-
Die Erfindung betrifft eine schwimmende Solarenergiegewinnungsvorrichtung mit einem Schwimmkörper, der ein Solarenergiegewinnungselement trägt.
-
Solarenergiegewinnung erfolgt vielfach durch Photovoltaik, also eine direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, mittels Solarzellen in elektrische Energie und ist eine weit verbreitete Technik zur Nutzung der Sonnenstrahlung. Die Sonnenstrahlung trifft dabei auf ein Photovoltaikmodul mit Solarzellen. Diese wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrisch nutzbare Energie um. Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrisch nutzbare Energie ist hinlänglich bekannt und wird nicht näher erläutert.
-
Vorrichtungen zur Solarenergiegewinnung finden sich vielfach auf Dächern oder Freiflächen, beispielsweise Feldern oder ungenutzten Landflächen. Verhältnismäßig wenig Leistung ist zurzeit auf Wasserflächen installiert, was insbesondere dadurch begründet ist, dass die Ausrichtung solcher Vorrichtungen aufgrund der Wasserbewegungen schwierig ist. Aus diesem Grund gibt es nicht-schwimmende Installationen, die im Untergrund, beispielsweise dem Meeres- oder Flussboden fest gegründet sind. Die Fertigung und die Installation solcher Vorrichtungen sind allerdings aufwendig und teuer.
-
Darüber hinaus sind auch schwimmende Vorrichtungen bekannt, die sich aber ebenfalls nicht durchsetzen konnten. Beispielsweise beschreibt die
EP 3 263 439 A1 eine solche schwimmende Vorrichtung mit mehreren Photovoltaikmodulen, die miteinander verbunden sind. Auch deren Herstellung ist aufwendig und kostenintensiv, insbesondere ist es ausgesprochen schwierig, die Photovoltaikpanele dauerhaft optimal zur Sonne auszurichten. Dies wird zusätzlich durch Gewässer erschwert, die Gezeiten ausgesetzt sind.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine schwimmende Solarenergiegewinnungsvorrichtung zu schaffen, die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik möglichst vermeidet, zumindest aber reduziert. Insbesondere soll die vorgeschlagene Vorrichtung einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein. Der realisierbare Wirkungsgrad der Energiegewinnung soll dabei trotzdem möglichst hoch sein.
-
Die Aufgabe wird durch eine schwimmende Solarenergiegewinnungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper
- - ein Bodenbefestigungsmittel für eine Befestigung an einem Gewässerboden aufweist,
- - zumindest einen Drehantrieb aufweist, über den der schwimmende Schwimmkörper um seine Vertikalachse Z-Z drehbar ist,
- - zumindest ein Antriebsmittel aufweist, über das der schwimmende Schwimmkörper um zumindest eine Horizontalachse schwenkbar ist.
-
Erfindungsgemäß ist die Solarenergiegewinnungsvorrichtung in X- und Y-Richtung fixiert, die Z-Richtung ist über den Schwimmkörper geregelt. Der Schwimmkörper erlaubt eine ausgleichende Bewegung des Wassers.
-
Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung eines Mastes zur Befestigung des Solarenergiegewinnungselements besonders geeignet ist. Durch den Mast ist das Solarenergiegewinnungselement von einer Oberseite des Schwimmkörpers beabstandet angeordnet, was auch wegen möglichen Schadens durch das Wasser vorteilhaft ist. Im Verlauf des Mastes ist zwischen dem Schwimmkörper und dem Solarenergiegewinnungselement
-
Als Bodenbefestigungsmittel eignet sich insbesondere eine starre lotrecht fixierte Befestigungskonstruktion, beispielsweise ein Pfahl, gefertigt aus einem geeigneten widerstandsfähigem und starrem Material. Eine Kette oder ein Stahlseil können alternativ ebenfalls verwendet werden, wobei sich dadurch eine ggfs. ungewollte Bewegungsfreiheit des Schwimmkörpers in seiner horizontalen Schwimmebene ergibt.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Bodenbefestigungsmittel nicht am Gewässerboden fixiert, sondern kann gemeinsam mit dem Schwimmkörper aufschwimmen. Zu diesem Zweck ist das Bodenbefestigungsmittel beispielsweise über Stahlseile fixiert, die auf dem Gewässerboden verlegt und vorzugsweise mit dem dem Gewässerboden zugewandten freien Ende des Bodenbefestigungsmittels verbunden sind. Es hat sich gezeigt, dass eine Befestigung dann vorteilhaft ist, wenn das Bodenbefestigungsmittel im Kreuzungspunkt zweier sich kreuzender Stahlseile mit diesen beiden verbunden ist. Aufgrund ihrer Länge können sich die Stahlseile vom Gewässerboden abheben, wenn der Schwimmkörper aufschwimmt. Die Regelung in Z Richtung erfolgt somit über den Schwimmkörper, der mitsamt dem Bodenbefestigungsmittel auf- bzw. absinkt. Der Abstand des Schwimmkörper zum dem Gewässerboden zugewandten freien Ende des Bodenbefestigungmittels bleibt dabei gleich.
