DE102021006164A1

DE102021006164A1 - Solarmodul-Nachführ-System

Info

Publication number: DE102021006164A1
Application number: DE102021006164.0A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung ist ein Solarmodul-Nachführ-System, das relativ klein und kompakt gebaut ist. Die Energie für das Nachführen und genaue Justierung der Richtung der Solarmodule kommt aus den Solarmodulen selbst. Das Nachführen wird entweder durch einen eingebauten Chronometer oder durch Lichtsensoren gesteuert.Es besteht aus einer Konstruktion, die zwei keilförmig geschnittene Zahnräder beinhaltet, die mit Hilfe von einem Drehlagers oder Kugellagers miteinander beweglich verbunden sind, sowie zwei Aktuatoren, die einzeln gesteuert sind und zwischen den beiden Zahnrädern (oder Vollzylindern) eingebaut sind. Das Nachführen wird nicht permanent sondern einmal alle 20 bis 30 Minuten veranlasst und dauert nur kurz (weniger als einer Minute). Eine weitere Ausführung weist ein Vibrations-System auf, das das Solarmodul kurz zum Vibrieren bringt und seine Oberfläche vom Sand oder Staub befreit.

Description

Die Erfindung ist ein Nachführ-System, das für Solar-Module einsetzbar ist und diese zuverlässig stets oder in festgelegten Intervallen, Richtung Sonne richtet.
Es gibt zahlreiche Tracking-Systeme, die in der Lage sind, ein oder mehrere Solarmodule so zu bewegen, dass diese stets die Sonnenstrahlen unter 90° Winkel bekommen. Die Tracking-Systeme sind in der Lage ein Solarmodul oder eine Gruppe von Solarmodulen biaxial (Biaxialer Solartracker) oder monoaxial zu drehen.
Unter den bekannten Sonnen-Nachführ-Vorrichtungen sind die sogenannten zweiachsigen Nachführ-Vorrichtungen vom Standpunkt der Energieumwandlung besonders effizient. Bei diesen sind die Solarmodule auf einem um eine vertikale Achse bewegbaren Rahmen montiert, wobei jedes Modul wiederum einzeln oder gleichzeitig um eine jeweilige horizontale Achse bewegbar ist. Solche Vorrichtungen ermöglichen es, die Ausrichtung der Module zu ändern, während sich die Position der Sonne während ihres Durchgangs von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang ändert, wobei immer eine gewünschte Ausrichtung beibehalten wird, bei der sich die Erfassungsfläche solcher Module in einer im wesentlichen senkrechten Position befindet zum einfallenden Sonnenstrahl. Die effektive Fläche der Sonnenstrahlungssammelfläche wird somit maximiert und folglich die Energieabgabe der Solar-Module.
US 2004/0216734 offenbart eine Sonnenverfolgungsvorrichtung, die eine Vielzahl von konkaven Parabel-Reflektoren umfasst, die an einem Rahmen gemäß einer Konfiguration mit parallelen Reihen angebracht sind. Der Rahmen ist horizontal und auf einer kreisförmigen Bahn beweglich, die fest mit einer Trägerbasis verbunden ist, um sich auf der Trägerbasis um eine vertikale Achse drehen zu können. Die Reflektoren sind über ein mechanisches Umlenksystem kinematisch miteinander verbunden, das die Bewegung der Reflektoren jeder Reihe um eine horizontale Achse und die synchrone Bewegung der Reflektoren einer Reihe mit den Reflektoren der anderen Reihen ermöglicht. Der Rahmen ruht auf vier Wagen, die jeweils mit drei Rädern versehen sind, von denen eines mit der Achse orthogonal zu der der anderen beiden angeordnet ist.
WO 2006/114457 offenbart verschiedene Ausführungsformen einer Sonnennachführungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Solarmodulen umfasst, die in parallelen Reihen angeordnet sind. In einer ersten Ausführungsform sind die Solarzellen in Modulen gruppiert, die auf einer horizontalen Plattform installiert sind, die einer um eine vertikale Achse drehbaren Grundplatte zugeordnet ist. In einer zweiten Ausführungsform befindet sich die horizontale Plattform im Bezug auf den Boden in einer angehobenen Position. In einer dritten Ausführungsform sind die Solarmodule auf einer horizontalen Plattform installiert, die oben auf einem um eine vertikale Achse drehbaren Mast angeordnet ist.
US 4,209,231 offenbart eine Sonnenverfolgungsvorrichtung mit einer Vielzahl von Spiegeln, die nahe beieinander angeordnet sind, um eine rechteckige Anordnung zu bilden, die als einzelner Block um eine horizontale Achse bewegt werden kann. Eine solche Anordnung ist einem Rahmen zugeordnet, der auf einer kreisförmigen Bahn mit kreisförmigem Querschnitt bewegt werden kann, auf der vier Wagen ruhen, wobei jeder Wagen mit zwei Rädern versehen ist, die so angeordnet sind, dass die jeweiligen Achsen orthogonal zueinander sind.
