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Die Erfindung betrifft ein schwimmfähiges Trägersystem für elektrischen Strom erzeugende Solarzellen, mit mindestens einem Trägerelement, das zwei Hebelarme und einen Schwimmkörper aufweist. Die zwei miteinander mittelbar oder unmittelbar verbundenen Hebelarme, sind in einer Drehachse gelagert (ähnlich wie bei einer Wippe oder Balkenwaage). Die Hebelarme dieses Trägerelements können sich jedoch in ihrer räumlichen und stofflichen Ausgestaltung voneinander unterscheiden. Die Drehachse wird von mindestens einem Schwimmkörper, welcher im Wasser auftreibt, definiert. Anders ausgedrückt verläuft die Drehachse entlang mindestens eines Schwimmkörpers, der im Wasser auftreibt. Ein erster Hebelarm dient insbesondere zur mittelbaren oder unmittelbaren Aufnahme von Solarzellen. Jeder der beiden Hebelarme überträgt auf den jeweils anderen Hebelarm ein Drehmoment. Sind die Drehmomente der beiden Hebelarme dem Betrag nach gleich groß, muss der Winkel zwischen Wasseroberfläche und Haltekonstruktion des Trägerelements keinen festgelegten Wert einnehmen. Ist das Drehmoment eines Hebelarms größer als das Drehmoment des anderen Hebelarms, sind die Winkel zwischen Wasseroberfläche und den Hebelarmen auf bestimmte Werte (z. B. 1 Grad, 40 Grad, 90 Grad) festgelegt. Greift eine Kraft von außen am Trägerelement an, kann ein zusätzliches Drehmoment auf das Trägerelement wirken, welches die jeweiligen Winkel zwischen den Hebelarmen und der Wasseroberfläche verändert.
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Schwimmfähige Trägersysteme für elektrischen Strom erzeugende Solarzellen dienen insbesondere dazu, ökologisch und ökonomisch wenig wertvolle Gewässer wie Baggerseen, geflutete Tagebaue oder andere Gewässer für die Photovoltaik nutzbar zu machen. Photovoltaik auf dem Wasser hat gegenüber an Land befindlicher Anlagen zudem auch technische Vorteile: Das Wasser hat eine kühlende Wirkung auf seine Umgebung und damit auch auf die Solarzellen, wodurch der Wirkungsgrad der Zellen erhöht wird. Insbesondere bei niedrigen Sonnenständen wird auch ein nicht zu vernachlässigender Teil des Sonnenlichts an der Wasseroberfläche reflektiert. Diese Reflektion kann ebenfalls bei geeigneter Aufstellung den Ertrag der Solarzellen erhöhen.
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Bekannte Bauarten schwimmfähiger Trägersysteme sind gekennzeichnet durch Schwimmkörper zur Aufnahme von Solarzellen, welche auf einer Wasseroberfläche schwimmen. Die Solarzellen können auch auf einem oder mehreren Halteelementen unmittelbar oder mittelbar mit dem Schwimmkörper verbunden sein. Schwimmkörper und Halteelement sind bei einigen Ausführungsformen auch aus einem Bauteil aufgebaut oder bestehen aus einem Material. Weitere Bauteile können an dem Trägersystem angebracht sein.
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Bekannte Bauarten schwimmfähiger Trägersysteme sehen einen definierten Winkel zwischen Wasseroberfläche und den zu befestigenden Solarzellen vor, wobei dieser Neigungswinkel der Solarzellen lediglich durch Wasserwellen oder Windeinwirkung um wenige Grad verändert werden kann. Diese Bauarten können demnach nicht dem Höhenwinkel der Sonneneinstrahlung angepasst werden und müssen der Krafteinwirkung von Luftbewegungen standhalten. Eine dauerhafte Reduzierung des Neigungswinkels des Halteelements minimiert die mögliche Krafteinwirkung durch Wind, führt jedoch auch zu Ertragseinbußen, insbesondere bei niedrigen Sonnenständen. Die internationale Patentanmeldung
WO 2012/139998 A2 beschreibt ein Trägersystem mit einem Halteelement, das einen festen Neigungswinkel zwischen 10 Grad und 30 Grad aufweist, zum Beispiel 12 Grad.