-
Alternativ kann der Schwimmkörper auch derart am Pfahl festgelegt sein, dass er entlang des Pfahls beispielsweise in Abhängigkeit des sich ändernden Wasserspiegels, bewegbar ist. Beispielsweise kann der Schwimmkörper eine Öffnung aufweisen, durch die sich der Pfahl erstreckt. Die Öffnung ist ausreichend groß, um dem Schwimmkörper ein ungehindertes Aufschwimmen mit steigendem oder Absinken mit sinkendem Wasserspiegel zu ermöglichen. Alternativ zu einer zentralen Öffnung im Schwimmkörper kann auch eine seitlich am Schwimmkörper angebrachte Öse vorgesehen sein, durch die sich der Pfahl erstreckt. Der Pfahl kann beispielsweise in den Gewässerboden eingeschraubt oder in diesen betoniert sein, Stahlseile zur Befestigung sind dann nicht notwendig.
-
Die beschriebene Bewegbarbarkeit entlang des als Pfahl ausgebildeten Bodenbefestigungsmittels kann auch mit der Verwendung einer Ankerkette oder einem Stahlseil als Bodenbefestigungsmittel kombiniert werden, wobei dann ein seitliches Abtreiben des Schwimmkörpers möglich ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante kann das Bodenbefestigungsmittel auch längenveränderlich ausgeführt sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein als Seil oder Kette ausgeführtes Bodenbefestigungsmittel über ein am Gewässerboden angeordnetes Umlenkungsmittel geführt ist und sich von dort bis zu einer Antriebsvorrichtung erstreckt, die entweder an Land oder beispielsweise auf einem dafür vorgesehenen ortsfest fixierten Ponton angeordnet ist. Somit ist es möglich, die Länge der Bodenbefestigungsmittels und damit den Abstand der Solarenergiegewinnungsvorrichtung vom Gewässerboden zu verändern. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Solarenergiegewinnungsvorrichtung in einem Gewässer angeordnet ist, dessen Wasserspiegel stark schwankt, beispielsweise jahreszeitbedingt.
-
Die rotatorische Bewegungsfreiheit der Solarenergiegewinnungsvorrichtung um eine horizontal verlaufende X-Richtung ist durch den Schwimmkörper gewährleistet, der durch entsprechende Bewegung um die X-Achse der Solargewinnungsvorrichtung schwenken kann.
-
Erfindungsgemäß ist zumindest ein Antriebsmittel vorgesehen, über das der schwimmende Schwimmkörper aktiv um seine Horizontalachse Y-Y schwenkbar ist. Zu diesem Zweck ist oberhalb der Wasseroberfläche zumindest ein an der Solargewinnungsvorrichtung befestigtes Zugmittel vorgesehen, das ebenfalls mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist, die auf dem Land oder auf einem ortsfesten Ponton angeordnet ist. Durch Zug des Zugmittels wird durch Rotation um die Horizontalachse Y-Y ein Kippwinkel der Hochachse der Solarenergiegewinnungsvorrichtung zur Lotrechten verändert, der dann wunschgemäß, insbesondere in Abhängigkeit des Sonnenstandes festlegbar ist. Zu diesem Zweck muss der Anlenkpunkt des Zugmittels unterhalb des Anlenkpunkts des Zugmittels an der Solarenergiegewinnungsvorrichtung angeordnet sein, also möglichst nah am oder sogar unterhalb der Gewässeroberfläche.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind zwei Zugmittel vorgesehen, die in horizontaler Richtung beabstandet voneinander mit der Solarenergiegewinnungsvorrichtung verbunden sind. Werden beide Zugmittel gleichzeitig betätigt, erfolgt eine rotatorische Bewegung, also ein Kippen der Solarenergiegewinnungsvorrichtung um die horizontale Y-Achse, durch einseitiges bzw. gegenläufiges Ziehen eines der beiden Zugmittel kann die Solarenergiegewinnungsvorrichtung um ihre Vertikalachse Z-Z gedreht werden. Entweder ziehen also beide Zugmittel in die gleiche Richtung (Rotation um Y-Achse) oder sie ziehen entgegengesetzt (Rotation um Z-Achse). Letztendlich kann es für eine Drehung der Solarenergiegewinnungsvorrichtung um ihre Vertikalachse Z-Z auch reichen, eines der Zugmittel zu lösen und das andere zu ziehen.
