DE19536087A1 - Vorrichtung zur Halterung mindestens eines Sonnenkollektors oder Solargenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung von Son­ nenkollektoren oder Solargeneratoren gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorrichtungen dieser Art werden eingesetzt, um Sonnenkollekto­ ren oder Solargeneratoren in einer Schrägstellung zur Horizonta­ len und Vertikalen sicher zu halten. Derartige Vorrichtungen werden zur Halterung von Sonnenkollektoren oder Solargenerato­ ren auf dem Dach, auf dem Boden, an einem Mast oder derglei­ chen angeboten.

Es handelt sich hierbei um Schweiß- und/oder Schraub- bzw. Nietkonstruktionen, die nach einmaliger Ausrichtung immer in der bestimmungsgemäßen Position verbleiben. Da der Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren, insbesondere jedoch von Solargeneratoren stark abhängig vom Einstrahlwinkel ist, werden bekannte Vor­ richtungen regelmäßig so aus gerichtet, daß die darin gehaltenen Sonnenkollektoren oder Solargeneratoren nach Süden gerichtet und in einer Stellung von etwa 50° zur Horizontalen angeordnet sind. Dies entspricht einem Mittelwert zwischen einer in diesen Breiten anzustrebenden Ausrichtung im Sommer von 45° und im Winter vom 50° zur Horizontalen. Bei der Ausrichtung nach Süden geht man davon aus, daß die Sonneneinstrahlung dann am inten­ sivsten ist, wenn die Sonne im Zenith steht und davor bzw. da­ nach die Einstrahlleistung ohnehin abnimmt.

Insbesondere beim Einsatz von Solargeneratoren nimmt die abge­ gebene Leistung in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel der Sonne so stark zu bzw. ab, daß eine nennenswerte Leistungsabgabe nur für vergleichsweise kurze Zeit erreicht werden kann, auch wenn die Sonne schon auf oder noch nicht untergegangen ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit konstruktiv einfachen Mit­ teln so auszubilden, daß eine selbsttätige Nachführung der darin gehaltenen Sonnenkollektoren oder Solargeneratoren erfolgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzei­ chnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß sieht die Erfindung vor, die Vorrichtung so auszubil­ den, daß der Sonnenkollektor bzw. der Solargenerator drehbar gelagert und mittels eines Gleichstrommotors entsprechend dem jeweiligen Sonnenstand nachführbar ist. Dabei ist die Steuerung bzw. Regelung zum Nachführen denkbar einfach aufgebaut. Neben dem Sonnenkollektor bzw. dem Solargenerator sind nämlich zwei Steuersolargeneratoren angeordnet, und zwar in gegensinnigen Winkeln zu dem Sonnenkollektor bzw. dem Solargenerator. Diese Steuersolargeneratoren sind gegenpolig miteinander und dem Gleichstrommotor verbunden, so daß eine selbsttätige Nachfüh­ rung entsprechend dem Sonnenstand erfolgt. Da die beiden Steu­ ersolargeneratoren im gegensinnigen Winkel zum Sonnenkollektor bzw. zum Solargenerator angeordnet sind, liegt an diesen nur dann die gleiche Spannung an, wenn sie im gleichen Einstrahlwinkel zur Sonne stehen, also wenn der Sonnenkollektor bzw. der Solargenerator in Drehrichtung senkrecht zur Sonne steht. Da sie gegenpolig miteinander verbunden sind, gleichen sich die Potentiale aus, so daß an dem parallel zu den beiden Steuer­ solargeneratoren geschalteten Gleichstrommotor keine Spannung anliegt.

Ändert sich nun der Sonnenstand, so steigt die Spannung eines Steuersolargenerators an, während die des anderen fällt. Dann ist ihr Potential nicht mehr ausgeglichen, es liegt eine Spannung am Gleichstrommotor an, der Motor beginnt in die eine oder andere Richtung zu drehen. Dabei ist der Motor so gepolt, daß der Son­ nenkollektor oder der Solargenerator dem Sonnenstand durch Drehung des Motors nachgeführt wird bis sich die Potentiale der Steuersolargeneratoren wieder ausgleichen, also gleiche Einstrahl­ leistung erhalten.

Die erfindungsgemäße Nachführregelung funktioniert nicht nur bei kontinuierlichem Sonnenschein, sondern auch dann, wenn stunden­ weise während des Tages die Sonne durch Wolken verdeckt ist und erst später wieder zum Vorschein kommt. Auch erfolgt eine automatische Nachführung aus der bei Sonnenuntergang nach Westen gerichteten Stellung des Sonnenkollektors oder Solargene­ rators in eine nach Osten gerichtete Stellung bei Sonnenaufgang.

