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Die Erfindung betrifft einen der Sonne nachführbaren Solarkollektor.
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Im Stand der Technik sind Solarkollektoren bekannt, bei denen mithilfe einer Spiegelrinne mit einem parabelförmigen Querschnitt einfallende Sonnenstrahlung auf einen in der Fokuslinie der Spiegelrinne angeordneten und über steife Arme mit der Spiegelrinne verbundenen Receiver gebündelt wird. Der Receiver wandelt die auf ihn einfallende Sonnenstrahlung in Wärme- und/oder elektrische Energie um.
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Damit sichergestellt wird, dass sich der Receiver zu jeder Tageszeit in der Fokuslinie der Spiegelrinne befindet, kann die Spiegelrinne üblicherweise nach beiden Seiten um eine Drehachse geschwenkt werden, wobei die Drehachse in Nord-Süd-Richtung verläuft. Damit dies möglich ist, ist die Drehachse auf einem separaten Ständer gelagert, der eine erhebliche Höhe aufweist.
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Dieser Ständer bedarf grundsätzlich einer sehr stabilen Fundamentierung, insbesondere um den Windkräften dauerhaft standzuhalten. Dadurch können Ständer für entsprechende Solarkollektoren aus dem Stand der Technik in der Regel nicht auf Dächern installiert werden. Auch verursacht die gängige Art der Aufständerung erheblichen Aufwand und verursacht häufig einen diskontinuierlichen Lichteinfall auf den Receiver, da Bauteile der Aufständerung Schatten auf den Receiver und/oder die Spiegelrinne werfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Solarkollektor zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder nur noch im verringerten Maße auftreten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Solarkollektor gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung einen Solarkollektor umfassend eine erste Kollektoreinheit mit einem Spiegelelement und einem Receiverelement, wobei das Receiverelement an einem Ende eines Tragarms angeordnet ist, der an seinem anderen Ende an einem Grundträger drehbar um eine Schwenkachse gelagert ist, wobei das Spiegelelement eine halbparaboloide Spiegelrinne und das Receiverelement parallel zur Schwenkachse langgestreckt ist, und wobei das Spiegelelement so zwischen dem Receiverelement und dem drehbar gelagerten Ende von diesen jeweils beabstandet an dem Tragarm befestigt ist, dass das Receiverelement in der Brennlinie des Spiegelelementes angeordnet ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird eine aufwändige Aufständerung, wie im Stand der Technik üblich, vermieden. Indem die Schwenkachse für die Kollektoreinheit erfindungsgemäß auf der vom Receiver abgewandten Seite des Spiegelelementes angeordnet ist, kann die Schwenkachse sehr niedrig angeordnet sein, ohne die Schwenkbarkeit der Kollektoreinheit einzuschränken. Die Tragstruktur für die Kollektoreinheit kann dementsprechend niedrig ausgestaltet sein und erfordert kein aufwändiges Fundament. Auch ist eine Anbringung auf Dächern, insbesondere Flachdächern, möglich.
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Indem als Spiegelelemente eine halbparaboloide Spiegelrinne zum Einsatz kommt, ist es möglich, die Kollektoreinheit verschattungsfrei auszuführen. Das bedeutet, dass bei Ausrichtung der Kollektoreinheiten zur Sonne hin der Strahlengang von der Sonne über das Spiegelelement zum Receiverelement nicht durch sonstige Elemente des erfindungsgemäßen Solarkollektors bspw. durch Schattenwurf gestört wird.