US20130192659A1 beschreibt ein Solar-Nachführsystem, umfassend ein Bett, das um einen Drehtisch drehbar ist, wobei das Bett mindestens eine Pfostenstruktur trägt, wobei die Pfostenstruktur eine Solarpanelanordnung trägt, wobei die Solarpanelanordnung um eine horizontale Achse zu der Pfostenstruktur schwenkbar ist, und Direktantrieb Mittel, um das Bett zu drehen und die Solarpanel-Anordnung zu schwenken, wobei Kugelgelenke die Solarpanel-Anordnung an der Pfostenstruktur befestigen und ein Hebelarm, der über Kugelgelenke mit der Solarpanel-Anordnung verbunden ist, Antrieb verleiht, um zu bewirken, dass die Solarpanel-Anordnung um eine horizontale Achse schwenken und zwischen Bett und Drehteller positioniert ist.
Auch US 4,129,360 , US 4,883,340 , ES 1050814 U , US6123067A sowie eine weitere Vielzahl an ähnlichen Veröffentlichungen, beschreiben Nachführ-Systeme, die die Module so bewegen, dass sie das Sonnenlicht folgen.
Die oben beschriebenen Nachführ-Vorrichtungen haben meistens eine sperrige, massive, recht schwere Bauweise. Solche Vorrichtungen sind zu allem Überfluss auch sehr teuer und machen einen breiten Einsatz unattraktiv. Wenn man die Solarmodulkosten, den Herstellungsaufwand und Ressourcenverbrauch kalkuliert und mit denen noch die zusätzliche Kosten für das teure Nachführ-System addiert, rückt der positive Ertrag der Solarmodule um einige Jahre weiter in die Ferne.
Der in den Patansprüchen 1 bis 15 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tracking-System / Sonnen-Nachführ-System für Solarmodule zu schaffen, das möglichst kompakt aufgebaut ist, kostengünstig ist und das in der Lage ist, zuverlässig ein Solarmodul oder eine Baugruppe aus Solarmodulen Richtung Sonne zu richten, damit die bestmögliche Lichtausbeute und ein höchstmögliches Stromertrag zustande kommt.
Dieses Problem wird mit dem in den Patentansprüchen 1 bis 15 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Vorteile der Erfindung sind:

- kompakte Bauweise,
- kostengünstige und nahezu wartungsfreie Lösung,
- keine Rotation des Solarmoduls um eine Vertikale Achse notwendig.

Ausführungsbeispiele werden anhand der 1 bis 8 erläutert.
Es zeigen:

1 und 2 Ausführungen, wobei die beiden Zylinder mit deren kreisrunden Enden durch ein Kugellager verbunden sind,
3 und 4 weitere Ausführungen, wobei die beiden Zylinder an deren ovalen Enden miteinander durch ein Lager verbunden sind,
5 eine Ausführung, wobei die Zylinder sehr flach gebaut sind und vielmehr wie ein keilförmiges Zahnrad und eine Taumelscheibe gebaut sind, die übereinander angeordnet sind,
6 eine Ausführung mit einem kugelförmigen Lichtsensor, der die Sonnen-Position am Himmel direkt ermittelt und an der elektronischen Steuerung leitet,
7 ein Sensor-System mit Lichtleiter,
8 verschiedene Nachführ-Positionen.

Die Erfindung ist ein Tracking-System für Solarmodule 1, das in der Lage ist, die Solarmodule stets so auszurichten, dass die Sonnenstrahlen 2 zu jeder Tageszeit perpendikular, oder fast perpendikular drauf einfallen Somit folgen die Solarmodule die Sonne, ähnlich wie auch Sonnenblumen es tun.
Die Ausrichtung des Solarmoduls wird nicht wie üblich durch sperrige Mechanismen mit großen Getrieben realisiert, sondern durch eine sehr kompakte Bauweise, die aus zwei Zylinder, die übereinander eingebaut sind, besteht.
Die Zylinder (obere Zylinder 3 und untere Zylinder 4) sind auf einem Ende 5 gerade und auf dem anderen Ende 6 schräg gebaut. Das gerade Ende weist eine kreisrunde Fläche 7 auf, während die schräge Seite eine ovale Fläche 8 aufweist. Die beiden Zylinder sind übereinander eingebaut und mit Hilfe eines Kugellagers 9 (oder ein anderes Lager) drehbar miteinander verbunden. Die Zylinder können an deren kreisrunden Flächen oder an den ovalen Flächen miteinander drehbar verbunden werden. Wichtig ist jedoch, dass nur gelichgesinnte Flächen miteinander durch das Kugellager verbunden sind.
Die Variante auf der 1 zeigt eine Ausführung, wobei die beiden Zylinder (3 und 4) mit deren kreisrunden Enden 5 durch ein Kugellager 9 verbunden sind. Einer der Zylinder weist eine Verzahnung 10 am kreisrunden Rand oder einen Zahnrad 11 auf. Wenn z.B. der unten angeordnete Zylinder 4 die Verzahnung aufweist, dann auf dem oberen Zylinder 3 wird ein Schneckengetriebe 12 befestigt, das auf die Verzahnung des unteren Zylinders greift und den sie in beide Richtungen elektrisch durch ein Elektromotor oder Schrittmotor 13 drehen kann. Auf diese Weise werden die beiden Zylinder gegenseitig um die senkrechte Achse 14 gedreht. Das untere Ende des Zylinders 4 ist mit einer Tragsäule 15 auch durch ein Kugellager oder gelagerten Achse 16 verbunden (1 und 2). Diese Achse 16 ist nicht vertikal angeordnet, sondern etwas geneigt und steht perpendikular zu der ovalen Fläche. Das obere Ende des Zylinders 3 ist mit dem Solarmodul 1 gekoppelt. Dazwischen kann ein Drehteller 17 eingebaut werden. Weil einer der Zylinder durch den Antrieb gedreht wird und das Antriebs-System auf dem anderen Zylinder gestützt wird, wird eine entgegengesetzte Drehung der Zylinder erreicht. Es kann auch nur einer der Zylinder rotieren, aber von dem anderen Zylinder aus, sieht das so aus, als beide in entgegengesetzte Richtung sich drehen würden. Durch die Drehung der beiden Zylinder gegeneinander, wird eine gesteuerte Neigung des Solarmoduls in eine beliebige Richtung bewirkt. Weil die Drehung durch ein Schneckengetriebe (oder Spindelgetriebe) erfolgt, ist die Bewegungs-Aktion des Solarmoduls selbsthemmend (sobald der Elektromotor ausgeschaltet wird). Während das Getriebe inaktiv bleibt, wird jede Bewegung des Solarmoduls von selbst blockiert.
