DE102014218458A1

DE102014218458A1 - Solarmodulanordnung mit reduzierten Randeffekten und Verwendung der Solarmodulanordnung zur simultanen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischer Nutzung von Sonnenlicht

Info

Publication number: DE102014218458A1
Application number: DE102014218458.4A
Authority: DE
Inventors: Adolf Goetzberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzellmodulanordnung zur simultanen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenlicht mit reduzierten Randeffekten. Die Anordnung enthält eine Deckenfläche mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Modulreihen, die jeweils mindestens zwei nebeneinander angeordnete Solarmodule aufweisen. Zudem enthält die Anlage eine Bodenfläche, die einen zentralen Bereich in der Mitte und einen Randbereich in der Nähe ihrer Kanten aufweist und zumindest eine Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche, die mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält oder daraus besteht. Die Ausdehnung des Abschaffungselements kann sich über die gesamte Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche ziehen oder aus einer Projektion einer virtuellen Fortsetzung der Modulreihen der Deckenfläche auf die Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche der Solarmodulanordnung ergeben.

Description

Es wird Solarzellmodulanordnung zur simultanen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenlicht mit reduzierten Randeffekten vorgestellt. Die Anordnung enthält eine Deckenfläche mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Modulreihen, die jeweils mindestens zwei nebeneinander angeordnete Solarmodule aufweisen. Zudem enthält die Anlage eine Bodenfläche, die einen zentralen Bereich in der Mitte und einen Randbereich in der Nähe ihrer Kanten aufweist und zumindest eine Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche, die mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält oder daraus besteht. Die Ausdehnung des Abschattungselements kann sich über die gesamte Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche ziehen oder aus einer Projektion einer virtuellen Fortsetzung der Modulreihen der Deckenfläche auf die Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche der Solarmodulanordnung ergeben.
Es ist aus Berechnungen bekannt, dass nur etwa 30–40% der gesamten Jahressolarstrahlung tatsächlich auf die Fläche der photovolatischen Module fallen. Die restlichen 60–70% der Strahlung fällt auf die unter den Modulen liegende Fläche und bietet für die Kultivierung der meisten Nutzpflanzen eine ausreichend hohe Strahlung. Insbesondere während der Wachstumsperiode der Pflanzen fällt die meiste Sonnenstrahlung zwischen den Modulreihen ein. Folglich bietet sich an, diese Sonnenstrahlung für die Landwirtschaft zu nutzen. Voraussetzung für eine effiziente Nutzung ist eine hohe Aufständerung der photovoltaischen Module in Reihen mit ausreichend Abstand zwischen den einzelnen Reihen.
Zudem ist bei diesen photovoltaischen Anlagen entweder eine große Höhe erforderlich, um die Fläche landwirtschaftlich bearbeiten zu können, oder sie sind kleinflächig z. B. bei Hortikultur oder manueller Bearbeitung. In diesen Fällen gibt es erhebliche Randeffekte d. h. die Abschattung am Randbereich der Bodenfläche der Anlagen ist niedriger als im Zentrum des Bodenbereichs. Diese Randeffekte können zu unterschiedlichen Reifungszeiten der Ernte oder sogar zur Schädigung empfindlicher Pflanzen durch zu hohe Bestrahlung an den Randzonen führen. Das trifft besonders auch für langgestreckte Anlagen zu. Dadurch kann ein erheblicher Teil der Erntefläche ausfallen. Diese Effekte treten hauptsächlich in der Südrichtung, sowie Ost- oder Westrichtung auf. In Nordrichtung gibt es nur eine geringe Zusatzstrahlung durch Diffusstrahlung. C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use," Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 haben diese angesprochenen Randeffekte berechnet. Es hat sich gezeigt, dass gerade bei einer reinen Südausrichtung der Solarmodulreihen deutliche Schatten entstehen.
