DE19625204A1 - Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von Sonnenkollektoren - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von SonnenkollektorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachführung von
Vorrichtungen z. B. zur thermischen oder photovoltaischen Sonnen
energienutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10.
Um die Sonnenenergie für thermische Anwendungen technisch zu nut
zen, müssen meist hohe Prozeßtemperaturen erreicht werden, die
eine Konzentration des Sonnenlichts erforderlich machen. Da diese
Konzentratoren meist einen engen Öffnungswinkel aufweisen, müssen
sie dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt werden.
Bekannte Heliostaten arbeiten mit einer zweiachsigen zeitgesteu
erten Nachführung um z. B. Solarzellen optimal, d. h. senkrecht
zur direkten Sonneneinstrahlung auszurichten. Dies erfolgt u. a.
mittels Schrittmotoren, einer Steuerung für die Schrittmotoren,
einem Mikroprozessor sowie Winkelgebern zur Positionskontrolle.
Die Position der Sonne wird nach Datum und Uhrzeit berechnet oder
aus einem Speicher abgerufen der Schrittmotor wegen seines hohen
Strombedarfs über eine Ansteuerung in Bewegung gesetzt und durch
die Winkelgeber die aktuelle mit der errechneten Lage verglichen
bzw. gegebenenfalls korrigiert.
Diese Heliostaten erfordern sowohl kostenintensive Stellglieder
als auch eine teure An- und Steuerung, wodurch insbesondere eine
Nutzung der Sonnenenergie für industrielle Zwecke in armen und
meist sonnenreichen Entwicklungsländern ausscheidet. In den noch
ärmeren Hochtechnologieländern insbesondere des europäischen Kon
tinents rechnet man bei regenerativen Energiequellen auch zehn
Jahre nach Tschernobyl, Windscale/Sellafield etc. noch mit äußerst
spitzer Feder und ignoriert standhaft todsicher anfallende Folge
kosten konventioneller Energiepolitik.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Steuerung und zum Antrieb eines Heliostaten etc. so
wie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch ge
löst, daß die Nachführung des Heliostaten in Abhängigkeit von der
Position der Sonne erfolgt. Dies kann z. B. durch Differenzbildung
zweier Photozellen geschehen, wie es aus der Robotik zur Ausbil
dung phototropen oder photophoben Verhaltens bekannt ist, wobei
für die Nachführung nach einer Achse mindestens zwei bzw. nach
zwei Achsen mindestens vier Photozellen vonnöten sind.
Vorteilhaft ist es, eine automatische Vorwärtsbewegung längs dem
Tagesdrehachse der Sonne vorzusehen, damit evtl. Schattenperioden
keine langen Nachführungsphasen verursachen.
Weiterhin kann es insbesondere bei Solarzellen vorteilhaft sein,
die Nachführung auf den optimalen Einfang direkter und/oder indi
rekter Sonnenstrahlung, sozusagen auf den optisch hellsten Fleck
am Himmel, auszurichten.
Der Antrieb erfolgt erfindungsgemäß nach dem Prinzip des bionischen
Motors, indem die Auftriebskraft eines oder mehrerer Arbeitskörper
in einer Flüssigkeit durch ein Seil auf eine Drehachse
des Heliostaten einwirkt. Durch entsprechende Änderung des
oder der Flüssigkeitspegel wird der Heliostat in einer Achse in
die gewünschte Position gebracht und mit einer Kraft festgehal
ten, die innerhalb eines gewissen Bereichs proportional zu einer
einwirkenden Störgröße wächst. Eine Änderung des Flüssigkeitspe
gels wird durch Umpumpen der Flüssigkeit zwischen den Behältern
erreicht.
Ein entsprechender Motor wurde zum Antrieb von Maschinen in der
DE-OS 44 40 018 vorgeschlagen, seine Vorzüge wie grobes Drehmoment
bei kleinem Strom- und Leistungsbedarf kommen jedoch insbesondere
bei Positionieraufgaben mit langsamen Verfahrgeschwindigkeiten
erst voll zum Tragen.