Auf der 3 und 4 sind weitere Ausführungen dargestellt, wobei die beiden Zylinder an deren ovalen Enden 6 miteinander durch ein Lager 9 verbunden sind. Der Kugellager (oder ein andere technischer Lager) hier befindet sich in der Mitte und seine Drehachse steht perpendikular zu den ovalen Flächen der beiden Enden, die zu einander stehen. Der Kugellager 9 kann in Form eines schmaleren Zylinders gebaut, der in beiden Zylindern steckt und diese miteinander drehbar verbindet. Das Getriebe 12 befindet sich in den Raum 18 zwischen den beiden Zylindern, bzw. in einen der Zylinder in einem Hohlraum 19 dort eingebaut. Dafür ist der obere Zylinder am besten geeignet, weil er direkt mit dem Solarmodul gekoppelt ist und von dem mit Strom versorgt wird. Die Neigung des Solarmoduls erfolgt durch die gegenseitige Drehung der beiden Zylinder. Durch die Drehung kommt eine spezielle Position zum Vorschein, wobei die beiden Zylinder so positioniert sind, dass sie eine gerade vertikale Achse bilden. Sie sehen in dem Fall wie ein langer Zylinder aus, der in der Mitte einen schrägen Schnitt aufweist. Genau in dem Schnitt-Spalt 18 befindet sich der Kugellager 9, der die beiden, schräg geschnittene Zylinder zusammenhält. Die Kugellager-Dreh-Achse ist perpendikular auf die beiden oval-förmigen Flächen der beiden Zylinder gerichtet, also auch in dem speziellen Fall, wenn die beiden Zylinder in eine senkrechten Achse sich befinden, ist die Achse des Kugellagers dennoch schräg. Somit, auch bei vertikal stehenden Zylindern auf einander, ist die KugelLager-Achse 16 nicht vertikal, sondern schräg gerichtet (2). Die Drehung der beiden Zylinder aufeinander erfolgt durch Schnecken- oder Spindelgetriebe. Die beiden Zylinder werden in Gegenrichtung zu einander durch Elektromotoren 13 oder durch ein Spindelgetriebe gedreht werden und somit ändert sich der Neigungswinkel. Der Aktuator (in dem Fall das Getriebe und der Elektromotor / Schrittmotor) ist in dem oberen Zylinder 3 befestigt und greift auf dem unteren Zylinder 4, durch ein dort eingebautes Zahnrad 11 ein. Die Zylinder sollen sehr nah an einander gebracht werden, sodass der Spalt 18 recht klein ist. Zudem, in dem Spalt kann ein weiteres Ring-Kugellager 20 eingebaut werden, der wie ein kreisförmiger Ring in der ovalen Fläche eingelassen ist. Das verleiht dem ganzen System eine größere Stabilität.
Auf der 5 ist eine Ausführung dargestellt, wobei die Zylinder (3 und 4) sehr flach gebaut sind und einer vielmehr wie ein keilförmiges Zahnrad und der andere wie eine Taumelscheibe gebaut sind, die übereinander angeordnet sind und durch ein Kugellager (Drehlager) in der Mitte, miteinander gekoppelt sind, sodass die beiden Teile gegenseitig gedreht werden können. Das Getriebe 12 und der Elektromotor 13 werden in einem Gehäuse 21 eingebaut, das mit einem der drehenden Teile befestigt ist und greifend auf dem anderen Teil positioniert ist.
Die gegenseitig drehbare Teile sind relativ klein (ca. 10 bis 20cm in Durchmesser bei einem 4m² Solarmodul) und werden durch Schneckentriebe (oder Spindelgetriebe) gedreht. Eines davon ist ein Keil-Zahnrad 24 und das andere eine Keil-Scheibe 25. Weil die beiden Teile keilförmig geschnitten sind, d.h. in einem Kreissektor-Bereich / Randbereich 22 breit und am anderen gegenüberliegenden Kreissektor-Bereich / Randbereich 23 schmal sind, können sie durch Drehung das Solarmodul in eine beliebige Richtung neigen. Dadurch, dass zwei solche Taumel-/ Zahnrad-Scheiben eingebaut sind, kann ein beliebiger Neigungswinkel damit erreicht werden. Wenn man z.B. das Solarmodul komplett horizontal ausrichten möchte, dann müssen die beiden taumelartigen, keilförmigen Teile so gedreht werden, dass die breiteste Stelle 22 und die schmalste Stelle 23 der jeweiligen Teile übereinander sich positionieren. Die maximale Neigung wird durch die Positionierung der beiden schmalsten Stellen übereinander (automatisch sind die beiden breitesten Stellen gegenüber auf einander positioniert) erreicht. Die Drehung der Teile erfolgt gesteuert durch in einem der Teile eingebautes Schneckentriebe 12, das durch eine elektronische Steuerung 26 gesteuert wird. Die Verwendung von Spindelgetriebe oder Schneckentriebe wird bevorzugt, weil sie selbsthemmend sind und die Position im nicht aktiven Zustand beibehalten. Das ist wichtig, um das Solarmodul auch bei Wind sicher zu halten.
