, durch die Summation der jeweiligen, induzierten Einzeldrehmomente der Module unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Kennwert eine Verdrillung auftritt. Einzel für jedes Modul und für die zusammengesetzte Modulgruppe. Entsprechende Verdrillungswerte werden für die Module, welche sich in direktem mechanischem Anschluss eines Festlagers oder Antriebes/einer Verfahreinheit befinden, minimal sein. Diese ergibt sich aus der Verdrillung des einzelnen d. h. ersten Moduls am Festlager selbst. Mit zunehmender Modulzahl und dem damit zusätzlich induziertem Drehmoment werden die Verdrillungswinkel bei gleichartigen Kollektormodulen (und ggf. zusätzlich integrierten Anbauteilen) überproportional größer. Je nach auftretender statischer Windbelastung werden absolute Verdriflungswerte für die zusammengesetzten Moduleinheiten erreicht, die den individuellen Kollektorwirkungsgrad stark reduzieren oder gar zu Null werden lassen. Starre und/oder bewegliche Vorrichtung der o. g. Art würden für diesen Fall aktiv mitbewegt oder als passiver Manipulator entsprechende Widerstandskräfte und -momente (Erzeugung von Kräften und Momenten, die den ursächlichen Komponenten entgegengerichtet sind) erzeugen. Als Ergebnis ließen sich reduzierte Verdrillungen oder je nach Aufwand der Steuerung und Regelung der Vorrichtungen sogar keine Verdrillung und somit ein optimierter Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusammengesetzte Moduleinheiten erreichen.
Insbesondere die beweglichen Vorrichtungen können darüber hinaus, in Abhängigkeit auftretender Umweltparameter und hier insbesondere beim Übersteigen eines festgelegten oder variablen Schwellwertes, z. B. des Windanströmungsvektors, dazu genutzt werden, als passives Steuerungselement z. B. das Verfahren der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in Einzelkonfiguration oder in Feldkonfiguration in eine vorher bestimmte Position, meist zur Sicherung des Gesamtaufbaus, genutzt werden. Im Vergleich zu den bisher in Betrieb befindlichen Systemen, welche ihre Antriebssysteme leistungsmäßig an den Betriebszustand maximal auftretenden Kräfte auslegen, kann so unter Nutzung des auftretenden Windanströmungsvektors, in Kombination mit den im Operationsbereich gleichförmig oder ungleichförmig beweglichen Vorrichtungen, und den so dynamisch erzeugten Kräften und Momenten, auf einen Antrieb ggf. generell verzichtet werden. Die auftretenden umweltspezifischen Reaktionskräfte überkompensieren für diesen Fall die Reaktionskräfte. Es wird dann lediglich eine Bremse zur Arretierung eines einzelnen Kollektormoduls bzw. daraus zusammengesetzter Modulgruppen in einer vorher bestimmten Position benötigt.
Für den beispielhaften Anwendungsfall heißt dies, dass bei aufkommenden hohen Windgeschwindigkeit z. B. in einem Parabolrinnenkollektorfeld, welches aus Reihen zusammengesetzter Einzelkollektoren besteht die jeweils durch eine oder mehrere Verfahreinheiten bewegt werden, durch das aktive Verfahren eines Manipulators Drehmomente, welche die durch den Antrieb erzeugten Momente unterstützen, erzeugt werden können, so dass entsprechende Moduleinheiten/zusammengesetzte Modulgruppe teilweise ohne oder ganz ohne zusätzlichen Antrieb in ihre Sicherungsposition (Endanschlag) gefahren werden kann.