Es ist aus der DE 10 2012 002 551 A1 bekannt, dass diese Schatten bei einer Ausrichtung der Reihen der Solarmodule in einem bestimmten Winkel in Richtung Ost bzw. West (d. h. einer Süd-Ost- bzw. Süd-West-Ausrichtung der Reihen) verschwinden. Der Vorteil hierbei ist, dass die unter den Solarmodulen liegende Nutzfläche der Solarmodulanordnung homogener mit Sonnenlicht bestrahlt wird. Dies trifft jedoch nicht ohne Weiteres für die Randbereiche der Solarmodulanordnungen zu. Hier treten die besagten Randeffekte auf, die im Randbereich der Bodenfläche der Anlagen eine höhere Strahlungsintensität als in der Mitte der Solarzellanordnung hervorrufen. Aufgrund der daraus resultierenden Unterschiede in der Reifezeit der Nutzpflanzen entlang der Bodenfläche und der Gefahr von Ernteeinbußen blieb dieser Bereich bei Solarmodulanordnungen aus dem Stand der Technik oft ungenutzt.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzellenanordnung bereitzustellen, bei welcher in den Randzonen annähernd die gleichen Strahlungsverhältnisse herrschen wie im Innern der Anlage, damit der Randbereich dieser Anlagen für die effiziente Kultivierung von Nutzpflanzen genutzt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Solarmodulanordnung gemäß Anspruch 1 und die Verwendung der erfindungsgemäßen Solarmodulanordnung gemäß Anspruch 20. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird Solarmodulanordnung zur simultanen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenlicht bereitgestellt, enthaltend

a) eine Deckenfläche enthaltend mindestens zwei Modulreihen, die in Richtung einer Querkante der Deckenfläche jeweils mindestens zwei geradlinig nebeneinander angeordnete Solarmodule enthalten, wobei die Modulreihen zueinander im Wesentlichen parallel sind und die Modulreihen in Richtung einer Längskante der Deckenfläche in einem vordefinierten Abstand zueinander verlaufen;
b) eine Bodenfläche, die in einer bestimmten Höhe unterhalb der Solarmodule angeordnet ist und ein Zentrum in der Mitte der Bodenfläche und einen Randbereich in der Nähe der Kanten der Bodenfläche aufweist, wobei die Bodenfläche als Nutzfläche zur Kultivierung von Pflanzen geeignet ist;
c) mindestens eine Längsseitenfläche, die von einer Längskante der Deckenfläche zu einer Längsgeraden Richtung Boden aufgespannt wird, wobei die Breite der Längsseitenfläche durch die Länge der Längskante definiert ist und die Höhe der Längsseitenfläche durch den Abstand der Längskante zu der Längsgeraden auf dem Boden definiert ist;
d) mindestens eine Querseitenfläche, die von einer Querkante der Deckenfläche zu einer Quergeraden Richtung Boden aufgespannt wird, wobei die Breite der Querseitenfläche durch die Länge der Querkante definiert ist und die Höhe der Querseitenfläche durch den Abstand der Querkante zu der Quergeraden auf dem Boden definiert ist.

Die Solarmodulanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche zumindest bereichsweise mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält oder daraus besteht.
Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Abschattungselement entweder eine Ausdehnung über die gesamte Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche auf, wobei das Abschattungselement eine Transparenz aufweist, die eine jährliche Gesamtstrahlung bewirkt, die im Wesentlichen identisch ist zur jährlichen Gesamtstrahlung der Solarmodulanordnung im Zentrum der Bodenfläche.
Alternativ kann sich erfindungsgemäß die Ausdehnung des mindestens einen Abschattungselements (auf der Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche) aus mindestens einer Projektion einer virtuellen Fortsetzung der mindestens zwei Modulreihen der Deckenfläche auf die Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche ergeben. Mit der Ausdehnung des mindestens einen Abschattungselements auf der Längsseitenfläche ist die Ausdehnung (Position und Höhe) des Abschattungselements in Richtung der Längskante der Deckenfläche und/oder der Längsgeraden des Bodens gemeint. Mit der Ausdehnung des mindestens einen Abschattungselements auf der Querseitenfläche ist die Ausdehnung (Position und Höhe) in Richtung der Querkante der Deckenfläche und/oder der Quergeraden des Bodens gemeint. Der Vorteil dieser alternativen Lösung besteht darin, dass für eine gleiche Verbesserung der Abschattung im Randbereich weniger Material nötig ist und der Luftaustausch von dem Inneren der Solarmodulanordnung mit der äußeren Umwelt deutlich erhöht ist. Dies kann sich positiv auf das Wachstum bestimmter Pflanzen auswirken und – besonders in wärmeren Klimazonen – einer Überhitzung des Innenraums der Anordnung vorbeugen. Die Solarmodulanordnung können dabei auch in Ost-West-Ausrichtung verbaut sein. Diese bestehen dann meist aus dachförmig nach Osten und Westen ausgerichteten Modulen. Sie haben einen etwas geringeren Stromertrag pro Modul, haben aber den Vorteil, dass sie Strom in den Morgen- und Abendstunden liefern und somit besser an den Bedarf angepasst sind und die Stromnetze entlasten. In diesem Fall sind die Längs- und Querseiten für diese Alternative dann vertauscht.
