DE102021004279B4

DE102021004279B4 - Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit einer Drohne verbindbar ist

Info

Publication number: DE102021004279B4
Application number: DE102021004279.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-21
Filing date: 2021-08-21
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2041-08-22
Also published as: DE102021004279A1

Abstract

Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens- einem Gas-Druck-Behälter (5), der mit Wasserstoff (6) oder Butangas (7) gefüllt ist,- einer Brennkammer (8), die mit dem Gas-Druck-Behälter (5) über einer Rohrleitung (22) und einem Elektroventil (21) gekoppelt ist, in der der Wasserstoff oder das Butangas mit Frischluft, ein explosives Gasgemisch bildend, vermischt wird,- zwei Elektroden (10), die in die Brennkammer (8) eingebaut sind,- einer Hochspannungsquelle (11), die mit den Elektroden (8) gekoppelt ist,- einer Steuerung (12), die mit der Hochspannungsquelle (11), dem Elektroventil (21) und einer Energie-Quelle gekoppelt ist,- einer offenen Rohrleitung oder eine Düse (14), die mit der Brennkammer (8) gekoppelt ist, die elektrisch schwenkbar ist und schräg oder vertikal nach unten gerichtet werden kann,- einer elektronischen Schaltung, die eine Verbindung mit der Elektronik und Funk-Steuerung der Drohne erstellt,- einem Gehäuse, das kompakt gebaut ist, in dem die Elemente der Vorrichtung eingebaut sind und mit Verbindungselemente für eine Fixierung mit der Drohne (1), ausgestattet ist, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drohne, die für Oberflächen-Reinigung konzipiert ist, die mit einem Luftdruckerzeuger ausgestattet ist, der kurze, aber intensive Luftdruckimpulse erzeugt und diese in eine Richtung gebündelt abgibt, mit denen man Oberflächen reinigen oder entstauben kann. Insbesondere ist diese Drohne für die Solarmodule-Reinigung geeignet.
Es gibt zahlreiche Solarmodul-Arten, die heutzutage im Gebrauch sind. Die Solarmodule können unterschiedliche Solarzellen aufweisen. Es gibt Monokristalline (optisch sehen sie dunkelblau, anthrazit oder schwarz aus und haben eine Wirkungsgrad von ca. 14-18%), Polykristalline (blau, hellblau, glitzernd - mit einer Wirkungsgrad von ca. 16%), amorphe Dünnschichtmodule (unterschiedliche Farben, z.B. dunkelbraun oder anthrazit - hundert mal dünner als die anderen Solarzellen), Flexi-Module (Dünnschichtmodul auf einer flexiblen Untergrund), Mehrfachsolarzellen, Organische Solarzellen (Buntfarbig - mit einem Wirkungsgrad von ca. 13%), etc. Bei allen unterscheiden sich z.B. die Wirkungsgrad, Leistungstoleranz, Temperaturkoeffizient, Leistungskoeffizient, etc, was dazu führt, dass viele Endverbraucher manchmal es schwer haben beim Kauf eine Entscheidung zu treffen.
Solarzellen in einem Solarpanel herkömmlicher Art, sind so konstruiert, das diese optimal die Sonnenstrahlen einfangen können, um diese teilweise in Strom umzuwandeln. Die Polykristalline Solarzellen, die öfters in Solarpanels eingebaut sind, liefern bei vollem Sonnenschein jeweils ca. 0,5V Spannung und ein paar Ampere Strom (je nach Größe, ca. 2-10 A). Die Solarmodule müssen so gut wie möglich an die Sonne orientiert und natürlich im Freien eingebaut. Dadurch sind diese den Wetterbedingungen ausgeliefert. Regentropfen, Schneemassen oder Schmutz bzw. Staub können die Effizienz und den Energie-Ertrag des Solarpanels weitgehend drosseln.