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Bei den erfindungsgemäßen Solarkollektoren werden die Schwenkachsen bevorzugt in Ost-West-Ausrichtung angeordnet, so dass über ein Verschwenken der Kollektorelemente um ihre Schwenkachsen eine einachsige Nachführung zur Sonne erreicht wird. Abhängig von dem letztendlichen Einsatzort eines erfindungsgemäßen Solarkollektors im Hinblick auf den Breitengrad bestehen gegebenenfalls unterschiedliche Anforderungen an den maximalen Schwenkwinkel der Kollektoreinheit. Der Abstand zwischen Schwenkachse und Spiegelelement entlang des Tragarms kann aber so gewählt werden, dass die für den jeweiligen Einsatzort erforderliche Schwenkbarkeit ermöglicht wird. Insbesondere kann es für den Einsatzort zwischen den Wendekreisen erforderlich sein, dass die Kollektoreinheit über eine senkrechte Stellung des Tragarms hinaus verschwenkbar sein muss. Durch einen entsprechend gewählten Abstand von Schwenkachse zu Spiegelelementen ist dies jedoch ohne weiteres möglich. Es ist auch möglich, den Tragarm abgewinkelt auszugestalten.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Solarkollektor neben einer ersten Kollektoreinheit weitere Kollektoreinheiten aufweist. Diese weiteren Kollektoreinheiten sind dabei im Wesentlichen identisch zur ersten Kollektoreinheit aufgebaut, d. h. sie umfassen ebenfalls eine halbparaboloide Spiegelrinne, die ebenso wie ein Receiverelement auf einem schwenkbaren Tragarm angeordnet ist. Sind mehr als eine Kollektoreinheit vorhanden, so sind die einzelnen Kollektoreinheiten des Solarkollektors vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre Schwenkachsen parallel und in eine Richtung senkrecht zu den Schwenkachsen beabstandet angeordnet sind. Die weiteren Kollektoreinheiten können bevorzugt am gleichen Grundträger wie die erste Kollektoreinheit angeordnet sein. Vorzugsweise sind die einzelnen Kollektoreinheiten weiter so mechanisch miteinander gekoppelt, dass ein Verschwenken der ersten Kollektoreinheit ein Verschwenken der mit dieser Kollektoreinheit mechanisch verbundenen Kollektoreinheit(en) zur Folge hat. Eine entsprechende mechanische Kopplung kann beispielsweise über Schub- und/oder Zuggestänge, Verspannung mit Seilen oder Getriebe mit Ketten erreicht werden.
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Sowohl Spiegelrinnen als auch Receiverelemente können derart lang gestreckt sein, dass die gewünschte und/oder erforderliche Steifigkeit mit nur einem einzelnen Tragarm ggf. nicht sichergestellt werden kann. Daher kann vorgesehen sein, dass eine Kollektoreinheit mehr als einen Tragarm aufweist, wobei die einzelnen Tragarme dann parallel zueinander entlang der Schwenkachse verteilt angeordnet sind.
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Es ist bevorzugt, wenn wenigstens ein Stützelement zur Abstützung einer Kollektoreinheit in wenigstens einer Endposition der Schwenkbarkeit um die Schwenkachse vorgesehen ist. Die Kollektoreinheiten können dann im Falle von stärkeren Winden oder zu Zeiten, in denen keine Energiegewinnung möglich ist (beispielsweise nachts) auf dem Stützelement abgelegt werden. Ist eine Kollektoreinheit auf einer entsprechenden Stütze abgelegt, kann sie dann nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden.
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Es ist weiter bevorzugt, wenn am Grundträger wenigstens ein Windschutzelement zum Verhindern des Eingreifens von Wind zwischen Spiegelelement und Grundträger vorgesehen ist. Durch entsprechende Windschutzelemente, bspw. Windschutzbleche, können windinduzierte Schwingungen reduziert oder verhindert werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Spiegelelement gegenüber dem Tragarm wahlweise abklappbar ist, so dass das Spiegelelement für eine witterungssichere Stellung auf den Tragarm abklappbar ist. Als „witterungssichere Stellung" ist im Sinne dieser Erfindung eine solche Stellung gemeint, bei der Niederschlag nicht direkt auf die den Receiverelementen zugewandte Seite der Spiegelelemente auftreffen kann. Wird das Spiegelelement auf den Tragarm abgelegt, ist es durch Verschwenken des Tragarms möglich, die reflektierende Seite des Spiegelelementes vor entsprechenden Witterungseinflüssen, wie bspw. Hagel, zu schützen.
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Um Schwingungen in den Kollektoreinheiten, beispielsweise aufgrund von Wind, zu vermeiden oder zu reduzieren, ist es weiterhin möglich, einen Schwingungsdämpfer an wenigstens einer Kollektoreinheit vorzusehen.
