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Die Erfindung betrifft eine Sonnennachführungsvorrichtung.
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Aus der
US 8,237,098 B2 ist eine Sonnennachführungsvorrichtung bekannt, welche aus einer gitterförmigen Trägerstruktur besteht, welche um eine zentrale vertikale Achse drehend gelagert ist und an der eine plattenförmige Aufnahme für Solarzellen um eine horizontale Drehachse kippbar gelagert angeordnet ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet und insbesondere eine besonders einfache und kostengünstige Alternative bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Sonnennachführvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine Sonnennachführungsvorrichtung mit einem Sonnenstandssensor und einer mit dem Sonnenstandssensor in einer elektrischen Wirkverbindung stehenden Steuereinheit bereitgestellt.
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Die Steuereinheit steht in elektrischer Wirkverbindung mit einem ersten Antrieb und einem zweiten Antrieb.
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Die Sonnennachführungsvorrichtung umfasst ein Trägerunterteil und ein mit dem Trägerunterteil verbundenen Trägeroberteil.
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An dem Trägeroberteil ist ein Solargenerator befestigt, wobei das Trägeroberteil mittels eines ersten Lagers um eine horizontale Drehachse kippbar gelagert ist.
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Das erste Lager ist an dem Trägerunterteil befestigt.
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Das Trägerunterteil ist um eine vertikale Drehachse drehbar gelagert, wobei eine Drehung des Trägerunterteils um die vertikale Drehachse durch die Steuereinheit mittels des zweiten Antriebs regelbar ist.
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Die horizontale Drehachse des ersten Lagers ist zu einem gemeinsamen Masseschwerpunkt des Trägeroberteils und des Solargenerators beabstandet an dem Trägeroberteil angeordnet.
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Außerdem weist die Sonnennachführungsvorrichtung eine von dem ersten Antrieb betriebene Seilwinde mit einem über eine Seilrolle geführten Seil mit einem ersten Seilende und einem zweiten Seilende auf.
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Eine freie Länge des Seils zwischen der Seilrolle und dem ersten Seilende ist durch die Steuereinheit mittels des ersten Antriebs regelbar.
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Zum Ausüben einer Zugkraft auf das Trägeroberteil ist an einem ersten Befestigungspunkt an dem Trägeroberteil die Seilrolle oder das erste Seilende oder eine das Seil zwischen dem ersten Seilende und der Seilrolle führende Umlenkrolle befestigt.
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Der erste Befestigungspunkt ist zu der horizontalen Drehachse des ersten Lagers beabstandet so angeordnet, dass ein aus der an dem ersten Befestigungspunkt angreifenden Zugkraft resultierendes erstes Drehmoment einem durch die Schwerkraft an dem zu der horizontalen Drehachse beabstandeten gemeinsamen Massenschwerpunkt resultierenden zweiten Drehmoment entgegenwirkt.
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Der Sonnenstandssensor ist vorzugsweise an dem Trägeroberteil angeordnet.
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Das Trägerunterteil ist vorzugsweise mit einem Bodenanker verbunden, wobei als Bodenanker eine beliebige Vorrichtung zum Verbinden des Trägers mit dem Untergrund oder zur Sicherung eines festen Stands des Trägers auf dem Untergrund bezeichnet ist.
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Der Bodenanker verhindert einerseits eine Drehbewegung der Halterung um eine Längsachse der horizontalen Strebe und verhindert andererseits ein Umfallen der Halterung durch Windeinwirkung.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die Sonnennachführungsvorrichtung durch Verwendung eines individuellen Sonnenstandssensors nicht auf eine zentrale Steuerung und kostenintensive Linearantriebe und/oder Schwerlastgetriebe angewiesen ist.
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Unebenheiten des Untergrunds, auf dem die Sonnennachführvorrichtung aufgestellt wird, stellen dadurch ebenfalls kein Problem dar.
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Außerdem reicht eine relativ unpräzise, aber spielfreie Mechanik aus, um eine Präzision der Nachführung von unter 0.1° zu erreichen.
