DE102013002825A1 - Agrar- und pv-installation mit einer integrierten wasserversorgung - Google Patents
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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. DieDE 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. DieDE 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 derWO 2009/140564 A1 - 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 nach1 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 nach5 in einer photoelektrisch wirksamen Arbeitsstellung im Querschnitt -
7 eine Agrar- und PV-Installation nach5 und6 mit eingespannter Stütze im Querschnitt -
8 ein seilnetzverspanntes, ebenes Mastenfeld in der schematischen isometrischen Übersicht -
9 das Mastenfeld nach8 in der schematischen Aufsicht -
10 ein seilnetzverspanntes, ebenes Mastenfeld mit eingespannten Randstützen in der schematischen isometrischen Übersicht -
11 das Mastenfeld nach10 in der schematischen Aufsicht -
12 ein seilverspanntes Mastenfeld auf einem Platz zwischen Gebäuden in der schematischen isometrischen Übersicht -
13 das Mastenfeld nach12 in der schematischen Aufsicht -
14 ein seilverspanntes Mastenfeld in einer Geländesenke im schematischen Querschnitt -
15 das Mastenfeld nach14 in der schematischen Aufsicht -
16 ein seilverspanntes Mastenfeld auf einer Geländekuppe im schematischen Querschnitt -
17 das Mastenfeld nach16 in der schematischen Aufsicht -
18 ein seilverspanntes Mastenfeld mit integrierter Hagelschutzvorrichtung in der schematischen isometrischen Übersicht -
19 das Mastenfeld nach18 im schematischen Querschnitt -
1 zeigt eine freistehende Agrar- und PV-Installation1 , die aus PV-Modulen10 auf einer Unterkonstruktion11 , aus einem Mast13 , einem Gründungselement14 sowie einer Gelenkanordnung12 zwischen dem Mast13 und der Unterkonstruktion11 aufgebaut ist. Die PV-Module10 und ihre Unterkonstruktion11 sind in einer horizontalen Arbeitsstellung gezeigt, bei der das auf die PV-Module10 auftreffende Regenwasser von einem Netz aus Regenrinnen200 zwischen den einzelnen PV-Modulen10 gesammelt und in ein horizontales Sammelrohr202 als Teil der Unterkonstruktion11 eingeleitet werden. In dieser Arbeitsstellung der PV-Module10 ist ein Rohrstutzen an dem Sammelrohr202 konzentrisch und koaxial zur Längsmittelachse des Masts13 ausgerichtet, sodass das Regenwasser über einen Regeneinlauf132 am Kopfpunkt des Masts13 in ein von dem Mast13 gebildetes Fallrohr203 eingeleitet wird. Das Gründungselement14 ist als Hohlkörper140 ausgebildet und sammelt als unterirdische Zisterne205 das Regenwasser. Der Mast13 ist über eine Fußplatte134 und über eine nicht näher bezeichnete Durchführung im Deckel der Zisterne205 mit dem Hohlkörper140 aus Stahlbeton verbunden, sodass er als eingespannte Stütze131 wirkt. Oberhalb des Baugrunds15 sind eine Wasserentnahmestelle mit einem Wasserhahn231 , der mit einer Pumpe162 in der Zisterne205 in Verbindung steht und eine Stromentnahmestelle16 mit Steckdosen161 dargestellt. -
2 zeigt die in1 ausführlich beschriebene, freistehende Agrar- und PV-Installation im Querschnitt. Die PV-Module10 mit der Unterkonstruktion11 sind in einer horizontalen Arbeitsstellung dargestellt, bei der der auf die Agrar- und PV-Installation1 auftreffende Regen von einem Netz aus Rinnen200 gesammelt und in ein horizontales Sammelrohr202 eingeleitet wird. In dieser Stellung kann aus dem Sammelrohr202 das Regenwasser unmittelbar über einen Regeneinlauf132 in den Mast eingeleitet werden. -