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Zum Verschwenken der Kollektoreinheit kann ein Antrieb vorgesehen sein. Sind mehrere Kollektoreinheiten vorgesehen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind, so ist es ausreichend, ein Antriebselement zum Verschwenken aller Kollektoreinheiten vorzusehen. Es ist auch möglich, einen oder mehrere Kollektoreinheiten über zwei parallel angreifende Antriebseinheiten zu verschwenken, wobei die beiden Antriebseinheiten dann miteinander synchronisiert betrieben werden.
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Für eine entsprechende zweiachsige Nachführung kann ein um eine Achse nicht-parallel zur Schwenkachse drehbares Drehwerk, bspw. ein Drehkranz oder ein Drehteller vorgesehen sein, auf dem der Grundträger angeordnet ist. Das Drehwerk kann dabei an seinem äußeren Umfang eine umlaufende Zahnstange, vorzugsweise aus Kunststoff, aufweisen, in die dann eine Antriebseinheit mit einem Zahnrad eingreifen kann. Alternativ ist es möglich, dass das Drehwerk an seinem äußeren Umfang ein umlaufendes Stahlseil aufweist, welches an wenigstens einer Stelle fest mit dem Drehwerk verbunden ist und zusätzlich um eine angetriebene Spule gewickelt ist.
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Das Drehwerk kann auf einer umlaufenden, kreisrunden Schiene geführt sein. Alternativ kann das Drehwerk durch ein zentrales Lager geführt sein. Das Lager ist dabei bevorzugt aus einem glatten Rohr und einem darauf gleitenden Rohr aus Gleitmaterial, vorzugsweise aus PTFE mit Kohle, gebildet. Die Versorgungsleitungen der Kollektoreinheiten sind bevorzugt über Drehdurchführungen im Bereich der Drehachse des Drehwerks geführt.
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Der Solarkollektor kann bevorzugt eine Regelungseinrichtung aufweisen. Diese Regelungseinrichtung ist zum Ansteuern des Solarkollektors ausgebildet, insbesondere zur Nachführung der Kollektoreinheiten zur Sonne. Dazu kann ein Sonnenstandssensor vorgesehen sein. Außerdem kann ein Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor vorgesehen sein. Die Regelungseinrichtung kann dann bei Feststellung von Starkwindverhältnissen den Solarkollektor in eine möglich windsichere Position verfahren. Auch ist es möglich, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, über den die Temperatur im Bereich der Receiverelemente festgestellt werden kann. Übersteigt diese Temperatur einen vorgegebenen Wert, kann die Regelungseinrichtung die Kollektoreinheiten so verfahren, dass die auf die Spiegelelemente auftreffenden Sonnenstrahlen nicht mehr in den Receiverelementen gebündelt werden. Es wird so ein Schutz gegen Überhitzung erreicht.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarkollektors;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarkollektors; und
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3a–c Detaillösungen und -alternativen zum Ausführungsbeispiel aus 2.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 dargestellt. Der Solarkollektor 1 umfasst eine erste Kollektoreinheit 10 mit einem Spiegelelement 11 und einem Receiverelement 12. Sowohl Spiegelelement 11 als auch Receiverelement 12 sind auf einem Tragarm 13 angeordnet, der an seinem einen Ende drehbar um eine Schwenkachse 14 an einem Grundträger 2 gelagert ist. Das Receiverelement 12 ist dabei am anderen Ende des Tragarms 13 angeordnet, während das Spiegelelement 11 zwischen den beiden Enden des Tragarms 13 angeordnet ist, so dass das Spiegelelement 11 von den beiden Enden jeweils beabstandet ist.