Bauartbedingt können solare Kraftwerkssysteme je nach geometrischem Aufbau d. h. unter Verwendung spezieller, reflektierender und/oder absorbierender Module und deren Befestigungs- und Halterungssysteme nicht nur durch statische Kräfte und damit einhergehende Verformungen beeinträchtigt sein, wie dies in den bisherigen Absätzen beschrieben wurde, sondern auch durch instationäre Kräfte und/oder instationäre Schwingungsanregung beinträchtig sein. Angeregt werden diese Aufbauten im Wesentlichen durch Wechselwirkung der Geometrie mit den Umwelteinflüssen. Beispielhaft sei hier die instationäre Ablöseneigung an unterschiedlichen geometrischen Körpern, im einfachsten Fall einer Platte oder z. B. eines Kreiszylinders genannt. Wirkungsgradverluste treten dabei vor allem durch die Schwingungsanregung durch dynamische Kräfte und die damit einhergehende dynamische Verformung der Module und/oder zusammengesetzten Modulgruppen auf.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, in starrer oder flexibler Weise, passiv mitbewegt oder aktiv angesteuert, kann die auftretenden dynamischen Effekte in Analogie zur bereits für den statischen Fall dargestellten Funktionsweise stark unterdrücken oder ggf. vollständig verhindern. Durchgeführte Versuche für solarthermische als auch photovoltaische Anwendungen zeigen reduzierte Wechsellasten von über 90%. 5 zeigt dies exemplarisch für ein Heliostaten und/oder PV System. Entsprechende Vorrichtung (1a), Teilkörper a, verhindert im gefährdeten Elevationswinkelbereichen beta durch Strömungsumlenkung die dynamische Ablösung an der Vorderkante des Aufbaus und damit die einhergehende Schwingungsanregung des Gesamtaufbaus. Durch zusätzlich bewegte (passiv oder aktiv) Vorrichtungen (1b), Teilkörper b, lassen sich die durch die Umströmung des Gesamtaufbaus entstehenden dynamischen Struktur- und Momentenlasten für den Betriebsbereich und in der Sicherungsposition vollständig unterdrücken. Die Vorrichtungen (1c), Teilkörper c, stabilisieren das Gesamtsystem bzw. den Nachlauf des Gesamtsystems und sorgen somit dafür, dass die ablösende Strömung möglichst keine dynamischen Effekte auf die benachbarten oder im Nachlauf befindlichen Systeme ausüben kann.
Für alle Anwendungen zur Optimierung solarer Module können eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Entsprechende Möglichkeit des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den vorangegangenen Absätzen beschrieben worden und wird anhand der im Anhang dargestellten Figuren nochmals exemplarisch als Ausführungsbeispiele dargestellt.
Aus der bisherigen funktionalen Beschreibung des Einsatzes der Vorrichtung mit zugehörigen exemplarischen Ausführungsbeispielen wird deutlich, dass im durch die Vorrichtung und zusätzliche Verbindungselemente ein nahezu vollständiger Schutz der solaren Module in Kraftwerksanlagen erreicht werden kann. Neben erhöhter Systemsicherheit ergibt sich dadurch vor allem auch die Möglichkeit des einfacheren Systemaufbaus und des stark optimierten Anlagenbetriebs.
Um diese Vorteile vollumfänglich nutzen zu können, ist es notwendig, bereits während der konzeptionellen Planungsphase des solaren Kraftwerks das mögliche Optimierungspotential abzuschätzen und dies direkt in die Konstruktion und den späteren Aufbau mit einzubringen. Untersuchungen zur Abschätzung der Wirkung des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung am späteren einzelnen Modul und/oder zusammengesetzter Modulgruppen können bereits in der Planungsphase des solaren Kraftwerkes im Modellmaßstab durchgeführt werden. Ähnlich wie in der Entwicklung von Luftfahrzeugen können so qualitative als auch quantitativ Bemessungs- und Auslegungsgrundlagen erarbeitet werden. Entsprechende Ergebnisse werden neben Erkenntnissen zur phänomenologischen Wirkung der Vorrichtung vor allem auch Aufschluss über das mögliche quantitative Optimierungspotential der einzelnen Module und zusammengesetzter Modulgruppen gegenüber nicht optimierten Anlegen ergeben.
In der technischen Ausführung kann die Vorrichtung direkt und/oder unterstützt durch mögliche Hilfsvorrichtungen unmittelbar oder mittelbar fest und/oder flexibel mit dem Aufbau verbunden werden. Hierbei lässt sich die Vorrichtung oder ggf. auch mehrere Vorrichtungen auch in Kombination mit zusätzlichen Verbindungselementen in beliebiger Orientierungsrichtung bzw. unterschiedlichen Achsen montieren. Diese können, müssen aber nicht zwangsweise mit der Bewegungsachse oder den Bewegungsachsen der solaren Module oder der zusammengesetzten Modulgruppen übereinstimmen.
Im Einsatz kann die Vorrichtung, welche als eine wesentliche Funktion die Beeinflussung der Strömung um das solare Modul und zusammengesetzter Modulgruppen hat, als starre Ausführung vorgesehen werden, die starr am solaren Modul befestigt ist und sich analog zur Bewegung des solaren Moduls mitbewegt. Im Betrieb der solaren Module werden durch die Veränderung des Anlagenwinkels in einer oder mehrerer Drehachsen aufgrund der Änderung des Sonnenstandswinkels und entsprechender Nachführung durch den umweltspezifischen Einfluss und dessen Änderung je nach Winkelposition unterschiedliche Aktionskräfte auf das solare Modul ausgeübt. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als aktive Vorrichtung ist daher als Variante sehr sinnvoll.
