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Die Erfindung bezieht sich auf eine in Wasser schwimmende Photovoltaikanlage mit zumindest einer Photovoltaikeinheit, die mittels zumindest eines Schwimmkörpers auf der Wasseroberfläche gelagert ist, und mit einer Gewichtsvorrichtung, deren in das Wasser gerichtete Gewichtskraft GW der Kompensation von einer an der Photovoltaikanlage vom Wasser weggerichtet angreifenden Lastkraft GL dient und die mit der Unterseite der Photovoltaikanlage fest verbunden und vom Wasser unterhalb der Photovoltaikanlage vollständig umgeben ist.
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Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) werden in der Regel konstruktiv auf einem festen Untergrund, in der Regel einer Dachhaut, ortsfest montiert. Schwimmende PV-Anlagen sind einerseits relativ leicht im Aufbau, damit sie keinen zu großen Abtrieb im Wasser haben und von Schwimmkörpern im Wasser getragen werden können, und andererseits schwer ortsfest zu montieren, da sie nicht im Wasser konstruktiv aufgeständert werden. Die PV-Anlage liegt auf (oder in) der Wasseroberfläche und bewegt sich auch mit dieser. Als einwirkende äußere Lasten treten Wellenkräfte, die zu unzulässigen Durchbiegungen in beiden Richtungen oder sogar zu einem Umklappen der PV-Anlage führen können, und beim Überstreichen des Windes über die PV-Anlage Windsogkräfte, die zu einer unzulässigen Durchbiegung nach oben oder sogar zum Abheben der PV-Anlage führen können, auf. Zu Vermeidung derartiger unzulässiger Bewegungen der schwimmenden PV-Anlage wurden verschiedene Lösungen konzipiert.
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Stand der Technik
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Aus der
CH 701 870 A2 ist eine PV-Anlage bekannt, die auf einem Staubecken mit stark schwankendem Wasserstand schwimmt. Zur Strammhaltung einer Verankerung über Seile, umfasst die Verankerung ein Gegengewicht und eine Umlenkrolle. Die Umlenkrolle befindet sich unterhalb von Schwimmkörpern der PV-Anlage in der Wasseroberfläche und unterliegt den Höhenschwankungen des Staubeckenwassers. Die Seile bleiben dabei durch das Gewicht am freien Seilende immer stramm über die Umlenkrolle gezogen. Das andere Seilende ist in einem Bodenanker befestigt (vergleiche
3a,
3b ebenda).
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Eine schwimmende PV-Anlage in Form einer ganzen Insel ist aus der
DE 10 2007 029 921 B3 bekannt. Diese ist zentral über Ankerleinen und Bodenanker ortsfest positioniert. Getragen wird die Insel durch mindestens drei Schwimmkörper, die zum Ausgleich einer unterschiedlichen Beladung der Insel und zur Erhöhung der Stabilität bei Seegang mit Wasser geflutet und wieder entleert, d. h. mit Luft ausgeblasen werden können (vergleiche
1a ebenda). Ein ähnliches Prinzip ist aus der
DE 10 2006 019 753 A1 bekannt. Unterhalb einzelner PV-Einheiten einer PV-Anlage befinden sich unten offene Tauchkörper, die mit Wasser gefüllt sind. Zur Schrägstellung einzelner PV-Einheiten werden die entsprechenden Tauchkörper von oben mit Luft gefüllt und dadurch das Wasser ausgetrieben, wodurch sich die Auftriebskraft der Tauchkörper vergrößert (vergleiche
1,
2 ebenda), die Tauchkörper im Wasser aufsteigen und die jeweilige PV-Einheit gegenüber einem Scharnier anheben und schrägstellen. Die PV-Anlage wird auf ihrer Unterseite über entsprechende Zugseile und Anker ortsfest über dem Boden eines Gewässers verankert.