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Hierdurch ist es möglich insbesondere die Sonnennachführungsvorrichtung oder zumindest die Trägerkonstruktion mit einfachen Mitteln zu fertigen und eine lokale Fertigung in Entwicklungsländern durchzuführen. Insbesondere sind alle Elemente der Trägerkonstruktion kostengünstig und lokal beziehbar.
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In einer alternativen Ausführungsform weist das Trägeroberteil einen Hebelarm auf und der erste Befestigungspunkt ist an dem Hebelarm angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Seil einen biegefesten Verriegelungshaken, wobei ein erstes Ende des Verriegelungshakens die Seilrolle der Seilwinde in einer Endstellung des Trägeroberteils um mindestens 90° umschließt, um ein Abrollen des Seil aufgrund einer Zugkraft zu verhindern.
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Der Verriegelungshaken stellt eine besonders einfache Möglichkeit zur Sicherung des Trägeroberteils in der Endstellung dar.
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Als Endstellung wird vorzugsweise eine möglichst waagerechte Position des Trägeroberteils mit dem Sonnengenerator gewählt, um Wind eine möglichst geringe Angriffsfläche zu bieten.
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In einer anderen Weiterbildung umfasst der erste Antrieb und / oder der zweite Antrieb jeweils ein Schneckengetriebe.
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Beispielsweise bildet ein Randbereich des Trägerunterteils das Schneckenrad und Antrieb mit Schnecke sind, neben dem Trägerunterteil bzw. an das Schneckenrad angrenzend angeordnet.
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Vorteilhaft ist es, das Schneckengetriebe wenigstens an dem ersten Antrieb auszubilden, da das Schneckengetriebe sich selbstsperrend auslegen lässt. Insbesondere führt bei der selbstsperrenden Ausführung auch ein hohes Drehmoment auf der Seilrollenseite nicht zu einem ungewollten Verfahren des ersten Antriebs.
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Ein Schneckengetriebe bei dem zweiten Antrieb ist nicht so entscheidend, indem die sichere Positionierung bei einem Sturm immer waagrecht ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Trägerunterteil mehrere Laufräder, wobei mindestens ein Laufrad angetrieben ist. Vorzugsweise ist das angetriebene Laufrad von dem zweiten Antrieb antreibbar. Es versteht sich, dass die Laufräder vorzugsweise zu der vertikalen Drehachse beabstandet sind.
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In einer Weiterbildung erfolgt die Drehung des Trägerunterteils und hierdurch des Sonnengenerators mittels eines Abrollens von genau drei Laufrädern auf einer konzentrischen Kreisbahn auf einem gemeinsamen Untergrund.
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Die Laufräder nehmen dabei die Gewichtskraft des Trägerunterteils, des Trägeroberteils und des Solargenerators auf und führen Sie an den gemeinsamen Untergrund ab.
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Der gemeinsame Untergrund muss dafür nicht zwingend vollständig eben sein, da bei dreirädrigen Laufwägen durch eine Verkippung des Laufwagens d.h. vorliegend des Trägerunterteils auch bei einem unebenen Untergrund immer alle drei Laufräder Untergrundkontakt behalten.
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Demhingegen bei einem vierrädrigen Laufwagen bzw. Trägerunterteil mit einem Verlust des Untergrundkontakts von wenigstens einem Laufrad auf einem unebenen Untergrund zu rechnen ist.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst das Trägerunterteil eine Führung für das mindestens eine Laufrad, z.B. eine kreisförmige Bahn und/oder mindestens einen Endanschlag für das mindestens eine Laufrad.
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Beispielsweise weist eines der Laufräder einen größeren Durchmesser als die weiteren Laufräder auf, so dass die Sonnennachführvorrichtung von einer ersten von links mit dem größeren Laufrad an den Endanschlag anschlagenden Position und einer zweiten mit dem größeren Laufrad von rechts an den Endanschlag anschlagenden Position bewegbar ist, wobei sich die kleineren Laufräder unterhalb des Endanschlags hindurch bewegen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Trägerunterteil in einem Drehlager drehbar gelagert und das Drehlager ist an einem Fußteil, z.B. einem in den Untergrund eingelassenen Beton-Fuß, befestigt.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das zweite Seilende des Seils ein Gegengewicht, wodurch das Seil auf der Seilrolle nicht aufgewickelt werden muss. Hierbei übt das Gegengewicht auf ein Teilstück des Seils zwischen dem Gegengewicht und der Seilwinde eine Zugkraft aus, wobei das Seil die Seilrolle der Seilwinde mehrfach umschlingt.