Die 6 zeigt eine Ausführung mit einem kugelförmigen Lichtsensor-System, das die Sonnen-Position am Himmel direkt ermittelt und an der elektronischen Steuerung 26 leitet. Das Sensor-System ist in Form einer kleinen Kugel 27 gebaut und mit radial angeordneten Blenden ausgestattet, die in Form von feinen Rohren 28 gebaut sind und sieht fast wie eine Himbeere / Brombeere aus. Es muss die gesamte Kugelfläche mit Sensoren ausgestattet werden. Es reicht aus, nur die Hälfte (oder sogar noch weniger), die nach oben gerichtet ist, mit Sensoren zu bestücken. Unter jedem Rohr an deren Ende befindet sich ein Lichtsensor 29. Es reichen zwar 6-8 Sensoren aus, um nahezu jede Position zu ermitteln, aber je mehr Lichtsensoren und Rohren eingebaut sind, desto feiner ist die „Auflösung“ und damit die Positions-Ermittlung der Sonnen am Himmel. Diese Blenden lassen nur das Licht zu, das perpendikular auf dem Sensor kommt. Die Sonnenstrahlen 2 können auf diese Weise nur einen der Sensoren erreichen. Je nachdem wie diese Kugel oder Halbkugel geneigt ist, wird nur der Sensor erreicht, der perpendikular zu Sonnenstrahlen gerichtet ist. Die Kugel 27 oder Halbkugel ist mit dem Solarmodul 1 verbunden und wird gleichzeitig mit dem Solarmodul geneigt. Einer der Sensoren auf die Kugel oder Halbkugel ist parallel zu einer Linie 30, die perpendikular auf die Solarmodul-Empfangsfläche steht. Dieser Sensor wird als Hauptsensor 31 bezeichnet und ist wichtig für die Ausrichtung des Solarmoduls. Jedesmal wenn das Licht einen anderen Lichtsensor erreicht, wird das Solarmodul und damit auch das Sensor-System bzw. die Kugel / Halbkugel so geneigt, dass das Licht nach der Neigung nur noch den Hauptsensor erreicht. Sobald das Sonnenlicht den Hauptsensor 31 erreicht, wird automatisch die Neigungsbewegung gestoppt. Die gegenseitige Bewegung der Zylinder (oder der drehenden Teile) wird durch Elektromotoren oder noch besser durch Schrittmotoren realisiert und kann sehr genau die Neigungswinkel des Solarmoduls einstellen. Durch die schräg auf einer Seite gebauten Zylinder ist jeder Neigungswinkel stufenlos einstellbar. Die elektronische Steuerung steuert den Antrieb anhand der Daten, die das Sensor-System liefert und ermöglicht das Nachführen des Solarmoduls. Die Einstellung erfolgt recht schnell und das System ist sehr kompakt aufgebaut. Weil der Aufbau relativ einfach ist, können damit beliebige Solarmodule auch nachträglich nachgerüstet werden. Die Steuerung kann so programmiert werden, dass sie nicht kontinuierlich sondern in Zeitabständen und durch kurze Impulse das Nachführen aktiviert.
Das Nachführ-System ist unkompliziert gebaut, daher recht unempfindlich und funktioniert zuverlässig. Die kompakte Bauweise macht es auch für den privaten Sektor attraktiv. Während die anderen Nachführ-Systeme aus dem Stand der Technik recht sperrig gebaut sind und zahlreiche Zahn-Bogen, Hydraulik-Elemente oder Hebel aufweisen, ist das System hier kompakt aufgebaut. Die beiden taumelscheiben- / keil-förmigen Zylinder können sehr hohe Aktuator-Kräfte entwickeln und somit auch schwere Solarmodul-Formationen bewegen bzw. schwenken. Durch den Einbau von zwei solchen schräg geschnittenen und übereinander platzierten Zylindern ist eine beliebige Schwenkgrad bzw. Neigungsgrad des Solarmoduls erzielbar. Eine Falten-Ummantelung 32 aus Kunststoff oder Textil schützt die Bauteile vom Staub und Sand sehr zuverlässig. Die Ummantelung ist nur oben fest mit dem oberen Zylinder verbunden, während sie unten einfach nur gestülpt und frei beweglich gegenüber dem unteren Zylinder gestaltet ist.
Die Sonnenposition am Himmel kann auch anderweitig bestimmt werden. Für solche Zwecke kann man ein Chronometer 33 benutzen, der über die Uhrzeit und Datum die Position der Sonne angibt und diese Daten an der elektronischen Steuerung des Aktuators weiterleiten.
Für die Entfernung des Staubs oder der Sandkörner 34 aus der SolarModul-Oberfläche, wird eine impulsartige, ruckartige Steuerung des Nachführ-Systems, bzw. dessen Aktuatoren eingeleitet, was eine Zitterbewegung des Solarmoduls bewirkt. Zusätzlich kann ein Vibrationselement 35 direkt auf den oberen Zylinder 3 eingebaut werden, das z.B. einmal am Tag für einige Sekunden oder Minuten läuft und das Solarmodul zum Vibrieren bringt. Dadurch wird Staub oder Sand schnell herunter rollen. Um das Abrollen der Sandkörner zu optimieren, soll zu dem Zeitpunkt das Solarmodul schräg oder fast senkrecht gerichtet werden.