3 zeigt eine Agrar- und PV-Installation1 mit einer integrierten Wasserversorgung2 , deren Kollektorfläche dem in1 gezeigten Beispiel entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Mast13 von einem horizontal gespannten Seilnetz3 , das eine Vielzahl gleichartiger Agrar- und PV-Installationen1 in einem Mastenfeld17 untereinander verbindet, unterhalb des Schwenkbereichs der PV-Module10 gehalten. Der Stahlmast13 ist als Pendelstütze130 ausgebildet und hat für den Anschluss der Stahlseile300 einen Kragen133 . Der Gründungskörper14 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem stählernen Schraubfundament141 , das maschinell in den Baugrund15 eingeschraubt wird und einen nicht näher dargestellten Anschluss an einen Bodenkanal204 besitzt. Dieser Bodenkanal204 sammelt das Regenwasser aus mehreren Agrar- und PV-Installationen1 und leitet es in eine Sammelzisterne206 ein. -
4 zeigt eine Agrar- und PV-Installation1 mit einer integrierten Wasserversorgung2 , die ein Regenwassersammelsystem20 und ein Kühlsystem21 für die PV-Module10 umfasst in einer photoelektrisch wirksamen Arbeitsstellung. Über eine Steigleitung210 innerhalb des Masts13 wird Regenwasser aus der Zisterne205 zu der Unterkonstruktion11 gepumpt. Auf der strahlungsabgewandten Seite der PV-Module10 sind mit einem kapillaren Material befüllte Wannen201 montiert, die mit einem Kühlregister212 kontinuierlich bewässert werden. In einem Luftspalt zwischen den PV-Modulen10 und dem kapillaren Material in den Wannen201 wird die Verdunstungskälte des Regenwassers genutzt, um die PV-Module10 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-Module10 kontinuierlich zu benetzen. Das so genutzte Kühlwasser kann ggf. am unteren Ende einer Unterkonstruktion11 in einer Rinne200 gesammelt und über einen flexiblen Schlauch wieder in das Fallrohr203 zurückgeleitet werden. Der Mast13 ist bei diesem Beispiel als eingespannte Stützte131 ausgebildet und steht über ein Seilnetz3 mit weiteren Agrar- und PV-Installationen1 eines Mastenfelds17 in Verbindung. Das Bewässerungssystem22 ist bei diesem Beispiel als Brunnen230 für Nutztiere ausgebildet. -
5 zeigt eine Agrar- und PV-Installation1 in einer horizontalen Regensammelstellung. Die PV-Module10 stehen bei diesem Beispiel in einem vollflächigen, wärmeleitenden Kontakt zu Stahlsandwichelementen213 , die einen Teil der Unterkonstruktion11 für die PV-Module10 ersetzen. Eine äußere Regenrinne200 und insgesamt zwei Querrinnen200 leiten das Regenwasser in ein horizontales Sammelrohr202 ein, von wo es über eine Einlauföffnung132 am Kopfpunkt des Masts13 über ein Fallrohr203 in die Zisterne205 eingeleitet wird. In einem geschlossenen Kreislauf wird eine Wärmeträgerflüssigkeit in einer Steigleitung210 zu den Stahlsandwichelementen213 geleitet, um die PV-Module10 nach dem physikalischen Prinzip eines Zwei-Phasen-Thermosyphons zu kühlen. In einer Rücklaufleitung211 wird die aus den PV-Module10 abgeleitete Wärme über eine Rohrwendel220 in der Zisterne205 gekühlt. Ein Rückkühlsystem22 mit einem Erdregister221 kann ggf. während der Nacht das am Ende eines Betriebszyklus warme Wasser in der Zisterne205 zurückkühlen. Elektrische Pumpen162 halten den Kreislauf der Kühlsysteme aufrecht. -