Die Vorrichtung kann grundsätzlich in Bezug auf die Grundachsen des Systems symmetrisch oder unsymmetrisch aufgebaut sein. Messungen an Prototypen haben gezeigt, dass gerade der unsymmetrische Aufbau dem symmetrischen gegenüber wesentliche Vorteile in Bezug auf die durch umweltspezifische Einflüsse induzierten Last- und Momenten und auch die entstehenden Reaktionskräfte und -momente hat. In Erweiterung der unsymmetrischen Ausführung können die Vorrichtung und/oder Varianten der Vorrichtung in ihrer Geometrie und Höhe variabel ausgeführt und/oder am solaren Modul oder eine Hilfsvorrichtung montiert sein. Durch zusätzliche Hilfsvorrichtungen kann die Höhe der Aufhängung variabel an den Lastfall angepasst bzw. variiert werden. Diese Ausführung kann vor allem die nicht gleichförmige Anströmung d. h. Unterschiede in der Anströmungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Anströmungshöhe (Bodengrenzschichtbildung hat erheblichen Einfluss auf die Anströmungsbedingungen), die gleich der jeweiligen Höhe des solaren Moduls sein kann, kompensieren.
Die Verwendung von Leichtbaustrukturen und die dafür eingesetzten modernen Verbundmaterialien garantieren maximale Optimierungswirkung bei minimaler zusätzlicher Struktur- und Momentenlast durch den Aufbau selbst. Einfachste Systeme können darüber hinaus auch aus metallischen Wertstoffen oder Kunststoffen als natürlich auch aus Kombinationen beider hergestellt werden. Wetterfeste und UV-beständige Materialien garantieren darüber neben der möglichen mechanischen Stabilität auch lange Lebenszyklen und hohe Verfügbarkeit des Schutzes.
Die technische Ausführung der Vorrichtung lässt sich dabei wie bereits beschrieben individuell an den zu erwartenden Lastfall und die auf diesen bezogenen Reaktionslasten und -momente anpassen. Durch gestalterische Ausführungsdetails lässt sich die Vorrichtung darüber hinaus d. h. die Montage am solaren Modul und/oder Hilfsvorrichtungen des solaren Moduls als zusätzliches Versteifungselement, mit der Möglichkeit der Anpassung der räumlichen Lage durch mögliche Verformung durch den Einfluss des umweltspezifischen Einflusses als auch aktive Stellkomponenten einsetzen.
Als Beispiel einer technischen Ausführung kann hier wiederum das Flugzeug herangezogen werden. Durch den Einsatz von miniaturisierten Hinterkantenklappen, welche für den Fall von Start und Landung d. h. in den Hochauftriebsphasen an den Hinterkanten der Klappen ausgefahren werden, kann die Verwindungssteifigkeit der hochbelasteten Klappen bei gleichzeitiger, starke Auftriebssteigerung stark vergrößert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich bei der Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Verbindungselemente und ggf. einer oder mehrerer zusätzlicher Verbindungselemente zur Befestigung dieser, die einzeln oder als Gesamtstruktur am solaren Modul montiert werden können, gegen nahezu alle Umwelteinflüsse im Betrieb und darüber hinaus ebenfalls in möglichen Schutzpositionen schützen.
Hierbei soll exemplarisch die Möglichkeit der Kombination einer starren, vollflächigen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben wurde, in Kombination mit zusätzlichen Verbindungselementen betrachtet werden. Diese lassen sich einzeln und im Verbund als Schutz (Klappe oder Einwicklung) der Module nutzen, so dass diese außer gegen Wind z. B. auch gegen die im Wind mittransportierten Gegenstände/Medien, Hagel und sogar möglicherweise sogar gegen die solare Einstrahlung (UV Schutz) geschützt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einzeln oder in Kombination mit zusätzlichen Verbindungselementen segmentiert und in unterschiedlichen geometrischen Ausführungsformen ausgeführt sein. Durch Integration von Folien-, Sieb-, Netz- oder Zaunelemente, die zudem in horizontaler und vertikaler Achse segmentiert und/oder in inhomogener Ausführung gestaltet sein können, wird zudem die individuelle Einstellung der Wirkfläche der Vorrichtungen an den zu erwartenden Lastfall, d. h. die zu erwartende Windbelastung ermöglicht. Sowohl in Höhenrichtung als auch in Strömungsrichtung lassen sich mehrere Elemente miteinander kombinieren, um optimale Wirkung bei geringstmöglichem Strukturgewicht zu erzeugen.
