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Stand der Technik:
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Derzeit besteht ein wesentlicher Nachteil von bestehenden Sonnenlichtsammelsystemen in Kombination aus fokussierender Optik mit Lichtwellenleiter darin, dass zum einen der Bahnverlauf nicht präzise genug (siehe hierzu Patent
US020120042868A1 in Kombination mit [
1]) und die Sonnenlaufbahn nicht komplett abgedeckt werden kann (siehe hierzu Patent
EP000001825189B1 ). Weitere Nachteile der bisherigen Systeme zeigen sich in einer nicht optimalen Flächennutzung beim aufstellen mehrerer Systeme eng beieinander (siehe hierzu [
3] bis [
6]) und einem höheren Energiebedarf, aufgrund der erforderlichen Bewegung zweier Achsen bei einer azimutalen Nachführung (vergleiche [
1] & [
2]). Eine deutliche Verbesserung der bestehenden Technologien beinhaltet die Erfindung! Indem sie statt einer azimutalen Sonnennachführung, die bisher eingesetzt wird, eine parallaktische Sonnennachführung verwendet.
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Die Sonnenlichtsysteme anderer Hersteller wie z. B. Parans (Schweden), Himawari (Japan) oder Sunlight Direct (USA)) setzen alle eine azimutale Nachführung oder eine kippende Mechanik in ihren Sonnenlichtsammelsystemen ein. Nachteilig ist hier der große Platzbedarf, d. h. die schlechte Flächennutzung (z. B. auf einem Dach), da bei dieser Nachführung jedes Sonnenlichtsammelsystem soweit auseinander stehen muss wie die Diagonale des Sonnenlichtsammelsystems [6b]. Die azimutale Nachführung ist unpräziser, da die Bahnkurve der Sonne über zwei Achsen nachgeführt werden muss. Im Gegensatz dazu wird bei der parallaktischen Sonnennachführung die Deklinationsachse [20] nur einmal am Tag und nur geringfügig bei Bedarf nachgestellt. (siehe Figuren [1] & [2]) Eine Sonnennachführung ohne optischen Sensor (sucht den hellsten Punkt am Himmel) ist bei der azimutalen Nachführung im Gegensatz zur parallaktischen Sonnennachführung nicht mit einem Neigungssensor realisierbar. Das ständige Nachführen auch bei bedecktem Himmel ist wichtig, da nur so bei den konzentrierenden optischen Systemen die maximale Effizienz erreicht werden kann. Azimutale Systeme brauchen, damit sie dies leisten können, eine absolute Lagerückmeldung von beiden Achsen. Bei der parallaktischen Sonnennachführung entfällt dies. Die benötigte Energie für die Nachführung wird minimiert, da nur eine Achse (die zweite nur einmal am Tag und für Korrekturen) betrieben werden muss. Bei der Konzentration und Weiterleitung von Sonnenlicht werden vorzugsweise Lichtwellenleiter eingesetzt. Bei der azimutalen Nachführung müssen die Lichtwellenleiter größere Wegstrecken mitgezogen werden, wenn sie nicht durch die zentrale Drehachse (Azimut Achse) geführt werden. Bei einer Durchführung durch die zentrale Drehachse tritt je nach geografischem Aufstellort eine Torsion von bis zu +/–180° auf. Bei der parallaktischen Sonnennachführung tritt eine maximale Torsion von +/–90° auf, dies reduziert den Stress auf die Lichtwellenleiter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuen Ansatz für eine genauere und platzsparendere Nachführung zu finden. Die Lösung wird durch den Anspruch 1 und den Unteransprüchen offenbart.
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Beschreibung:
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Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung, um der Sonne auf ihrer Bahn über den Himmel zu folgen. Die Vorrichtung wird über die Deklinationsachse [20] so eingestellt, dass die Polachse [13] auf die Bahnkurve der Sonne zeigt. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen parallaktischen Montierung liegt darin, dass der mögliche Winkelbereich in seiner Bewegung erweitert wird, um der Sonnenbahn an jedem geografischen Punkt der Erde von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang folgen zu können.