Hierbei ist es vorteilhaft, die Flüssigkeitsbehälter so anzuord
nen, daß eine selbsttätige Entleerung des einen bzw. Füllung des
anderen Behälters stattfindet. Da die Zeitkonstante für die Ent
leerung ca. zehn Stunden betragen kann, fällt die zusätzliche
Pumpleistung nicht ins Gewicht, zumal dadurch ein Hahn bzw. Mag
netventil eingespart wird. Bei einem Betrieb der Pumpe mittels
Solarzellen, der sich hier wegen des zeitlichen Strombedarfs an
bietet, nimmt der Heliostat selbsttätig über Nacht eine vorzugs
weise östliche Grundstellung ein.
Erfindungsgemäß wird der Heliostat durch eine Haltevorrichtung ge
gen auf seine Lage einwirkende Störgrößen wie z. B. Windlast gesi
chert, die periodisch gelöst wird, solange die Windgeschwindigkeit
unter einem Grenzwert bleibt.
Vorteilhaft ist es auch, die Bremse nur dann zu aktivieren, wenn
der Windgeschwindigkeitsgrenzwert oder die zulässige Seilkraft
überschritten wird.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist wesentlich, daß auf ei
nem Träger zwei Photozellen angeordnet sind, zwischen denen sich
eine Trennwand befindet, so daß eine senkrechte Ausrichtung der
Anordnung zur Sonnenstrahlung bezüglich einer Achse möglich ist.
Vorteilhaft kann dabei sein, den Träger an der Stelle der Trenn
wand zusammen- oder auseinanderzubiegen, wobei die Trennwand ent
fallen kann. Die Entfernung der Photozellen von der Trennwand oder
Knicklinie bestimmt dann die Ansprechtoleranz der Einrichtung.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Einrichtung in einem Gehäuse an
zuordnen, wobei der Lichteinfall durch eine Öffnung bzw. Lochblen
de erfolgt. Eine lichtdurchlässige Abdeckung schützt den Innenraum
vorteilhaft vor Verschmutzung und Witterungseinflüssen.
Ein allseitig geschlossenes Gehause ist nicht unbedingt erforder
lich, da sich ein Blendschutz auch bei einem oben offenem Gehäuse
bzw. einer zweiseitig offenen rohrförmigen Einfassung ergibt.
Vorteilhaft ist es auch, zwei Einrichtungen orthogonal zueinander
auf einem Träger zu kombinieren, der dann die Augen- bzw. Innen
fläche einer Pyramide ausbildet, bzw. bei ebenem Träger eine
kreuzförmige Trennwand aufweist.
Eine Anwendung findet der Heliostat im Heizungsbereich, da er her
vorragend geeignet ist, die gegebenen Fakten, wie die jahreszeitliche
Sonneneinstrahlung und die beim Hausbau vergessene Niedertemperatur
heizung zu kompensieren. Erfindungsgemäß geschieht dies
durch Kombination mit bekannten Sonnenkollektoren, wobei der Heliostat
sozusagen als Nachbrenner arbeitet, der für eine höhere Vorlauf
temperatur im Winter sorgt, während er im Sommer abgeschaltet
wird, indem er 180° zur Sonne gedreht wird und/oder zusätzlich als
Strahlungskühler dient, um eine Überhitzung der stationären Kol
lektoren insbesondere bei zu kleiner Kapazität des Wärmespeichers
zu verhindern. Bei einachsiger Nachführung wird der Aufstellwinkel
sinnvollerweise auf den Winterbetrieb optimiert. Vorteilig ist dabei
auch der kleinere, nicht abgeschattete Flächenbedarf am Boden,
der für ein vollständiges Kollektorfeld oft nicht ausreicht.
Eine weitere Anwendung bietet sich für den Heliostaten als Sonnen
herd, der im Gegensatz zu bekannten Ausführungen diesen Namen ver
dient. Durch ein hochsiedendes Medium wie z. B. vorzugsweise Sesam
öl wird die Kochstelle räumlich vom Spiegel entkoppelt, so daß
auch ein Kochen in der Küche bzw. zumindest im Schatten möglich
ist. Da der Heliostat eine relativ große Spiegelfläche aufweist,
können auch größere bzw. mehrere Kochstellen nebeneinander ange
ordnet werden. Als kostengünstige Pumpe bietet sich eine archime
dische Schraube an, wobei die Herdtemperatur durch die Pumpe und/
oder die Stellung des Heliostaten z. B. durch einen Offset zum
Nachführungssignal regelbar ist.
