DE102013002825A1

DE102013002825A1 - Agrar- und pv-installation mit einer integrierten wasserversorgung

Info

Publication number: DE102013002825A1
Application number: DE201310002825
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Agrar- und PV-Installation (1) mit einer Vielzahl von in einem horizontalen Abstand zueinander angeordneten Masten (13), die ein Mastenfeld (17) bilden und jeweils dazu ausgebildet sind, PV-Module (10) auf einer Unterkonstruktion (11) zu tragen. Dabei können die PV-Module (10) starr zur Sonne ausgerichtet sein oder über die Schwenkachsen (x, y) in einer Gelenkanordnung (12) zum jeweiligen Sonnenstand ausgerichtet werden. Erfindungsgemäß weist eine Agrar- und PV-Installation (1) eine netzunabhängige Wasserversorgung (2) mit einem Regenwassersammelsystem (20) und einem Bewässerungssystem (23) für die Bewässerung eines landwirtschaftlich genutzten Baugrunds (15) auf, wobei eine Vielzahl von Zisternen (205) oder eine Sammelzisterne als Wasserspeicher dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Agrar- und PV-Installation, die aus einem Mastenfeld, das aus horizontal voneinander beabstandeten Einzelmasten besteht, die jeweils PV-Module auf einer Unterkonstruktion tragen, wobei die PV-Module entweder starr zur Sonne ausgerichtet sind oder über eine Gelenkanordnung beweglich mit einem Mast verbunden sind. Dabei sind die PV-Module mit einem vertikalen Abstand zu einem landwirtschaftlich genutzten Baugrund angeordnet und überdecken den Baugrund nur zu etwa max. 30%, sodass eine landwirtschaftliche Nutzung des Baugrunds ermöglicht wird.
Stand der Technik
Bei der heute üblichen Freilandaufstellung von PV-Anlagen geht die Möglichkeit der landwirtschaftlichen Nutzung dieser Flächen weitgehend verloren oder ist zumindest stark eingeschränkt. Pächter, die Ackerboden für die photovoltaische Stromgewinnung nutzen wollen, müssen dem Landwirt den Wert einer potentiellen jährlichen Ernte ersetzen. Dadurch erhöht sich einerseits der Pachtzins, andererseits wird wertvoller Ackerboden der Nahrungsmittelproduktion entzogen. Dies gilt insbesondere für starr zur Sonne ausgerichtete PV-Anlagen im kraftwerkstechnischen Maßstab mit einer bodennahen Unterkonstruktion. Zweiachsig nachgeführte PV-Module erhöhen zwar den Wirkungsgrad der Module um bis zu 35%, bedingen aber einen angemessenen Abstand der einzelnen Solaranlagen untereinander, um eine gegenseitige Verschattung der Kollektorflächen zu vermeiden. Einer punktförmigen Unterstützung der Kollektorfläche kommt dabei die Aufgabe zu, die PV-Module so über einem Baugrund anzuordnen, dass eine etwa 10–60 qm große Kollektorfläche auch bei flach einfallendem Licht zur Sonne ausgerichtet werden kann. Der Abstand zum Baugrund bemisst sich bei diesen Anlagen aus dem Schwenkbereich der PV-Module, der in der Regel von 15–75 Grad reicht. Dies bedeutet, dass die lichte Raumhöhe durch den Schwenkbereich der PV-Module stark eingeschränkt ist und auch hier weitere Nutzungen des Baugrunds nur bedingt möglich sind. Die einfache Verlängerung der Maste oder Stützen führt zu einem unangemessenen Mehraufwand bei der Einspannung der Stützen mit entsprechend voluminösen Gründungskörpern aus Stahlbeton. Die mit dem Klimawandel einhergehenden Wetterereignisse, wie Starkregen und lange Dürreperioden, reduzieren den landwirtschaftlichen Ertrag auch in Gegenden, die sich bisher durch eine konstante Fruchtbarkeit ausgezeichnet haben. In weniger begünstigten Breiten reduzieren ausgedehnte Dürrephasen die ohnehin eingeschränkten Möglichkeiten von Ackerbau und Viehzucht. Bei PV-Modulen mit mono- und polykristallinen Silicium-Zellen reduziert sich der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur. Als Faustregel dabei gilt, dass bei einer Temperaturerhöhung von 1°C der Wirkungsgrad um 0,5% nachlässt. Nimmt man einen optimalen Wirkungsgrad bei etwa 20°C an, kann der Wirkungsgradverlust bei hohen Oberflächentemperaturen an den Silicium-Zellen bis zu 50% betragen. Bekannte Techniken zur Kühlung von PV-Modulen nutzen das auf Dächern gesammelte und in einer Zisterne gespeicherte Regenwasser für eine strahlungsseitige Kühlung der PV-Module mit Hilfe einer Beregnungsanlage. Eine rückseitige Kühlung über einen Luftstrom, der die Verdunstungskälte von Wasser nutzt, um die PV-Module zu kühlen, ist ebenfalls vorbekannt.