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Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der
JP 2009-202697 A offenbart. Beschrieben wird eine schwimmende Photovoltaikanlage mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten (Solarzellenmodule), die gemeinsam auf einer Tragplatte angeordnet sind, die auf einem oder mehreren Schwimmkörpern auf der Wasseroberfläche gelagert ist. Unterhalb der Schwerpunktsmitte der Tragplatte ist über einen starren Schaft eine vom Wasser umgebene Gewichtsvorrichtung angeordnet (vergleiche
2 ebenda), die der Vermeidung des Umschlagens oder Abhebens der PV-Anlage durch Einwirkung äußerer Faktoren, insbesondere Wind und Wellen, und damit der Kompensation von an der Photovoltaikanlage angreifenden äußeren Lasten, die von der Wasseroberfläche wegzeigen, dient. In der automatischen Übersetzung der
JP 2009-202697 A wird ausgeführt, dass die Gewichtsvorrichtung nach biologischem Vorbild („pyramid of medulla oblongata”) ausgebildet ist, nähere Angaben werden jedoch nicht gemacht. Zu erkennen ist aber, dass es sich um eine äußerst kompakte Gewichtskonstruktion mit einer relativ kleinen Oberseite nach Art eines massiven Gewichts handelt, das an der Unterseite der Tragplatte angeordnet ist und die gesamte PV-Anlage nach unten zieht.
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Aus der
DE 199 08 645 A1 ist es bekannt, PV-Einheiten in eine Folie einzuschweißen, die auf der Wasseroberfläche schwimmt. Zu Stabilisierung werden sich kreuzende Stäbe als Traggestell in Taschen in der Folie eingezogen. Weiterhin sind Spüllöcher in der Folie vorgesehen, durch die das Wasser von der Unterseite der Folie auf die Oberseite hindurchtreten kann und umgekehrt. Weiterhin ist es aus der
KR 100 936 597 B1 bekannt, einzelne PV-Einheiten in Reihe auf den Schnittflächen von halbzylinderförmigen Schwimmern anzuordnen. Dabei sind die Schwimmeraber an ihren Enden abgeschlossen und bestehen aus einem Vollmaterial, in dem sich weitere Elemente und Rohrleitungen befinden (vergleiche
2,
5 ebenda). Schließlich ist aus der
DE 33 27 242 C2 ein Wassersack bekannt, der über einen Eisberg gezogen und dann mittels Schiff abtransportiert wird.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist darin zu sehen, eine schwimmende Photovoltaikanlage der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass die Gewichtsvorrichtung zur Erzeugung einer eine angreifende Lastkraft GL kompensierenden Gewichtskraft GW besonders einfach bezüglich der Handhabung im Wasser aber auch an Land und kostengünstig ausgebildet ist und trotzdem zuverlässig arbeitet. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
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Die beanspruchte schwimmende PV-Anlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsvorrichtung eine Widerstandsfläche mit einer der Wasseroberfläche zugewendeten Oberseite mit der Flächengröße A aufweist, die in einer Wassertiefe T im Wesentlichen parallel zur Wasseroberfläche ausgerichtet und für das Wasser zugänglich ist, und dass im Wasser oberhalb der Oberseite der Widerstandsfläche ein Wasservolumen VW mit der Volumengröße A·T ausgebildet ist, durch dessen Wassermasse MW die Gewichtskraft GW erzeugt ist. Bei der erfindungsgemäßen PV-Anlage wird die Gewichtskraft GW der Gewichtsvorrichtung erst im Wasser durch das Wasser selbst erzeugt. Das Wasser umgibt die Gewichtsvorrichtung nicht nur, sondern ist Teil der Gewichtsvorrichtung, die deshalb auch nur im Wasser funktioniert. An Land bliebe die Gewichtsvorrichtung nach der Erfindung unwirksam, da kein umgebendes Wasser und damit keine beschwerende Wassermasse MW gegeben sind. Zur Erzeugung der Gewichtskraft GW im Wasser wird erfindungsgemäß eine einfache Widerstandsfläche eingesetzt, deren Oberseite in einer Wassertiefe T im Wesentlichen parallel zur Wasseroberfläche ausgerichtet und für das Wasser zugänglich ist. Die für die Niederhaltung der Widerstandsfläche (und der damit fest verbundenen PV-Anlage) eingesetzte Wassermasse MW ergibt sich aus dem Wasservolumen VW über der Oberseite der Widerstandsfläche im Wasser. Solange die Widerstandsfläche von der PV-Anlage (aufgrund der angreifenden Lastkraft) nicht nach, oben gezogen wird, übt auch die oberhalb der Widerstandsfläche befindliche Wassermasse MW keine Gegenkraft auf die Widerstandsfläche aus, sondern wird einfach auftriebsneutral im Wasser gelagert. Die Wassermasse MW ist dann ein unbeeinflusster, integraler Bestandteil des Wassers. Versuchen nun angreifende äußere Lasten (resultierend in der Lastkraft), über die PV-Anlage die Widerstandsfläche gerade oder schräg in Richtung auf die Wasseroberfläche hochzuziehen, übt die Oberseite der Widerstandsfläche auf das darüberliegende Wasservolumen VW und damit auf dessen Wassermasse MW eine hochziehende Kraft aus. Die Wassermasse MW hält jedoch unter Ausübung der Gewichtskraft GW auf die Oberseite der Widerstandsfläche diese im Wasser und damit die PV-Anlage auf der Wasseroberfläche. Dies erfolgt zuverlässig, da die Gewichtskraft GW der Wassermasse MW im von der Flächengröße A und Wassertiefe T der Widerstandsfläche festgelegten Wasservolumen VW definitionsgemäß größer ist als die angreifende Lastkraft GL(GW > GL). Je größer das Wasservolumen VW und damit dessen Wassermasse MW ist, desto größer ist die im Lastfall erzeugte Gewichtskraft GW, eine desto größere angreifende Lastkraft GL kann mit der Gewichtsvorrichtung bei der Erfindung kompensiert werden. Der Größe des Wasservolumens oberhalb der Widerstandsfläche sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt. Zu beachten sind lediglich die Handhabbarkeit der Widerstandsfläche und deren Eigenabtrieb im Wasser.