Aus strömungstechnischer Sicht wirken sich gerade Inhomogenitäten und Nicht-Symmetrien im Aufbau der einzelnen solaren Module und/oder zusammengesetzter Modulgruppen und an diesen mittelbar oder unmittelbar montierten Vorrichtungen positiv auf die Optimierung des Wirkungsgrades und die Stabilisierung des Betriebs aus.
Die Verwendung von Vorrichtungen selbst und/oder der Befestigungspunkte der Vorrichtungen an den horizontalen und vertikalen Rändern der Module bieten zusätzlichen Schutz und Funktionalität.
So lassen sich die Vorrichtungen gezielt zur Reduzierung oder kompletten Versperrung der Bodenfreiheit des Moduls in den unterschiedlichen Bewegungsachsen nutzen. Entsprechend der Geometrie und Ausführung der Vorrichtung kann diese dabei ebenfalls als mechanischer Anschlag, Puffer oder Dämpfer verwendet werden. Durch die asymmetrische Gestaltung der Vorrichtung kann diese darüber hinaus in Kombination d. h. bei Nutzung des eigenen Aktuators oder durch Nutzung des Antriebes des solaren Moduls selbst zur Herstellung/Wiederherstellung des Bodenabstandes z. B. bei Versandung oder Ablagerung granularer Medien bzw. zum Verschieben/Transport von Gegenständen im Wirkungsbereich des Moduls verwendet werden.
Neben der Sicherstellung des Schutzes der absorbierenden und/oder reflektierenden Module können die Vorrichtungen und auch Hilfsvorrichtungen zur Aufnahme und/oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen auch zur achsparallelen Führung von Diagnose-, Mess- und Regelsystemen als auch für die Reinigung der Flächen entsprechender Module genutzt werden. Darüber hinaus ist die Vorrichtung auch als Führung und/oder zur Positionierung von Systemen, die nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Moduls befindlich sind, nutzbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche, wie vorab beschrieben, auch in Teilkörpern bzw. Teilflächen ausgeführt sein kann, lässt sich im einfachsten Fall als einfache, ebene Platte ausführen. Diese wird über einen oder mehrere Befestigungspunkte unmittelbar oder durch eine Hilfsvorrichtung mittelbar starr oder schwenkbar d. h. beweglich am solaren Modul befestigt.
Aus der Strömungsmechanik ist bekannt, dass in Abhängigkeit der Anströmungsbedingungen bzw. Umströmungsbedingungen bezogen auf die erfindungsgemäße Vorrichtung d. h. Lage und/oder Orientierung der Vorrichtung, im Beispiel also der ausgeführten einfachen, ebenen Platte, in Bezug auf den Anströmungsvektor die Umströmung nur in einem sehr eingeschränkten Bereich d. h. bei sehr geringen Winkelabweichungen der Plattenlängsausrichtung zur Anströmungsrichtung beidseitig an der Platte anliegen und somit maximale Stabilisierung der Umströmung und die damit verbundenen Reaktionskräfte einhergehen. Außerhalb dieses Winkelbereiches löst die Strömung beim Auftreffen auf die „scharfe” Kante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ab und es entsteht ein Gebiet abgelöster Strömung anstatt der potentiellen beschleunigten Strömung, die üblicherweise auf der sog. Saugseite herrschen würde. Daraus folgt, dass, zur weiteren Ausweitung und Optimierung der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, diese ergänzt und/oder in der Gesamtheit in unterschiedlichen geometrischen Formen ausgeführt sein kann. Beispielsweise sei hier als Form der Kreiszylinder genannt, welcher ein unkritisches Abreißen der Strömung in einem weiteren Variationsbereich des möglichen Anströmungsvektors der Strömung und erfindungsgemäßer Vorrichtung sicherstellen würde. Darüber hinaus lassen sich aber auch alle erdenklichen Standard- als auch spezielle Profilgeometrien nutzen, um im gesamten Operationswinkelbereich der solaren Moduls eine stabile Umströmung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen und dabei ggf. zusätzlich maximale Reaktionsmomente hervorzurufen d. h. zum Beispiel durch den Einfluss von Wind sicherzustellen. Je nach Aufbau und den zu erzeugenden Reaktionskräften am solaren Modul kann die einfache, ebene Platte dabei auch segmentiert ausgeführt sein. Zusätzlich kann durch die Verwendung von Inhomogenitäten wie beispielsweise dem Einbringen von Lochungen und/oder der Integration von Zaunoder Siebstrukturen das Verhältnis von Strömungsumlenkung zur Durchströmung der jeweiligen einfachen, ebene Platte variiert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei, wie bereits vorab beschrieben auch ungleichförmige Streckung und/oder Form in Bezug auf die entsprechenden Raumrichtungen der Ausrichtung besitzen. Als praktisches Ausführungsbeispiel kann hier ein starres oder flexibles Klappenelement angenommen werden, welches auf der sog. Saugseite eines Parabolrinnenkollektors d. h. auf der Seite konvexer Krümmung montiert wird, um die Strömung in Abhängigkeit der Betriebsparameter gezielt zu stabilisieren und zu führen oder aber die Lage des Strömungsabrisses zu fixieren und dadurch eine Stabilisierung und Optimierung der Umströmung sicherzustellen. Hierbei können, wie beschrieben, einzelne Teile der Klappe aus inhomogenen Materialien ausgeführt sein. Die Verwendung unterschiedlicher Geometrien und deren Kombination ermöglicht die Einstellung einer individuellen Stabilisierung des solaren Moduls und somit eines maximalen Schutzes.