Sogenannte Hybridkollektoren nutzen die Sonneneinstrahlung einerseits zur Stromerzeugung und andererseits zur Warmwassergewinnung. Der besondere Vorteil dieser Technik besteht in der Möglichkeit, durch die Warmwassergewinnung die Solarzellen zu kühlen. Nachteilig dabei ist ein Zielkonflikt zwischen der Aufgabe, gleichzeitig heißes Wasser zu erzeugen und die Solarzellen selbst möglichst effektiv zu kühlen. In der DE 10 2004 010 653 A1 wird ein hybrider Niedertemperatur-Solarkollektor beschrieben, der diesen Zielkonflikt vermeidet und die Temperatur des Kühlwassers auf 20°C begrenzt.
In der DE 20 2007 010 901 U1 ist ein Hybridkollektor beschrieben, bei dem ein wärmeabsorbierendes Blech mit einem Kühlregister, das von einem Schlauchmaterial gebildet wird, in Kontakt steht. Die DE 20 2005 008 164 U1 zeigt ein selbsttragendes, gekühltes PV-Modul in Sandwichbauweise. Bei diesem Vorschlag werden die PV-Zellen durch einen Kaminzug in Luftkanälen gekühlt. Die DE 20 2009 010 235 U1 zeigt ein aus Deckschalen und einem Profilblech aufgebautes, selbsttragendes Sandwichelement, das einen wasserdurchströmten Behälter zur Kühlung der Solarzellen vorsieht, bei dem die Solarzellen vollflächig mit dem Behälter verbunden sind. In der WO 2009/140564 A1 werden weitgespannte Seilkonstruktionen zur Aufnahme von PV-Modulen in einem vertikalen Abstand zu einem Baugrund systematisch beschrieben. Die gezeigten Konstruktionen betreffen freigespannte Tragwerke mit einem stützenfreien Raum unter den entsprechenden PV-Anlagen. Eine integrierte Wasserversorgung der PV-Anlagen geht aus dieser Schrift nicht hervor.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Synergieeffekte zwischen der landwirtschaftlichen Nutzung eines Baugrunds und der photovoltaischen Stromerzeugung auf diesem Baugrund aufzuzeigen. Eine entsprechende, landwirtschaftlich genutzte Fläche wird dabei nicht vollständig mit PV-Modulen überdeckt, sondern die PV-Module sind Masten mit einzelnen Kollektorflächen zugeordnet. Bei einem Mastenfeld erreichen diese in einem großen vertikalen Abstand zu einem Baugrund angeordneten Kollektorflächen einen Überdeckungsgrad von 20–40%, sodass der überwiegende Teil des Baugrunds der Sonneneinstrahlung ausgesetzt bleibt. Die teilweise Verschattung des Baugrunds wirkt sich bei manchen Pflanzen positiv auf den Ertrag aus. Regenwasser, das auf die PV-Module niedergeht, wird gesammelt und in einer Zisterne gespeichert und dient der Bewässerung des umgebenden Baugrunds. Andererseits können die PV-Module mittels des in der Zisterne gespeicherten Wassers gekühlt werden, um einen höheren Wirkungsgrad zu ermöglichen. Die von den PV-Modulen abgeleitete Wärme kann in den Baugrund eingespeichert werden, um das Pflanzenwachstum zu begünstigen. Diese Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Regenwassersammel- und Speichersystem
Für das Auffangen von Niederschlägen ist eine erfindungsgemäße Agrar- und PV-Installation mit einem Regensensor ausgestattet. Bei Regen wird die mit PV-Modulen bestückte Kollektorfläche über eine Gelenkanordnung mit Stellmotor in eine horizontale Stellung gebracht und festgehalten. In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind zwischen den einzelnen PV-Modulen offene Fugen mit darunterliegenden Rinnen vorgesehen. Diese Rinnen leiten das Regenwasser zu einem horizontalen Sammelrohr, das gleichzeitig einen Teil der Unterkonstruktion für die PV-Module bildet. Eine Regenauslauföffnung in diesem Rohr ist konzentrisch und koaxial zur Längsmittelachse eines Masts angeordnet, sodass über eine Regeneinlauföffnung am Kopfpunkt eines Masts das Regenwasser in den Mast eingeleitet wird. In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind die Fugen zwischen den einzelnen PV-Modulen abgedichtet, sodass das Regenwasser zu einer äußeren, die Unterkonstruktion der PV-Module umgebenden Regenrinne geleitet wird, von wo es wiederum in das genannte horizontale Sammelrohr eingeleitet und zum Regeneinlauf am Kopfpunkt des Masts geführt wird. Alternativ kann das Regenwasser auch in einer wasserdichten Wanne unterhalb der PV-Module aufgefangen und in eine Regeneinlauföffnung am Kopfpunkt eines Masts eingeleitet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist der Gründungskörper für einen Mast als Hohlkörper ausgebildet und kann als Zisterne das Regenwasser speichern.
