DE20003882U1

DE20003882U1 - Schaltungsanordnung zur automatischen Nachführung von Solarmodulen

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Publication number: DE20003882U1
Application number: DE20003882U
Authority: DE
Original assignee: SCHNEIDER ELEKTROANLAGEN VERTR
Current assignee: SCHNEIDER ELEKTROANLAGEN VERTR
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2010-03-03

Description

Schaltungsanordnung zur automatischen Nachführung von Solarmodulen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen Nachführung von Solarmodulen, insbesondere in Photovoltaik-Anlagen, nach dem tages- und jahreszeitlich unterschiedlichen Sonnenstand. Die automatische Nachführeinrichtung ist insbesondere für den Betrieb kleiner, mobiler Inselstationen im Gelände, beispielsweise in meteorologischen Meßwarten, Schutzhütten im Gebirge und Freizeitanlagen geeignet, die nicht ständig überwacht und gewartet werden können.

Es ist bekannt, daß man die Energieausbeute von Sonnenkollektoren bzw. Photovoltaik-Anlagen um bis zu 20 % steigern kann, wenn man die Kollektorbzw. Modulplatten hinsichtlich Anstellwinkel und Kompaßwinkel (Ost-West-Ausrichtung) kontinuierlich dem Lauf der Sonne nachführen kann, dabei ist anzustreben, die erforderliche Drehbewegung des Montagegerüstes mit geringstmöglichem Energieeinsatz zu realisieren, um den mit der Nachführung erzielten Effekt durch die benötigte Antriebsenergie nicht wieder aufzubrauchen. So wurde in der Fachliteratur bereits eine "passive" Nachführeinrichtung beschrieben, die auf der Erwärmung einer Flüssigkeit in gegeneinander abgedichteten Rahmenbereichen beruht, praktisch aber bisher nicht realisiert
wurde.

Die seit mehreren Jahren bekannten und in der Praxis eingesetzten Nachführeinrichtungen beruhen größtenteils auf einem Prinzip, wie es u.a. in DE-OS 35 25 065 beschrieben ist: Der Solarmodul ist hier auf einem drehbaren senkrechten Gerüst montiert, welches mittels eines Elektromotors gedreht und eines zweiten Motors in vertikaler Richtung gekippt werden kann. Die Impulse für die Elektromotoren werden durch eine auf dem Gerüst fest angeordnete Regeleinrichtung und ein lichtempfindliches Sensorelement ausgelöst, welches der Drehbewegung folgt. Nach Erreichen eines max. Drehwinkels von 240° wird die Solaranlage nachts automatisch in die Ausgangsstellung zurückgeführt. Nachteilig erweist sich dabei allerdings, daß die tagsüber erfolgende Drehbewegung nur bei Sonnenschein erfolgt, so daß z.B. nach längerem trüben

Wetter am Vormittag, aber Sonne am Nachmittag, die Anlage dem Stand der Sonne hinterherhinkt, da sie zu spät bei "Null" startet. Darüber hinaus ist die Nachführeinrichtung durch den Einsatz von zwei Elektromotoren relativ energieaufwendig.

Das zu lösende Problem besteht deshalb darin, eine Schaltungsanordnung für eine Nachführeinrichtung vorzuschlagen, welche eine Nachführung an den aktuellen Stand der Sonne auch dann ermöglicht, wenn keine direkte Sonneneinstrahlung auf die Sensoren erfolgt.

Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Schutzanspruch 1 beschrieben. Die Ansprüche 2 bis 8 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung dar.

Im nachstehenden Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung an Hand einer Photovoltaik-Anlage näher erläutert. In der beigefügten Zeichnung zeigen

. Fig. 1 die Schaltung der Gesamtanlage;

. Fig. 2 den Schaltzustand bei trübem Wetter;

. Fig. 3 den Schaltzustand bei Sonnenschein;

. Fig. 4 den Schaltzustand für selbsttätige Korrekturen zwischen

Sonnenstand und Modulausrichtung.

Die zweckmäßigerweise auf der Oberseite des Solarpaneels 1 angeordneten lichtempfindlichen Sensoren 10; 11 bestehen aus Photowiderständen, die sich in einem Prisma befinden, durch Trennwand 12 gegeneinander abgeschattet sind und als "Ostsensor" 10 und "Westsensor" 11 gleichzeitig oder wechselweise arbeiten. Durch den Endschalter auf Welle 13 ist gewährleistet, daß sich die Anlage morgens am Ostanschlag" befindet. Die aus einer Brückenschaltung 7 bestehende Steuerelektronik ist in diesem Zustand in einem definiert einstellbaren Gleichgewicht, da bei Sonnenschein beide Sensoren 10; 11 beschienen werden. Zieht die Sonne ihre Bahn am Himmel, kommt es nach einer bestimmten Zeicht zur Abschattung des Sensors 10, was zu einem Ungleichgewicht der Sensorströme führt und die Brückenschaltung 7 entsprechend ihres Differenzwertes verstellt. Das führt über die Regelung 8 zu

einem Impuls auf den 12V-Stellmotor, der über Welle 13 die Paneelplatte 14 soweit dreht, bis beide Sensoren 10; 11 wieder bestrahlt werden und Brücke 7 im Gleichgewicht ist (Fig. 3). Dieser Vorgang vollzieht sich in Abhängigkeit vom Sonnenstand mehrfach, bis am Abend der "Westanschlag" erreicht ist und die Paneelplatte 14 wieder zum Ostanschlag zurückgeführt wird.