Die Solarmodule werden in der Regel von Regenschauer oder Schnee auf natürliche Weise mehr oder weniger gesäubert. In Deutschland regnet es oft und daher funktioniert diese natürliche Reinigung der Solarmodule einigermaßen schon. Rußpartikel und feine Staubpartikel können aber trotzdem als Schmutzschicht weiterhin haften. Auch Schnee kann einige Tage lang auf Solarmodule haften, was auch zu Eisschichtbildung führt. Um die Schneemassen oder Eis aus den Solarmodulen zu entfernen, würde es reichen, wenn man die Solarmodule einfach ein wenig erwärmt. Man müsste dabei nicht die ganzen Schneemassen schmelzen, sondern durch eine leichte Erwärmung der Oberfläche des Solarmoduls wird ein dünner Wasserfilm zwischen der auf dem Solarmodul liegenden Schnee-Decke und der Oberfläche des Moduls erzeugt, der das herab rutschen der Schneemasse verursacht.
CN 2 06 392 517 U beschreibt eine unbemannte flugfähige Reinigungsanlage für Haushalts-Solar -Module. Die Erfindung stellt eine Art Haushalts-Photovoltaikmodul-Reinigungsanlage bereit, einschließlich eines unbemannten Fluggeräts, wobei es per Funk durch einen Bediener gesteuert wird.
CN 1 11 822 472 A stellt ein fliegendes Reinigungswerkzeug bereit, das ein fliegendes Werkzeug mit einem Antriebselement ist, das mit einem Erfassungsmodul zum Überwachen des Zustands und der Umgebung des Solarzellenmoduls, mit einem Stromversorgungssystem, das das Leistungselement mit Strom versorgt, sowie einen Flüssigkeitsspeichertank zum Speichern von Reinigungsflüssigkeit. Die Erfindung ist nicht durch das Gelände beschränkt und kann die Arbeitssicherheit des Reinigungspersonals gewährleisten und den Reinigungsvorgang des Solarmoduls aus bestimmter Höhe leicht durchführen.
US 2017 / 0 305 547 A1 beschreibt eine Oberflächenwaschdrohne mit einer modularen Reinigungskopfeinheit. Die Oberflächenwaschdrohne kann auch einen Sicherheits-Failover-Mechanismus enthalten. Die Flächenwaschdrohne kommuniziert und arbeitet mit anderen Flächenwaschdrohnen in einer Gruppe zusammen.
DE 10 2014 001 797 A1 beschreibt einen Flugroboter, der aus einer Antriebseinheit aus wenigstens zwei Rotoren besteht und mit einem Reinigungsmodul ausgestattet ist. Dieses besitzt eine Bürste und auf der einen Seite Solarzellen und gegenseitig Elektroden zur Stromaufnahme. Der Flugroboter eignet sich für den Einsatz auf solaren Kraftwerken, photovoltaisch oder licht reflektierend. Durch die Ausgestaltung des Reinigungsmoduls kann sich der Flugroboter selbst mittels Sonnenlicht aufladen oder über Elektroden eine Schnellladung erfahren.
Eine Erfindung, die die Solarmodule von Schneemassen befreien kann, wird in der Anmeldung mit dem Nummer EP 1 427 024 A2 beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, ein Heiz-System aus elektrische Leitungen in das Solarmodul einzubauen, das durch eine elektrische Schaltung, die Solarzellen erwärmt werden sollen, um dadurch die Solarmodule von Schneemassen oder Eis befreien zu können.
Sensoren in einem Solarpanel zu integrieren, wird in der Anmeldung US 8 294 451 B2 beschrieben. Hier werden Spannungs- und Temperatursensoren beschrieben, die in einem Solarpanel eingebaut sind. Diese Sensoren sind mit einer Data-BUS-Schnittstelle gekoppelt und dort übertragen sie die Daten.
Um die Solarmodule zu entstauben werden auch kleine Roboter eingesetzt, die mit Bürsten das Solarmodul reinigen können. Allerdings ist der Einsatz mit viel Aufwand verbunden und die Entstaubung läuft dabei sehr langsam voran. Für große Solarparks ist leider diese Methode ungeeignet.
Der in den Patentansprüchen 1 bis 9 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die aus der Luft die Solarmodule erreichen kann und diese vom Staub befreien kann.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 9 gelöst.
Vorteile der Erfindung sind:

- schnelle Reinging und als Folge eine verbesserte Wirkungsgrad der Solarzellen und dadurch höherer Strom-Ertrag,
- weniger Aufwand für die Solarmodule-Reinigung,
- damit kann die schon vorhandene Technik nachgerüstet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 und 2 erläutert.
Es zeigen:

1 eine Drohne, die mit dem Druckerzeuger gekoppelt ist,
2 eine gelenkartige Rohr-Leitung.

Die Erfindung ist eine Vorrichtung, die mit einer Drohne 1 verbunden ist, die in der Lage ist, eine Oberfläche 2 schnell und zuverlässig, durch Erzeugung von starken Druckluft-Impulsen 3 zu säubern.
Die Erfindung ist für jegliche Oberflächenreinigung, insbesondere für die Reinigung der Solarmodule 4 optimal geeignet. Sie kann schwer erreichbare oder zu hoch gelegte Gegenstände oder Flächen säubern. Damit können z.B. die Solarmodule auf dem Dach schnell und zuverlässig vom Staub befreit werden. Die hier dargestellte Drohne kann auch in Solarparks in Wüstenregionen eingesetzt werden. Sie oder ein Schwarm davon können koordiniert über die Solarmodule fliegen und diese vom Staub innerhalb kürzester Zeit befreien.
Die heutigen Flugdrohnen weisen GPS-Module auf, mit deren Hilfe sie genau an bestimmte, vorgegebene Positionen fliegen können und die Reinigungs-Arbeit erledigen.
Die Erfindung kann vom Werk aus mit der Drohne gekoppelt werden oder in eine Variante hergestellt werden, die auch als Zusatz-Vorrichtung vorgesehen ist, die mit fast jeder Drohne nachträglich gekoppelt werden kann.
Der Druckluftimpuls-Erzeuger besteht aus einer kleinen Gasflasche 5, die unter Druck steht, mit Wasserstoff 6 oder Butangas 7 gefüllt ist und einer Brennkammer 8, in der der Wasserstoff oder das Butangas durch eine kleine Rohrleitung 22 und gesteuert von eine Steuerung und einem Elektroventil 21, in portionierten Mengen rein strömt. In die Brennkammer 8 befindet sich auch Frischluft und das zusammen bildet ein explosives Gasgemisch. Das Knallgas 9, das durch die Mischung des Wasserstoffs mit Sauerstoff entsteht (oder Butangas und Sauerstoff) kann eine sehr hohe Explosionsenergie während einer Zündung freigeben. Diese Energie wird für die Erzeugung von Luftdruck-Impulsen verwendet. Die Zündung erfolgt durch Elektroden 10, die in die Wand der Brennkammer 8 eingebaut sind und einer Hochspannungsquelle 11, die mit den Elektroden über eine Steuereinheit (Steuerung) 12 verbunden ist. Die Brennkammer ist in einem kompakten Gehäuse 13 eingebaut und ist mit einer Öffnung oder Düse 14 nach unten gerichtet, gekoppelt.
Die Oberflächenreinigung eines Solarmoduls auf dem Dach eines Hauses könnte folgendermaßen ablaufen:

Man steuert über eine Fernsteuerung die Drohne hoch über das Dach mit Solarmodulen und navigiert sie über die Solarmodule 4, die gesäubert werden müssen. Die Drohne fliegt über ein Solarmodul und aus ca. 50 - 100cm Abstand erzeugt sie Druckluftimpulse, die nach unten abgegeben werden. Die Brennkammer 8 kann durch Schließklappen 19 so geschlossen werden, dass beim Überdruck in die Brennkammer während einer Knallgas-Explosion diese sich sofort nach außen öffnen und dem Druck nachgeben. Jedesmal wenn eine kleine portionierte

Menge aus Wasserstoff in die Brennkammer gepumpt wird oder einfach durch das Elektroventil 21 dort zum Strömen gebracht wird, steuert die Steuereinheit 12 eine Zündung des Knallgases und eine Explosion wird in die Brennkammer 8 erzeugt. Die Explosionsenergie verdrängt die Luft blitzschnell durch die breite Öffnung oder Düse 14 nach außen und es entsteht eine Druckwelle 3, die den Staub aus dem Solarmodul wegpustet. Die Repetitionsrate der Explosionen oder die Menge der Portion des in die Brennkammer geleiteten Gases, bestimmt die Druckkraft der Impulse. Je schneller die Explosionen sich wiederholen, desto grösser ist der Effekt der Impulse und je grösser die Gasmenge in die Brennkammer bei jede Zündung, desto höher die Impuls-Energie der Druckluft-Wellen, die auf die zu reinigenden Oberfläche abgegeben wird. Beides kann durch die Steuerung optimal geregelt werden.
Die Erfindung ist sowohl für kleine Solar-Anlagen, als auch für Solarmodule-Felder geeignet, wobei sehr viele Solarpanels im Freien auf einem Solar-Park oder Feld verteilt sind. Solche Solarpanels erzeugen zusammen in der Regel sehr viel Strom, der in einem Stromnetz in der Nähe eingespeist wird. Es sind relativ komplizierte Anlagen, die auch sehr viele Begleitelemente aufweisen, wie z.B. Konvertern oder Transformatoren, Relais, Stromkabeln, Datenboxe, Überwachungs-Technik und Räume, Fernwartungs- und Steuerung-Systeme, sowie manchmal auch Wartungstechniker vor Ort. Fällt ein Solarpanel aus, dann wird dem Techniker in einem Rechner auf einem Display angezeigt, welche das ist und er kann das Solarpanel überbrücken oder aus dem Stromkreis entnehmen, um es zu reparieren oder ersetzen.
Ein Solarpanel ist in der Regel sehr wartungsarm und geht auch nur selten kaputt. Was dessen Betrieb stören, bzw. den Strom-Ertrag drossel kann, sind die Wetterverhältnisse. Wenn es schneit und der Schnee teilweise oder komplett ein Solarpanel bedeckt, dann sinkt die Stromerzeugung drastisch nach unten. Ebenso Staub kann die Stromerzeugung empfindlich stören und den Ertrag senken.
Die Drohne mit dem Druckluftimpuls-Geber kann hier behilflich sein. Sie kann programmiert werden und somit autonom über die Solarmodule hinfliegen und diese einem nach dem anderen vom Staub befreien. Die Drohne kann auch mit einem Laser-System ausgestattet werden, mit dem die Verschmutzungsgrad berührungslos per Laserstrahl-Abtastung ermittelt werden kann. Hierfür wird eine Laserdiode (IR, Blau oder UV-Laserdiode) 15 auf das Solarmodul 4 perpendikular gerichtet, einen Laserstrahl 16 abgeben und der reflektierter Laserstrahl von einem Sensor 17 erfasst und durch eine Auswerteinheit 18 ausgewertet. Je weniger Laserstrahlen aus der Reflektion zurückkommen, desto mehr Schmutz oder Staub auf dem Solarmodul bedeutet. Damit kann ermittelt werden, wie stark verschmutzt oder wie viel Staub auf das Solarmodul sich aufgesetzt hat.
Um eine optimale Ausrichtung des Rohrs, das die Druckluft-Impulse leitet, kann sie an einer Stelle mit einem Gelenk 20 ausgestattet werden. Dadurch kann dies ein jede Richtung geschwenkt werden.
Bezugszeichenliste