Ergänzt werden kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einfacher oder spezieller geometrischer Ausführung durch zusätzliche Verbindungselemente, welche wiederum nicht in homogener sondern beispielsweise durch die Integration von Sieb- oder Zaumelementen mit zusätzlicher Möglichkeit der teilweisen Durchströmung ausgerüstet sein können. Dies optimiert und stabilisiert die Strömung zusätzlich. Zusätzlich besteht bei der Verwendung z. B. einfacher Schutznetze als Verbindungselemente, dass das solare Modul sich durch eigene Drehung im Operationsraum in diese Verbindungselemente eindreht und somit von äußeren Umwelteinflüssen nahezu vollkommen geschützt ist.
Als praktisches Ausführungsbeispiel kann hier aber z. B. auch die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kreiszylinder zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt ist, genannt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so, gemäß Anforderung im Feld der solaren Module, mit zusätzlicher Masse ausgerüstet werden und durch die Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente wie beispielsweise einen Windschutzsieb in unterschiedlichen Höhen an der horizontalen Tragstruktur eines Heliostaten aufgehängt werden. Die Umströmung des Heliostaten wird dadurch, je nach Elevationswinkel des solaren Moduls und der sich dabei einstellenden Bodenfreiheit, stark abgeändert und stabilisiert. Lasten und induzierte Drehmomente sinken deutlich.
Die im Rahmen der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. deren Wirkung d. h. der Stabilisierung und der damit einhergehenden Optimierung der Umströmung und des Schutzes der solaren Module dargestellte Verwendung bzw. Anwendung der Vorrichtung bezieht sich zum einen auf die solaren Module selbst, zum anderen auf den Operationsbereich der einzelnen solaren Module und letztendlich auch auf den Anwendungsbereich im Kraftwerksfeld der solaren Module.
Bei der Betrachtung einzelner solarer Kraftwerke und gesamter Kraftwerksfelder fällt auf, dass sich primär durch lokale Modifikationen z. B. durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne solare Module stabilisieren und schützen lassen und diese somit einen optimierten Betrieb erfahren. Insbesondere in den gefährdeten Bereichen entsprechender Kraftwerksfelder lassen sich damit deutliche Gewinne im Wirkungsgrad und ein generell optimierter Betrieb bezogen auf einzelne, solare Module erreichen.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschränkt sich dabei, bezogen auf das einzelne solare Modul, auf den Operationsbereich des solaren Moduls. Dies bedeutet zum einen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung direkt d. h. unmittelbar starr und/oder flexibel am solaren Modul befestigt werden kann. Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung direkt oder durch eine oder mehrere Hilfsvorrichtungen mittelbar am solaren Modul bzw. im Operationsbereich des solaren Moduls zu befestigen. Hierbei umfasst der Operationsbereich des solaren Moduls typischerweise den Bereich, den das Zweifache des jeweils längsten Grundabmaßes d. h. der Referenzlänge aus Länge, Breite oder Höhe und/oder Durchmesser oder Radius des Moduls überstreichen würde, unabhängig von der jeweils einen oder mehreren Drehachsen des solaren Moduls in den möglichen, unterschiedlichen Raumrichtungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und Unteransprüchen, in welchen – unter Bezugnahme auf die Zeichnung – besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Zeichnungen 1 bis 7 beschreiben typische Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an beispielhaften solaren Modulen. Zeichnung 8 zeigt zwei mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als einfache ebene und profilierte Platte an einem solarthermischen Kollektormodul.