-
Vorteilhafterweise ist es möglich, dass Solarenergiegewinnungselement über die Zugmittel durch Rotation um die Y-Achse jeweils um bis zu etwa 35°, vorzugsweise 40° gegenüber der Lotrechten zu verschwenken. Der Schwenkwinkel zwischen der Vertikalachse Z-Z der Solarenergiegewinnungsvorrichtung, die im Wesentlichen entlang des Mastes verläuft, und der Lotrechten bzw. Senkrechten kann dabei durch ein Verschwenken bzw. durch Kippen der gesamten Solarenergiegewinnungsvorrichtung bewirkt werden.
-
Grundsätzlich können lediglich an einer Seite der Solarenergiegewinnungsvorrichtung Zugmittel vorgesehen sein, vorteilhafterweise erstrecken sich diese aber auch in die entgegengesetzte Richtung der Solarenergiegewinnungsvorrichtung, um ein Verschwenken der Solarenergiegewinnungsvorrichtung aus der Lotrechten in zwei entgegengesetzte Richtungen zu ermöglichen. Es können also entweder vier Zugmittel vorgesehen sein, von denen sich jeweils zwei in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, es können aber auch nur zwei Zugmittel vorgesehen, die sich sozusagen über den Schwimmkörper bzw. die Solarenergiegewinnungsvorrichtung hinweg erstrecken, wobei die der Solarenergiegewinnungsvorrichtung fest mit den beiden Zugmitteln verbunden ist. Über eine Bewegung der Zugmittel ist somit ein Verändern der Position der Solarenergiegewinnungsvorrichtung möglich.
-
in einer besonders vorteilhaften Ausweisvariante ist am Mast ein Querholm vorgesehen, an dem die Zugmittel beabstandet voneinander befestigt sind. Durch den Abstand des Querholms von der Oberseite des Schwimmkörpers ist auch der mögliche zu erreichende Kippwinkel der Solarenergiegewinnungsvorrichtung beeinflussbar.
-
Bei der Verwendung einer lotrechten im Gewässerboden fixierten Befestigungskonstruktion, an dem der Schwimmkörper auf - und absinken kann, ist die Befestigung des Schwimmkörpers derart ausgeführt, dass ein Verschwenken des Schwimmkörpers aus der Lotrechten und um die Horizontalachse Y-Y möglich ist. Diese kann beispielsweise durch eine entsprechend ausgeformte Öffnung im Schwimmkörper oder in der Befestigungsöse für den Pfahl bewirkt werden. Alternativ kann auch zwischen dem Schwimmkörper und dem lotrechten Bodenbefestigungsmittel auch geeignetes Schwenkgelenk vorgesehen sein, welches ein Verschwenken des Schwimmkörpers um zumindest seine Y-Achse zu ermöglicht.
-
In der besonders vorteilhaften Ausführungsvariante, bei der das Bodenbefestigungsmittel über seitlich befestigte Stahlseile am Gewässerboden gehalten und mit dem Schwimmkörper aufschwimmen kann, wirkt sich der Zug der Zugmittel dementsprechend auch auf das Bodenbefestigungsmittel aus, sodass auch dieses aus der Lotrechten heraus gekippt bzw. verschwenkt werden kann.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante erfolgt die Verstellung der Zugmittel durch entsprechende Antriebsvorrichtungen, die an Bord der schwimmenden Solarenergiegewinnungsvorrichtung angeordnet sind. In diesem Fall sind die Zugmittel an Land oder an dem ortsfest fixierten Ponton lediglich befestigt, die entsprechenden Mittel zur Veränderung der Länge der Zugmittel, beispielsweise motorisch betriebene Spindeln, befinden sich dagegen an Bord der schwimmenden Solarenergiegewinnungsvorrichtung. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante erfolgt der Antrieb der motorisch betriebenen Antriebsvorrichtungen über die durch das Solarenergiegewinnungselement gewonnene Energie.