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Bei dem Spiegelelement 11 handelt es sich um eine halbparaboloide Spiegelrinne, mit einer Brennlinie als Brennpunkt. Entlang dieser Brennlinie ist der Receiver 12, der ein langgestreckter Receiver 12 ist, angeordnet. Bei richtiger Ausrichtung der Kollektoreinheit 10, trifft die von der Sonne stammende Strahlung auf dem Spiegelelement 11 auf und wird im Receiverelement 12 gebündelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Receiverelement 12 von einem Wärmeträgermedium durchströmt, welches durch die Sonnenstrahlung erhitzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Receiverelement 12 wenigstens teilweise mit Fotovoltaikzellen versehen ist, so dass die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Am Tragarm 13 der ersten Kollektoreinheit 10 greift außerdem ein Antriebselement 3 an. Bei diesem Antriebselement 3 handelt es sich demnach um einen Linearantrieb, der mit seinem einen Ende fest gegenüber dem Grundträger 2 gelagert ist. Da das andere Ende des Antriebselementes am Tragarm 13 befestigt ist, kann durch eine Änderung der Länge des Antriebselementes 3 der Tragarm 13 und damit die gesamte Kollektoreinheit 10 um die Schwenkachse 14 verschwenkt werden. Dadurch wird eine einachsige Nachführung der Kollektoreinheit 10 zur Sonne gewährleistet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Kollektoreinheit 10 noch ein Stützelement 15. Der Tragarm 13 der Kollektoreinheit 10 ist dabei soweit verschwenkbar, dass das eine Ende des Tragarms 13 bzw. das dort befindliche Receiverelement 12 auf der Stütze 15 zu liegen kommt. Ist der Tragarm 13 bzw. das Receiverelement 12 auf der Stütze 15 abgelegt, wird verhindert, dass in der Kollektoreinheit 10 unerwünschte oder gar schädliche Schwingungen aufgrund von Windeintrag entstehen können.
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Um zu verhindern, dass in diesem Fall das Spiegelelement 11 nicht mit dem Grundträger 2 verkeilt oder durch den Grundträger 2 hindurch ragt, ist das Spiegelelement 11 abklappbar ausgestaltet. Das Spiegelelement 11 kann also soweit in Richtung des Receiverelements 12 umgeklappt werden, dass es in dem Fall, dass der Tragarm 13 bzw. das Receiverelement 12 auf der Stütze 15 zu liegen kommen, nicht mit dem Grundträger 2 in Kontakt kommt oder durch dieses hindurchragt.
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Im Bereich der Stütze 15 ist außerdem ein erstes Windschutzelement 16 vorgesehen. Mit diesem Windschutzelement 16 kann verhindert werden, dass zumindest in der Stellung, in der der Tragarm 13 bzw. das Receiverelement 12 auf der Stütze 15 zu liegen kommt, Wind zwischen den Grundträger 2 und die Kollektoreinheit 10 eingreifen kann.
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Bei dem in 1 dargestellten Solarkollektor 2 ist darüber hinaus noch eine weitere Kollektoreinheit 10' vorgesehen. Diese weitere Kollektoreinheit 10' entspricht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen ersten Kollektoreinheit 10, weshalb auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird. Die einzelnen Elemente der weiteren Kollektoreinheit 10' tragen dabei im Wesentlichen die gleichen Bezugsziffern wie die vergleichbaren der ersten Kollektoreinheit 10, ergänzt um einen Strich.
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Die erste Kollektoreinheit 10 und die weitere Kollektoreinheit 10' sind über eine Schub- und Zugstange 4 derart miteinander verbunden, dass eine Schwenkbewegung der ersten Kollektoreinheit 10 eine synchrone Schwenkbewegung der zweiten Kollektoreinheit 10' zur Folge hat. Es ist daher lediglich ein gemeinsames Antriebselement 3 erforderlich, um beide Kollektoreinheiten 10, 10' zu verschwenken.
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Die weitere Kollektoreinheit 10' weist ebenfalls ein Windschutzelement 16' auf. Allerdings ist dieses Windschutzelement 16' nicht an der Stirnseite des Grundträgers 2 angeordnet (vergleiche Windschutzelement 16 der ersten Kollektoreinheit 10), sondern vielmehr seitlich. Auch mit diesem Windschutzelement 16' wird verhindert, dass Wind zwischen der weiteren Kollektoreinheit 10' und dem Grundträger 2 eingreift und dadurch gegebenenfalls unerwünschte Schwingungen hervorruft.