1a/b zeigen in der Seitenansicht beispielhaft den Aufbau einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) zur Optimierung einzelner solarer Module und zusammengesetzter Modulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind in an Modul befestigter, starrer mitbewegter (Teilkörper a) und beweglich gleichförmiger oder ungleichförmiger Weise mitbewegter (Teilkörper b) Montage. In der Schutzposition der einzelnen solaren Module und zusammengesetzter Modulgruppen wirkt die Vorrichtung (1b), Teilkörper b als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Vorrichtung (1a), Teilkörper a sorgt für eine gleichbleibende, optimierte und stabilisierende Umströmung der Kollektoroberkante. In einer ausgewählten Betriebsposition sorgt Vorrichtung (1b), Teilkörper b für eine Minimierung der Unterströmung und damit einhergehenden geringeren Strukturlasten sowie vor allem Drehmomenten des Kollektorsystems; parallel dazu erzeugt Vorrichtung (1a), Teilkörper a durch zusätzliche Strömungsumlenkung ein Gegendrehmoment. Hierdurch werden optimierte Eigenverformungen des Gesamtsystems bei höchstmöglichem Wirkungsgrad garantiert.
2a/b zeigt in der Seitenansicht den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) zur Optimierung einzelner solarer Module und zusammengesetzter Modulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind, in mittelbar am solaren Modul befestigter beweglich ungleichförmiger Weise mitbewegter Montage. Hierbei ist die Vorrichtung (3) durch eine bodenmontierte Hilfsvorrichtung (13) im Wirkungsbereich des solaren Moduls montiert. In der Schutzposition der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen wirkt die Vorrichtung als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Im Operationsbereich wird diese in ungleichförmiger Weise so mitbewegt, dass bei minimaler Beeinträchtigung, z. B. durch Verschattung, eine optimierte und stabilisierende Wirkung an Schutz vor Umwelteinflüssen, z. B. Wind und in der Strömung mitbewegter Teilchen, realisiert wird.
3a zeigt in der Seitenansicht den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) in der Sonnenaufgangskonfiguration als Teilabbildung I und der Schutzkonfiguration als Teilabbildung II. Einzelne oder mehrere Verbindungselemente (4) werden zusammen mit der Vorrichtung (3) zur Optimierung, welche als Vorrichtung zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt ist (5), an unterschiedlichen Befestigungspunkten (2) am einzelnen solaren Modul, welches als Konstruktion aus Fachwerk, einer Unterstützungsstruktur und den eigentlichen Spiegeln ausgeführt ist, befestigt. Das Unterströmen des Kollektorsystems ist sowohl für den Fall des normalen Betriebs als auch in der Windschutzposition ganz oder teilweise verhindert. Durch den Füllgrad der Vorrichtung zur Aufnahme der Stoffe (5) lassen sich Form und Masse des Schutzes nahezu beliebig variieren. In funktionaler Abhängigkeit des Versperrungsgrades der Vorrichtung zur Aufnahme gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe und des entsprechenden Füllgrades ändert sich somit ebenfalls der Schutz vor Windlasten unterschiedlicher Niveaus. Zusätzlich ergibt sich durch die Möglichkeit, das Volumen der Vorrichtung zur Aufnahme gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe den Windschutz als Speicher und mit einem Speicher in Zusammenhang stehende Verfahren zu nutzen. Im einfachsten Fall kann die Vorrichtung (5) zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe auch als einfaches Masseelement ausführen.
3b: Teilzeichnung II zeigt die Nutzung der Vorrichtung (3) in Kombination mit mehreren Verbindungselementen (4), welche durch mehrere Befestigungspunkte (2) mit dem solaren Kollektor verbunden sind. Durch das Eindrehen des Kollektors in die Verbindungselemente (4) in Kombination mit der Vorrichtung (3) zur Optimierung wird ein Schutz sowohl für den Kollektor als auch seine Anbauteile gewährleistet. Im Ausführungsbeispiel sorgt die Vorrichtung zur Aufnahme oder Befestigung fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe (5)
4a/b zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) an einem solaren Modulsystem bestehend aus einem Torsionsrohr und dem eigentlichen Spiegel in einer allgemeinen Betriebskonfiguration in der Seitenansicht (Teilzeichnung I) und in der rückwärtigen Ansicht (Teilzeichnung II). Ein Verbindungselement (4), welches beispielhaft als Gitterstruktur ausgeführt ist, wird zusammen mit der Vorrichtungen zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe (5) an drei Befestigungspunkten (2) am Torsionsrohr des Kollektorelementes befestigt. Durch den Füllgrad der Vorrichtung zur Aufnahme der Stoffe lassen sich Form und Masse des Schutzes nahezu beliebig variieren. In funktionaler Abhängigkeit des Versperrungsgrades der Vorrichtung zur Aufnahme gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe und des entsprechenden Füllgrades ändert sich somit ebenfalls der Schutz vor Windlasten unterschiedlicher Niveaus. Ein Unterströmen des Kollektors wird ganz oder teilweise verhindert. Zusätzlich ergibt sich durch die Möglichkeit, das Volumen der Vorrichtung zur Aufnahme gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe den Windschutz als Speicher und mit einem Speicher in Zusammenhang stehende Verfahren zu nutzen. Im einfachsten Fall kann die Vorrichtung zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe auch als einfaches Masseelement ausführen.