-
Die Drehung des Schwimmkörpers bzw. der Solarenergiegewinnungsvorrichtung um dessen Vertikalachse Z-Z kann alternativ oder zusätzlich zu den Zugmitteln auch durch motorische Antriebe, beispielsweise Propeller oder Strahldüsen bewirkt werden. Auch die dafür notwendige Energie kann beispielsweise unmittelbar durch das Solarenergiegewinnungselement bereitgestellt werden.
-
Auch hat sich gezeigt, dass die Solarenergiegewinnungsvorrichtung dadurch weiter optimiert werden kann, wenn das Solarenergiegewinnungselement gegenüber dem Schwimmkörper bzw. gegenüber dem Mast relativ bewegbar ist. Beispielsweise kann dieses ebenfalls um eine horizontale Achse Y-Y und/oder die Vertikalachse Z-Z schwenk- bzw. drehbar ausgeführt sein. Der Antrieb kann über weitere Zugmittel, aber auch durch elektrische Motoren erfolgen, wobei in diesem Fall ebenfalls die dafür notwendige Energie unmittelbar durch das Solarenergiegewinnungselement bereitgestellt werden kann.
-
Die elektrische Leitung der durch die Solarenergiegewinnungselemente gewonnenen Energie erfolgt vorzugsweise über ein am Boden des Gewässers verlegtes Grundkabel, alternativ kann aber auch ein Schwimmkabel verwendet werden.
-
Vorteilhafterweise ist die gesamte Bewegung der Solarenergiegewinnungsvorrichtung prozessorgesteuert und erfolgt vollautomatisch. Die Berechnung der optimalen Ausrichtung des Solarenergiegewinnungselements und der damit verbundenen Bewegung durch die entsprechenden Antriebsmittel kann dabei Informationen wie Sonnenstand, Wasserpegel, Windstärke berücksichtigen.
-
Die erfindungsgemäße Solarenergiegewinnungsvorrichtung eignet sich insbesondere auch für eine gemeinsame Nutzung mehrerer Solarenergiegewinnungsvorrichtungen, die miteinander verbunden sind und vorzugsweise auch gemeinsam bewegt bzw. gesteuert werden. Somit ist eine kostengünstige Bereitstellung von leistungsstarken Solarenergiegewinnungsparks realisierbar.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert diese sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränken. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische, stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Solarenergiegewinnungsvorrichtung,
- 2: die Solarenergiegewinnungsvorrichtung aus 1 in Seitenansicht,
- 3: mehrere miteinander verbundene Solarenergiegewinnungsvorrichtungen in Seitenansicht,
- 4: die miteinander verbundenen Solarenergiegewinnungsvorrichtungen aus 3 in Frontansicht,
- 5: mehrere Reihen miteinander verbundener Solarenergiegewinnungsvorrichtungen von oben.
-
Die 1 bis 5 zeigen eine Ausführungsvariante einer schwimmenden Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20. Diese weist als wesentliche Komponenten einen Schwimmkörper 22 und ein daran befestigtes Solarenergiegewinnungselement 24 auf. Das Solarenergiegewinnungselement 24 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Photovoltaikmodul gebildet, welches Sonnenenergie in elektrisch nutzbare Energie umwandelt.
-
Erkennbar ist weiterhin, dass das Solarenergiegewinnungselement 24 über einen Mast 26 mit einer Oberseite 28 des Schwimmkörpers 22 verbunden ist. Der Mast 26 ist zentral, also mittig, auf der Oberseite 28 des Schwimmkörpers 22 angeordnet.
-
Weiterhin weist der Mast 26 einen Querholm 30 auf, der zwischen der Oberseite 28 und dem Solarenergiegewinnungselement 24 angeordnet ist. Der Querholm 30 ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, also parallel zu einer Gewässeroberfläche 32.
-
Unterhalb des Schwimmkörpers 22 ist ein Bodenbefestigungsmittel 34 erkennbar, über welches der Schwimmkörper 22 am Gewässerboden 36 gehalten ist. Das Bodenbefestigungsmittel 34 ist als Pfahl ausgeführt.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist weiterhin eine am Gewässerboden 36 vorgesehene Verankerungsvorrichtung 42 gezeigt, gebildet durch Stahlseile, die aus unterschiedlichen Richtungen kommend mit der Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20 verbunden sind. Die Verankerungsvorrichtung 42 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin auch ein Grundkabel 38 beinhalten, über das die gewonnene elektrische Energie abgeleitet werden kann. Alternativ kann das Grundkabel 38 natürlich auch unabhängig von der Verankerungsvorrichtung 42 verlegt werden. Die Stahlseile können im gezeigten Ausführungsbeispiel bei steigendem Wasserspiegel oder starken Wasserbewegungen gemeinsam mit dem Bodenbefestigungsmittel 34 vom Schwimmkörper 22 nach oben gezogen werden, wodurch die Bewegung in Z-Richtung geregelt ist.