Vorteilhaft ist es, einen Wärmespeicher vorzusehen, der etwa in
der Wüste nachts als Ofen genutzt werden kann, und der zwecks
schnellerem Kochen zu- und abschaltbar ist.
Eine weitere Anwendung findet der erfindungsgeinäße Heliostat
schließlich zur Sterilisation von Wasser, Samen etc., wobei der
UV-Anteil des Sonnenlichts genutzt wird. Die Strahlungsdosis kann
z. B. durch eine mit Solarstrom betriebene Pumpe geregelt werden,
die die Flüssigkeit oder das Schüttgut durch ein Quarzglasrohr
fördert. Auch in unseren Breiten ist solch eine Trink- und Abwas
serbehandlung denkbar, die derzeit mit UV-Lampen z. B. zur Verrin
gerung des Zyanidgehalts oder Entkeimung des Wassers erfolgt.
Sämtliche Anwendungen sind ebenso mit bekannten Verfahren und Ein
richtungen zur Konzentration von Sonnenstrahlung durchführbar.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die er
findungsgemäße Einrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels der Ein
richtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heliostaten,
Fig. 2-4 das Schema verschiedener Sonnendetektoren, und
Fig. 5 einen weiteren Heliostaten.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Heliostat 1 dargestellt, an
dessen Spiegelwanne 2 ein Antriebsrad 3 befestigt ist, das mittels
des Seils 6 um die Achse 4 gedreht wird, so daß die Spiegelwanne 2
senkrecht zur Sonne 5 ausgerichtet ist. Diese Drehung erfolgt
durch einen bionischen Motor, der zwei Behältern 7 gebildet wird,
in denen je ein Arbeitskörper 9 durch das Wasser 10 eine Auf
triebskraft erfährt, die auf das Seil 6 und über Umlenkrollen 8
auf das Antriebsrad 3 und die Spiegelwanne 2 wirkt. Das durch den
Arbeitskörper geführte Seil 6 ist über weitere Umlenkrollen 8 ge
führt und an seinem Ende mit einem Spanngewicht 11 verbunden, das
für eine senkrechte Lage des Arbeitskörpers 9 sorgt. Die beiden
Behälter sind in unterschiedlicher Höhe angeordnet und stehen über
zwei Rohre 14 miteinander in Verbindung. Durch die Pumpe 13 wird
während des Tages Wasser aus dem unteren in den oberen Behälter 7
gepumpt, wodurch dessen Wasserpegel und Arbeitskörper 9 angehoben
werden, da gleichzeitig im anderen, unteren Behälter 7 der umge
kehrte Vorgang abläuft, und die Spiegelwanne 2 wird mathematisch
positiv bzw. gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Das Ventil 12 unter
bindet dabei einen Rücklauf durch die Pumpe 13, falls diese nicht
läuft. Am Tagesende oder z. B. bei einer Überdrehung wird das Ma
gnetventil 15 geöffnet, wodurch das Wasser selbsttätig aus dem
oberen in den unteren Behälter 7 flieht und die Spiegelwanne 2 in
eine vorzugsweise östliche Grundstellung schwenkt. Statt des Magnet
ventils 15 kann ein einfacher Hahn vorgesehen werden, der am
Abend geöffnet wird oder dauernd auf minimalen Durchfluß eingestellt
ist, wodurch sich der obere Behälter 7 nachts selbsttätig
entleert. Bei entsprechend großen Öffnungs- bzw. zulässigem Ar
beitswinkel der nachzuführenden Vorrichtung kann der Rückfluß
durch die Pumpe 13 zur Entleerung genutzt werden, wobei die Venti
le 12 und 15 sowie ein Rohr 14 wegfallen.
Fig. 2 bis 4 zeigen einen Sonnendetektor 16, der aus zwei Photo
zellen 22 besteht, die auf einem Träger 20 angeordnet sind. In
Fig. 20 wird durch die zwischen den Photozellen 22 angeordnete
Trennwand 17 eine einachsige Richtwirkung erzielt, da sie bei
schräger Stellung des Trägers 20 zur Sonne eine Photozelle 22 zu
mindest teilweise abschattet. Der Ansprechwinkel läßt sich durch
den Abstand der Photozellen 22 zur Trennwand 17 und/oder die Höhe
der Trennwand 17 einstellen. In Fig. 3 wurde der Träger 20 an
Stelle der Trennwand 17 geknickt, wodurch bei einer Schrägstellung
ebenfalls eine unterschiedlich starke Beleuchtung der Photozellen
erfolgt, allerdings in umgekehrter Weise wie in Fig. 2.