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In einer anderen Weiterbildung besteht das Trägerunterteil und/oder das Trägeroberteil vollständig oder zumindest teilweise aus Stahl oder hochfestem Beton oder Holz.
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Gemäß einer anderen Alternativen umfasst das Trägerunterteil eine Bodenstruktur und einen an der Bodenstruktur angeordneten vertikalen Arm, wobei das erste Lager an der Bodenstruktur angeordnet ist und an einem oberen Ende des vertikalen Arms ein zweiter Befestigungspunkt für die nicht am ersten Befestigungspunkt befestigte Seilrolle oder das nicht am ersten Befestigungspunkt befestigte erste Seilende oder eine das Seil zwischen dem ersten Seilende und der Seilrolle führende Umlenkrolle angeordnet ist.
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Eine flache Bodenstruktur mit dem ersten Lager als Trägerunterteil ermöglicht einen sehr flachen Aufbau. Insbesondere ist das Trägeroberteil mit dem Solargenerator in eine waagerechte erste Endstellung auf dem Boden quasi ablegbar. Der vertikale Arm ermöglicht wiederum das Aufstellen bzw. Anheben des Trägeroberteils mit dem Solargenerator gegen die Schwerkraft zur Nachführung der Elevation.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die laterale und die vertikale Erstreckung sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigten, die
- 1 eine Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Sonnennachführungsvorrichtung,
- 2 eine Ansicht der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform er Sonnennachführungsvorrichtung aus einer anderen Perspektive,
- 3 eine Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung,
- 4 eine Ansicht einer dritte erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung in einer Ruheposition,
- 5 eine weitere Ansicht der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung,
- 6 eine Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung,
- 7 eine Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung.
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Die Abbildungen der 1 und 2 zeigt zwei unterschiedliche Ansichten einer ersten Ausführungsform einer Sonnennachführungsvorrichtung 10, aufweisend einen Sonnenstandssensor 12, eine Steuereinheit 14 (in 2 nicht dargestellt), einen ersten Antrieb 16 und einen zweiten Antrieb 36 und einer Haltervorrichtung.
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Die Haltervorrichtung umfasst ein um eine vertikale Drehachse V drehbar gelagertes Trägerunterteil 18 und ein um eine horizontale Drehachse H drehbar gelagertes Trägeroberteil 32.
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Das Trägerunterteil 18 besteht aus einer zentralen, vertikalen Stütze 20 auf einem dreibeinigen Fußteil 22, mit dem Untergrund mittels eines Bodenankers 28 verbunden und mit einer horizontalen Strebe 26 an einem oberen Ende der Stütze 20.
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Die Beine des Fußteils 22 sind jeweils auf einem Laufrad 30 rollend gelagert. wobei eines der Laufräder 30 mittels des an dem Bein angeordneten zweiten Antriebs 36 antreibbar ist, wodurch ein Nachführen um die durch die Längsachse der vertikalen Stütze ausgebildete vertikale Drehachse V möglich ist (Azimut-Antrieb).
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Die Drehung erfolgt durch ein Abrollen von den genau drei Laufrädern 30 auf konzentrischen Kreisbahnen auf einem gemeinsamen Untergrund.
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Die Laufräder 30 nehmen dabei die Gewichtskraft des Trägerunterteils 18, des Trägeroberteils 32 und des Solargenerators auf und führen Sie an den gemeinsamen Untergrund ab.
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Der gemeinsame Untergrund muss dafür nicht zwingend vollständig eben sein, da bei dreirädrigen Laufwägen, d.h. bei dem dreirädrigen Trägerunterteil 18 eine Verkippung des Laufwagens immer alle drei Laufräder Untergrundkontakt behalten.