Während das Staub-Problem auf den Solarmodulen, mehr oder weniger überall präsent ist, kommt das Sand-Problem schwerwiegend in äquatorialen Ländern vor. Dort sind meistens die Solarparks in den Wüsten aufgebaut. Es kommt allerdings vor, dass kleine oder größere Sandstürme über Solarparks beachtliche Mengen aus Sand über die Solarmodule streuen oder lagern. Das kann innerhalb von Minuten geschehen. Sand verhindert mehr oder weniger, dass die Sonnenstrahlen die Solarmodul-Oberfläche erreichen und somit sinkt der Energie-Ertrag des Solarmoduls. Man müsste dann Putzkolonen schicken, die jedes Modul manuell mit Hilfe von Bürsten säubern. Das ist eine sehr aufwändige und langsam vorangehende Arbeit, die dem Solarmodul-Betreiber Kosten verursacht. Deswegen wird hier vorgeschlagen das Vibrationselement direkt in dem oberen Zylinder 3 oder Drehteller 17 dieses Tracking-Systems einzubauen, das den Zylinder und damit auch das oben drauf liegendes Solarmodul 1 zum Vibrieren bringt. Die Vibrationen können durch einen kleinen Sensor (Schmutz-Sensor) 36 gesteuert, in Gang gesetzt werden, der optisch die Staub- oder SandSchicht auf die Solarmodul-Oberfläche scannt (z.B. durch IR / Licht-Reflektion-Prinzip) und falls diese vorhanden ist, ein Signal an die Steuerung weiterleitet, die das Vibrationselement aktiviert. Das Vibrationselement vibriert nur einige Sekunden lang, bis die Sand- / Staub-Schicht aus der Solarmoduloberfläche herunter rollt. Weil das Solarmodul die meiste Zeit geneigt ist, ist das herunter rollen der Sandkörner problemlos machbar. Es gibt zwar solche Systeme schon aus dem Stand der Technik, wobei das Vibrationselement direkt in dem Solarmodul eingebaut ist, allerdings das Vibrationselement in einem Nachführ-System, vor allem in einem Zylinder oder Keil-Zahnrad eingebaut ist, zu integrieren, bringt einige Vorteile mit sich. Das Vibrationselement kann beliebig gestaltet werden. Elektromagnetspulen mit bewegliche Eisenkerne, Piezoelemente mit mehrfache Lagen für eine hohe Amplitude, Magneto-Striktionselemente, etc. sind dafür geeignet. Ein Schmutzsensor ist nicht unbedingt notwendig. Die Vibrationen können Zeitgesteuert aktiviert werden (z.B. 2-mal am Tag für je 1 Minute).
Um die Vibrationen auf das Solarmodul zu erzeugen, können auch die Aktuatoren, die das Nachführen ermöglichen, behilflich sein. In dem Fall müssten die Aktuatoren teilweise mit einem Wechselstrom oder Pulsstrom versorgt werden, sodass Zitterbewegungen am Solarmodul während der Nachführ-Bewegung erzeugt werden. In dem Fall wäre ein Sensor-Erfassungs-System für die Staubpartikel oder Sand auf der Solarmodul-Oberfläche überflüssig, weil das Nachführen regelmäßig in Zeitintervallen stattfindet (z.B. alle 20 bis 30 Minuten).
Weil das System kompakt gebaut ist, kann jederzeit auch ein Nachrüsten der schon vorhandenen Solarmodule realisiert werden. Es wäre wie ein Zwischenstück an der Verbindungsstelle, an der das Solarmodul mit einer Halterung oder Tragsäule gekoppelt ist, einzubauen. Ohne weitere Änderungen könnte man das Solarmodul statt mit der Tragsäule direkt, mit der oberen Fläche des Nachführ-Systems und die Tragsäule mit dem unteren Teil des Nachführ-Systems verbinden. Das Solarmodul wäre dadurch lediglich um die Höhe der Abmessungen des Nachführ-Systems höher gelegt, sonst wäre kein Unterschied wahrnehmbar. Das Nachführ-System kann auch jederzeit abgebaut werden und das Solarmodul ohne weitere Änderungen mit der Tragsäule direkt verbunden werden. Die Energieversorgung für das Nachführ-System soll direkt aus dem Solarmodul kommen. Dafür wird der Stromausgang des Solarmoduls abgezweigt. Die Solarmodulhersteller sind allerdings nicht erfreut, wenn man den Stromleitungs-Strang des Solarmoduls für andere Zwecke anzapfen möchte. Die Stromleitungen werden für Solarparks aufwändig isoliert und jede Abzweigung kann Störungen verursachen. Deswegen wird hier vorgeschlagen, die Energieversorgung für das Nachführ-System komplett autark zu gestalten. Dafür müsste es eine eigene Stromquelle aufweisen, die in Form eines Akkus und / oder eines kleines extra Solarmoduls 37 gestaltet ist. Die eigene Solarzellen bzw. das kleine Solarmodul kann mit dem Rahmen 38 des Solarmoduls direkt mechanisch verbunden werden und den Strom für den Akku liefern.