Bei der hier vorgestellten Solarmodulanordnung ist die jährliche Gesamtstrahlung (= photosynthetisch aktive Strahlung = „PAR”) im Randbereich der Bodenfläche annähernd identisch zur PAR im Zentrum der Bodenfläche. Folglich wird die wirtschaftliche Anpflanzung von Nutzpflanzen im Randbereich ermöglicht, da im Randbereich unterschiedliche Reifezeiten bzw. strahlungsbedingte Schädigungen der Nutzpflanzen nicht mehr auftreten. Die erfindungsgemäße Solarmodulanordnung stellt somit gegenüber vergleichbaren Anordnungen aus dem Stand der Technik eine größere Bodenfläche bereit, die als Nutzfläche zur Kultivierung von Pflanzen geeignet ist. Folglich besteht die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Anordnung höhere Ernteerträge zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Solarmodulanordnung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlung im Zentrum und/oder Randbereich der Bodenfläche von 0,4 bis 0,8% PAR, bevorzugt von 0,5 bis 0,7% PAR.
Die Querseitenfläche kann mindestens ein flächiges Abschattungselement enthalten, dessen Breite im Wesentlichen der Breite der Querseitenfläche entspricht und/oder dessen Höhe nur einen Bruchteil der Höhe der Querseitenfläche entspricht.
Als Höhe des flächigen Abstandselements wird seine flächige Ausdehnung entlang der Höhe der Längsseitenfläche oder Querseitenfläche verstanden. Als Breite des flächigen Abstandselements wird seine flächige Ausdehnung entlang der Breite der Längsseitenfläche oder Querseitenfläche verstanden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Querseitenfläche mindestens ein flächiges Abschattungselement, das mindestens eine Kante, bevorzugt zwei Kanten, aufweist, die parallel zur Querkante der Deckenfläche angeordnet ist/sind.
Die Querseitenfläche kann mindestens ein flächiges Abschattungselement enthalten, dessen Höhe durch die Schnittgeraden einer ersten und einer zweiten Fläche auf der Seitenfläche begrenzt wird, wobei sich die erste Fläche aufspannt zwischen einer Geraden zu einer Unterkante eines virtuellen Solarmoduls und sich die zweite Fläche aufspannt zwischen einer Geraden und einer Oberkante eines virtuellen Solarmoduls, wobei die Gerade auf der Bodenfläche und parallel zu einer Querkante oder einer Längskante der Bodenfläche, bevorzugt im Abstand der halben Höhe h/2 der Solarmodulanordnung, angeordnet ist.
Die Längsseitenfläche der Solarmodulanordnung enthält bevorzugt mindestens ein flächiges Abschattungselement, dessen Höhe im Wesentlichen der Höhe der Längsseitenfläche entspricht und/oder dessen Breite nur einen Bruchteil der Breite der Längsseitenfläche entspricht.
Die Längsseitenfläche kann mindestens ein flächiges Abschattungselement enthalten, das mindestens eine Kante, bevorzugt zwei Kanten, aufweist, die parallel zur Querkante der Deckenfläche angeordnet ist.