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Im Gegensatz zu bekannten Gewichtsvorrichtungen, bei deren Dimensionierung darauf geachtet werden muss, dass deren Abtriebskraft nicht die PV-Anlage im lastfreien Fall unter Wasser zieht, tritt bei der Gewichtsvorrichtung nach der Erfindung im lastfreien Fall keine wesentliche Abtriebskraft auf, weil die Wassermasse MW im Wasser auftriebsneutral gelagert ist. Die Widerstandsfläche an sich und ihre Befestigungen an der PV-Anlage erzeugen aufgrund ihrer relativ geringen Masse im Gegensatz dazu auch eine nur sehr geringe Abtriebskraft, große Permanentgewichte sind vermieden. Ein weiterer Vorteil der Gewichtsvorrichtung nach der Erfindung ist außerdem darin zu sehen, dass die aufgrund der oftmals starken wirkenden Lastkraft GL durch Wind und Wellen relativ große aufzubringende Gewichtskraft GW der Gewichtsvorrichtung zur Kompensation der Lastkraft GL nicht bereits an Land im unausgebrachten Zustand der PV-Anlage bzw. der Gewichtsvorrichtung auftritt und damit kein entsprechend schweres und großes Permanentgewicht gehandhabt werden muss. Die erforderliche Gewichtskraft GW der Gewichtsvorrichtung bei der Erfindung wird bei Bedarf, d. h. erst unter der angreifenden Lastkraft GL selbsttätig und ohne erforderliches Vorsehen von eigenständigen Permanentgewichten im Wasser durch das Wasserselbst aufgebracht. Die Zugänglichkeit der Widerstandsfläche garantiert die Befüllung des Wasservolumens VW oberhalb der Widerstandsfläche und ermöglicht einen einfachen Wasseraustausch im Wasser. Mit einfachen Mitteln wird bei der Erfindung damit eine sehr wirksame und besonders kostengünstige, aber trotzdem leicht zu handhabende Gewichtsvorrichtung zur Stabilisierung einer schwimmenden PV-Anlage auf der Wasseroberfläche unter Einfluss einer äußeren angreifenden Lastkraft GL zur Verfügung gestellt.
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Im einfachsten Falle ist bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft die Widerstandsfläche von einer ebenen starren Platte gebildet, die über eine im Wesentlichen senkrecht zur ebenen starren Platte ausgerichtete starre Verbindungsstange mit einem Zentralbereich der Unterseite der Photovoltaikanlage verbunden ist. Dabei ist die Größe der Platte so bemessen, dass die Wassermasse MW des darüber befindlichen Wasservolumens VW die erforderliche Gewichtskraft GW für die Gewichtsvorrichtung aufbringt. Die Flächengröße A der Platte kann in der Form beispielsweise rund oder viel- oder rechteckig, insbesondere auch quadratisch ausgeführt sein. Es ergibt sich eine jeweils angepasste Form des darüberstehenden Wasservolumens VW mit rundem, quadratischem, rechteckigem oder mehreckigem Querschnitt. Über die starre Verbindungsstange wird die im Wesentlichen parallel Ausrichtung der starren ebenen Platte zur Wasseroberfläche gewährleistet. Alternativ kann bevorzugt und vorteilhaft die Widerstandsfläche von einer starren Platte oder einer flexiblen Plane gebildet sein, die in ihren Randbereichen über mehrere starre Verbindungsstangen oder flexible Verbindungsketten oder -seile gleicher Länge mit Randbereichen der Unterseite der Photovoltaikanlage fest verbunden sind. Durch diese Art der Aufhängung, die vorteilhaft lösbar gestaltet ist, ist die im Wesentlich parallele Ausrichtung der Widerstandsfläche zur Wasseroberfläche gewährleistet, auch wenn eine flexible Plane eingesetzt wird. Diese hängt dann wie ein Tuch oder eine Hängematte unterhalb der PV-Anlage im Wasserkörper etwas durch und bildet die Widerstandsfläche.