Die Steuerung der Nachführ-Bewegungen durch die elektronische Steuerung kann, wie bereits erwähnt, auf zwei Wege erfolgen. Eine Methode wäre eine Steuerung durch einen Chronometer 33 (am besten durch einen elektronischen Chronometer), der abhängig von der Tageszeit und Kalenderdatum (selbstverständlich der Breitengrad des Einbau-Ortes mit kalkuliert) die Schwenkbewegung alle 20 bis 60 Minuten so steuert, dass das Solarmodul die Sonnenstrahlen perpendikular bekommt. Die zweite Methode wäre mit dem kleinen kugelförmigen Lichtsensor-System auf dem Solarmodul (z.B. an einem Eck) eingebaut. Das Lichtsensor-System soll die Sonnenstrahlenrichtung in Echtzeit ermitteln können. Er kann mit mehrere zylindrischen Blenden / Facetten ausgestattet werden, wodurch die Sonnenstrahl-Richtung erfasst wird (4). Statt Rohr-Blenden sind auch Lichtleiter 42 für solche Zwecke sehr gut geeignet (7). Das kugelförmige Lichtsensor-System ist mit dem Solarmodul statisch gekoppelt und kann die Sonnenstrahlrichtung recht einfach ermitteln, weil die Sonnenstrahlen nur durch eine der Röhren 28, die Richtung Sonne 39 gerichtet sind, die Sensor-Fläche erreicht. Weil die Innenwände der Röhren lichtabsorbierende Eigenschaften haben, können keine Reflektionen drin stattfinden. Anhand dessen, abhängig davon aus welchem Rohr das Licht der Sonne die Sensorfläche am Ende des Rohrs erreicht, wird die Position der Sonne bestimmt. Sobald die Ermittlung erfolgt ist, wird der Zylinder oder das Zahnrad dementsprechend elektrisch gedreht und eine Schwenkbewegung / Neigung des Solarmoduls in der Richtung veranlasst Erst wenn die Sonnenstrahlen auf die Rohr-Blende oder den Lichtleiter, die / der perpendikular zu der Oberfläche des Solarmoduls gerichtet ist, scheinen und dadurch den Haupt-Lichtsensor 31 an diese Stelle erreichen, wird der Strom für die Aktuatoren abgeschaltet und eine weitere Neigungs-Korrektur des Solarmoduls wird gehemmt / blockiert. Das Solarmodul wird auf diese Weise perpendikular zu der Sonnenstrahlrichtung innerhalb kürzester Zeit (einige Sekunden) gerichtet und kann somit ca. 20 bis 30 Minuten lang die Stellung halten (bis die Sonne durch eine andere Blende die Sensorfläche erreicht. Die Methode mit den Lichtsensoren funktioniert allerdings zuverlässig, nur bei direkter Sonnenstrahlung. Wenn es bewölkt ist, dann bleibt das Tracking-System inaktiv und das Solarmodul starr, bis die Wolken weg sind. Der Lichtsensor, wenn er nicht auf die Sonne „zuschaut“, bleibt inaktiv. Die Methode mit dem Chronometer dagegen steuert das Solarmodul Uhrzeitabhängig z.B. alle 20 - 30 Minuten eine kleine Schwenk-Bewegung des Solarmoduls auf die Sonnen-Position zu und es spielt dabei keine Rolle wie das Wetter ist. Eine Zeitsteuerung sollte die Nachführ-Bewegung bei Nacht abschalten, was auch durch den fehlenden Strom des Solarmoduls zustande kommt.
Weil das System mit einer Steuerung ausgestattet ist, die die Solarmodule nicht kontinuierlich bewegt, sondern diese z.B. nur alle 20 oder 60 Minuten einmal kurz bewegt / dreht und Richtung Sonne ausrichtet, ist die Vorrichtung sehr stromsparend und auch langlebig. Eine impulsartige Schwenkbewegung des Solarmoduls alle 20 - 60 Minuten ermöglicht eine sehr effektive und stromsparende Bewegung des Solarmoduls.
Auf der 8 sind verschiedene Positionen, die das Tracking-System einnehmen und das Solarmodul ausrichten kann. Die Aktuatoren 41 sind zwischen den beiden Zylindern eingebaut.
Auch die Drehteller 17 sind mit Aktuatoren 40 ausgestattet, die eine Drehung des Tellers gegenüber den Zylindern ermöglicht. Das Solarmodul kann mit seinem Schwerpunkt etwas tiefer als der obere Zylinder positioniert werden, sodass egal wie der obere Zylinder gedreht wird, stets alleine durch die Schwerkraft das Solarmodul sich ausrichten kann. In dem Fall dürfte der obere Drehteller frei drehbar gestaltet werden.
Bei allen Varianten wird der Raum zwischen beiden Zylindern mit einer Ummantelung aus einer Zylinderwand oder mit einem Falten-Zylinder 32 aus Kunststoff oder Gummi geschlossen, sodass kein Staub oder Wasser in den Raum dazwischen von außen eindringen kann.
Das System ist sehr kompakt, klein und bringt nicht viel Gewicht mit. Es ist optimal für Solarparks konzipiert, kann aber auch für Solarmodule auf den Dächern von Privatanwendern verwendet werden. Bei einem Solarmodul-System mit 8 Solarpanels mit insgesamt 8m² Fläche, wäre ein Nachführ-System mit einem Zylinder-Durchmesser von ca. 20 bis 30cm gut dafür geeignet. Ein Neigungswinkel von 0° - 70° wäre damit leicht realisierbar. Der Neigungswinkel ist abhängig von den Höhenunterschieden der Zylinder-Sektoren am Rand. Je grösser die Unterschiede, desto grösser der Neigungswinkel.