Die Längsseitenfläche kann mindestens ein flächiges Abschattungselement enthalten, dessen Breite durch die eine erste und eine zweite Gerade begrenzt wird, wobei sich die erste und die zweite Gerade in einem Punkt treffen, der sich außerhalb der Bodenfläche befindet und die erste Gerade eine Verbindung mit dem Schnittpunkt der Oberkante und Seitenkante des mindestens einen Solarmoduls aufweist und die zweite Gerade eine Verbindung mit dem Schnittpunkt der Unterkante und Seitenkante des mindestens einen Solarmoduls aufweist. Die virtuelle Fortsetzung der Modulreihe ins Unendliche ergibt einen Punkt am Horizont. Die Rückprojektion auf die Anlage ergibt dann einen Punkt am Boden. Die Abschattung muss nicht bis auf den Boden reichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Längsseitenfläche und/oder Querseitenfläche mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4, mindestens 5, mindestens 6, mindestens 7, mindestens 8, mindestens 9 oder mindestens 10, flächige Abschattungselemente auf.
Das mindestens eine Abschattungselement kann ablösbar mit der Deckenfläche und/oder Bodenfläche verbunden sein. An dieser Ausgestaltungsform ist vorteilhaft, dass eine manuelle oder maschinelle Bearbeitung der Bodenfläche wesentlich erleichtert wird, da eine einfache Anbringung bzw. Ablösung der Abschattungselemente realisiert werden kann.
Das mindestens eine flächige Abschattungselement kann ein semitransparentes Material enthalten oder daraus bestehen. Bevorzugt ist ein flächiges Material mit einer Schichtdicke von 0,0001 bis 10 mm, weiterhin bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,001 bis 5 mm, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 2 mm, insbesondere mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1 mm. Materialien dieser Schichtdicke lassen sich besonders gut aufrollen und ermöglichen somit einen einfachen und schnellen Zugriff auf die Bodenfläche.
Das mindestens eine flächige Abschattungselement enthält in einer bevorzugten Ausgestaltungsform

a) eine semitransparente Folie, bevorzugt eine aufrollbare semitransparente Folie; und/oder
b) eine Solarzelle, bevorzugt eine photovoltaische Solarzelle;

Das Verhältnis des Abstands der Modulreihen zur Höhe der Solarmodule kann 0,1 ≤ d/b ≤ 100, bevorzugt 1 ≤ d/b ≤ 50, weiter bevorzugt 2,5 ≤ d/b ≤ 25, besonders bevorzugt 2,5 ≤ d/b ≤ 10 betragen.
Die Höhe der Solarmodule kann von 0,1 m bis 5 m, bevorzugt von 0,5 m bis 2,5 m, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,2 m betragen.
Bevorzugt weisen die Solarmodule einen Anstellwinkel von mindestens 5° und maximal 85°, bevorzugt mindestens 10° und maximal 60°, weiter bevorzugt mindestens 15° und maximal 40°, besonders bevorzugt mindestens 20° und maximal 30°, gegenüber der Deckenfläche auf.
Die Solarmodule können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Photovoltaikmodulen, thermischen Flachkollektoren, Modulen zur Biokonversion und/oder Modulen zur Algenzucht.
Die Solarmodule können semitransparent oder opak sein. In einer weiteren Variante entspricht die Transparenz der Gesamtstrahlung im Zentrum der Anordnung.
Die Höhe der Solarmodulanordnung kann mindestens 2 m, bevorzugt 3 bis 12 m, besonders bevorzugt mindestens 4 bis 7 m, insbesondere 4 bis 6 m, betragen.
Ferner kann die Solarmodulanordnung über mindestens ein Befestigungselement (13) am Boden befestigt sein, bevorzugt über mindestens je einen Masten und/oder Stützpfeiler in je einer Ecke der Solarmodulanordnung. Dadurch ergibt sich eine höhere Stabilität gegenüber wetterbedingter Beschädigung der Solarmodulanordnung.