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Die Vorrichtung verfügt über eine Deklinationsachse [20], welche vorwiegend über einen Motor so ausgerichtet wird, dass sie senkrecht zur Ekliptik steht (Polachse [13]). Über das Jahr verfährt die Achse, je nach geografischem Standort der Vorrichtung, einen bestimmten Winkelbereich. Zur Energieeinsparung bei der Nachführung kann diese Achse auch nur einmal innerhalb von 24 Stunden nachgestellt werden.
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Die Vorrichtung verfügt weiterhin über eine Rektaszensionsachse [11], über die die Bahn der Sonne an jedem Tag verfolgt werden kann. Diese Achse verfügt vorzugsweise auch über einen Motor. Über den Tag verfährt diese Achse, je nach geografischem Standort, einen bestimmten Winkelbereich. Die Rektaszensionsachse [11] steht in Abhängigkeit mit der Deklinationsachse [20] und umgekehrt. Damit bewegt sich die Vorrichtung bei einer Bewegung einer der Achsen über den Elevationswinkel (vertikal) und den Azimut Winkel (horizontal).
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Entscheidend an der Erfindung ist, dass die Achse zur Verfolgung während des Tages über der Achse für die Ekliptik Nachstellung montiert ist.
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Im Gegensatz zur azimutalen Sonnennachführung, liegt bei der parallaktischen Sonnennachführung die Drehachse (Azimut Achse) unter der kippenden Achse (Elevationsachse). Dies macht die beiden Achsen voneinander unabhängig und erschwert eine genaue Lagebestimmung des nachgeführten Sonnenlichtsammelsystems im Raum. Mit einer parallaktischen Sonnennachführung, bei der die Achsen voneinander abhängig sind, kann mittels eines Neigungssensors der Winkel einer jeden Achse (in Abhängigkeit der Genauigkeit des Sensors) bestimmt werden. Dadurch lässt sich die Stellung des Sonnenlichtsammelsystems [18] im Raum genau bestimmen was eine Lagerückmeldung von den Motoren überflüssig macht.
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Durch die parallaktische Montierung minimiert sich die benötigte projizierte Fläche des Sonnenlichtsammelsystems, ohne Einschränkung der Sonnenbahn. Dadurch lassen sich mehrere Sonnenlichtsammelsysteme viel enger zusammenstellen, was die Flächeneffizienz erhöht (siehe Figuren [5] & [6]).
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Über die Gegengewichte [14 & 17] lässt sich eine vollkommene Balance für jede Position der Vorrichtung erreichen. Dies nimmt das Drehmoment von den Achsen, die sich dadurch geringer dimensionieren lassen. Dadurch wird zusätzlich Energie bei der Nachführung eingespart.
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Durch die parallaktische Montierung muss die Deklinationsachse [20] nur einmal am Tag und ggf. bei Korrekturen nachgestellt werden. Dies minimiert zusätzlich den Energieverbrauch bei der motorischen Nachführung. In Abhängigkeit des Datums kann die Deklinationsachse [20] auch einen größeren Winkelbereich verfahren, um der Sonne von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang komplett zu folgen.
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Die Vorrichtung wird vorwiegend fürs Sonnennachführen von Konzentratoroptiken in Kombination mit einem Lichtwellenleiter eingesetzt. Die Lichtwellenleiter werden aufgrund der Nachführung am Tag ständig bewegt. Die parallaktische Montierung minimiert die Bewegungen und Torsion der Lichtwellenleiter. Einmal pro Tag wird der Vorrichtung leicht über die Deklinationsachse [20] verkippt. Die restliche Bewegung der Lichtwellenleiter ist dann nur noch eine langsame Torsion um +/–90°.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Azimutnachführung
- 2
- Elevationsnachführung
- 3
- Sonnenbahn
- 4
- Nachführung in Stunden (Rektaszension)
- 5a
- maximale Bewegungszone bei azimutaler Nachführung
- 5b
- maximale Bewegungszone bei parallaktischer Nachführung
- 6a
- Azimutbewegung
- 6b
- Diagonale des Sonnenlichtsammelsystems
- 7a
- Sonnenlichtsammelsystem bei azimutaler Nachführung
- 7b
- Sonnenlichtsammelsystem bei parallaktischer Nachführung
- 8a
- Projizierte Fläche bei azimutaler Nachführung
- 8b
- Projizierte Fläche bei parallaktischer Nachführung
- 9
- Flächenbedarf einer azimutalen Nachführung
- 10
- Flächenbedarf einer parallaktischen Sonnennachführung
- 11
- Rektaszensionsachse
- 12
- Rektaszensionslager
- 13
- Polachse
- 14
- Gegengewicht (Deklinationsachse)
- 15
- Verbindungsstück zwischen Deklinations- und Rektaszensionsachse
- 16
- Standfuß
- 17
- Gegengewicht (Rektaszensionsachse)
- 18
- Sonnenlichtsammelsystem
- 19
- Deklinationslager
- 20
- Deklinationsachse
- 21
- Abstandshalter
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Beschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1:
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Die 1 zeigt die Sonnenlaufbahn [3] und die Bewegungen einer azimutalen Nachführung bei der Sonnenverfolgung. Die Bewegung erfolgt abwechselt im Azimut [1] und in der Elevation [2].