Verglichen mit herkömmlichen Nachführ-Systeme für Solarmodule, ist das System hier kompakt, relativ einfach gebaut und kann sehr wirkungsvoll einen Solarpanel oder eine Solarpanel-Gruppe Richtung Sonne neigen. Ein weiteres Merkmal hier ist, dass eine Rotation des Solarmoduls um eine senkrechte Achse gar nicht mehr erforderlich ist. Mit lediglich zwei bis drei Aktuatoren ist es möglich, das Solarmodul in jede Position in Richtung Sonne auszurichten.
Das System kann übrigens auch für die Positionierung der Parabel-Antennen für Multi-Satelliten-Empfang oder als automatisches Nachführ-System für Teleskope oder Radioteleskope konzipiert werden. Der Einbau an einem Teleskop wäre relativ einfach. Das Doppel-Zylinder-System wäre wie ein Zwischen-Stück an der Verbindungsstelle des Teleskops mit seinem Stativ einzubauen. Hier wäre kein Lichtsensor erforderlich, weil der total unwirksam wäre, aber ein Chronometer kann die automatische Steuerung unterstützen. Hinzu kommt, dass das Nachführen nicht mehr impulsartig alle 20 Minuten ausreichen würde. Hier müsste ein azimutales Nachführen idealerweise kontinuierlich geschehen. Dafür sind die Aktuatoren mit Gewinde-Getriebe (Gewindetriebe) optimal geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Solarmodul
2: Sonnenstrahlen
3: Obere Zylinder
4: Untere Zylinder
5: Kreisrunde, gerade Zylinder-Ende
6: Schräge, ovale Zylinder-Ende
7: Kreisrunde Fläche
8: Ovale Fläche
9: Kugellager
10: Verzahnung
11: Zahnrad
12: Schneckengetriebe / Spindelgetriebe
13: Elektromotor / Schrittmotor
14: Senkrechte Achse
15: Tragsäule
16: Gelagerte, schräge Achse
17: Drehteller
18: Raum / Spalt zwischen den beiden Zylindern
19: Hohlraum in einen der Zylinder
20: Ring-Kugellager
21: Gehäuse
22: Breiter Kreissektor-Bereich / Randbereich
23: Schmaler Kreissektor-Bereich / Randbereich
24: Keil-Zahnrad
25: Keil-Scheibe
26: Elektronische Steuerung
27: Kleine Kugel
28: Blenden / Rohren
29: Lichtsensor
30: Linie (perpendikular auf die Solarmodul-Empfangsfläche)
31: Hauptsensor
32: Falten-Ummantelung
33: Chronometer
34: Staub- oder Sandkörner
35: Vibrationselement
36: Sensor / Schmutz-Sensor
37: Kleines, extra Solarmodul
38: Rahmen des Solarmoduls
39: Sonne
40: Aktuator für den Drehteller
41: Aktuator für den Zylinder
42: Lichtleiter

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

US 2004/0216734 [0004]
WO 2006/114457 [0005]
US 4209231 [0006]
US 20130192659 A1 [0007]
US 4129360 [0008]
US 4883340 [0008]
ES 1050814 U [0008]
US 6123067 A [0008]

Claims

Solarmodul-Nachführ-System, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens - zwei Zylindern, die jeweils an einem Ende schräg gestaltet sind und dadurch an deren Enden jeweils eine kreisrunde und eine ovale Fläche aufweisen, - ein Drehlager oder Kugellager, der die beiden Zylindern an deren Enden mit kreisrunden Flächen miteinander drehbar verbindet, wobei die beiden Zylinder übereinander in deren Längsachse angeordnet sind, - eine drehbar gelagerten Achsenwelle, die in dem unteren Zylinder in dem Ende mit dem ovalen Ende perpendikular gesteckt ist, die senkrecht nach unten gerichtet ist und mit einer Tragsäule, Haltesäule oder Haltevorrichtung gekoppelt ist, - einem Teller, der in dem oberen Zylinder auf seinem ovalen Ende drehbar gelagert befestigt ist, an dem ein Solarmodul befestigt werden kann, - einem Aktuator aus einem elektrischen Antrieb-System, das mit einem der Zylindern fest gekoppelt ist, bestehend aus mindestens einem Elektromotor und einem Schneckentrieb oder Getriebe, das aus mindestens einem Zahnrad oder einer Verzahnung einer der beiden Ränder der kreisrunden Enden der Zylinder, und einem Zahnrad-System, das die beiden Zylindern in entgegengesetzte Richtung dreht, - eine elektronische Steuerung, die das Antriebs-System steuert, - ein Sonnenlicht-Sensor-System, das die Position der Sonne am Himmel in Echtzeit ermittelt und mit der elektronischen Steuerung gekoppelt ist, besteht.