Bewässerungssystem
Eine Zisterne dient auch als Wasserentnahmestelle und kann zur Bewässerung des umgebenden Baugrunds genutzt werden. Der Wasserhaushalt einer Agrar- und PV-Installation ermöglicht hier den zeitversetzten Eintrag von Feuchtigkeit in einen Ackerboden, sodass präventiv Dürreschäden an den Feldfrüchten gezielt entgegengewirkt werden kann. In Gegenden mit wenig Niederschlag hat sich eine tröpfchenweise Bewässerung der Wurzelzone von Nutzpflanzen als besonders effektiv erwiesen, um unfruchtbares Land fruchtbar zu machen.
Kühlsystem
Zur Kühlung der PV-Module können in einer Ebene im Bereich der Unterkonstruktion hinter den PV-Modulen Wannen, die mit einem wasserspeichernden kapillaren Material befüllt sind, angeordnet werden. Zwischen der Rückseite der PV-Module und dem kapillaren Material ist ein Luftspalt vorgesehen, sodass bei einer kontinuierlichen Bewässerung der Kapillarstruktur die Verdunstungskälte des Wassers zur Kühlung der PV-Module in einem rückseitigen Luftstrom genutzt werden kann. Im Rahmen der Erfindung wird auch vorgeschlagen, zur Kühlung der PV-Module den Phasenwechsel eines Arbeitsmediums in einem Zwei-Phasen-Thermosyphon zu nutzen. Dafür wird ein vakuumdicht verschweißter, plattenförmiger, mit einem Unterdruck beaufschlagter Druckbehälter benötigt, an dessen oberem Ende sich ein wasserdurchströmtes Wärmeträgerrohr und an dessen unterem Ende sich ein sog. Sumpf befindet. Bei Wärmeeintrag seitens der Solarzellen verdampft das Arbeitsmedium, z. B. Wasser, Methanol oder Ethanol und überträgt die Wärme auf das durch das Wärmeträgerrohr fließende Wasser. Die Wärmeaufnahme über die latente Verdampfungswärme des Arbeitsmediums stellt eine effektive Methode zur Kühlung der PV-Module dar. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltungsvariante der Erfindung besteht darin, dass der Solarzellenverbund mittels einer Einbettfolie hohlraumfrei und unmittelbar mit der Oberfläche eines flächenförmigen Druckbehälters in Sandwichbauweise verbunden werden kann, wobei einstrahlungsseitig eine entspiegelte Glasplatte und eine Einbettfolie vorgesehen sind. Dabei bildet das selbsttragende Sandwichelement des Druckbehälters einen Teil der Unterkonstruktion, sodass zusätzlich nur noch Längs- oder Querträger erforderlich sind. Das in der Zisterne gesammelte Regenwasser dient als temporäre Wärmesenke für die in einem Kühlkreislauf von den PV-Modulen abgeleitete Wärme. Die Rückkühlung der Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt in einem geschlossenen Kühlkreislauf über eine Rohrwendel innerhalb einer wassergefüllten Zisterne. Alternativ kann eine Rohrwendel zur Rückkühlung der Wärmeträgerflüssigkeit auch in ein Gründungselement einbetoniert werden. Die von den PV-Modulen abgeleitete Wärme heizt tagsüber das Regenwasser in einer Zisterne auf. Zur Rückkühlung des Zisternenwassers wird ein Rückkühlkreislauf, der von einem Rohrregister in dem umgebenden Erdreich gebildet wird, vorgeschlagen. Eine elektrische Pumpe benötigt wenig Energie zur Aufrechterhaltung der Kreisläufe für die Wärmeableitung aus den PV-Modulen einerseits und für die Rückkühlung des Zisternenwassers andererseits. Dabei wird der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht genutzt. Wird die von den PV-Modulen abgeleitete Wärme in den Baugrund eingespeichert, kann die Erntezeit bestimmter Feldfrüchte zu einem früheren Zeitpunkt im Jahr erfolgen. Andererseits ist es möglich, die Erntezeit bis in den Winter hinein zu verlängern.