In Fig. 4 wurde der Träger 20 an Stelle der Trennlinie 17 nach
oben geklappt und in einem Gehäuse 18 untergebracht, das eine Öff
nung oder Lochblende 19 aufweist, die durch das Glas 21 abgedeckt
wird, das eine Verschmutzung der Photozellen 22 verhindert und
evtl. auch als Sammellinse ausgebildet sein kann.
In Fig. 5 wird ein Heliostat 1 dargestellt, der die einfallende
Strahlung 23 mittels einer Spiegelwanne 2 auf ein Rohr 14 konzen
triert, in dem ein Medium erhitzt wird, dessen Strömungsrichtung
bei selbsttätiger Konvektion entgegen der eingezeichneten Richtung
verläuft. Das Rohr 14 bleibt im Tagesablauf starr, d. h. die Spie
gelwanne 2 wird der Sonne durch das Antriebsrad 3 nachgeführt, wo
bei die Drehung durch einen im Behälter 7 untergebrachten Antrieb,
vorzugsweise einen bionischen Motor, mittels des bzw. der um die
Umlenkrollen 8 geführten Seile 6 erfolgt. Das Rohr 14 wird in den
Lagern 24 gehalten und kann bei entsprechender teilweisen Flexibi
lität durch eine z. B. manuell verstellbare Stütze 25 dem jahres
zeitlichen Sonnenstand angepaßt werden. Die Spiegelwanne 2 kann
insbesondere bei trogförmiger bzw. halbgeschlossener Ausführung
durch eine oder mehrere lichtdurchlässige Abdeckungen gegen Ver
schmutzung und Strahlungs- sowie Konvektionsverluste abgeschirmt
werden.
Bezugszeichenliste
1 Heliostat
2 Spiegelwanne
3 Antriebsrad
4 Achse
5 Sonne
6 Seil
7 Behälter
8 Umlenkrolle
9 Arbeitskörper
10 Wasser
11 Spanngewicht
12 Ventil
13 Pumpe
14 Rohr
15 Magnetventil
16 Sonnendetektor
17 Trennwand
18 Gehäuse
19 Lochblende
20 Träger
21 Glas
22 Photozelle
23 Strahlung
24 Lager
25 Stütze
2 Spiegelwanne
3 Antriebsrad
4 Achse
5 Sonne
6 Seil
7 Behälter
8 Umlenkrolle
9 Arbeitskörper
10 Wasser
11 Spanngewicht
12 Ventil
13 Pumpe
14 Rohr
15 Magnetventil
16 Sonnendetektor
17 Trennwand
18 Gehäuse
19 Lochblende
20 Träger
21 Glas
22 Photozelle
23 Strahlung
24 Lager
25 Stütze
Claims (27)
1. Verfahren zur ein- oder zweiachsigen Nachführung eines Helio
staten, Sonnenkollektors, Solarpaneels oder anderen Vorrichtungen
zur Sonnenenergienutzung mittels einem oder zwei Paar Solarzellen,
Photodioden, -Transistoren oder -Widerständen, einer Steuerung und
einem Stellglied, wobei jeder Achse ein Paar Solarzellen oder ent
sprechender Photosensoren zugeordnet ist, deren Differenzsignal
gebildet und dem Stellglied von der Steuerung zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführung nach dem jeweiligen Sonnenstand durch die von der Sonne ausgehende Strahlung erfolgt, und
daß die Photosensoren und der Heliostat (1) oder Vorrichtung zur Sonnenenergienutzung vorzugsweise senkrecht oder in einem Winkel dazu zur einfallenden Sonnenstrahlung ausgerichtet werden.
daß die Nachführung nach dem jeweiligen Sonnenstand durch die von der Sonne ausgehende Strahlung erfolgt, und
daß die Photosensoren und der Heliostat (1) oder Vorrichtung zur Sonnenenergienutzung vorzugsweise senkrecht oder in einem Winkel dazu zur einfallenden Sonnenstrahlung ausgerichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein automatischer Vorschub in einer Achsrichtung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführung nach dem Maximum der einfallenden Gesamt
strahlung erfolgt.