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Bekannte Bauarten werden durch geeignete Bauteile zur Fixierung (z. B. Abspannungen) auch bei starker Windeinwirkung auf dem Wasser in Position gehalten, bzw. lassen eine Drift auf dem Wasser in Grenzen zu. Einige Ausführungsformen sehen unter Wasser befindliche, mit Wasser gefüllte Behältnisse vor, welche bei Windeinwirkung aus dem Wasser gehebelt werden. Diese dienen ebenfalls der Stabilisierung der Trägerelemente auf dem Wasser.
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Einige Ausführungsformen sehen die Möglichkeit vor, das Trägerelement auf dem Wasser in azimutaler Richtung in Richtung Azimutwinkel der Sonne zu drehen. Der Aufrichtwinkel dieser Trägerelemente ist jedoch ebenfalls lediglich durch Wasserwellen oder Windeinwirkung um wenige Grad veränderbar.
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Es sind keine Trägersysteme bekannt, welche eine wesentliche Veränderung des Aufrichtwinkels der Solarzellen zulassen. Der Höhenwinkel der Sonne ändert sich im Tagesverlauf und – je nach geographischer Breite – ebenfalls im Jahresverlauf. Der Energieertrag von Solarzellen ist am höchsten bei einer senkrechten Ausrichtung der Zellen zum Einstrahlwinkel der Sonne. Ein veränderbarer Anstellwinkel der Solarzellen kann ebenfalls dazu dienen, Windlasten auf das Trägerelement und auf die Bauteile zur Fixierung der Position (z. B. Abspannung) der Trägerelemente auf dem Wasser zu verringern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein schwimmfähiges Trägersystem für Solarzellen bereitzustellen, welches eine Veränderung des Anstellwinkels der auf ihm zu befestigenden Solarzellen auf dem Wasser zulässt. Diese Aufgabe wird mit einem schwimmfähigen Trägersystem für das Tragen von elektrischen Strom erzeugende Solarzellen, mit
- • mindestens zwei schwenkbar gelagerten Hebelarmen, welche unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden sind,
- • mindestens einem Schwimmkörper, mit welchem mindestens einer der Hebelarme entweder verbunden ist, oder auf welchem mindestens einer der Hebelarme gelagert ist,
sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Die Hebelarme sind miteinander mittelbar oder unmittelbar verbundenen und in einer Drehachse gelagert (ähnlich wie bei einer Wippe oder Balkenwaage). Die Hebelarme des Trägerelements können sich jedoch in ihrer räumlichen und stofflichen Ausgestaltung voneinander unterscheiden. Das Trägerelement hat mindestens zwei Hebelarme. Ein erster Hebelarm dient insbesondere zur mittelbaren oder unmittelbaren Aufnahme von Solarzellen, bzw. kann mit einem Haltelement für Solarzellen verbunden sein. Jeder Hebelarm übt auf den jeweils anderen Hebelarm ein Drehmoment aus. Sind die Drehmomente der beiden Hebelarme dem Betrag nach gleich groß, muss der Winkel zwischen Wasseroberfläche und Haltekonstruktion des Trägerelements keinen definierten Wert einnehmen. Ist ein Drehmoment eines Hebelarms größer als das Drehmoment des anderen Hebelarms bzw. der anderen Hebelarme, sind die jeweiligen Winkel zwischen Wasseroberfläche und den Hebelarmen baulich bedingt auf bestimmte Werte (z. B. 1 Grad, 40 Grad, 90 Grad) festgelegt. Das Drehmoment des Hebelarms zur Aufnahme von Solarzellen, kann auch im Wesentlichen aus dem Gewicht bzw. der Schwerkraft der Solarzellen resultieren. Der Hebelarm und die Solarzellen können als integrales Bauteil ausgeführt sein. Eine Veränderung der Winkel zwischen Wasseroberfläche und Hebelarmen kann auch als Rotation mit einer horizontalen Drehachse des Trägerelements im Wasser beschrieben werden.