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Fig. 2
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Die 2 zeigt die Sonnenlaufbahn [3] und die Bewegung einer parallaktischen Sonnennachführung bei der Sonnenverfolgung. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Anordnung des Vorrichtunges zur azimutalen Nachführung gilt hier die sphärische Astronomie und die Bewegung erfolgt über eine Deklinationsachse [20] und eine Rektaszensionsachse [11]. Nach diesem Aufbau lässt sich eine Sonnenbahnverfolgung über einen Tag fast ausschließlich über die Rektaszension [4] realisieren.
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Fig. 3
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Die 3 zeigt die projizierte Fläche [8a], die von einem Sonnenlichtsammelsystem benötigt wird, über die maximale Bewegungszone [5a]. Um eine mechanische Kollision zwischen mehreren Sonnenlichtsammelsystemen zu vermeiden, müssen sie mindestens so weit voneinander aufgestellt werden, dass dieser Kreis den nächsten nicht überschneidet (siehe hierzu 5). Die Azimutbewegung [6] der Fläche des Sonnenlichtsammelsystems [7a] erfordert für eine kollisionsfreie Fahrt mehrere eng aufgestellte Sonnenlichtsammelsysteme, damit sich die projizierten Flächen [8a] nicht überschneiden.
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Fig. 4
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Die 4 zeigt die projizierte Fläche [8b], die von einem Sonnenlichtsammelsystem benötigt wird, über die maximale Bewegungszone [5b]. Die Fläche des Sonnenlichtsammelsystems [7b] kann aufgrund des mechanischen Aufbaus des Vorrichtunges keinen größeren Platz einnehmen als die Fläche des Sonnenlichtsammelsystems [7b] sowie die projizierte Fläche [8b] (siehe hierzu 6).
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Fig. 5
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Die 5 zeigt den Flächenbedarf einer azimutalen Nachführung [9].
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Fig. 6
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Die 6 zeigt den Flächenbedarf einer parallaktischen Sonnennachführung [10].
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Fig. 7
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Die 7 zeigt den Vorrichtung mit dem Sonnenlichtsammelsystem [18]. Der Vorrichtung wird über einen Standfuß [16] mit einem Untergrund verbunden. Über das Deklinationslager [19] wird der Vorrichtung so eingestellt, dass die Polachse [13] auf die Ekliptik zeigt. Dies geschieht vorwiegend motorisch über die Deklinationsachse [20]. Das Rektaszensionslager [12] wird über ein Verbindungsstück zwischen Deklinations- und Rektaszensionsachse [15] über das Deklinationslager [19] mit dem Stanfuß [16] verbunden. Die Rektaszensionsachse [11] folgt dem Sonnenverlauf, vorwiegend motorisch, während eines Tages. Über einen Abstandshalter [21] wird das Sonnenlichtsammelsystem [18] mit dem Rektaszensionslager [12] verbunden. Der Vorrichtung lässt sich über das Gegengewicht der Deklinationsachse [14] und das Gegengewicht der Rektaszensionsachse [17] so ausbalancieren, dass der Vorrichtung praktisch momentfrei beweglich bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 020120042868 A1 [0001]
- EP 000001825189 B1 [0001]