1: Drohne
2: Oberfläche
3: Druckluft-Impulse
4: Solarmodul
5: Gasflasche, Gas-Druck-Behälter
6: Wasserstoff
7: Butangas
8: Brennkammer
9: Knallgas
10: Elektroden
11: Hochspannungsquelle
12: Steuereinheit (Steuerung)
13: Kompaktes Gehäuse
14: Düse / Öffnung oder Düse
15: Laserdiode (IR, Blau oder UV-Laserdiode)
16: Laserstrahl
17: Sensor
18: Auswerteinheit
19: Schließklappen
20: Gelenk-Rohr
21: Elektroventil
22: Rohrleitung

Claims

Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens - einem Gas-Druck-Behälter (5), der mit Wasserstoff (6) oder Butangas (7) gefüllt ist, - einer Brennkammer (8), die mit dem Gas-Druck-Behälter (5) über einer Rohrleitung (22) und einem Elektroventil (21) gekoppelt ist, in der der Wasserstoff oder das Butangas mit Frischluft, ein explosives Gasgemisch bildend, vermischt wird, - zwei Elektroden (10), die in die Brennkammer (8) eingebaut sind, - einer Hochspannungsquelle (11), die mit den Elektroden (8) gekoppelt ist, - einer Steuerung (12), die mit der Hochspannungsquelle (11), dem Elektroventil (21) und einer Energie-Quelle gekoppelt ist, - einer offenen Rohrleitung oder eine Düse (14), die mit der Brennkammer (8) gekoppelt ist, die elektrisch schwenkbar ist und schräg oder vertikal nach unten gerichtet werden kann, - einer elektronischen Schaltung, die eine Verbindung mit der Elektronik und Funk-Steuerung der Drohne erstellt, - einem Gehäuse, das kompakt gebaut ist, in dem die Elemente der Vorrichtung eingebaut sind und mit Verbindungselemente für eine Fixierung mit der Drohne (1), ausgestattet ist, besteht.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung trichterförmig gebaut ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Laser-Abtast-System bestehend aus - einer Laserdiode (15), die auf die zu reinigenden Oberfläche (2) perpendikular einen Laserstrahl (16) abgibt, - einem Sensor (17), der die teils reflektierten Laserstrahlen erfasst, - einer Auswerteeinheit (18), die mit dem Sensor gekoppelt ist, ausgestattet ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (15) Laserstrahlen in der sichtbaren Wellenlänge emittiert oder die Laserdiode eine IR- oder UV-Laserdiode ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (8) mit einer Schließ-Klappe (19) unten, die durch Überdruck in die Brennkammer während Gasgemisch- Explosion sich öffnet und den Druck abbläst, ausgestattet ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) mit einer Funktion, die portionierte Mengen des Gases aus dem Gas-Druck-Behälter (5), durch dementsprechende Elektroventilsteuerung, in die Brennkammer (8) leitet, ausgestattet ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) mit einer Funktion, die eine einstellbare Repetitionsrate der Zündungen und der Gas-Leitungsvorgänge in die Brennkammer bewerkstelligt, ausgestattet ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit GPS und programmierbare Funktionen ausgestattet ist.
Oberflächen-Reinigungs-Vorrichtung in Form einer Drohne oder die mit eine Drohne verbindbar ist, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (8) teilweise mit Wasser gefüllt ist, das durch die Explosionskraft des Gasgemisches nach unten breitstrahlig durch die Düse (14) auf der zu säubernden Oberfläche (2) abgegeben wird.