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Mindestens ein Schwimmkörper, welcher im Wasser auftreibt, ist mit mindestens einem Hebelarm verbunden. Alternativ kann auch mindestens ein Hebelarm auf mindestens einem Schwimmkörper gelagert sein. Die Drehachse wird auch durch die Position der Schwimmkörper definiert. Der Schwimmkörper definiert ebenfalls die Abgrenzung zwischen den beiden Helbelarmen.
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Es kann sich bei dem oder den Schwimmkörper/n beispielsweise um einen rotationsymmetrischen Schwimmkörper, z. B. einen kreizylinderförmigen Schwimmkörper, oder einen elliptischen Zylinder als Schwimmkörper handeln. Die Drehung kann auch durch eine Translation oder weitere Rotationsbewegungen überlagert sein, falls beispielsweise ein elliptischer Zylinder als Schwimmkörper oder auch ein prismaförmiger Schwimmkörper verwendet wird. Eine Translation des Schwimmkörpers einhergehend mit einer Rotation des Trägerelements kann auch aus einer Befestigung des Trägerelements insbesondere des Schwimmkörpers an einem bestimmten Punkt mit einer starren oder flexiblen Abspannung resultieren.
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Die Hebelarme und der oder die Schwimmkörper können auch integral ausgeführt sein und um zusätzliche Bauteile erweitert werden. Ein derartiges Trägerelement kann somit aus einem oder mehreren Bauteilen oder Materialien aufgebaut sein.
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Greift eine Kraft von außen am Trägerelement an, kann ein zusätzliches Drehmoment wirken, welches die jeweiligen Winkel zwischen den Hebelarmen und der Wasseroberfläche verändern. Insbesondere können somit die unmittelbar oder mittelbar an einem Hebelarm zu befestigenden Solarzellen ausgerichtet werden. Je nach Differenz der Drehmomente der Hebelarme kann eine kleine, von außerhalb des Trägerelements beigebrachte Kraft ausreichen das Trägerelement im Wasser in Rotation zu versetzen. Ein Zug- oder Druckmechanismus ist beispielsweise geeignet eine Kraft auf das Trägerelement zu übertragen. Hierfür kann ein Zug- oder Druckmittel, wie etwa ein Seil oder eine Stange eingesetzt werden. Auch kann eine Krafteinwirkung durch den Wind eine Rotation des Trägerelements bei einigen Ausführungsformen verursachen. Erfindungsgemäß kann durch die gezielte Veränderung der jeweiligen Winkel zwischen den Hebelarmen und der Wasseroberfläche jedoch die Krafteinwirkung durch den Wind verringert oder erhöht werden. Eine Verkleinerung der jeweiligen Winkel zwischen den Hebelarmen und der Wasseroberfläche ist insbesondere zu einer Minimierung der Windkräfte auf das Trägerelement geeignet. Bei einer Ausführungsform verläuft ein Zugmittel (z. B. Seil) über ein oder mehrere Trägerelemente und überträgt bei Zug ein Drehmoment auf das oder die Trägerelement(e) und kann somit für eine Rotation des Trägerelements bzw. der Trägerelemente sorgen.
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Erfindungsgemäß treibt das Trägerelement auf der Wasseroberfläche und kann durch eine Abspannung (bspw. Seil) oder starre Verbindung (bspw. Stange) an einer freien Drift (Änderung der Position auf dem Wasser) vollständig oder teilweise gehindert werden.