Seilkonstruktion
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, eine Vielzahl von Masten durch ein Seilnetz in einem vertikalen Abstand von mehreren Metern über dem Baugrund untereinander zu verbinden. Dabei ist das Seilnetz dazu ausgebildet, horizontale Lasten, die auf eine Vielzahl einzelner Maste einwirken, zu sammeln und zu speziellen Aussteifungselementen zu leiten. Als aussteifende Elemente kommen neben einer konstruktiven Einspannung der Randstützen in Längs- und Querrichtung eines Mastenfelds auch Gründungskörper oder Wandscheiben in Frage. Die konzentrierte Ableitung horizontaler Lasten an wenigen aussteifenden Elementen innerhalb eines Mastenfelds erlaubt die Ausbildung einer Vielzahl von Masten als Pendelstützen. Dadurch sind erhebliche Materialeinsparungen an den Masten selbst und an den Gründungskörpern möglich. Diese kostensenkende Maßnahme geht einher mit einem ästhetisch befriedigenden Erscheinungsbild eines vernetzten Kollektorfelds. Ein Seilnetz aus vorgespannten Stahlseilen kann mit dreieckigen, viereckigen oder secheckigen Feldern ausgebildet und an unterschiedliche Geländeformationen angepasst werden. Das Seilnetz ermöglicht weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die das Einhängen eines Hagelschutznetzes an den Spannseilen ebenso umfassen, wie die Ausbildung eines lichtdurchlässigen Foliendachs zur Überdeckung eines landwirtschaftlich genutzten Baugrunds. Typische Anwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Agrar- und PV-Installation mit einer integrierten Wasserversorgung gehen aus den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigen:
1 eine freistehende Agrar- und PV-Installation mit einem integrierten Regenwassersammel- und Speichersystem in der isometrischen Schnittdarstellung
2 die Agrar- und PV-Installation nach 1 im Querschnitt
3 eine von einem Seilnetz gehaltene Agrar- und PV-Installation mit einer Pendelstütze in der isometrischen Schnittdarstellung
4 eine von einem Seilnetz gehaltene Agrar- und PV-Installation mit einer eingespannten Stütze im Querschnitt
5 eine von einem Seilnetz gehaltene Agrar- und PV-Installation in der Regenwassersammelstellung mit einem integrierten Kühlsystem für die PV-Module in der isometrischen Ausschnittsdarstellung
6 die Agrar- und PV-Installation nach 5 in einer photoelektrisch wirksamen Arbeitsstellung im Querschnitt
7 eine Agrar- und PV-Installation nach 5 und 6 mit eingespannter Stütze im Querschnitt
8 ein seilnetzverspanntes, ebenes Mastenfeld in der schematischen isometrischen Übersicht
9 das Mastenfeld nach 8 in der schematischen Aufsicht
10 ein seilnetzverspanntes, ebenes Mastenfeld mit eingespannten Randstützen in der schematischen isometrischen Übersicht
11 das Mastenfeld nach 10 in der schematischen Aufsicht
12 ein seilverspanntes Mastenfeld auf einem Platz zwischen Gebäuden in der schematischen isometrischen Übersicht
13 das Mastenfeld nach 12 in der schematischen Aufsicht
14 ein seilverspanntes Mastenfeld in einer Geländesenke im schematischen Querschnitt
15 das Mastenfeld nach 14 in der schematischen Aufsicht
16 ein seilverspanntes Mastenfeld auf einer Geländekuppe im schematischen Querschnitt
17 das Mastenfeld nach 16 in der schematischen Aufsicht
18 ein seilverspanntes Mastenfeld mit integrierter Hagelschutzvorrichtung in der schematischen isometrischen Übersicht
19 das Mastenfeld nach 18 im schematischen Querschnitt
1 zeigt eine freistehende Agrar- und PV-Installation 1, die aus PV-Modulen 10 auf einer Unterkonstruktion 11, aus einem Mast 13, einem Gründungselement 14 sowie einer Gelenkanordnung 12 zwischen dem Mast 13 und der Unterkonstruktion 11 aufgebaut ist. Die PV-Module 10 und ihre Unterkonstruktion 11 sind in einer horizontalen Arbeitsstellung gezeigt, bei der das auf die PV-Module 10 auftreffende Regenwasser von einem Netz aus Regenrinnen 200 zwischen den einzelnen PV-Modulen 10 gesammelt und in ein horizontales Sammelrohr 202 als Teil der Unterkonstruktion 11 eingeleitet werden. In dieser Arbeitsstellung der PV-Module 10 ist ein Rohrstutzen an dem Sammelrohr 202 konzentrisch und koaxial zur Längsmittelachse des Masts 13 ausgerichtet, sodass das Regenwasser über einen Regeneinlauf 132 am Kopfpunkt des Masts 13 in ein von dem Mast 13 gebildetes Fallrohr 203 eingeleitet wird. Das Gründungselement 14 ist als Hohlkörper 140 ausgebildet und sammelt als unterirdische Zisterne 205 das Regenwasser. Der Mast 13 ist über eine Fußplatte 134 und über eine nicht näher bezeichnete Durchführung im Deckel der Zisterne 205 mit dem Hohlkörper 140 aus Stahlbeton verbunden, sodass er als eingespannte Stütze 131 wirkt. Oberhalb des Baugrunds 15 sind eine Wasserentnahmestelle mit einem Wasserhahn 231, der mit einer Pumpe 162 in der Zisterne 205 in Verbindung steht und eine Stromentnahmestelle 16 mit Steckdosen 161 dargestellt.