Darüberhinaus wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Solarmodulanordnung zur

a) gleichzeitigen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenstrahlung;
b) Erhöhung des Ernteertrages von unter Solarmodulanordnungen kultivierten Nutzpflanzen; und/oder
c) Vergleichmäßigung des Zeitpunktes der Erntereife von unter Solarmodulanordnungen kultivierten Nutzpflanzen;

Bevorzugt wird bei der Verwendung der Solarmodulanordnung die Solarmodulanordnung oder die Modulreihen der Solarmodulanordnung um einen Winkel α von einer Ost-West-Ausrichtung abweichend ausgerichtet, wobei der Winkel α mindestens 10° und maximal 80° beträgt, bevorzugt mindestens 15° und maximal 80°, weiter bevorzugt um mindestens 20° und maximal 75°, besonders bevorzugt um mindestens 30° und maximal 70°, insbesondere um mindestens 35° und maximal 50°.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt die von C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use," Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 simulierte jährliche Gesamtstrahlung auf Bodenhöhe für zwei verschiedene Distanzen der im Wesentlichen parallel zueinander Solarmodulreihen Solarmodulanordnungen bei 43° geographischer Breite und einer Höhe der Solarmodulanordnung von 4 m. Es ist deutlich erkennbar, dass eine Verdoppelung des optimalen Abstands zwischen den parallelen Reihen der Solarmodule zu einer deutlich schlechteren Abschattungseffizienz führt (vgl. 1A: optimaler Abstand und 1B: doppelter Abstand).
2 zeigt die von C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use," Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 simulierte jährliche Gesamtstrahlung auf Bodenhöhe für zwei verschiedene Distanzen (volle und halbe Belegungsdichte) der im Wesentlichen parallel zueinander Solarmodulreihen Solarmodulanordnungen bei 43° geographischer Breite und einer Höhe der Solarmodulanordnung von 4 m. Dargestellt ist die durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlung (y-Achse in % PAR), die auf die Bodenfläche einer Solarmodulanordnung bei einer Nord-Süd-Ausrichtung (2A) bzw. Ost-West-Ausrichtung (2B) der Anordnung trifft, in Abhängigkeit von der Position der Bodenfläche entlang der Längsseite der Anordnung (x-Achse in Meter; 0 m = erstes äußeres Ende der Solarmodulanordnung). Die jeweilige rechte Abbildung zeigt die relative jährliche Strahlung bei voller Belegungsdichte („FD” = optimaler Abstand der Modulreihen), wogegen die jeweilige linke Abbildung die relative jährliche Strahlung bei halber Belegungsdichte („HD” = doppelter Abstand der Modulreihen) zeigt. Die senkrechten, schwarzen, durchgezogenen Linien stellen die Randgrenzen der Solarmodulanordnung (bzw. deren Bodenflächen) dar und die senkrechten, schwarzen, gestrichelten Linien kennzeichnen die für die Pflanzenkultivierung nutzbare Fläche (Bereich innerhalb der beiden gestrichelten Linien). Bei der Nord-Süd-Ausrichtung zeigt sich ein deutlich schmälerer Bereich der nutzbaren Fläche. Hier wird bereits bei einer Distanz von 6,4 m zum westlichen und östlichen Randbereich der Solarmodulanordnung ein zu hoher durchschnittlicher Strahlungswert erreicht. Auch bei der optimaleren Ost-West-Ausrichtung ist ein deutlicher Randbereich von ca. 4 m zum südlichen und ca. 1,2 m zum nördlichen Randbereich der Solarmodulanlage zu erkennen. Die Randbereiche können für eine effiziente Kultivierung von Pflanzen nicht genutzt werden und schmälern somit den Wirkungsgrad der Solarmodulanordnung.
