DE202012004211U1

DE202012004211U1 - Der Sonne nachgeführtes Trägersystem für ein Photovoltaik-Modulfeld

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Publication number: DE202012004211U1
Application number: DE202012004211U
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Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2012-07-24
Anticipated expiration: 2022-04-04

Abstract

Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die horizontale Drehbewegung (links/rechts) durch einen elektrischen Seilzug, der an einer Konsole befestigt ist, im Traversierbetrieb erzeugt wird. Traversierbetrieb bedeutet, dass ein Seil aufgewickelt, das zweite Seil gleichzeitig abgewickelt wird.

Description

1.) Allgemeine Systembeschreibung
In der Photovoltaik-Technik wird ein Trägersystem, das es erlaubt das Modulfeld der Sonne nachzuführen, auch als Tracker bezeichnet. Da sich die elektrische Leistung eines Modulfeldes nach dem Einfallswinkel der Sonne richtet (bei senkrechten Einfall Maximum) wird durch Nachführung der Wirkungsgrad erhöht. Die Leistungssteigerung liegt je nach Standort bzw. Sonnenscheindauer bei 30 bis 40% (45% in Südeuropa). Einachsige Systeme drehen sich horizontal von Ost nach West, (Azimut) zweiachsige Systeme berücksichtigen den Sonnenhöhenwinkel (Elevation), der sich täglich, auch durch die Jahreszeiten bedingt, ändert. Sie drehen sich also nicht nur horizontal sondern auch vertikal. Bei der hier beschriebenen Neuentwicklung handelt es sich um ein zweiachsig drehendes System.
2.) Stand der Technik
Die bisher bekannten Systeme werden zentriert auf einer Säule aufgebaut. Durch das Aufhängen an einem Punkt, hat die notwendige Berücksichtigung der Sturm und Windkräfte auf die statische Auslegung sehr ungünstige Auswirkungen. Entweder muss das Modulfeld relativ klein gehalten werden, oder die Säulen und die Getriebe sehr stark dimensioniert und damit sehr teuer werden. Es sind auch Systeme mit sehr großen Modulfeldern bekannt, die sich auf einer Laufschiene drehen und deren Laufräder sehr aufwendige und damit sehr teure eigene Antriebe besitzen und die im Dreh- bzw. Mittelpunkt gelagert werden müssen. Sie werden in südlichen Wüstengebieten (USA, Spanien usw. eingesetzt.) und können aus Kostengründen nicht für den mitteleuropäischen Bereich eingesetzt werden, da es z. B. in Deutschland keine so großen Brachflächen gibt. In Deutschland wird die Stromerzeugung mittels Photovoltaik-Technik erzeugten Strom auf den meistens schmalen Ackerflächen, also auf agrarisch genutzten Flächen, nicht mehr gefördert. Wohl aber gibt es in Deutschland vornehmlich im Mittelgebirgsbereich und auch in süddeutschen Raum viele leicht bis mittel geneigte Nordflächen die sich lediglich für Schafzucht eignen und wo es gleichzeitig sinnvoll wäre, im Sinne des weiteren Ausbaues der erneuerbaren Energieerzeugung, Photovoltaik-Strom zu erzeugen. Das beschriebene System könnte sich deshalb auf dem Markt erfolgreich etablieren weil die Bauteile günstiger sind als die bisher bekannten Systeme.
2.) Wirtschaftliche Betrachtung.
Die Kosten aller Unterkonstruktionen richten sich nach der Größe der Modulfläche. Dies setzt voraus, dass Module verwendet werden, die im Vergleich zur Fläche eine gute Stromausbeute bieten. Die vorliegende zeichnerisch dargestellte Version kann in der Modulfläche den Örtlichkeiten angepasst werden und mit unterschiedlichen Modulfabrikaten ausgerüstet werden. Im Rechen-Beispiel wird mit Sanjo Modulen gerechnet, die aus monokristallinen Hybridwafern (Hybritzellen) mit amorphem Silizium beschichtet sind. Diese Module haben eine Fläche von 1580 × 798 [mm] = 1,28 m² (rechnerische Fläche 1,6 × 0.8 m) und eine Nennleistung von 240 Wp. Auf dem Tracker-Gestell können 64 oder je nach statischer Auslegung auch mehr Module installiert werden. Bei 64 Modulen, ergibt sich eine Nennleistung von: 0,24 KW × 64 = 15,36 KW. Eine nach Süden ausgerichtete 10 KW-Anlage, die auf einem 30° schrägen Dach aufgebaut ist, (im Sept. 2008 installiert) hat mit den gleichen Modulen in den letzten 3 Jahren (1. Jahr: 12500, 2. Jahr: 11800, 3. Jahr: 13200 [KW], also im Durchschnitt: 12500 [KW], erbracht. (Standort: LK Karlsruhe) Das heist, dass bei diesen Modulen der mittlere Jahresertrag um den Faktor 1250 höher liegt als die Nennleistung. Dies ergäbe bei Nennleistung von 15 KW = 15 × 1250 = 18750 KW/Jahr Durch den hier gepl. Tracker erhöht sich die Leistung um mind. 30%, bzw. auf ca. 24375 KW/Jahr. Rechnet man mit einer Einspeisevergütung von 17,94 Ct/KW, (derzeit für Freianlagen) liegt der Jahresertrag bei 4372 €. Bei einer Stromvergütung von nur 14 Ct/KW würde der Jahresertrag auf ca. 3412 € sinken. Nach überschlägiger Kalkulation kostet der geplante Tracker ca. 10.000,- € (Material, Fundament plus Tracker- und Modul-Montage, Verkabelung, anteilmäßige Elektronische Steuerung, ohne Modulkosten) Dies entspricht einer Amortisationszeit von ca. 3 Jahren.