2 zeigt die in 1 ausführlich beschriebene, freistehende Agrar- und PV-Installation im Querschnitt. Die PV-Module 10 mit der Unterkonstruktion 11 sind in einer horizontalen Arbeitsstellung dargestellt, bei der der auf die Agrar- und PV-Installation 1 auftreffende Regen von einem Netz aus Rinnen 200 gesammelt und in ein horizontales Sammelrohr 202 eingeleitet wird. In dieser Stellung kann aus dem Sammelrohr 202 das Regenwasser unmittelbar über einen Regeneinlauf 132 in den Mast eingeleitet werden.
3 zeigt eine Agrar- und PV-Installation 1 mit einer integrierten Wasserversorgung 2, deren Kollektorfläche dem in 1 gezeigten Beispiel entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Mast 13 von einem horizontal gespannten Seilnetz 3, das eine Vielzahl gleichartiger Agrar- und PV-Installationen 1 in einem Mastenfeld 17 untereinander verbindet, unterhalb des Schwenkbereichs der PV-Module 10 gehalten. Der Stahlmast 13 ist als Pendelstütze 130 ausgebildet und hat für den Anschluss der Stahlseile 300 einen Kragen 133. Der Gründungskörper 14 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem stählernen Schraubfundament 141, das maschinell in den Baugrund 15 eingeschraubt wird und einen nicht näher dargestellten Anschluss an einen Bodenkanal 204 besitzt. Dieser Bodenkanal 204 sammelt das Regenwasser aus mehreren Agrar- und PV-Installationen 1 und leitet es in eine Sammelzisterne 206 ein.
4 zeigt eine Agrar- und PV-Installation 1 mit einer integrierten Wasserversorgung 2, die ein Regenwassersammelsystem 20 und ein Kühlsystem 21 für die PV-Module 10 umfasst in einer photoelektrisch wirksamen Arbeitsstellung. Über eine Steigleitung 210 innerhalb des Masts 13 wird Regenwasser aus der Zisterne 205 zu der Unterkonstruktion 11 gepumpt. Auf der strahlungsabgewandten Seite der PV-Module 10 sind mit einem kapillaren Material befüllte Wannen 201 montiert, die mit einem Kühlregister 212 kontinuierlich bewässert werden. In einem Luftspalt zwischen den PV-Modulen 10 und dem kapillaren Material in den Wannen 201 wird die Verdunstungskälte des Regenwassers genutzt, um die PV-Module 10 rückseitig zu kühlen. In einer nicht näher dargestellten, alternativen Anordnung ist vorgesehen, das Regenwasser bis zum oberen Rand einer Unterkonstruktion zu pumpen und mittels von Wasserdüsen die strahlungsseitige Oberfläche der PV-Module 10 kontinuierlich zu benetzen. Das so genutzte Kühlwasser kann ggf. am unteren Ende einer Unterkonstruktion 11 in einer Rinne 200 gesammelt und über einen flexiblen Schlauch wieder in das Fallrohr 203 zurückgeleitet werden. Der Mast 13 ist bei diesem Beispiel als eingespannte Stützte 131 ausgebildet und steht über ein Seilnetz 3 mit weiteren Agrar- und PV-Installationen 1 eines Mastenfelds 17 in Verbindung. Das Bewässerungssystem 22 ist bei diesem Beispiel als Brunnen 230 für Nutztiere ausgebildet.
5 zeigt eine Agrar- und PV-Installation 1 in einer horizontalen Regensammelstellung. Die PV-Module 10 stehen bei diesem Beispiel in einem vollflächigen, wärmeleitenden Kontakt zu Stahlsandwichelementen 213, die einen Teil der Unterkonstruktion 11 für die PV-Module 10 ersetzen. Eine äußere Regenrinne 200 und insgesamt zwei Querrinnen 200 leiten das Regenwasser in ein horizontales Sammelrohr 202 ein, von wo es über eine Einlauföffnung 132 am Kopfpunkt des Masts 13 über ein Fallrohr 203 in die Zisterne 205 eingeleitet wird. In einem geschlossenen Kreislauf wird eine Wärmeträgerflüssigkeit in einer Steigleitung 210 zu den Stahlsandwichelementen 213 geleitet, um die PV-Module 10 nach dem physikalischen Prinzip eines Zwei-Phasen-Thermosyphons zu kühlen. In einer Rücklaufleitung 211 wird die aus den PV-Module 10 abgeleitete Wärme über eine Rohrwendel 220 in der Zisterne 205 gekühlt. Ein Rückkühlsystem 22 mit einem Erdregister 221 kann ggf. während der Nacht das am Ende eines Betriebszyklus warme Wasser in der Zisterne 205 zurückkühlen. Elektrische Pumpen 162 halten den Kreislauf der Kühlsysteme aufrecht.