3 zeigt eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Solarmodulanordnung. Diese Ausgestaltungsform weist sowohl eine Längsseitenfläche und eine Querseitenfläche auf, die aus einem semitransparenten Element, hier eine semitransparente Folie, bestehen. Das semitransparente Element weist im Wesentlichen die gleiche Transparenz auf wie die Solarmodulanordnung ohne Randeffekte d. h. eine Transparenz, die im Fall einer vollen Belegungsdichte eine durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlung von ≤ 0,7% PAR und im Fall einer halben Belegungsdichte eine durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlung von ≤ 0,8% PAR bewirkt. Die Folie ist nach oben hin aufrollbar, sodass der Zugang für Erntemaschinen und Bearbeitungsmaschinen erleichtert ist.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mehrere Abschattungselemente an der Querseite der Solarmodulanordnung. Dargestellt ist zudem die virtuelle Fortsetzung der realen Solarmodulreihen a der Solarmodulanordnung mit nicht-realen Solarmodulreihen b. Zwischen Oberkante bzw. Unterkante der virtuellen Solarzellen und einer Geraden d werden zwei Flächen aufgespannt. Die Gerade d befindet sich innerhalb der Bodenfläche in einem Abstand von der halben Höhe (h/2) der Solarmodulanordnung zu der querseitigen Kante der Bodenfläche entfernt. Die beiden Flächen schneiden die Querseitenfläche der Solarmodulanordnung als zwei Geraden, die parallel zur querseitigen Kante der Bodenfläche und Deckenfläche angeordnet sind. Die Fläche der beiden Schnittgeraden innerhalb der Querseitenfläche stellt hierbei die Grenzen eines Abschattungselements in der Höhe dar. Die Grenzen in der Breite des Abschattungselements ist hier die Breite der Querseitenfläche. Für jede einzelne, weitere Modulreihe an Solarzellen besteht ein spezifisches Paar an Flächen und Schnittgeraden mit der Querseitenfläche, sodass die Querseitenfläche bei mehreren Abschattungselementen ein charakteristisches Muster von parallelen Streifen unterschiedlicher Breite aufweist (die Breite der Streifen nimmt dabei von der Deckenfläche in Richtung Bodenfläche ab).
5 zeigt eine Solarmodulanordnung aus Sicht eines Betrachters, der sich unterhalb einer realen Modulreihe 2 befindet, die bis zum Anfang einer virtuellen Modulreihe 2' reicht. Die Modulreihe 2 trifft über das Abschattungselement 11 im Punkt d auf den Horizont H. Flächen 2 und 11 sind bei 2' um nahe 90° geknickt.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Solarmodulanordnung.
Beispiel 1 – Bestimmung der Lokalisation und Ausdehnung von mindestens einem Abschattungselement an der Querseitenfläche der Anordnung
Es wird zunächst eine geeignete Bezugslinie auf der Bodenfläche gewählt und projiziert von dieser aus die virtuelle Fortsetzung der Modulreihen auf die Querseitenfläche d. h. eine schräge oder senkrechte Ebene am Rande der letzten Modulreihe. Auf diese Ebene (z. B. auf einer Abspannung oder einer Folie) werden nun opake oder semitransparente Elemente entsprechend der Projektion angebracht. Die Transparenz der Elemente richtet sich nach der Transparenz der Module. Diese können auch Solarmodule sein. Die Beschattung ist dann nur ideal für die Bezugslinie, aber angenähert auch für die Umgebung. Die Bezugslinie wird so gewählt, dass der Effekt optimiert wird. Eine gute Wahl ist die halbe Anlagenhöhe h/2.
Beispiel 2 – Bestimmung der Lokalisation und Ausdehnung von mindestens einem Abschattungselement an der Längsseitenfläche der Anordnung
Hier wird ähnlich zu Beispiel 1 vorgegangen. Zunächst wird eine Bezugslinie gewählt und die Modulreihe virtuell ins Unendliche verlängert. Als Bezugslinie wird hier eine Linie unterhalb der Oberkante einer Modulreihe gewählt. Für diese Linie ergibt ein Abdeckungselement eine optimale, über die Bodenfläche gleich verteilte Beschattung. Eine Bezugslinie an einem anderen Ort (z. B. zwischen zwei Modulreihen) würde eine Beschattung ergeben, die auf der Bodenfläche stärker variiert und für eine reine Südausrichtung bis an den Rand fortgesetzt wäre. Wird die Solarmodulanordnung in Südwest- bzw. Südost-Richtung angeordnet, können durch die Abschattungselemente homogene Strahlungsverhältnisse auf der Bodenfläche bewirkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012002551 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use,” Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 [0003]