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Bei einer Ausführungsform kann der beschriebene Zug- oder Druckmechanismus zur Änderung der jeweiligen Winkel zwischen Wasseroberfläche und Hebelarmen zugleich das Trägerelement an einer freien Drift auf dem Wasser hindern.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das schwimmfähige Trägerelement mindestens einen zusätzlichen Schwimmkörper aufweist, welcher den Hebelarm mit den Solarzellen bei einer starken Neigung des Hebelarms in Richtung der Wasseroberfläche vor dem Eintauchen ins Wasser abhält. Dieser Schwimmköper kann entweder direkt an dem Trägerelement angebracht sein oder auf der Wasseroberfläche treiben und mit der oben beschriebenen Abspannung oder starren Verbindung verbunden sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Trägerelement kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das schwimmfähige Trägerelement zusätzlich um die vertikale Achse, d. h. heißt azimutal im Wasser drehbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 eine schematische Darstellung eines Trägerelements eines erfindungsgemäßen Trägersystems,
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2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Trägersystems,
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3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Trägersystems,
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4 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Trägersystems und
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5 eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Trägersystems.
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Bei den folgenden Ausführungsformen befindet sich jeweils die Wasseroberfläche 8 dort, wo der Schwimmkörper 4 eingezeichnet ist, sobald das Trägerelement 1a auf einer Wasseroberfläche platziert wird.
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines Trägerelements 1a des Trägersystems 1 mit charakteristischen Bauteilen der Erfindung. Ein oder mehrere Schwimmkörper 4 hält bzw. halten das Trägerelement 1a auf der Wasseroberfläche 8. Der erste Hebelarm 2 ist zur mittelbaren oder unmittelbaren Aufnahme von Solarzellen ausgelegt und ist insbesondere mit einem zweiten Hebelarm 3 verbunden. Die Hebelarme 2, 3 sind bei dieser Ausführungsform mit dem Schwimmkörper 4 verbunden. Alternativ kann auch mindestens ein Hebelarm auf dem Schwimmkörper 4 gelagert sein. Das Trägerelement 1a ist drehbar im Wasser gelagert, die Winkel α und β zwischen Wasseroberfläche und Hebelarmen 2 und 3 sind somit veränderbar. Ein Zug- oder Druckmittel 5 zur Übertragung von Zug- oder Druckkräften auf das Trägerelement 1a ist in dieser Zeichnung nicht eingezeichnet. Ein zusätzlicher Schwimmkörper 9, welcher an dem ersten Hebelarm 2 zur Aufnahme der Solarzellen befestigt ist, schützt den Hebelarm 2 vor einem Eintauchen ins Wasser, wenn dieser in Richtung Wasseroberfläche 8 geschwenkt wird.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines schwimmfähigen Trägersystems 1 für Solarzellen. Der Hebelarm 2 und der Hebelarm 3 sind in dieser Ausführungsform mit dem Schwimmkörper 4 konstruktiv verbunden. Die Solarzellen können beispielsweise mit dem ersten Hebelarm 2 zur Aufnahme von Solarzellen verschraubt oder verschweißt sein. Dieser erste Hebelarm 2 kann auch im Wesentlichen ein handelsübliches Photovoltaikmodul darstellen. In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Hebelarm 2 teilweise über den Schwimmkörper 4 mittelbar mit dem zweiten Hebelarm 3 verbunden und teilweise direkt mit diesem verbunden. Alternativ kann der erste Hebelarm 2 aber auch ausschließlich unmittelbar mit dem zweiten Hebelarm 3 verbunden und/oder auf dem Schwimmkörper 4 gelagert sein. Eine starre oder flexible Abspannung 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem Schwimmkörper 4 befestigt.