6 zeigt die Agrar- und PV-Installation 1 nach 5 in einer photoelektrisch aktiven Arbeitsstellung. Die Sandwichelemente 213 sind als vakuumdicht verschweißte Druckbehälter 214 ausgebildet und mit einem Unterdruck so beaufschlagt, dass ein flüssiges Arbeitsmedium bei Eintrag solarer Wärme über die PV-Module 10 als Gasphase zu einem Wärmeträgerrohr 215, in dem das Regenwasser aus der Zisterne 205 zirkuliert, aufsteigt und kondensiert, um sich erneut in einem Sumpf 216 am unteren Ende des Druckbehälters 214 zu sammeln. Mit einem Zwei-Phasen-Thermosyphon lassen sich die PV-Module 10 auf Umgebungstemperatur herunterkühlen, sodass sich ihre elektrische Leistung wesentlich verbessert. Eine nicht näher dargestellte Wärmedämmung auf der Rückseite der Druckbehälter 214 kann eine noch weitere Abkühlung der PV-Module 10 bis auf ca. 25°C bewirken. Bei dieser Temperatur verdampft ein Arbeitsmedium, wie Wasser, Ethanol, Methanol oder ein Gemisch aus diesen Flüssigkeiten bei einem vorausgesetzten Unterdruck von wenigen Millibar in dem Druckbehälter 214. Über eine in den Mast 13 integrierte Steigleitung 210 mit entsprechendem Rücklauf 211 steht das Wärmeträgerrohr 215 über eine Rohrwendel 220 mit dem in der Zisterne 205 gesammelte Regenwasser in Verbindung. Im Bereich des Mastkopfs sind flexible Schläuche als Verbindung zwischen dem Wärmeträgerrohr 215 und der Steig- und Rücklaufleitung 210, 211 vorgesehen. Das Regenwasser selbst wird wie beschrieben in einem Rückkühlsystem 22 mit Erdregister 221 abgekühlt.
7 zeigt eine Agrar- und PV-Installation 1, deren Mast 13 ein ausbetoniertes Stahlrohr aufweist und als eingespannte Stütze 131 die horizontalen Kräfte aus mehreren Agrar- und PV-Installationen 1 eines Mastenfelds 17 aufnehmen und in den tragfähigen Baugrund 15 ableiten kann. Über längs und quer gespannte Stahlseile 300, die ein Seilnetz 3 bilden, ist dieser Mast 13 mit weiteren Agrar- und PV-Installationen 1 verbunden. Eine Spannvorrichtung 303 am Knotenpunkt 30 eines Seilnetzes 3 ermöglicht die Vorspannung der Stahlseile 300. An den Stahlseilen 300 ist ein wandelbares Dach 31 als Hagelschutznetz 310 aufgehängt, das bedarfsweise auf- und zugefahren werden kann. Die PV-Module 10 werden über das in den 5 und 6 beschriebene Kühlsystem mit einem Zwei-Phasen-Thermosyphon mit Druckbehältern 214 gekühlt. Das Rückkühlsystem 22 für die Wärmeträgerflüssigkeit besteht bei diesem Beispiel aus einer Rohrwendel 220, die in ein massives Stahlbetonfundament 14 eingelassen ist. Das Fallrohr 203 im Mast 13 dieser Agrar- und PV-Installation 1 steht mit einem Bodenkanal 204 und einer externen Sammelzisterne 206 in Verbindung.
8 zeigt eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen 1, die durch ein horizontales Seilnetz 3 untereinander zu einem zusammenhängenden Mastenfeld 17 verbunden sind. Am Rand des Mastenfelds 17 werden die Seilkräfte über nicht näher dargestellte Gründungskörper 14 unmittelbar in den Baugrund eingeleitet. In dieser Anordnung können alle Maste 13 eines Mastenfelds 17 als Pendelstützen 130 ausgebildet werden.
9 zeigt das Mastenfeld 17 nach 8 in der Aufsicht. Horizontale Kräfte, die auf die Agrar- und PV-Installation 1 einwirken, werden durch ein trianguliertes Seilnetz 3 zu äußeren Gründungselementen 14 abgetragen.
10 zeigt ein Mastenfeld 17, bei dem die horizontalen Kräfte durch ein trianguliertes Seilnetz 3 zu randständigen Masten 13, die jeweils als eingespannte Stützen 131 ausgebildet sind und in ihrem Aufbau dem in 7 gezeigten Beispiel entsprechen, aufgenommen werden. Die innenstehenden Maste 13 der Agrar- und PV-Installation 1 können als Pendelstützen 130 ausgebildet werden.
11 zeigt das Mastenfeld 17 nach 10 in der schematischen Aufsicht zur Unterscheidung der Maste 13 als äußere eingespannte Stützen 131 und innere Pendelstützen 130. Das triangulierte, vorgespannte Seilnetz 3 mit Stahlseilen 300 und Knotenpunkten 30 stellt sicher, dass die auf die Agrar- und PV-Installation 1 einwirkenden horizontalen Lasten auf die eingespannten Stützen 131 verteilt werden.