C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use,” Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 [0034]
C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier und Y. Ferard, „Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use,” Renewable Energy, pp. 2725–2732, 36 2011 [0035]

Claims

Solarmodulanordnung zur simultanen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenlicht, enthaltend a) eine Deckenfläche (3) enthaltend mindestens zwei Modulreihen (2), die in Richtung einer Querkante (4) der Deckenfläche (3) jeweils mindestens zwei geradlinig nebeneinander angeordnete Solarmodule (1) enthalten, wobei die Modulreihen (2) zueinander im Wesentlichen parallel sind und die Modulreihen (2) in Richtung einer Längskante (5) der Deckenfläche (3) in einem vordefinierten Abstand (d) zueinander verlaufen; b) eine Bodenfläche (6), die in einer bestimmten Höhe (h) unterhalb der Solarmodule (1) angeordnet ist und ein Zentrum in der Mitte der Bodenfläche (6) und einen Randbereich in der Nähe der Kanten der Bodenfläche (6) aufweist, wobei die Bodenfläche (6) als Nutzfläche zur Kultivierung von Pflanzen geeignet ist; c) mindestens eine Längsseitenfläche (7), die von einer Längskante (5) der Deckenfläche (3) zu einer Längsgeraden (8) Richtung Boden aufgespannt wird, wobei die Breite der Längsseitenfläche (7) durch die Länge der Längskante (5) definiert ist und die Höhe der Längsseitenfläche (7) durch den Abstand der Längskante (5) zu der Längsgeraden (8) auf dem Boden definiert ist; d) mindestens eine Querseitenfläche (9), die von einer Querkante (4) der Deckenfläche (3) zu einer Quergeraden (10) Richtung Boden aufgespannt wird, wobei die Breite der Querseitenfläche (9) durch die Länge der Querkante (4) definiert ist und die Höhe der Querseitenfläche (9) durch den Abstand der Querkante (4) zu der Quergeraden (10) auf dem Boden definiert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche (7) und/oder Querseitenfläche (9) zumindest bereichsweise mindestens ein flächiges Abschattungselement (11, 12) enthält oder daraus besteht, wobei das mindestens eine Abschattungselement entweder i) eine Ausdehnung über die gesamte Längsseitenfläche (7) und/oder Querseitenfläche (9) aufweist und durch eine Transparenz gekennzeichnet ist, die eine jährliche Gesamtstrahlung und/oder Gesamtstrahlung während der Wachstumsperiode der kultivierten Pflanzen bewirkt, die im Wesentlichen identisch ist zur jährlichen Gesamtstrahlung der Solarmodulanordnung im Zentrum der Bodenfläche (6); oder ii) eine Ausdehnung aufweist, die sich aus mindestens einer Projektion einer virtuellen Fortsetzung der mindestens zwei Modulreihen (2) der Deckenfläche (3) auf die Längsseitenfläche (7) und/oder Querseitenfläche (9) ergibt.
Solarmodulanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlung im Zentrum und/oder Randbereich der Bodenfläche (6) von 0,4 bis 0,8% PAR, bevorzugt von 0,5 bis 0,7% PAR beträgt.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querseitenfläche (9) mindestens ein flächiges Abschattungselement (11, 12) enthält, dessen Breite im Wesentlichen der Breite der Querseitenfläche (9) entspricht und/oder dessen Höhe nur einen Bruchteil der Höhe der Querseitenfläche (9) entspricht.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querseitenfläche (9) mindestens ein flächiges Abschattungselement (11, 12) enthält, das mindestens eine Kante, bevorzugt zwei Kanten, aufweist, die parallel zur Querkante (4) der Deckenfläche (3) angeordnet ist.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querseitenfläche (9) mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält, dessen Höhe durch die Schnittgeraden einer ersten und einer zweiten Fläche auf der Seitenfläche begrenzt wird, wobei sich die erste Fläche aufspannt zwischen einer Geraden zu einer Unterkante eines virtuellen Solarmoduls und die zweite Fläche aufspannt zwischen einer Geraden und einer Oberkante eines virtuellen Solarmoduls, wobei die Gerade auf der Bodenfläche und parallel zu einer Querkante oder einer Längskante der Bodenfläche, bevorzugt im Abstand der halben Höhe h/2 der Solarmodulanordnung, angeordnet ist.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche (7) mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält, dessen Höhe im Wesentlichen der Höhe der Längsseitenfläche entspricht und/oder dessen Breite nur einen Bruchteil der Breite der Längsseitenfläche entspricht.