Ist keine Sonneneinstrahlung vorhanden, liefern die Sensoren 10; 11 keine Impulse an die Steuerelektronik 7. In diesem Falle ist die Verbindung zwischen Brückenschaltung 7 und Motorregelung 8 unterbrochen und die erforderlichen Nachstelibefehie werden von Schaltuhr 15 in festen Zeitabständen, beispielsweise Sekundentakt mit stündlichem Vorlauf, an den Motorantrieb 8 gegeben (Fig. 2). Sobald wieder Impulse von den Sensoren 10; 11 abgegeben werden, wird die Verbindung zur Schaltuhr getrennt und die Nachführung erfolgt wieder entsprechend dem Sonnenstand. - Ist es auf Grund unterschiedlicher Ursachen trotzdem einmal zu einer Nicht-Übereinstimmung zwischen Modulstellung und Sonnenstand gekommen, "wartet" die Anlage gem. Fig. 4 bis die Sonne entsprechend nachgewandert ist bzw. bei trübem Wetter
die Steuerung über Schaltuhr 15 läuft.

Bei voller Sonneneinstrahlung ergibt sich mit einer im Beispiel dargestellten Anlage eine Leistung von 45 Wp bei max. 17,2 V. Die Abnahme der Leistung erfolgt in an sich bekannter Weise über Laderegler 2, Batterie 3 und Wechselrichter 4 als 220 V Wechselspannung am Verbraucheranschluß 5 bzw. 12 V Gleichspannung am Verbraucheranschluß 6.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird erreicht, daß die Photovoltaik-Anlage im Tagesverlauf immer nach dem aktuellen Sonnenstand ausgerichtet ist, auch wenn nicht durchgängig Sonnenschein herrscht, was erheblich zu einer kontinuierlichen Leistungsbereitstellung in o.g. Größenordnung beiträgt, die Ausrichtung des Paneels 14 nach dem Kulminationspunkt der Sonne iim Sommer/Winter kann bei Bedarf von Hand direkt am Träger des Moduls erfolgen.

• a

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Solarpaneel (Photovoltaikmodule)

2 Laderegler

3 Batterie

4 Wechselrichter

5 Verbraucheranschluß AC

6 Verbraucheranschluß DC

7 Steuerelektronik (Brückenschaltung)

8 Regelung Motorantrieb

9 Gleichstrommotor

10 Sensor Ost

11 Sensor West

12 Trennwand

13 Welle mit Endschaltern

14 Platte für Solarpaneel

15 Schaltuhr

16 Relais

Claims

1. Schaltungsanordnung zur automatischen Nachführung von Solarmodulen, insbesondere Photovoltaik-Modulen, die auf einem um seine horizontale Achse kippbaren und um seine vertikale Achse zwischen zwei Festpunkten drehbaren Paneel jeweils senkrecht zum Einfallswinkel der Solarstrahlung gehalten werden, wobei die Drehung der senkrechten Paneel-Stütze bei Sonneneinstrahlung durch Impulse mindestens eines lichtempfindlichen Sensors auf die Regelung, eines Elektromotors erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei lichtempfindliche, gegeneinander abgeschattete Sensoren (10; 11) gleichzeitig oder wechselweise mit einer Steuerelektronik (7) verbunden sind, die über die impulsgesteuerte Regelung (8) den Stellmotor (9) so ein- und ausschaltet, daß das Solarpaneel (1) über Welle (13) in Ost-West-Richtung weitergedreht wird;

- daß die Steuerelektronik (7) über Regelung (8) mit dem Motor (9) verbunden ist, wenn ein Sensor (10) im Schatten und der zweite Sensor (11) im Bereich der Solarstrahlung liegen (Nachführung);

- daß die Verbindung zur Motorregelung (8) unterbrochen ist, wenn sich beide Sensoren (10; 11) im Bereich der Solarstrahlung befinden;

- daß die Verbindung zur Motorregelung (8) unterbrochen ist, wenn beide Sensoren (10; 11) keine Solarstrahlung empfangen;

- daß zwischen Steuerelektronik (7) und Motorregelung (8) eine Schaltuhr (15) so eingebunden ist, daß über Motor (9) alternativ in festen Zeitabständen eine Nachführung des Solarpaneels (1) um definierte Winkelsegmente erfolgt, wenn von den Sensoren (10; 11) keine Impulse an die Steuerelektronik (7) gegeben werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (7) aus einer Brückenschaltung besteht, die sich im Gleichgewicht befindet, wenn die Sensoren (10; 11) voll im Bereich der Solarstrahlung liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehle der Brückenschaltung (7) an die Motorregelung (8) aus der Differenz der von den Sensoren (10; 11) empfangenen Impulse ermittelt werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschattung zwischen "Ostsensor" (10) und "Westsensor" (11) durch eine Trennwand (12) erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (10; 11) aus regelbaren Photowiderständen bestehen, die in einem Prisma angeordnet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarpaneel (1) bei Erreichen des Endschalters (13) automatisch zu einem einstellbaren "Ostanschlag" zurückgeführt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Solarpaneels (1) nach dem Kulminationspunkt der Sonne im Sommer bzw. Winter durch ein Schwenken des Paneels (1) um seine horizontale Achse erfolgen kann.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Solarstrom als 220 V Wechselspannung oder 12 V Gleichspannung über Verbraucheranschlüsse (5; 6) abgenommen wird.