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Zur Ausübung der Gewichtskraft GW ist bei der Erfindung eine Widerstandsfläche vorgesehen, auf deren Oberseite die Wassermasse MW des darüber befindlichen Wasservolumens Von, die Gewichtskraft GW ausübt. Im Fall der ebenen starren Platte als Widerstandsfläche ist das Wasservolumen VW oberhalb der Platte seitlich unbegrenzt, sodass die Oberseite der Widerstandsfläche für das Wasser von allen Seiten frei zugänglich ist. Eine ähnliche, ebenfalls besonders einfache Konstellation ergibt sich, wenn für eine PV-Anlage in Rechteckform mit jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Randbereichen die Widerstandsfläche von einer gebogenen starren Platte oder einer flexiblen Plane in Rechteckform gebildet ist, die mit gegenüberliegenden ersten Kanten unter Bildung einer an beiden Stirnseiten offenen Wasserwanne mit den gegenüberliegenden ersten Randbereichen der Photovoltaikanlage über Verbindungselemente verbunden ist. Die Widerstandsfläche wird dann vom Boden bzw. unteren Bereich der Wasserwanne gebildet, der im Wesentlichen parallel zur Wasseroberfläche angeordnet ist. Die Wasserwanne ist die Sonderform der einfachen Platte, wobei die feste Verbindung mit der PV-Anlage nicht über punktuelle Aufhängungen, sondern über die geschlossenen Seitenwände der Wasserwanne erfolgt.
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Die Zugänglichkeit des Wasservolumens VW in der Wasserwanne für das Wasser im Wasserkörper ist dabei durch die offenen Stirnseiten der Wasserwanne sicher gewährleistet. Bei der flexiblen Plane ergibt sich die Wasserwanne dadurch, dass die rechteckige Fläche der Plane entlang der nicht mit der PV-Anlage verbundenen gegenüberliegenden zweiten Kanten der Plane größer bemessen ist als die Fläche der PV-Anlage. Die Gewichtskraft GW der in der Wasserwanne eingeschlossenen Wassermasse MW überträgt sich über den Boden als im Wesentlichen zur Wasseroberfläche parallele Widerstandsfläche der Wasserwanne auf deren Seitenwände und auf die Ränder der PV-Anlage. Dabei ist die in der Wasserwanne vorhandene Wassermasse MW durch das Wasservolumen VW der Wasserwanne in Abhängigkeit von der an der Photovoltaikanlage angreifenden Lastkraft GL bemessen. Somit bestimmen die Fläche der PV-Anlage, die dem im Wesentlichen horizontalen Flächenanteil der Wasserwanne entspricht, und deren Tiefe das Wasservolumen VW. Der Tiefe der Wasserwanne sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt, außer ggfs. durch die Gewässertiefe und die Materialhandhabung.
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Bezüglich der Verbindung der Platte oder Plane mit der PV-Anlage gibt es eine Vielzahl von technischen Lösungsmöglichkeiten. Vorteilhaft und bevorzugt umfassen die Verbindungselemente Ösen oder Tunneldurchzüge an der gebogenen starren Platte oder der flexiblen Plane und an der Photovoltaikanlage, die mittels Haken, Stangen oder Schnüren miteinander verbindbar sind. Es können unlösbare oder lösbare Verbindungen hergestellt werden, wobei den lösbaren Verbindungen der Vorzug zu geben ist, da diese ggfs. erst im Wasser bei einer bereits ausgebrachten PV-Anlage hergestellt werden können. Auch wird ein Austausch der Platte oder Plane zu Reinigungs- oder Ersatzzwecken wesentlich vereinfacht. Derartige lösbare Verbindungen sind beispielsweise von LKW-Planen oder Türscharnieren bekannt.