5a/b/c zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtungen (3) an einem solaren Modulsystem bestehend aus einem Torsionsrohr und dem eigentlichen Spiegel in einer allgemeinen Betriebskonfiguration zentral montiert in der Seitenansicht (Teilzeichnung I), dezentral montiert (Teilzeichnung II) und in der rückwärtigen Ansicht des Gesamtaufbaus (Teilzeichnung III). Die zentral und dezentral montierten Vorrichtungen sind beispielhaft als Gitterstruktur eines mittleren Versperrungsgrades von 30% ausgeführt. Sie lassen sich unmittelbar am solaren Modul, wie im Beispiel dargestellt, oder mittelbar durch eine zusätzliche Hilfsvorrichtung (13) montieren. Die Vorrichtungen können darüber hinaus als Vorrichtungen einfacher Massenelemente und/oder zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe (5) ausgeführt sein. Die rückwärtige Ansicht des Aufbaus zeigt als Ausführungsbeispiel am Kollektormodul montierte, segmentierte Optimierungsvorrichtungen in starrer mitbewegter (Teilkörper a) und beweglich gleichförmiger oder ungleichförmiger Weise mitbewegter (Teilkörper b). Am Beispiel der rückwärtigen Ansicht wird besonders deutlich, dass alle eingesetzten Teilkomponenten d. h. die erfindungsgemäße Vorrichtung (3), welche als Vorrichtungen zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe (5) ausgeführt ist, und das Verbindungselement (4) segmentiert und in inhomogener Weise, hier durch die Verwendung von Gitterstrukturen, ausgeführt sein können. In der Schutzposition der einzelnen solaren Module und zusammengesetzter Modulgruppen wirkt die Vorrichtung (Teilkörper b) als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Vorrichtung (Teilkörper a) sorgt für eine gleichbleibend optimierte und stabilisierende Umströmung der Kollektoroberkante. In einer ausgewählten Betriebsposition sorgt Vorrichtung (Teilkörper b) für eine Minimierung der Unterströmung und damit einhergehenden geringeren Strukturlasten sowie vor allem Drehmomenten des Kollektorsystems; parallel dazu erzeugt Vorrichtung (Teilkörper a) durch zusätzliche Strömungsumlenkung ein Gegendrehmoment. Vorrichtung (Teilkörper c) sorgt je nach Anströmungsrichtung für eine gleichförmige Umströmung der jeweiligen Ober- und Unterseite des solaren Kollektors bei reduzierter oder vollständig unterdrückter dynamischer Strömungsablösung. Hierdurch werden optimierte Eigenverformungen des Gesamtsystems bei höchstmöglichem Wirkungsgrad garantiert.
6a/b/c zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem solaren Modulsystem bestehend aus einer Aufhängung/Drehachse und den reflektierenden und/oder absorbierenden Flächen in einer allgemeinen Betriebskonfiguration in der Seitenansicht mit frontseitigem Wind (Teilzeichnung I) und rückwärtigem Wind (Teilzeichnung II). Die dezentral montierten erfindungsgemäßen Vorrichtungen (3) befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite sowie an der Ober- und der Unterkante (übertragen auf einen dreidimensionalen Aufbau zusätzlich ggf. auch an den beiden Rändern) des solaren Modulsystems und lassen sich als starrer mitbewegte, beweglicher und/oder in gleichförmiger oder ungleichförmiger Weise mitbewegter Form ausführen. Sie können segmentiert sein. In den unterschiedlichen Anströmungspositionen lassen sich diese durch die auftretenden Windkräfte ggf. auch passiv verfahren. Je nach ausgeführter Versperrung sorgen sie für zusätzliche oder verminderte Ventilation und haben somit erheblichen Einfluss auf die in den unterschiedlichen Achsen auftretenden Drehmomente des Aufbaus. Die bodennah montierte Vorrichtung (1a) (Teilzeichnung I, Teilkörper a) sorgt für den Fall der Anströmung unter Anströmungs- und/oder Schiebewinkel für ein unkritisches Abreißverhalten der Strömung d. h. geringen instationäre Effekte an der Vorderkante. Aufgrund des großen, relativen Hebelarms zur Drehachse haben hier ansonsten schon sehr kleine angreifende Kräfte große Auswirkungen auf das entstehende Drehmoment und die Verformung der Struktur d. h. den Aufbau. Vorrichtung (1c) (Teilzeichnung I, Teilkörper c) sorgt in der regulären Betriebskonfiguration für die Stabilisierung des Kollektorsystems und für den Fall der Sicherungsposition für geringstmögliche Strukturbelastungen und Drehmomente. Alle Vorrichtungen lassen sich ebenfalls segmentiert und als Gitterstruktur ausführen. Einzeln oder zusammen lassen sich die Vorrichtungen (1a/b) (Teilzeichnung III, Teilkörper a und b) als Hilfsvorrichtung zur Führung (14) und/oder Unterstützung für zusätzliche Einrichtungen und Geräte (8), welche sich nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Moduls befinden, nutzen.