4. Verfahren zum Antrieb eines Heliostaten mittels der Auftriebs
kraft eines oder mehrerer in einer Flüssigkeit schwimmender Ar
beitskörper, die über Umlenkrollen geführte Seile am Heliostaten
angreifen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Position des Heliostaten (1) durch Änderung des Flüssig
keitspegels eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpenergie durch Solarzellen aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) selbsttätig eine Grundposition einnimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet
daß der bewegliche Teil des Heliostaten (1) durch eine periodisch
gelöste Bremse fixiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bremse ab einer gewissen Windgeschwindigkeit nicht gelöst
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bremse ab einer gewissen Windgeschwindigkeit und/oder
Seilkraft blockiert.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem ebenen Träger (20) zwei Photozellen (22) angeordnet
sind, zwischen denen sich eine zum Träger (20) lotrechte Trennwand
(17) befindet.
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (20) längs der Fußlinie der Trennwand (17) eine
Biegung aufweist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwand (17) weggelassen ist.
13. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (20) in einem Gehäuse (18), das eine Linse auf
weist, angeordnet ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (20) in einem oben offenen Gehäuse (18) angeordnet
ist.
15. Einrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (18) durch ein lichtdurchlässiges Material abge
deckt ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Träger (20) vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet
sind.
17. Anwendung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) im Verbund mit stationären Sonnenkollektoren
arbeitet.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs zugeschaltet
wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs aus der Son
ne gedreht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) entsprechend des Energiebedarfs als Kühler
verwendet wird.
21. Sonnenherd nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heliostat (1) mit einem Medium mit hoher Siedetemperatur arbeitet,
daß diese selbsttätig und/oder mittels einer archimedischen Schraube umläuft, und
daß die Arbeitstemperatur durch die Fließgeschwindigkeit des Medi ums und/oder die Ausrichtung des Heliostaten (1) zur Sonne gere gelt wird.
daß der Heliostat (1) mit einem Medium mit hoher Siedetemperatur arbeitet,
daß diese selbsttätig und/oder mittels einer archimedischen Schraube umläuft, und
daß die Arbeitstemperatur durch die Fließgeschwindigkeit des Medi ums und/oder die Ausrichtung des Heliostaten (1) zur Sonne gere gelt wird.
22. Sonnenherd nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß er einen Wärmespeicher aufweist.
23. Sonnenherd nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmespeicher zu- bzw. abschaltbar ist.
24. Sterilisation für Flüssigkeiten und Schüttgut feiner Granula
tion nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zu sterilisierende Gut einer konzentrierten Sonnenstrah lung ausgesetzt wird, und
daß die Bestrahlungsdosis in Abhängigkeit einer Voreinstellung und/oder der einfallenden Strahlungsmenge durch die Durchflußge schwindigkeit oder Verweildauer des Guts in der konzentrierten Sonnenstrahlung geregelt wird.
daß das zu sterilisierende Gut einer konzentrierten Sonnenstrah lung ausgesetzt wird, und
daß die Bestrahlungsdosis in Abhängigkeit einer Voreinstellung und/oder der einfallenden Strahlungsmenge durch die Durchflußge schwindigkeit oder Verweildauer des Guts in der konzentrierten Sonnenstrahlung geregelt wird.
25. Sterilisator für Flüssigkeiten und Schüttgut feiner Granulati
on nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelwanne (2) des Heliostaten (1) das Sonnenlicht auf
ein UV-durchlässiges Rohr (14) vorzugsweise ein Quarzglasrohr,
konzentriert.
26. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelwanne (2) durch eine oder mehrere lichtdurchlässige
Schichten abgedeckt ist und einen im wesentlichen geschlossenen
Hohlraum ausbildet.
27. Einrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelwanne (2) um das Rohr (14) drehbar ist, und
daß das Rohr (14) als Lager für die Spiegelwanne (2) dient.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19625204A DE19625204A1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von Sonnenkollektoren |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19625204A DE19625204A1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von Sonnenkollektoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19625204A1 true DE19625204A1 (de) | 1998-01-08 |
Family
ID=7797833
Family Applications (1)
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DE19625204A Withdrawn DE19625204A1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Verfahren und Einrichtung zur Nachführung von Sonnenkollektoren |
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