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Die bei der Erfindung vorgesehene Widerstandsfläche ist dem Wasser ausgesetzt. Das Material für die Widerstandsfläche muss entsprechend wasserbeständig und verrottungsfest sein, vorteilhaft sind auch eine geringe Neigung zur Anheftung von Foulingorganismen und ein guter Eigenauftrieb. Die Widerstandsfläche kann vorteilhaft wasserundurchlässig sein, muss es aber nicht zwingend. Auch von einer Widerstandsfläche mit Wasserdurchtritten, beispielsweise einem Gewebe oder einem Geflecht, kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung der Öffnungen noch eine ausreichend große Gewichtskraft GW durch Rückhalt des Wassers in der Widerstandsfläche beim Heraufziehen ausgeübt werden. Gleiches gilt für die Dehnfähigkeit des Materials für die Widerstandsfläche, die in Maßen akzeptabel ist, wobei allerdings Reißfestigkeit selbstverständlich gegeben sein muss. Die Widerstandsfläche kann starr sein und eine Eigenfestigkeit mitbringen oder sie kann flexibel sein und wird durch entsprechende Verbindungselemente in der im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Form gehalten. Entsprechend können auch Folien oder Gewebe oder gewebeverstärkte Planen oder Folien eingesetzt werden. Vorteilhaft und bevorzugt kann das Material für die Widerstandsfläche aus Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polypropylen (PP) ohne oder mit Faserverstärkung bestehen. Dabei kann es sich bei der Faserverstärkung beispielsweise um Kohlenstoff- oder Glasfasern handeln. Die genannten Kunststoffe eignen sich zur Herstellung von Platten, Planen, Folien, Geweben und Säcken aller Art und sind witterungs- und temperaturbeständig, UV-stabil, verrottungsfest und leicht, wodurch sie für einen Einsatz unter Wasser besonders geeignet sind. Eine Reinigung von angesetzter Wasserfauna und -flora ist einfach möglich, eine Kontamination des Wassers durch Auflösungserscheinungen der Materialien tritt nicht auf. Entsprechend ihres Flächengewichts, beispielsweise 100 bis 600 g/m2, können die Materialien besonders reiß- und dehnfest ausgeführt sein Schwimmende PV-Anlagen können entweder selbsttätig schwimmfähig sein oder durch Schwimmkörper in der Wasseroberfläche gehalten werden. Bei einer bevorzugten und vorteilhaften ersten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Photovoltaikeinheiten auf einer gemeinsamen Schwimmplatte angeordnet. Alternativ kann auch jede Photovoltaikeinheit auf einer schwimmenden Leichtbauplatte angeordnet und alle Leichtbauplatten zu einer gemeinsamen Schwimmplatte miteinander verbunden sein. Bei derartigen Schwimmplatten oder Leichtbauplatten mit einem Auftrieb in Wasser kann es sich beispielsweise um verrottungsfeste Hartschaumplatten aus Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Polyurethan handeln, wie sie kommerziell beispielsweise zu Isolations- und Drainagezwecken im Hausbau eingesetzt werden. Desweiteren können beispielsweise Sandwichplatten mit einem trapezförmigen Querschnitt und einem beiderseitigen metallischen Schutzbelag auf einer zentralen Hartschaumplatte. Die Verbindung von einzelnen Hartschaumplatten kann beispielsweise über nut- und federartige Verbindungen und/oder Schienen-Reiter-Systeme erfolgen. Alternativ zu den selbstschwimmfähigen Systemen können auch mehrere Photovoltaikeinheiten auf einer gemeinsamen nicht schwimmenden Tragplatte angeordnet sein, die mittels eines oder mehrerer Schwimmkörper auf der Wasseroberfläche lagerbar ist. Auch hier ist die Alternative möglich, dass jede Photovoltaikeinheit auf einer einzelnen nicht schwimmenden Tragplatte angeordnet ist und alle Traglatten zu einer gemeinsamen Tragplatte miteinander verbunden sind, die mittels eines oder mehrerer Schwimmkörper auf der Wasseroberfläche lagerbar ist. Bei den Schwimmkörpern kann es sich um Auftriebskörper unterschiedlichster Art, Form und Gestaltung handeln, beispielsweise können bojenartige Schwimmkörper eingesetzt werden, die das PV-System punktuell unterstützen. Eine linienförmige Unterstützung kann durch rohrförmige Schwimmkörper erreicht werden. Eine flächige Unterstützung kann beispielsweise durch geschlossene Formen aus rohrförmigen Schwimmkörpern erzielt werden. Zur unmittelbare oder mittelbaren Befestigung der Schwimmkörper und/oder der Widerstandsfläche der Gewichtsvorrichtung können bevorzugt und vorteilhaft die PV-Einheiten von einem Rahmen umfasst sein.