Bezugszeichenliste

1a: Teilkörper a
1b: Teilkörper b
1c: Teilkörper c
1e: Teilkörper e
2: Befestigungspunkt
3: erfindungsgemäße Vorrichtung
4: Verbindungselement
5: Vorrichtung zur Aufnahme und/oder Befestigung
6: Drehachse
7: solares Modul
8: abnehmbares Gerät
9: Kreiszylinder
10: Verkleidung
11: ebene Platte
12: profilierte Platte
13: bodenmontierte Hilfsvorrichtung
14: Hilfsvorrichtung zur Führung

Claims

Vorrichtung zum Schutz und zur Optimierung solarer Module gegen diversifizierte Umwelteinflüsse, insbesondere Wind und mit dem Wind mitbewegten Partikel und Gegenstände, welche aus einem oder mehreren Teilkörpern (1) bestehen kann, die durch einen oder mehrere Befestigungspunkte (2) direkt oder durch eine Hilfsvorrichtung (4) unmittelbar oder mittelbar am absorbierenden und/oder reflektierende solaren Modul (7) befestigt ist/sind und zusätzlich durch einfache oder mehrfache Verbindungselemente (4) zu ergänzen sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Vorrichtung (3) im Operationsbereich des solaren Moduls gleichförmig oder ungleichförmig zur eigenen Systembewegung mitzubewegen bzw. zu bewegen ist und in Reaktion des statischen und/oder dynamischen Einflusses der jeweiligen Umweltbedingungen, z. B. Wind den Betrieb des solaren Moduls schützt und/oder stabilisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erzeugte Kräfte und/oder Momente in Richtung oder entgegen der Richtung des ursächlichen Umwelteinflusses wirken können.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese starr oder flexibel montiert werden kann.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese symmetrisch oder unsymmetrisch zum solaren Modul aufgebaut sein kann und dabei selbst sowohl eine gleichförmige oder ungleichförmige Geometrie in einer oder mehreren Raumrichtungen aufweisen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einer oder mehreren zusätzlichen Achsen montiert und bewegt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese unter Last d. h. durch einwirkende Umwelteinflüsse ihre Geometrie und/oder Lage verändern kann.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese segmentiert ausgeführt sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese im Wirkungsbereich des Kollektors statisch höhenvariabel oder durch die Eigenbewegung oder Kollektorbewegung dynamisch höhenvariabel ausgeführt sein kann.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einer oder mehreren Achsen die Steifigkeit/en des solaren Moduls ändern kann.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Leichtbaukomponenten und -werkstoffen (z. B. CFK, GFK, Aluminium und deren Verbundaufbauten) aufgebaut sein kann. Alternativ können auch kostengünstige Alternativen der Vorrichtung aus metallischen Werkstoffen und/oder Kunststoffe eingesetzt werden.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit zusätzlichen Verbindungselementen (4) verbunden werden kann.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Variation des Versperrungsgrades inhomogen aufgebaute sein können; durch die Integration von Spalten, Schlitzen, Lochungen und/oder die Integration von Folien-, Netz-, Sieb- oder Zaunelemente unterschiedlichen Versperrungsgrades lassen sich beliebige Kombinationen an Versperrung ausführen.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Vorrichtung (5) zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand der festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffe oder die Gewichtslast der zu befestigenden festen Stoffe individuell nach zu erwartendem Lastfall im Operationswinkelbereich bzw. entsprechenden Reaktionskräften und Momenten auf die Umwelteinflüsse eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch die Integration zusätzlicher Hilfsvorrichtungen (13/14) und/oder selbst als Führung und/oder Unterstützung für zusätzliche Einrichtungen und Geräte (8), welche sich nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Moduls befinden wie beispielsweise zur Wartung, Reparatur, Reinigung und/oder Messeinrichtungen dienen.