Die Steuersolargeneratoren können prinzipiell an beliebiger Stelle neben dem Sonnenkollektor oder Solargenerator angeordnet wer­ den, bevorzugt werden sie jedoch zu beiden Seiten so angeordnet, daß ihre freien Enden in Haupteinstrahlrichtung gesehen (bei nahezu senkrechter Einstrahlung der Sonne auf den Sonnenkollek­ tor bzw. Solargenerator) nach hinten ab gebogen angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Abschattung der Steuersolargenerato­ ren durch den in der Vorrichtung gehaltenen Sonnenkollektor oder Solargenerator vermieden.

Bevorzugt werden die Steuersolargeneratoren in einem Winkel zwischen 10° und 30° zu dem in der Vorrichtung gehaltenen Son­ nenkollektor bzw. Solargenerator angeordnet. Diese Winkelstel­ lung sichert einerseits eine feinfühlige Nachführung während des Tages und andererseits eine Rückführung von der Abendstellung in die Morgenstellung.

Insbesondere beim Einsatz von Sonnenkollektoren ist die Anord­ nung und Verschaltung der Steuersolargeneratoren so zu wählen, daß eine Drehung der Vorrichtung über dem Nullpunkt hinaus vermieden wird, d. h., daß die Vorrichtung aus der Abendstellung in die Morgenstellung zurückdreht und keine 360° überschreitende Drehung vollziehen kann. Dann nämlich können übliche elastische Leitungsdurchführungen zwischen den feststehenden und den sich mitdrehenden Teilen der Vorrichtung verwendet werden, anderen­ falls muß eine konstruktiv aufwendige Durchführung erfolgen, im Fall von Sonnenkollektoren beispielsweise durch eine zentrale Leitungsdurchführung mit zwei koaxialen Rohren oder im Fall von Solargeneratoren über Schleifringe.

Die Steuersolargeneratoren sind entsprechend der Größe der Vorrichtung so zu dimensionieren, daß ihre Leistungsabgabe auch bei geringer Sonneneinstrahlung ausreicht, um die Vorrichtung zuverlässig nachzuführen. Gegebenenfalls muß der Gleichstrommo­ tor durch einen Gleichstromgetriebemotor ersetzt werden.

In analoger Weise kann gemäß der Erfindung nicht nur eine Nachführung entsprechend der Himmelsrichtung des tageszeitli­ chen Sonnenstandes, sondern auch entsprechend der Höhe des jahreszeitlichen und tageszeitlichen Sonnenstand erfolgen, in dem der Sonnenkollektor oder der Solargenerator schwenkbar inner­ halb der Vorrichtung gelagert wird und die jeweilige Schwenkstellung über einen weiteren Gleichstrommotor angefah­ ren wird. Dieser Gleichstrommotor wird dann von zwei weiteren Steuersolargeneratoren beaufschlagt, die ebenfalls gegenpolig miteinander und mit dem Motor verbunden sind. Diese werden dann auch in gegensinnigen Winkeln zu dem Sonnenkollektor bzw. dem Solargenerator angeordnet, jedoch nicht wie zuvor bezogen auf die horizontale Achse, sondern auf die vertikale Achse der von dem Sonnenkollektor oder Solargenerator aufgespannten Ebene.

Es versteht sich, daß zwischen den Steuersolargeneratoren und dem Gleichstrommotor gegebenenfalls noch elektrische bzw. elek­ tronische Zusatz bzw. Sicherheitseinrichtungen vorgesehen sein können, beispielsweise Schutzdioden, Lastwiderstände, Sicherungen oder dergleichen.

Im Sinne der Erfindung sind unter Solargeneratoren elektrische bzw. elektronische Bauelemente zu verstehen, welche bei Sonnen­ einstrahlung elektrische Leistung erzeugen. In der Regel werden dies Reihen- oder Parallelschaltungen von Solarzellen sein, die aus monokristallinem, polykristallinem oder amorphen Silizium hergestellt sind. Unter Sonnenkollektoren werden fluiddurchström­ te Systeme verstanden, bei denen das Durchströmungsfluid durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird. Im übrigen kann die erfindungs­ gemäße Nachführvorrichtung zur Aufnahme jedes im wesentlichen flächenförmigen Elementes dienen, das in irgendeiner Weise zur Umwandlung von Sonnenenergie in eine andere Energieform dient.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter schematischer Darstellung den kon­ struktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung durch perspektivische Ansicht von hinten,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Antriebs- und Lager­ einheit und

Fig. 3 das elektrische Schaltbild der Vorrichtung.

Die Vorrichtung weist einen im Querschnitt L-förmigen Rahmen 1 auf, der zur Aufnahme eines Solargenerators oder auch eines Sonnenkollektors vorgesehen ist. Dieser rechteckige Rahmen 1 wird über zwei Querstreben 2 von zwei U-förmigen Stützen 3 und 4 gehalten, die unterschiedlich hoch sind, so daß der Rahmen in einem Winkel α von etwa 50° zur Horizontalebene beziehungs­ weise zur Aufstandsfläche der Stützen 3 und 4 angeordnet ist.