Solarmodul-Nachführ-System, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens - zwei Zylindern, die jeweils an einem Ende schräg geschnitten sind und dadurch an deren Enden jeweils eine kreisrunde und eine ovale Fläche aufweisen, - dass die beiden Zylindern mit der Oval-Flächen zueinander angeordnet sind und dort miteinander durch einen Kugellager in deren Mitte so verbunden sind, dass die Kugellager-Drehachse perpendikular zu der ovalen Flächen angeordnet ist, - die oben befindliche kreisrunde Fläche des oberen Zylinders über einem Drehteller mit dem Solarmodul gekoppelt ist, - die nach unten gerichtete kreisrunde Fläche des unteren Zylinders über einem Kugellager mit einer Tragsäule, Haltesäule oder Haltevorrichtung gekoppelt ist, - eine Verzahnung oder ein Zahnrad auf der ovalen Fläche eines der Zylindern eingebaut, - einem Aktuator bestehend aus einem elektrischen Antrieb und einem Schneckentrieb oder Getriebe-System, das mit einem der Zylindern fest verbunden ist und auf die Verzahnung oder dem Zahnrad auf der ovalen Fläche des anderen Zylinders greift und somit die beiden Zylindern gegenseitig dreht, - eine elektronische Steuerung, die das Antriebs-System steuert, - ein Sonnenlicht-Sensor-System, das die Position der Sonne am Himmel in Echtzeit ermittelt und mit der elektronischen Steuerung gekoppelt ist, besteht.
Solarmodul-Nachführ-System nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des Sonnenlicht-Sensor-Systems ein Chronometer eingebaut ist, der mit der elektronischen Steuerung gekoppelt ist, der die Informationen über die Position der Sonne am Himmel liefert und somit die Bestimmung der Position ermöglicht und die Bewegung des Solarmoduls ansteuert.
Solarmodul-Nachführ-System, nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung so gestaltet ist, dass sie keine kontinuierliche Ausrichtung, sondern eine Aktivierung des Nachführ-Systems für eine Sonnen-Ausrichtungs-Korrektur des Solarmoduls alle 15 bis 60 Minuten einleitet.
Solarmodul-Nachführ-System nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chronometer, der mit der elektronischen Steuerung gekoppelt ist, Informationen in Echtzeit über die Uhrzeit und Kalender-Datum für die Bestimmung der Sonnen-Position am Himmel liefert.
Solarmodul-Nachführ-Systemnach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Aktuator aus je einem Elektromotor oder Schrittmotor und einem Gewindetrieb / Spindeltrieb besteht.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator in einem der Zylinder in einem dort eingebauten Hohlraum, eingebaut ist und auf dem anderen Zylinder greift und den in Drehung versetzt.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit dem Stromausgang des Solarmoduls gekoppelt ist oder mit einem kleineren, eigenen Solarmodul ausgestattet ist.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinder oder zumindest der Raum dazwischen, mit Hilfe einer Zylinderhülle oder eines Faltzylinders aus Gummi oder Kunststoff umhüllt oder geschlossen ist.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren oder die Getriebe so gesteuert sind, dass sie Vibrationen oder Zitterbewegungen auf das Solarmodul während des Nachführens erzeugen.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens - einem Sensor-System, das den Staub oder Schmutz auf die Solarmodul-Oberfläche erfassen kann, - ein elektrisch angetriebenes Vibrationselement, das auf dem oberen Zylinder eingebaut ist, das das Solarmodul oder eine Gruppe von Solarmodulen, die mit dem Nachführ-System gekoppelt sind, zum Vibrieren bringt, - eine Steuerung, die mit dem Vibrationselement und mit dem Sensor-System gekoppelt ist, die das Vibrationselement für eine kurze Zeit oder einige Sekunden oder Minuten lang zum Vibrieren bringt, ausgestattet ist.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Lagesensor, der mit der Steuerung gekoppelt ist und die Lage des Solarmoduls erfasst, ausgestattet ist
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-System, dass die Sonnenposition am Himmel ermitteln soll, ein Lichtsensor-System ist, das aus mindestens - einer Kugel oder Teilkugel, an deren Oberfläche mit einem Waben-System oder Lichtblenden-System aus kleinen Röhren, die auf der Oberfläche der Kugel oder Teilkugel radial angeordnet sind, die mit dem Solarmodul gekoppelt ist, - Lichtsensoren, die jeweils an Röhren-Enden eingebaut sind, wobei einer davon als Haupt-Lichtsensor definiert ist, der das Sonnenlicht nur dann bekommt, wenn das Solarmodul perpendikular die Sonnenstrahlen bekommt, - eine Befestigung, die das Lichtsensor-System mit dem Solarmodul so verbindet, dass es eine freie Sicht zu Sonne hat, wobei die Blende des Haupt-Lichtsensors parallel zu einer Linie angeordnet ist, die perpendikular auf die Solarmodulfläche steht, und dadurch nur dann die Sonnenstrahlen den Haupt-Lichtsensor erreichen, wenn diese auch auf die Solarmodul-Fläche perpendikular einfallen, - eine Steuerung oder Auswerteeinheit, die mit jeden einzelnen Lichtsensor gekoppelt ist, die beim Sonnenlicht-Einfall auf einen der Lichtsensoren, den Aktuator so steuert, dass das Solarmodul soweit geneigt wird, bis das Sonnenlicht den Haupt-Lichtsensor erreicht hat, besteht.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente innen in einem Hohlraum oder in eine Kammer in den Zylindern eingebaut sind.
Solarmodul-Nachführ-System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Verbindungselemente ausgestattet ist, die den Einbau in einem Teleskop oder Fernrohr für astronomische Beobachtungen, ermöglichen, und auch als Nachführ-Vorrichtung für die Himmel-Beobachtungen konzipiert ist.