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Desweiteren können die PV-Einheiten aus kompletten Photovoltaikmodulen oder aus laminierten Photovoltaikpaneelen bestehen. Komplette PV-Module können werksseitig endmontiert werden. Sie sind dann auf entsprechende Trag- oder Schwimmplatten aufzubringen. Bei PV-Paneelen sind werksseitig nur die Solarzellen in einen Kunststoffverbund einlaminiert, die Verschaltung der Solarzellen erfolgt außerhalb der Solarpaneele. Zur Schwimmertüchtigung können die PV-Paneele dann auf schwimmfähige Leichtbauplatten aufgebracht und endmontiert werden. Hierbei handelt es sich um eine besonders kostengünstige und leichte, aber trotzdem mechanisch stabile Ausführungsform. Zur ortsfesten Positionierung der PV-Anlage im Wasser kann vorteilhaft und bevorzugt eine Verankerung vorgesehen sein. Hierbei kann es sich je nach Ausführungsform des Gewässers beispielsweise um eine oder mehrere Ketten- oder Seilabspannungen gegenüber Gewässerbegrenzungen (Mauern, Naturstein) oder an einem oder mehreren Bodenankern oder auch um feste, turmartige Verankerungen handeln. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den nachfolgenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Ausführungsbeispiele
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Ausbildungsformen der schwimmenden Photovoltaikanlage nach der Erfindung werden nachfolgend zu deren weiterem Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt schematisch die
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1 eine Seitenansicht der PV-Anlage mit einer zentral verbundenen ebenen starren Platte als Widerstandsfläche,
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2A eine Seitenansicht der PV-Anlage mit einer im Randbereich verbundenen ebenen starren Platte als Widerstandsfläche,
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2B eine Seitenansicht der PV-Anlage mit einer in Randbereichen verbundenen flexiblen Plane als Widerstandsfläche,
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3 eine perspektivische Draufsicht der PV-Anlage mit einer Wasserwanne als Widerstandsfläche,
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4A eine Detailansicht im Bereich der Verbindung zwischen PV-Anlage und flexibler Plane,
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4B eine Detailansicht im Bereich der Verbindung zwischen PV-Anlage und gebogener starrer Platte,
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5A eine PV-Anlage mit schwimmenden Einzelplatten,
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5B eine PV-Anlage mit nicht-schwimmender Tragplatte und zylindrischen Schwimmkörpern und
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5C eine PV-Anlage mit nicht-schwimmenden Einzelplatten und einem Ringschwimmer.
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In der 1 ist in der schematischen Seitenansicht eine in der Wasseroberfläche 02 von Wasser 03 schwimmende Photovoltaikanlage 01 (PV-Anlage) dargestellt, die eine Vielzahl von Photovoltaikeinheiten 04 (PV-Einheiten) aufweist, die mittels eines Schwimmkörpers 05 in der Wasseroberfläche 02 gelagert sind. An der Unterseite 10 der PV-Anlage 01 ist eine Gewichtsvorrichtung 06 angeordnet, die vollständig vom Wasser 03 umgeben ist und eine in das Wasser 03 gerichtete Gewichtskraft GW ausübt. Das Eigengewicht der Gewichtsvorrichtung 06 ist so ausgelegt, dass die Schwimmbedingung für die PV-Anlage 01 immer erfüllt ist und diese nicht von der Gewichtsvorrichtung 06 unter Wasser 03 gezogen wird. Die Gewichtsvorrichtung 06 dient der Kompensation von einer an der PV-Anlage 01 vom Wasser 03 weggerichtet angreifenden äußeren Lastkraft GL, insbesondere durch angreifenden Wellen- und Windlasten. Es gilt GW > GL. Gezeigt ist schematisch nur die resultierende Lastkraft GL, die sich aus allen in unterschiedlichen Richtungen von der Wasseroberfläche 02 wegzeigend angreifenden Lastkräften zusammensetzt. Die Gewichtsvorrichtung 06 weist eine im Wesentlichen parallel zur Wasseroberfläche 02, d. h. horizontal ausgerichtete und für das Wasser 03 frei zugängliche Widerstandsfläche 08 mit einer Oberseite 07 auf und hat gegenüber der PV-Anlage 01 ein nur sehr geringes Eigengewicht.