Die Stützen 3 und 4 sind auf einem Drehteller 5 angeordnet, der mittels eines Axiallagers auf einem ortsfest angeordnetem Ständer 6 gelagert ist, auf dem die Vorrichtung steht (Fig. 2).

Innerhalb des Ständers 6 ist ein Gleichstrommotor 7 stehend angeordnet, so daß die Antriebswelle des Motors 7 parallel zur Drehachse 8 des Drehtellers 5 angeordnet ist. Der Drehteller 5 weist an seiner Unterseite eine Ringfläche auf, auf der ein An­ triebsriemen 9 läuft, der vom Gleichstrommotor 7 getrieben wird.

An den seitlichen Profilen des Rahmens 1 sind Steuersolargenera­ toren 10 und 11 angebracht, und zwar so, daß sie mit der zur Sonne gerichteten Oberfläche des Solargenerators, und zwar mit der horizontalen Achse einen Winkel ß einschließen, der + bzw. -20° beträgt. Wie sich aus der Darstellung nach Fig. 1 ergibt, sind die Steuersolargeneratoren 10 und 11 gegenüber dem Rahmen 1 mit ihren freien Enden nach hinten und unten gerichtet, so daß bezogen auf den tageszeitlichen Sonnenverlauf der Steuersolarge­ nerator 11 vorläuft und der Steuersolargenerator 10 nachläuft, wenn der Rahmen 1 so ausgerichtet ist, daß die Sonnenstrahlen etwa senkrecht auf dem darin gehaltenen Solargenerator oder Sonnenkollektor auftreffen.

Wie sich aus dem Schaltbild nach Fig. 3 ergibt, sind die Steuerso­ largeneratoren gegenpolig miteinander verbunden, d. h. der Plus­ pol des Steuersolargenerators 10 ist mit dem Minuspol des Steuer­ solargenerators 11 und umgekehrt verbunden. Parallel zu diesen elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Steuersolargene­ ratoren 10 und 11 ist der Gleichstrommotor 7 geschaltet; und zwar so, daß der Gleichstrommotor 7 den Drehteller 5 in Richtung 12 antreibt, wenn die am Steuersolargenerator 11 erzeugte Spannung höher als die am Steuersolargenerator 10 erzeugte ist und umge­ kehrt.

Die Vorrichtung wird so ausgerichtet, daß die Drehachse 8 mit der Vertikalen übereinstimmt. Wenn die vom Rahmen 1 umspann­ te Fläche etwa senkrecht zur Sonneneinstrahlrichtung liegt, erhal­ ten die Steuersolargeneratoren 10 und 11 gleiche Sonneneinstrah­ lung und geben somit die gleiche Spannung ab, die aufgrund ihrer gegenpoligen elektrischen Verbindung kompensiert wird. Ändert sich nun im Tagesverlauf der Sonnenstand, so wird der Steuerso­ largenerator 11 eine höhere nutzbare Sonneneinstrahlung erhalten als der Steuersolargenerator 10. Die Spannungen der Generatoren 10 und 11 kompensieren sich nicht mehr, so daß am Motor 7 eine Spannung anliegt, was dazu führt, daß der Drehteller 5 mit dem darauf befindlichen Rahmen 1 dem Sonnenstand nachgeführt wird, bis die Potentiale der Steuersolargeneratoren 10 und 11 wieder ausgeglichen sind.

Bezugszeichenliste

1 Rahmen
2 Querstreben
3 U-förmige Stütze
4 U-förmige Stütze
5 Drehteller
6 Ständer
7 Gleichstrommotor
8 Drehachse von 5
9 Antriebsriemen
10 Steuersolargenerator
11 Steuersolargenerator
12 Drehrichtung
α Winkel zur Horizontalen
β Winkel zur horizontalen Achse der vom Rahmen 1 aufgespannten Ebene

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Halterung mindestens eines Sonnenkollekto­ rs oder Solargenerators, in der der Sonnenkollektor bzw. der Solargenerator in einer Stellung schräg zur Horizontalen und Ver­ tikalen gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Gleichstrommotor (7) zum Drehen des Sonnenkollektors bzw. des Solargenerators aufweist, daß neben dem Sonnenkollek­ tor bzw. dem Solargenerator Steuersolargeneratoren (10, 11) in gegensinnigen Winkeln (β) zu dem Sonnenkollektor bzw. dem Solargenerator angeordnet sind, die gegenpolig miteinander und mit dem Motor (7) so elektrisch verbunden sind, daß eine selbst­ tätige Nachführung entsprechend dem Sonnenstand erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersolargeneratoren (10, 11) zu beiden Seiten des Son­ nenkollektors bzw des Solargenerators angeordnet sind, wobei die Steuersolargeneratoren mit ihren freien Enden in Haupteinstrahl­ richtung gesehen nach hinten abgebogen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersolargeneratoren (10, 11) in einem Winkel (β) zwischen 10° und 30° zur horizontalen Achse des Sonnenkollektors bzw. des Solargenerators angeordnet sind.