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Hingegen müsste bei einem vierrädrigen Laufwagen mit einem Verlust des Untergrundkontakts auf einem unebenen Untergrund gerechnet werden.
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Das Trägeroberteil 32 ist als Aufnahme für einen Solargenerator ausgebildet und an der horizontalen Strebe 26 angeordnet.
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Im darstellten Ausführungsbeispiel sind an dem Trägeroberteil 32 zwei plattenförmige Solarmodule 24 befestigt, wobei der Sonnenstandssensor 12 zwischen den beiden Solarmodulen 24 an dem Trägeroberteil 32 angeordnet ist.
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Das Trägeroberteil 32 ist mittels mehrerer als Gleitlager ausgebildete erster Lager 34 an der horizontalen Strebe 26 des Trägerunterteils drehbar gelagert, so dass eine Längsachse der horizontalen Strebe 26 die horizontale Drehachse H ausbildet.
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Der erste Antrieb 16 ist zusammen mit dem zweiten Antrieb 36 an dem Bein des Fußteils 22 angeordnet und treibt eine Seilwinde mit einem über eine Seilrolle 46 (nicht dargestellt) geführten Seil 38 an, wobei die in dem Ausführungsbeispiel in demselben Gehäuse wie die beiden Antriebe 16 und 36 angeordnet und über ein Seil 38 mit der Solarzellenaufnahme 32 verbunden ist, wobei ein erstes Seilende des Seils 38 an einem ersten Befestigungspunkt 40 an der Solarzellenaufnahme 32 befestigt ist.
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Mittels des ersten Antriebs 16 und der Seilwinde wird eine freie Länge des Seils 38 zwischen der Seilrolle 46 der Seilwinde und einem ersten Befestigungspunkt 40 eingestellt.
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Der erste Befestigungspunkt 40 des Seils 38 ist zu der horizontalen Drehachse H beabstandet, so dass an dem ersten Befestigungspunkt 40 angreifende Zugkraft in einem ersten Drehmoment um die horizontale Drehachse H resultiert.
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Andererseits sind die ersten Lager 34 derart an dem Trägeroberteil 32 angeordnet, dass ein gemeinsamer Massenschwerpunkt M des Trägeroberteils 32, des Sonnenstandssensors 12 und des Solargenerators 24 ebenfalls zu der horizontalen Drehachse H beabstandet ist, so dass die auf das Trägeroberteil 32 wirkende Schwerkraft in einem zweiten Drehmoment um die horizontale Drehachse H resultiert.
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Der Abstände bzw. Positionen des ersten Befestigungspunkts und des Massenschwerpunkts M zu der horizontalen Drehachse sind so gewählt, dass das zweite Drehmoment dem ersten Drehmoment entgegenwirkt.
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Hierdurch wird die freie Länge des Seils 38 mittels der Seilwinde bzw. dem ersten Antrieb eingestellt und das Seil 38 mittels der Schwerkraft, d.h. mittels des zweiten Drehmoments gespannt. Hierdurch lässt sich die Neigung bzw. Elevation des Trägeroberteils 32 verändern.
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Es versteht sich, dass die Steuereinheit auch an dem Trägerunterteil 18 oder an dem Trägeroberteil 32 angeordnet sein kann.
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In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform des Trägerunterteils 18 der Sonnennachführungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform der Abbildungen der 1 und 2 erläutert.
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Zur Erhöhung der Stabilität des Trägerunterteils 18 sind zwischen den Beinen 24 und der vertikalen Stütze 20 sowie zwischen den Beinen des Fußteils 22 und der horizontalen Strebe 26 mehrere Verstrebungen 23 angeordnet.
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Um die Kraft der Seilwinde zu erhöhen, ist das Seil 38 mit dem ersten Ende an einem der Bein des Fußteils 22 befestigt und wird über eine an dem ersten Befestigungspunkt 40 an dem Trägeroberteil 32 befestigte Umlenkvorrichtung 42 zur Seilwinde geführt.