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Oberhalb der Oberseite 07 der Widerstandsfläche 08 befindet sich ein Wasservolumen VW (gestrichelt angedeutet) und damit eine Wassermasse MW zur Erzeugung der Gewichtskraft GW bei angreifender Lastkraft GL. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsfläche 08 von einer ebenen starren Platte 11 gebildet, die über eine im Wesentlichen senkrecht zur ebenen starren Platte 11 ausgerichtete starre Verbindungsstange 12 mit einem Zentralbereich 13 der Unterseite 10 der PV-Anlage 01 verbunden ist.
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Damit die PV-Anlage 01 unter angreifender Lastkraft GL nicht abhebt oder sich nach oben auswölbt, muss immer gelten GW > GL (unter Einhaltung der Schwimmbedingung). Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die ebene starre Platte 11 einen rechteckige Fläche A auf und ist in der Tiefe T unterhalb der PV-Anlage 01 angeordnet. Damit ergibt sich ein Wasservolumen VW = A·T des Wassers 03 und eine Masse MW = A·T·gw, wobei gw das spezifische Gewicht des Wassers von 1 kg/l ist. Für andere, beispielsweise runde oder vieleckige Flächen der ebenen starren Platte 11 gilt die Rechnung entsprechend analog.
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In der 2A ist in der perspektivischen Draufsicht eine ebene starre Platte 11 als Widerstandsfläche 08 dargestellt, die über vier flexible Verbindungsseile 14 mit Randbereichen 15 der Unterseite 10 der PV-Anlage 01 verbunden ist. Die 2B zeigt in der perspektivischen Draufsicht eine Ausführungsform mit einer flexiblen Plane 16 als Widerstandsfläche 08, die über acht flexible Verbindungsketten 17 mit Randbereichen 15 der Unterseite 10 der PV-Anlage 01 verbunden ist. Angedeutet ist die Durchwölbung der flexiblen Plane 16 zwischen den Verbindungsketten 17 im Wasser 03. Angedeutet ist auch das Einwirken der Wassermasse MW auf die Oberseite 07 der Platte 11 bzw. Plane 16.
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In der 3 ist für eine PV-Anlage 20 in Rechteckform mit jeweils gegenüberliegenden ersten Randbereichen 21 und zweiten Randbereichen 22 die Widerstandsfläche 08 Teil einer flexiblen Plane 23 in Rechteckform. Diese ist mit gegenüberliegenden ersten Kanten 24 mit den gegenüberliegenden ersten Randbereichen 21 der PV-Anlage 20 über Verbindungselemente 25 verbunden. Die Plane 23 ist breiter als die Breite BPV der PV-Anlage 20, wodurch eine Wasserwanne 26 gebildet wird, die an beiden Stirnseiten 27 entlang von ihren gegenüberliegenden zweiten Kanten 19 offen und frei zugänglich für das Wasser 03 ist. Die Widerstandsfläche 08 wird vom Boden 33 der Wasserwanne 26 gebildet und entspricht der Rechteckfläche der PV-Anlage 01 aus Breite BPV·Länge LPV(A = BPV·LPV). Die Gewichtskraft GW wird von dem Wasservolumen VW in der Wasserwanne 26 und damit von deren Wassermasse MW bemessen. Dabei wirkt sich die Gewichtskraft GW auf den im Wesentlichen horizontal verlaufenden Boden 33 der Wasserwanne 26 als Widerstandsfläche 08 mit der Fläche A aus und überträgt sich über die vertikalen Seitenwände 53 der Wasserwanne 26 und die Verbindungen 25 auf die PV-Anlage 01. Das wirksame Wasservolumen VW der Wasserwanne 26 errechnet sich entsprechend zu VW = A·T, wobei T die Tiefe der Wasserwanne 26 ist. Die Gewichtskraft Gw ergibt sich dann aus der Multiplikation des Wasservolumens VW der Wasserwanne 26 mit dem spezifischen Gewicht gw des Wassers, 1 kg/l, zu MW = A·T·gw.
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In der 4A ist ein Detail im Bereich der Verbindung zwischen der flexiblen Plane 23 und der PV-Anlage 20 aufgezeigt. Als Verbindungselemente 25 sind Ösen 18 an der flexiblen Plane 23 und der PV-Anlage 20 vorgesehen, die mit einer Schnur 28 fixiert sind. In der 4B ist ein Detail im Bereich der Verbindung zwischen einer gebogenen starren Platte 29 und der PV-Anlage 20 aufgezeigt. Die gebogene starre Platte 29 und die PV-Anlage 20 weisen abwechselnd Tunneldurchzüge 30 auf, die mittels einer Stange 31 miteinander verbunden sind.