3.) Funktions-Beschreibung des vorgestellten Trägersystems
Kern der Neuheit besteht darin, dass die Steuerbewegung, sowohl in horizontaler Richtung (von Ost nach West) wie auch in vertikaler Richtung (Sonnenwinkel) durch Serienantriebe, die üblicherweise im Fahrzeugbau Anwendung finden, durchgeführt werden. Diese Antriebe sind Massenprodukte und daher preiswerter im Vergleich zu Antrieben die üblicherweise im Maschinenbau verwendet werden. Die horizontale Drehbewegung (links/rechts) wird durch einen elektrischen Seilzug (Pos. 1), befestigt an einer Konsole, (Pos. 2) im Traversierbetrieb, erzeugt. Traversierbetrieb bedeutet, dass ein Seil aufgewickelt, das zweite Seil gleichzeitig abgewickelt wird. Durch Zugfedern (Pos. 3) werden Längen-Unterschiede der Seile, die bei der Drehbewegung auftreten, ausgeglichen. Durch die Augen-Schrauben (Pos. 5) mit ihren Kontermuttern werden die Seile gleichmäßig vorgespannt und die Nullstellung (Südrichtung) justiert. Das gesamte Gestell, wird durch 4 Schwerlastbockrollen mit Spurkranz (Pos. 6) die unter den Grundrahmen angeschraubt sind, getragen. Dadurch ist beim Drehen nur Rollreibung zu berücksichtigen. Durch den Spurkranz, der am oberen Schenkel der Laufschiene (Pos. 10), (sie besteht aus 2 Halbkreisen) anliegt, wird das Gestell während des Ziehens auf einer kreisrunden Bahn gehalten, dadurch braucht das Gestell im Mittelpunkt nicht arretiert zu werden. An den Schwerlastbockrollen sind seitlich Seilführungsrillen angebracht, damit die Seile in jeder Drehstellung geführt sind. Um ein Entgleisen der Schwerlastbockrollen, z. B. bei Sturm, zu verhindern, sind Gegenlager mit Stützrollen (Pos. 4) eingebaut. Die Stützrollen liegen am dem unteren Schenkel der Laufschiene (Pos. 10) leicht an. Der untere rechteckige Grundrahmen (Pos. 11–12) ist aus statischen Gründen in etwa der Hälfte der Modulfläche angepasst und an den Ecken durch Knotenbleche (Pos. 13) verwindsteif gemacht. An den vorderen Endpunkten des Grundrahmens sind die Stützen (Pos 14) aufgesetzt, die oben einen Drehlagerbolzen (Pos. 15) für das Heben und Senken der Modulrahmen-Hebeträger (Pos. 21) besitzen. Die an den hinteren Endpunkten des Grundrahmens aufgesetzten Stützen (Pos 16), mit ihren Auflagelaschen (Pos 17), dienen als Auflage und Arretierung der Modulrahmen-Hebeträger in der untersten abgesenkten 15°-Position. (Stellung 12.00 Uhr nachmittags im Sommer) Die vertikale Kippbewegung wird durch zwei handelsübliche elektr. Wagenheber (Pos. 7), durchgeführt. Die Wagenheber sitzen auf einer Wippe (Pos. 8), damit sie sich um den Drehpunkt (Pos. 15) neigen können. Die Lagergabel (Pos. 9) sind die Wagenheber mit den Hebeträgern verbunden. Die Wagenheber liegen ca. 6 Meter auseinander was sich sehr günstig auf die Hebekraftverteilung und Verdrehsteifigkeit der Modulfläche auswirkt. Dabei drehen sich die beiden Modulrahmen-Hebeträger (Pos. 21) deren Grundstellung eine Schräge von 15° haben, um weitere 30°, wodurch die Modulfläche morgens und abends eine Schräge von 45° einnehmen kann. Die Stützen sind durch Querstreben (Pos. 18 und 19) und durch Diagonalstreben (Pos. 20) verwindungssteif gegen Wind- und Sturmkräfte gesichert. Die Längsträger (Pos 22), die aus 6 Meter langen Rechteckrohren hergestellt und durch je 2 Verbindungslaschen (Pos 23) und durch Schrauben (Pos. 24) auf mehr als das doppelte verlängert sind, haben wie alle oberen Bauteile (Pos 25 bis 27) die Aufgabe die Module (Pos 28) verwindungsfrei gegen Wind- und Sturmkräfte zu sichern. In Wind- und Sturm gefährdeten Gebieten wird es notwendig sein eine zusätzliche Verdreh- und Kippsicherung in Form von zwei elektromagnetischen Bremszangen (Pos 29) einzubauen. Diese werden diagonal versetzt im 180°-Abstand an die zwei Gegenlager angeschraubt, schließen bei Sturm und halten dadurch das ganze System fest. (System = Trägersystem + Module + el. Steuerung)
4.) Elektronische Steuerung
Da eng beieinander aufgebaute Systeme den gleichen Witterungs-Verhältnissen ausgesetzt sind, ist es sinnvoll mehrere Systeme über eine Steuerung zu steuern, z. B bringen 6 Systeme 95–100 KW Die Steueraufgaben werden über eine speicherprogrammierbare Steuerung kurz SPS durchgeführt. Als Eingangs-Signale für die SPS werden folgende Messwertgeber gebraucht:

– LUX Messgerät = (Helligkeit bzw. Lichtstärke)
– Windstärke und -Richtung
– Kalenderzeitschaltuhr
– Blitzableiter

Mit diesen Eingangswerten können folgende Schaltaufgaben durch geführt werden:

– Bei bedecktem Himmel, unter 18000 lx, fahren alle Antriebe auf 0-Stellung. Horizontal bedeutet 0-Stellung Süden, vertikal ganz unten (Der Modulrahmen ist auf der untersten Position)
– Bei Sonnenschein über ca. 18000 lx. morgens beginnt das Trägersystem von einer Stellung im Osten sich in Richtung Süden zu drehen. Extremstellungen: 21. Juni im Sommer 5 h –120°, im Winter 21. Dezember 8 h –50°, gleichzeitig vertikal ganz oben 12 h immer 0-Stellung, vertikal ganz unten Abends ist er im Westen angekommen, im Sommer 19 h bei +120°, im Winter 21. Dezember 16 h bei +50° Drehende, gleichzeitig vertikal ganz oben (Der Modulrahmen ist auf der obersten Position) Durch die sich ändernde Fahrstrecken verändern sich auch die Geschwindigkeiten. Im Sommer ist der horizontale Fahrwinkel pro Stunde größer als im Winter. Da sich jedoch nicht nur die Fahrstrecke sondern auch die Laufzeit vergrößert, kann dieses Phänomen vernachlässigt werden, und oder durch Stillstandzeiten ausgeglichen werden. Trotzdem müssen die Drehzahlen der 12 V, Gleichstrom-Motoren mittels Drehzahlregler auf die erforderliche Geschwindigkeit eingestellt werden.
– Sicherheits-Schaltung Bei Sturm fahren die Vertikal-Motoren nach unten, und die Schmalseite des Modulfeldes dreht sich winkelrecht zur Sturm-Richtung, gleichzeitig schließen sich die Bremsbacken
– Störmeldung bei Ausfall der Motoren und Blitzeinschlag