12 zeigt ein Mastenfeld 17, das eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen 1 umfasst, deren Maste 13 jeweils als Pendelstützen 130 ausgebildet sind. Ein vorgespanntes Seilnetz 3 verteilt die horizontalen Lasten auf die eine Platzanlage umgebenden Gebäude.
13 zeigt das Mastenfeld 17 nach 12 in der Aufsicht zur besseren Veranschaulichung der lastverteilenden Wirkung des triangulierten Seilnetzes 3. Die integrierte Wasserversorgung 2 der Agrar- und PV-Installationen 1 versorgt einen Brunnen 230 mit Wasser.
14 zeigt ein Mastenfeld 17 über einer Talsenke. Die Maste 13 der Agrar- und PV-Installationen 1 sind durch ein dem Geländeverlauf folgendes Seilnetz 3 untereinander verbunden, das die horizontalen Kräfte unmittelbar in Gründungselemente 14 einleitet. Auf diese Weise können die Gründungselemente der Maste 13 als Schraubfundament 141 ausgebildet werden, wie es in 3 näher dargestellt und beschrieben ist. Die integrierte Wasserversorgung 2 der Agrar- und PV-Installationen 1 speist über einen Bodenkanal 204 eine Sammelzisterne 206.
15 zeigt das Mastenfeld 17 nach 14 in der Aufsicht zur besseren Darstellung der lastverteilenden Wirkung des vorgespannten, triangulierten Seilnetzes 3, dessen Knotenpunkte 30 jeweils am Schnittpunkt mit einem Mast 13 liegen.
16 zeigt ein Mastenfeld 17 auf einer Geländeanhöhe. Auch hier ist eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen 1 durch ein dem Geländeverlauf, vorgespanntes Seilnetz 3 untereinander verbunden, wobei die horizontalen Kräfte durch das triangulierte Seilnetz 3 zu randständigen Agrar- und PV-Installationen 1, deren Maste 13 als eingespannte Stützen 131 ausgebildet sind, geleitet werden. Die integrierte Wasserversorgung 2 einer Agrar- und PV-Installation 1 speist in diesem Beispiel über einen Bodenkanal 204 eine Sammelzisterne 206.
17 zeigt das Mastenfeld 17 nach 16 zur Veranschaulichung der Anpassungsfähigkeit der Seilkonstruktion an unterschiedlichste Geländeformationen.
18 zeigt ein Mastenfeld 17, bei dem eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen 1 durch ein mit einem Abstand zu einem Baugrund 14 angeordnetes Seilnetz 3 untereinander verspannt sind und horizontale Lasten auf randständige Maste 13, die jeweils als eingespannte Stützen 131 ausgebildet sind, verteilen. An die Stahlseile 300 des lastverteilenden Seilnetzes 3 ist bei diesem Beispiel ein einfahrbares Hagelschutznetz 310 angehängt, das einen temporären Hagelschutz z. B. für Obstplantagen oder aber auch KFZ-Abstellplätze bietet.

19 zeigt das Mastenfeld 17 nach 18 in einem schematischen Querschnitt. Die integrierte Wasserversorgung 2 des Mastenfelds 17 entspricht einem der in den 1–7 näher erläuterten Systeme. Die Maste 13 zwischen den äußeren eingespannten Stützen 131 können als Pendelstützen 130 ausgebildet werden und ein Schraubfundament 141 erhalten. Bezugszeichenübersicht

Agrar- und PV-Installation	1	Wasserversorgung	2	Seilnetz	3
PV-Modul	10	Regenwassersammelsystem	20	Knotenpunkt	30
Unterkonstruktion	11	Rinne	200	Stahlseil	300
Gelenkanordnung	12	Wanne	201	Seilklemme	301
Mast	13	Horizontales Sammelrohr	202	Gabelseilhülse	302
Pendelstütze	130	Fallrohr	203	Spannvorrichtung	303
Eingespannte Stütze	131	Bodenkanal	204	Wandelbares Dach	31
Regeneinlauf	132	Zisterne	205	Hagelschutznetz	310
Kragen	133	Sammelzisterne	206	Foliendach	311
Fußplatte	134	Kühlsystem	21	Schattendach	312
Gründungselement	14	Steigleitung	210
Hohlkörper	140	Rücklauf	211
Schraubfundament	141	Kühlregister	212
Baugrund	15	Sandwichelement	213
Stromentnahmestelle	16	Druckbehälter	214
Stromzähler	160	Wärmeträgerrohr	215
Steckdose	161	Sumpf	216
Pumpe	162	Rückkühlsystem	22
Mastenfeld	17	Rohrwendel	220
Schwenkachse	x	Erdregister	221
Schwenkachse	y	Bewässerungssystem	23
		Brunnen	230
		Wasserhahn	231

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004010653 A1 [0003]
DE 202007010901 U1 [0004]
DE 202005008164 U1 [0004]
DE 202009010235 U1 [0004]
WO 2009/140564 A1 [0004]

Claims