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In der 1 ist eine Anordnung von mehreren PV-Einheiten 04 in Form von PV-Paneelen 42 auf einer gemeinsamen Schwimmplatte 41 als Schwimmkörper 05 angeordnet. Die 5A zeigt im Querschnitt eine Anordnung von einzelnen PV-Paneelen 42 als PV-Einheiten 04 auf einzelnen schwimmenden Leichtbauplatten 43 als Schwimmkörper 05, die über eine Nut- und Federverbindung 44 miteinander verbunden und von einem Rahmen 45 umgeben sind. Bei den Leichtbauplatten 43 handelt es sich um so genannte Sandwichplatten 32. An den Rahmen 45 greift auch die flexible Plane 23 als Widerstandsfläche 08 an. Alternativ zeigt die 5B im Querschnitt eine Anordnung von mehreren PV-Modulen 40 als PV-Einheiten 04 auf einer nicht-schwimmenden gemeinsamen Tragplatte 46, die von zylinderförmigen Bojen 47 als Schwimmkörper 05 im Wasser 03 getragen werden. Es können alternativ beispielsweise auch kugelförmige Bojen 54 als Schwimmkörper 05 eingesetzt werden. Die 5C schließlich zeigt eine Anordnung von mehreren PV-Modulen 40 als PV-Einheiten 04 mit einem umgebenden Rahmen 45 auf nicht-schwimmenden einzelnen Tragplatten 48, die von dem Rahmen 45 umfasst sind und von einem geschlossenen Ringschwimmer 49 als Schwimmkörper 05 getragen werden. Es können beispielsweise auch linienförmige Schwimmer als Schwimmkörper 05 eingesetzt werden (nicht gezeigt). Weiterhin ist dargestellt, dass die gesamte PV-Anlage 01 mittels einer Verankerung 50 aus Ketten 51 und Bodenankern 52 ortsfest im Wasser 03 verankert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- schwimmende Photovoltaikanlage (PV-Anlage)
- 02
- Wasseroberfläche
- 03
- Wasser
- 04
- Photovoltaikeinheit (PV-Einheit)
- 05
- Schwimmkörper
- 06
- Gewichtsvorrichtung
- 07
- Oberseite von 08
- 08
- Widerstandsfläche
- 10
- Unterseite von 01
- 11
- ebene starre Platte
- 12
- starre Verbindungsstange
- 13
- Zentralbereich von 10
- 14
- flexibles Verbindungsseil
- 15
- Randbereich von 10
- 16
- flexible Plane
- 17
- flexible Verbindungskette
- 18
- Öse
- 19
- zweite Kante von 23
- 20
- PV-Anlage in Rechteckform
- 21
- erster Randbereich von 20
- 22
- zweiter Randbereich von 20
- 23
- flexible Plane in Rechteckform
- 24
- erste Kante von 23
- 25
- Verbindungselement
- 26
- Wasserwanne
- 27
- Stirnseite von 26
- 28
- Schnur
- 29
- gebogene starre Platte
- 30
- Tunneldurchzug
- 31
- Stange
- 32
- Sandwichplatte
- 33
- Boden von 26
- 40
- Photovoltaikmodul (PV-Modul)
- 41
- Schwimmplatte
- 42
- Photovaltaikpaneel (PV-Paneel)
- 43
- Leichtbauplatte
- 44
- Nut- und Federverbindung
- 45
- Rahmen
- 46
- gemeinsame Tragplatte
- 47
- Boje (zylinderförmig)
- 48
- einzelne Tragplatte
- 49
- Ringschwimmer
- 50
- Verankerung
- 51
- Kette
- 52
- Bodenanker
- 53
- vertikale Wand von 26
- 54
- Boje (kugelförmig)
- A
- Fläche von 08, 33
- BPV
- Breite von 20
- GL
- resultierende Lastkraft (angreifend an 01)
- gw
- spezifisches Gewicht von 03
- GW
- resultierende Gewichtskraft von 06
- LPV
- Länge von 20
- MW
- Wassermasse
- T
- Tiefe von 08
- VW
- Wasservolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 701870 A2 [0003]
- DE 102007029921 B3 [0004]
- DE 102006019753 A1 [0004]
- JP 2009-202697 A [0005, 0005]
- DE 19908645 A1 [0006]
- KR 100936597 B1 [0006]
- DE 3327242 C2 [0006]