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Um ein Kippen der Solarzellenaufnahme in Richtung der Seilwinde zu verhindern, weist die Sonnennachführvorrichtung 10 ein weiteres Seil 44 mit einer festen Länge auf. Das eine Ende des Seils 44 ist an einem Bein 24 des Trägerunterteils 18 befestigt. Das andere Ende des Seils 44 ist in einem Abstand zur horizontalen Drehachse H und bezüglich horizontalen Drehachse H an einer der Umlenkvorrichtung 24 gegenüberliegenden Seite des Trägeroberteils 32 befestigt.
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In der Abbildung der 4 ist eine weitere Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform der Abbildungen der 1 bis 3 erläutert.
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Der zweite Antrieb 36 weist ein an dem Fußteil 22 des Trägerunterteils 18 angeordnetes Schneckengetriebe 66 zur Nachführung um die vertikale Achse V auf.
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Das Trägeroberteil 32 ist mittels eines Gelenks als erstes Lager 34 mit dem Trägerunterteil 18 verbunden und weist einen Hebelarm 48 auf, wobei der erste Befestigungspunkt 40 an einem äußeren Ende des Hebelarms 48 angeordnet ist.
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Eine Seilrolle 46 der Seilwinde ist an einem äußeren Ende einer Strebe des Trägerunterteils 18 angeordnet, wobei der Hebelarm 48 des Trägeroberteils 32 in einer ersten Endstellung an der Strebe des Trägerunterteils 18 anliegt und ein die Solargeneratoren tragender Teil des Trägeroberteils 32 in der ersten Endstellung horizontal verläuft.
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Der erste Antrieb 36 sowie die Steuereinheit 14 sind mit der Seilwinde in einem gemeinsamen Gehäuse 68 am Trägerunterteil 32 angeordnet.
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Das Seil 38 weist an dem ersten Ende einen biegefesten Verriegelungshaken 50 auf, der in der dargestellten ersten Endstellung der Sonnennachführungsvorrichtung 10 die Seilrolle 46 um mindestens 90° umschließt, wodurch ein Verbleib in der Endstellung auch bei einem Ausfall des ersten Getriebes 16 sichergestellt wird.
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In der Abbildung der 5 ist eine weitere Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform der Abbildungen der 4 erläutert.
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In einer zweiten Endstellung liegt der die Solargeneratoren tragende Teil des Trägeroberteils 32 an der vertikalen Stütze 20 an.
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Außerdem umfasst ein zweites Seilende des Seils 38 in der dargestellten Ausführungsform ein Gegengewicht 56.
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In der Abbildung der 6 ist eine weitere Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen erläutert.
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Das Trägerunterteil 18 weist eine flache Bodenstruktur 58 mit mehreren Rädern 30 und einen an der Bodenstruktur 58 angeordneten vertikalen Arm 60 auf.
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Das als Gelenk ausgebildete erste Lager 34 ist an der Bodenstruktur 58 angeordnet, so dass das Trägeroberteil 32 von einer auf der Bodenstruktur 58 aufliegenden ersten Endstellung nach oben aufgerichtet werden kann.
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Hierfür ist die Seilrolle 46 der Seilwinde an einem dem ersten Lager 34 gegenüberliegenden Rand des Trägeroberteils 32 angeordnet und das erste Ende des Seils 38 ist an einem zweiten Befestigungspunkt 62 an einem oberen Ende des vertikalen Arms 60 befestigt.
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Die Steuereinheit 14 ist neben dem Sonnenstandssensor 12 zwischen den Sonnengeneratoren 24 an dem Trägeroberteil 32 angeordnet.
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In der Abbildung der 7 ist eine weitere Ausführungsform der Sonnennachführungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen erläutert.
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Die Sonnennachführungsvorrichtung 10 weist ein Fußteil 54, beispielsweise ein in den Untergrund eingelassener Beton-Fuß, auf. Das Trägerunterteil 18 umfasst eine vertikale Stütze 20, wobei die vertikale Stütze 20 in einem Drehlager 52 um die vertikale Drehachse V drehbar an dem Fußteil 54 gelagert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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