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche (7) mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält, das mindestens eine Kante, bevorzugt zwei Kanten, aufweist, die parallel zur Querkante der Deckenfläche angeordnet ist.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche (7) mindestens ein flächiges Abschattungselement enthält, dessen Breite durch die eine erste und eine zweite Gerade begrenzt wird, wobei sich die erste und die zweite Gerade in einem Punkt treffen, der sich außerhalb der Bodenfläche befindet, und die erste Gerade eine Verbindung mit dem Schnittpunkt der Oberkante und Seitenkante des mindestens einen Solarmoduls aufweist und die zweite Gerade eine Verbindung mit dem Schnittpunkt der Unterkante und Seitenkante des mindestens einen Solarmoduls aufweist.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseitenfläche (7) und/oder Querseitenfläche (9) mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4, mindestens 5, mindestens 6, mindestens 7, mindestens 8, mindestens 9 oder mindestens 10, flächige Abschattungselemente (11, 12) enthält.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abschattungselement (11, 12) ablösbar mit der Deckenfläche (4) und/oder Bodenfläche (6) verbunden ist.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flächige Abschattungselement (11, 12) ein semitransparentes oder opakes Material enthält oder daraus besteht, bevorzugt ein flächiges Material mit einer Schichtdicke von 0,0001 bis 10 mm, weiterhin bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,001 bis 5 mm, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 2 mm, insbesondere mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1 mm.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flächige Abschattungselement (11, 12) a) eine semitransparente Folie, bevorzugt eine aufrollbare semitransparente Folie; und/oder b) eine Solarzelle, bevorzugt eine photovoltaische Solarzelle; enthält oder daraus besteht.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstands (d) der Modulreihen zur Höhe (b) der Solarmodule 0,1 ≤ d/b ≤ 100, bevorzugt 1 ≤ d/b ≤ 50, weiter bevorzugt 2,5 ≤ d/b ≤ 25, besonders bevorzugt 2,5 ≤ d/b ≤ 10, beträgt.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (b) der Solarmodule (1) von 0,1 m bis 5 m, bevorzugt von 0,5 m bis 2,5 m, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,2 m beträgt.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule (1) einen Anstellwinkel von mindestens 5° und maximal 85°, bevorzugt mindestens 10° und maximal 60°, weiter bevorzugt mindestens 15° und maximal 40°, besonders bevorzugt mindestens 20° und maximal 30°, gegenüber der Deckenfläche (3) aufweisen.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule (1) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Photovoltaikmodulen, thermischen Flachkollektoren, Modulen zur Biokonversion und/oder Modulen zur Algenzucht.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule (1) semitransparent sind.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Solarmodulanordnung bis zur Unterkante der Modulreihe mindestens 2 m, bevorzugt 3 bis 12 m, besonders bevorzugt mindestens 4 bis 7 m, insbesondere 4 bis 6 m, beträgt.
Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodulanordnung über mindestens ein Befestigungselement (13) am Boden befestigt ist, bevorzugt über mindestens je einen Masten und/oder Stützpfeiler in je einer Ecke der Solarmodulanordnung.
Verwendung der Solarmodulanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur a) gleichzeitigen Kultivierung von Nutzpflanzen und energetischen Nutzung von Sonnenstrahlung; b) Erhöhung des Ernteertrages von unter Solarmodulanordnungen kultivierten Nutzpflanzen; und/oder c) Vergleichmäßigung des Zeitpunktes der Erntereife von unter Solarmodulanordnungen kultivierten Nutzpflanzen.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodulanordnung oder die Modulreihen (2) der Solarmodulanordnung um einen Winkel (α) von einer Ost-West-Ausrichtung abweichend ausgerichtet werden, wobei der Winkel (α) mindestens 10° und maximal 80° beträgt, bevorzugt mindestens 15° und maximal 80°, weiter bevorzugt um mindestens 20° und maximal 75°, besonders bevorzugt um mindestens 30° und maximal 70°, insbesondere um mindestens 35° und maximal 50°.