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Die weitere Kollektoreinheit 10' umfasst ebenfalls einen Schwingungsdämpfer 17', der zwischen Tragarm 13' und Grundträger 2 vorgesehen ist. Durch diesen Schwingungsdämpfer 17' können unerwünschte Schwingungen, beispielsweise aufgrund von Wind, in jeder Stellung der Tragarme 13, 13' reduziert oder gar vollständig verhindert werden. Aufgrund der Schub- und Zugstange 4 erstreckt sich der schwingungsdämpfende Effekt des Schwingungsdämpfers 17' auch auf die erste Kollektoreinheit 10.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 dargestellt. Der Solarkollektor 1 aus 2 ähnelt in weiten Teilen denjenigen aus 1 und 2 weshalb auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede und Besonderheiten des Solarkollektors 1 aus 2 gegenüber demjenigen aus den 1 und 2 eingegangen.
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Die Kollektoreinheiten 10, 10' weisen jeweils zwei Tragarme 13, 13' auf, die um die jeweiligen Schwenkachsen 14, 14' schwenkbar sind. Die Schwenkarme 13, 13' sind dabei an der Stelle, an denen der Spiegel 11, 11' befestigt ist abgewinkelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spiegelelemente 11, 11' darüber hinaus nicht gegenüber den jeweiligen Tragarmen 13, 13' umklappbar.
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Zur Übertragung der Schwenkbewegung der ersten Kollektoreinheit 10 auf die weitere Kollektoreinheit 10' weisen die Tragarme 13, 13' im Bereich der jeweiligen Schwenkachsen 14, 14' Zahnräder 20, 20' auf, die über eine Kette 21 mechanisch miteinander gekoppelt sind. Wird nun die erste Kollektoreinheit 10 verschwenkt, so wird die Schwenkbewegung über die Kette 21 auf die weitere Kollektoreinheit 10' übertragen.
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Der Grundträger 2 des Solarkollektors 1 ist auf einem Drehwerk 30 angeordnet. Mithilfe dieses Drehwerkes 30, welches als Drehkranz ausgeführt ist, lassen sich der Grundträger 2 und damit die daran befestigten Kollektoreinheiten 10, 10' um eine Achse senkrecht zu den Schwenkachsen 14, 14' der Kollektoreinheiten 10, 10' drehen. Durch das Verschwenken der Kollektoreinheiten 10, 10' einerseits, und das Drehen derselben um die Drehachse des Drehwerks 30 andererseits wird eine zweiachsige Nachführung erreicht.
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Das Drehwerk 30 weist zwei gegeneinander verschiebbare Ringe 31, 32 auf, die in Relation so zueinander geführt werden, das die gewünschte Drehbewegung erreicht werden kann. Ist der eine Ring 31 fest mit dem Grundträger 2 verbunden, während der andere Ring 32 mit einem Fundament oder beispielsweise einem Dach verbunden ist, kann der erste Ring 31 an seinem äußeren Umfang eine umlaufende Zahnstange 33 aus Kunststoff aufweisen, in welche eine Antriebseinheit mit einem Zahnrad 34 eingreifen kann. Ein entsprechender Antrieb für das Drehwerk 30 ist in 3a skizziert.
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Alternativ ist es möglich, dass der erste Ring 31 ein umlaufendes Stahlseil 36 aufweist, das an einer Stelle 37 fest mit dem ersten Ring 31 verbunden ist. Zusätzlich ist das Stahlseil 36 um eine Spule 38 gewickelt, die von einer Antriebseinheit 39 angetrieben wird. Ein entsprechender Antrieb für das Drehwerk 30 ist in 3b skizziert.
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In 3c sind Alternativen skizziert, wie die Ringe 31, 32 des Drehwerks 30 aufeinander geführt werden können. Einerseits ist es möglich, eine Laufrolle 40 und eine Führungsrolle 41 an dem einem Ring 31 vorzusehen, die dann auf dem anderen Ring 32 laufen. Alternativ ist es möglich, den anderen Ring 32 profiliert auszugestalten, so dass eine ebenfalls profilierte Laufrolle 40 in dieses Profil eingreift. In beiden dargestellten Fällen ist es möglich, dass das Drehwerk 30 nicht horizontal, sondern geneigt angeordnet ist. Es ist also beispielsweise möglich, einen entsprechend ausgestalteten Solarkollektor 1 dachparallel auf einem schrägen Dach anzuordnen.