-
Alternativ kann der Pfahl auch am Gewässerboden 36 fixiert und am Aufschwimmen gehindert sein. Der Pfahl erstreckt sich dann beispielsweise durch eine Öffnung im Schwimmkörper 22, die ausreichend groß ist, um dem Schwimmkörper 22 bei steigender Gewässeroberfläche 32 ein ungehindertes Aufschwimmen oder bei sinkender Gewässeroberfläche 32 ein ungehindertes Absinken zu ermöglichen. Weiterhin kann die Öffnung auch ein Verschwenken um die Horizontalachse Y-Y ermöglichen. Die in Bezug genommen Richtungen sind in 1 eingezeichnet.
-
Das Bodenbefestigungsmittel 34 kann alternativ beispielsweise auch als Seil oder Ankerkette ausgeführt sein, die in Abhängigkeit der Länge die Bewegung des Schwimmkörpers 22 in Z-Richtung begrenzt. Allerdings ermöglicht eine Ankerkette oder ein Seil ein seitliches Abtreiben des Schwimmkörpers 22, was nicht immer gewünscht ist.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung wird durch zwei Zugmittel 40 ermöglicht, die in horizontaler Ebene beabstandet voneinander mit dem Querholm 30 verbunden sind. Die Zugmittel 40, ausgeführt als Stahlseile, ermöglichen durch selektiven Zug eine Drehbewegung des Schwimmkörpers 22 und damit der Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20 um die Vertikalachse Z-Z.
-
Weiterhin ist es möglich, die Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20 durch gleichzeitigen Zug an beiden Zugmitteln 40 aus der Lotrechten herauszuschwenken, sodass die Ausrichtung des Solarenergiegewinnungselements 24 zum Sonnenstand einstellbar ist. Ein Verschwenken der Vertikalachse Z-Z der Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20, die etwa entlang des Mastes 26 verläuft, gegenüber der Lotrechten ist dadurch möglich, dass der Schwimmkörper 22 über das Bodenbefestigungsmittel 34 am Gewässerboden 36 gehalten ist und gleichzeitig die Zugmittel 40 oberhalb der Gewässeroberfläche 32, also mit Abstand zur Gewässeroberfläche 32 angeordnet sind. Wesentlich ist auch, dass die Zugmittel 40 mit ihren anderen Enden unterhalb des Querholms 30 bzw. der Anschlagpunkte der Zugmittel 40 an der Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20 angeordnet sind. Die Zugmittel 40 können beispielsweise über nicht gezeigte Antriebsvorrichtungen in ihrer Länge verändert, beispielsweise auf eine Seilwinde aufgewickelt werden. Die entsprechenden Antriebsvorrichtungen sind vorzugsweise an Land oder auf einem ortsfest verankerten, ebenfalls schwimmenden Ponton angeordnet.
-
Das Solarenergiegewinnungselement 24 kann über das Verschwenken der gesamten Solarenergiegewinnungsvorrichtung 20 hinaus auch zusätzlich verschwenkbar ausgeführt sein, insbesondere durch einen entsprechenden Antrieb unmittelbar am Mast 26.
-
Die 3 und 4 zeigen eine Ausführung der Erfindung als Solarpark mit einer Anordnung mehrerer Solarenergiegewinnungsvorrichtungen 20 in einer Reihe. Diese werden durch sich entlang der Reihe erstreckende Zugmittel 40 gemeinsam bewegt bzw. verstellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schwimmkörper 22 über die Bodenbefestigungsmittel 34 an einer gemeinsamen Verankerungsvorrichtung 42 befestigt. Die Verankerungsvorrichtung 42 enthält im gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin auch das Grundkabel 38.
-
5 zeigt mehrere Solarenergiegewinnungsvorrichtungen 20 in mehreren der in den 3 und 4 gezeigten Reihen. Die Stahlseile der Verankerungsvorrichtungen 42 erstrecken sich im gezeigten Ausführungsbeispiel rechtwinklig zueinander.
-
Das gezeigte Ausführungsbeispiel hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, allerdings sind auch andere sinnvolle Alternativen möglich. Beispielsweise können anstelle der Zugmittel 40 auch andere geeignete Antriebe für ein Bewegen und Verschwenken erfindungsgemäßer Solarenergiegewinnungsvorrichtungen 20 verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