Agrar- und PV-Installation (1) bestehend aus einer Vielzahl von in einem horizontalen Abstand zueinander angeordneten Masten (13), die ein Mastenfeld (17) bilden und jeweils dazu ausgebildet sind, PV-Module (10) auf einer Unterkonstruktion (11) starr zur Sonne ausgerichtet oder über die Schwenkachsen (x, y) in einer Gelenkanordnung (12) zum jeweiligen Sonnenstand ausrichtbar zu tragen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Agrar- und PV-Installation (1) eine netzunabhängige Wasserversorgung (2) mit einem Regenwassersammelsystem (20), einem Bewässerungssystem (23) für die Bewässerung eines landwirtschaftlich genutzten Baugrunds (15) und einem Kühlsystem (21) zur Kühlung der PV-Module (10) aufweist, wobei eine Vielzahl von Zisternen (205) oder eine Sammelzisterne (206) als Wasserspeicher dient.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mast (13) in einem oberen Längsabschnitt eine Gelenkanordnung (12) mit Stellmotor besitzt, um die PV-Module (10) in den Schwenkachsen (x, y) dem jeweiligen Sonnenstand nachzuführen, wobei die PV-Module (10) einen Regensensor aufweisen, sodass die Unterkonstruktion (11) und die PV-Module (10) bei Regen in eine horizontale Stellung geschwenkt werden können, um Regenwasser zu sammeln und über die Gelenkanordnung (12) und den Mast (13) in eine Zisterne (205) oder eine Sammelzisterne (206) einzuleiten.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gründungskörper (14) für einen Mast (13) als Hohlkörper (140) ausgebildet ist und eine Zisterne (205) bildet.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewässerungssystem (23) ein wasserverteilendes Leitungsnetz für eine tröpfchenweise Bewässerung (232) eines mit Nutzpflanzen bepflanzten Baugrunds (15) aufweist, wobei einem Mast (13) ein automatisches System zur Mengendosierung einschließlich Pumpe (162) und Wasserhahn (231) zugeordnet sind.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserversorgung (2) aus einer Zisterne (205) der Bereitstellung von Trinkwasser für Nutztiere dient, wobei oberhalb des Baugrunds (15) ein Brunnen (230) und ein Wasserhahn (231) vorgesehen sind.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserversorgung (2) ein Kühlsystem (21) zur Kühlung der PV-Module (10) aufweist, wobei das in einer Zisterne (205) gespeicherte Regenwasser über eine in einem Mast (13) integrierte Steigleitung (210) zu den PV-Modulen (10) gepumpt wird, um diese mittels eines rückseitigen Kühlregisters (212) zu kühlen.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkonstruktion (11) für die PV-Module (10) von einem plattenförmigen, vakuumdicht verschweißten, mit einem Unterdruck beaufschlagten und mit einem Arbeitsmedium befüllten Druckbehälter (214) in Stahlsandwichbauweise (213) gebildet wird, der als Zwei-Phasen-Thermosyphon mit einem Sumpf (216) an seinem unteren Ende und mit einem von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Wärmeträgerrohr (215) an seinem oberen Ende ausgebildet ist, sodass im Falle solarer Einstrahlung auf die PV-Module (10) durch einen kontinuierlichen Phasenwechsel des Arbeitsmediums Wärme von den PV-Modulen (10) auf die in dem Wärmeträgerrohr (215) geführte Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird, wobei eine Rücklaufleitung (211) in einem Mast (13) sowie eine Rohrwendel (220) in einer Zisterne (205) ein Rückkühlsystem (22) für die Wärmeträgerflüssigkeit bilden.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückkühlsystem (22) für das in einer Zisterne (205) gespeicherte Regenwasser ein Erdregister (221) aufweist, wobei die von den PV-Modulen (10) abgeleitete Wärme über das Erdregister (221) in den eine Agrar- und PV-Installation (1) umgebenden Baugrund (15) eingetragen wird, um das Pflanzenwachstum zu begünstigen.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mastenfeld (17) ein quer zu den Masten (13) gespanntes Seilnetz (3), das unmittelbar unterhalb des Schwenkbereichs der PV-Module (10) angeordnet ist, aufweist, wobei horizontale Lasten, die an eine Agrar- und PV-Installation (1) angreifen, über das Seilnetz (3) zu aussteifenden Elementen (35), die z. B. aus eingespannten Stützen (350), aus Gründungskörpern (351), aus Wandscheiben oder aus Raumzellen bestehen, geleitet werden, sodass eine Vielzahl der Maste (13) eines Mastenfelds (17) als Pendelstützen (130) ausgebildet werden können.
Agrar- und PV-Installation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Seilnetz (3) ein wandelbares Dach (36) trägt, das z. B. ein transluzentes Foliendach (361), ein Schattendach (362) oder ein Hagelschutznetz (360) aufweist und bedarfsweise ausgefahren werden kann.