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform mit zwei Trägerelementen 1a in einer Reihe, welche, ergänzend zu den 1 und 2, über mehrere starre oder flexible Abspannungen 6 miteinander verbunden und somit an der freien Drift auf dem Wasser gehindert sind. Der Schwimmkörper 4 dieser Ausführungsform hat die Form eines Quaders. Auch können hier mit einem Zug- oder Druckmittel 5 die jeweiligen Winkel zwischen der Wasseroberfläche 8 und den Hebelarmen 2 und 3 verändert werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Zug-/Druckmittel 5 als auch die Abspannung 6 als Seile ausgeführt sind. Eine Rotation des Trägerelements 1a geht bedingt durch die Bauform des Schwimmkörpers 4 und der Anbringung der Abspannung 6 mit einer Translation des Schwimmkörpers 4 einher. Der unter Wasser befindliche Hebelarm 3 übt ein Drehmoment resultierend aus seiner Massenverteilung und Anordnung im Raum auf die Trägerelemente 1a aus und bewirkt, dass diese sich im Wasser aufstellen. Alternativ kann das Drehmoment, welches durch den unter Wasser befindlichen Hebelarm 3 ausgeübt wird, auch nicht ausreichen, um das Trägerelement 1a aufzurichten und das zur Aufrichtung nötige Drehmoment kann durch ein Zug- oder Druckmittel 5 übertragen werden. Auch kann in einigen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass die von den beiden Hebelarmen 2, 3 ausgeübten Drehmomente betragsmäßig gleich groß sind. In diesem Fall nehmen die Hebelarme 2, 3 keine definierte Position ein, sondern können in einer beliebigen Position ausgerichtet sein.
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4 zeigt mehrere Trägerelemente 1a angeordnet in einer Reihe. Diese sind über zwei starre oder flexible Abspannungen 6 miteinander verbunden, welche die Trägerelemente 1a an einer freien Drift auf dem Wasser hindern. Bei dieser Ausführungsform läuft ein Zug-/Druckmittel 5 in Form eines Seils über die einzelnen Trägerelemente 1a. Dieses ist nicht mit den Trägerelementen 1a fest verbunden, sondern wird durch geeignete Bauteile z. B. Umlenkelemente geführt. Wird dieses Seil einer Zugkraft an den Enden ausgesetzt, wird dieses in Richtung Wasseroberfläche 8 gezogen und übt ein Drehmoment auf die einzelnen Trägerelemente 1a aus. Dieses Drehmoment sorgt für eine Drehung der jeweiligen Hebelarme 2 und 3 in Richtung Wasseroberfläche 8.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Vielzahl von Trägerelementen 1a. Diese sind über starre oder flexible Abspannungen mit Steuerungsfunktion 7 miteinander verbunden, welche an einer Seite an Land fixiert sind. Bei Zug an der anderen Seite der Abspannungen mit Steuerungsfunktion 7 wird ein Drehmoment auf jedes Trägerelement 1a ausgeübt und die jeweiligen Winkel zwischen Wasseroberfläche 8 und Hebelarmen 2 und 3 verringern sich. Die Abspannungen mit Steuerungsfunktion 7 hindern die Konstruktion gleichzeitig an einer freien Drift auf dem Wasser. Auch Wind kann bei dieser Ausführungsform ein Drehmoment auf die Trägerelemente 1a ausüben, welches zu einer Drehung der Trägerelemente 1a im Wasser führt. Bei dieser Ausführungsform übt der Hebelarm 3 ein Drehmoment auf das Trägerelemente 1a aus, welches groß genug ist dieses im Wasser aufzurichten.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass konstruktive Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägersystem
- 1a
- Trägerelement
- 2
- erster Hebelarm
- 3
- zweiter Hebelarm
- 4
- Schwimmkörper
- 5
- Zug-/Druckmittel
- 6
- starre oder flexible Abspannung
- 7
- starre oder flexible Abspannung mit Steuerungsfunktion
- 8
- Wasseroberfläche
- 9
- zusätzlicher Schwimmkörper
- α
- Winkel zwischen Wasseroberfläche 6 und Hebelarm 2
- β
- Winkel zwischen Wasseroberfläche 6 und Hebelarm 3
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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