6 zeigt die Agrar- und PV-Installation1 nach5 in einer photoelektrisch aktiven Arbeitsstellung. Die Sandwichelemente213 sind als vakuumdicht verschweißte Druckbehälter214 ausgebildet und mit einem Unterdruck so beaufschlagt, dass ein flüssiges Arbeitsmedium bei Eintrag solarer Wärme über die PV-Module10 als Gasphase zu einem Wärmeträgerrohr215 , in dem das Regenwasser aus der Zisterne205 zirkuliert, aufsteigt und kondensiert, um sich erneut in einem Sumpf216 am unteren Ende des Druckbehälters214 zu sammeln. Mit einem Zwei-Phasen-Thermosyphon lassen sich die PV-Module10 auf Umgebungstemperatur herunterkühlen, sodass sich ihre elektrische Leistung wesentlich verbessert. Eine nicht näher dargestellte Wärmedämmung auf der Rückseite der Druckbehälter214 kann eine noch weitere Abkühlung der PV-Module10 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 Druckbehälter214 . Über eine in den Mast13 integrierte Steigleitung210 mit entsprechendem Rücklauf211 steht das Wärmeträgerrohr215 über eine Rohrwendel220 mit dem in der Zisterne205 gesammelte Regenwasser in Verbindung. Im Bereich des Mastkopfs sind flexible Schläuche als Verbindung zwischen dem Wärmeträgerrohr215 und der Steig- und Rücklaufleitung210 ,211 vorgesehen. Das Regenwasser selbst wird wie beschrieben in einem Rückkühlsystem22 mit Erdregister221 abgekühlt. -
7 zeigt eine Agrar- und PV-Installation1 , deren Mast13 ein ausbetoniertes Stahlrohr aufweist und als eingespannte Stütze131 die horizontalen Kräfte aus mehreren Agrar- und PV-Installationen1 eines Mastenfelds17 aufnehmen und in den tragfähigen Baugrund15 ableiten kann. Über längs und quer gespannte Stahlseile300 , die ein Seilnetz3 bilden, ist dieser Mast13 mit weiteren Agrar- und PV-Installationen1 verbunden. Eine Spannvorrichtung303 am Knotenpunkt30 eines Seilnetzes3 ermöglicht die Vorspannung der Stahlseile300 . An den Stahlseilen300 ist ein wandelbares Dach31 als Hagelschutznetz310 aufgehängt, das bedarfsweise auf- und zugefahren werden kann. Die PV-Module10 werden über das in den5 und6 beschriebene Kühlsystem mit einem Zwei-Phasen-Thermosyphon mit Druckbehältern214 gekühlt. Das Rückkühlsystem22 für die Wärmeträgerflüssigkeit besteht bei diesem Beispiel aus einer Rohrwendel220 , die in ein massives Stahlbetonfundament14 eingelassen ist. Das Fallrohr203 im Mast13 dieser Agrar- und PV-Installation1 steht mit einem Bodenkanal204 und einer externen Sammelzisterne206 in Verbindung. -
8 zeigt eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen1 , die durch ein horizontales Seilnetz3 untereinander zu einem zusammenhängenden Mastenfeld17 verbunden sind. Am Rand des Mastenfelds17 werden die Seilkräfte über nicht näher dargestellte Gründungskörper14 unmittelbar in den Baugrund eingeleitet. In dieser Anordnung können alle Maste13 eines Mastenfelds17 als Pendelstützen130 ausgebildet werden. -
9 zeigt das Mastenfeld17 nach8 in der Aufsicht. Horizontale Kräfte, die auf die Agrar- und PV-Installation1 einwirken, werden durch ein trianguliertes Seilnetz3 zu äußeren Gründungselementen14 abgetragen. -
10 zeigt ein Mastenfeld17 , bei dem die horizontalen Kräfte durch ein trianguliertes Seilnetz3 zu randständigen Masten13 , die jeweils als eingespannte Stützen131 ausgebildet sind und in ihrem Aufbau dem in7 gezeigten Beispiel entsprechen, aufgenommen werden. Die innenstehenden Maste13 der Agrar- und PV-Installation1 können als Pendelstützen130 ausgebildet werden. -