Weitere el. Geräte wie z. B. Wechselrichter, Zähler etc. richten sich nach dem Stromverwendungszweck.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Seilwinde
2: Konsole für die Seilwinde
3: Zugfedern
4: Gegenlager mit Stützrolle
5: Augenschrauben mit Seilbefestigung
6: Schwerlastbockrollen mit Spurkranz
7: elektrischer Wagenheber
8: Lagerbock als Wippe
9: Lagergabel mit Bolzen
10: Laufschiene
11: Längsträger (Grundrahmen)
12: Querträger (Grundrahmen)
13: Knotenbleche (zeichnerisch nicht dargestellt)
14: Stützen vorne
15: Drehpunkt-Bolzen
16: Stützen hinten
17: Arretierungslaschen
18: Querstreben seitlich
19: Längstreben vorne/hinten
20: Diagonalstreben
21: Modulrahmen-Hebeträger
22: Modulrahmen-Längsträger
23: Verbindungslaschen
24: Schrauben M12 × 100 (zeichnerisch nicht dargestellt)
25: Modulrahmen-Montageschienen
26: Entklemmen komplett mit Schrauben
27: Mittelklemmen komplett mit Schrauben
28: Solarmodule
29: elektromagnetische Bremsbacke (zeichnerisch nicht dargestellt, nur bei statischer Erfordernis)

Claims

Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die horizontale Drehbewegung (links/rechts) durch einen elektrischen Seilzug, der an einer Konsole befestigt ist, im Traversierbetrieb erzeugt wird. Traversierbetrieb bedeutet, dass ein Seil aufgewickelt, das zweite Seil gleichzeitig abgewickelt wird.
Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass durch Zugfedern die Längenunterschiede der Seile, die bei der Drehbewegung auftreten, ausgeglichen werden und die Nullstellung durch Augenschrauben mit ihren Kontermuttern die Seile gleichmäßig vorgespannt und justiert werden.
Schutzanspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass das gesamte Gestell durch 4 Schwerlastbockrollen mit Spurkranz getragen wird und dadurch beim Drehen nur Rollreibung entsteht. Außerdem muss, durch den Spurkranz, das Gestell im Mittelpunkt nicht arretiert werden.
Schutzanspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der untere recheckige Grundrahmen aus statischen Gründen in etwa der Hälfte der Modulfläche angepasst ist, und die vorderen 2 Stützen je einen Drehlagerpunkt für das Heben und Senken der Modulrahmen-Hebeträger besitzen.
Schutzanspruch 5 dadurch gekennzeichnet dass die vertikale Kippbewegung durch zwei handelsübliche elektr. Wagenheber durchgeführt wird. Sie liegen ca. 6 Meter auseinander was sich sehr günstig auf die Hebekraftverteilung und Verdrehsteifigkeit der Modulfläche auswirkt.
Schutzanspruch 6 dadurch gekennzeichnet dass in Wind- und Sturm gefährdeten Gebieten eine zusätzliche Verdreh- und Kippsicherung in Form von zwei elektromagnetischen Bremszangen im 180°-Abstand eingebaut werden
Schutzanspruch 7 dadurch gekennzeichnet dass die Programmierung für die elektronische Steuerung und die Kombination der Messwertgeber ebenfalls eine Neuheit darstellt.