11 zeigt das Mastenfeld17 nach10 in der schematischen Aufsicht zur Unterscheidung der Maste13 als äußere eingespannte Stützen131 und innere Pendelstützen130 . Das triangulierte, vorgespannte Seilnetz3 mit Stahlseilen300 und Knotenpunkten30 stellt sicher, dass die auf die Agrar- und PV-Installation1 einwirkenden horizontalen Lasten auf die eingespannten Stützen131 verteilt werden. -
12 zeigt ein Mastenfeld17 , das eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen1 umfasst, deren Maste13 jeweils als Pendelstützen130 ausgebildet sind. Ein vorgespanntes Seilnetz3 verteilt die horizontalen Lasten auf die eine Platzanlage umgebenden Gebäude. -
13 zeigt das Mastenfeld17 nach12 in der Aufsicht zur besseren Veranschaulichung der lastverteilenden Wirkung des triangulierten Seilnetzes3 . Die integrierte Wasserversorgung2 der Agrar- und PV-Installationen1 versorgt einen Brunnen230 mit Wasser. -
14 zeigt ein Mastenfeld17 über einer Talsenke. Die Maste13 der Agrar- und PV-Installationen1 sind durch ein dem Geländeverlauf folgendes Seilnetz3 untereinander verbunden, das die horizontalen Kräfte unmittelbar in Gründungselemente14 einleitet. Auf diese Weise können die Gründungselemente der Maste13 als Schraubfundament141 ausgebildet werden, wie es in3 näher dargestellt und beschrieben ist. Die integrierte Wasserversorgung2 der Agrar- und PV-Installationen1 speist über einen Bodenkanal204 eine Sammelzisterne206 . -
15 zeigt das Mastenfeld17 nach14 in der Aufsicht zur besseren Darstellung der lastverteilenden Wirkung des vorgespannten, triangulierten Seilnetzes3 , dessen Knotenpunkte30 jeweils am Schnittpunkt mit einem Mast13 liegen. -
16 zeigt ein Mastenfeld17 auf einer Geländeanhöhe. Auch hier ist eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen1 durch ein dem Geländeverlauf, vorgespanntes Seilnetz3 untereinander verbunden, wobei die horizontalen Kräfte durch das triangulierte Seilnetz3 zu randständigen Agrar- und PV-Installationen1 , deren Maste13 als eingespannte Stützen131 ausgebildet sind, geleitet werden. Die integrierte Wasserversorgung2 einer Agrar- und PV-Installation1 speist in diesem Beispiel über einen Bodenkanal204 eine Sammelzisterne206 . -
17 zeigt das Mastenfeld17 nach16 zur Veranschaulichung der Anpassungsfähigkeit der Seilkonstruktion an unterschiedlichste Geländeformationen. -
18 zeigt ein Mastenfeld17 , bei dem eine Vielzahl von Agrar- und PV-Installationen1 durch ein mit einem Abstand zu einem Baugrund14 angeordnetes Seilnetz3 untereinander verspannt sind und horizontale Lasten auf randständige Maste13 , die jeweils als eingespannte Stützen131 ausgebildet sind, verteilen. An die Stahlseile300 des lastverteilenden Seilnetzes3 ist bei diesem Beispiel ein einfahrbares Hagelschutznetz310 angehängt, das einen temporären Hagelschutz z. B. für Obstplantagen oder aber auch KFZ-Abstellplätze bietet. -
19 zeigt das Mastenfeld17 nach18 in einem schematischen Querschnitt. Die integrierte Wasserversorgung2 des Mastenfelds17 entspricht einem der in den1 –7 näher erläuterten Systeme. Die Maste13 zwischen den äußeren eingespannten Stützen131 können als Pendelstützen130 ausgebildet werden und ein Schraubfundament141 erhalten. BezugszeichenübersichtAgrar- 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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- WO 2009/140564 A1 [0004]
Claims (10)
- 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.
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