DE20318080U1

DE20318080U1 - Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie

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Publication number: DE20318080U1
Application number: DE20318080U
Authority: DE
Original assignee: RESTEMEYER DIETER
Current assignee: RESTEMEYER DIETER
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2013-11-23

Abstract

Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie (A, A'), mit einem eine Rinne bildenden Sammelspiegel (2), der mittels einer Tragvorrichtung (4) dem Sonnenstand nachführbar ist, wobei diese Anordnung als Wärmetauscher jeweilige nahe einer Brennlinie (6) des Spiegels (2) vorgesehene und in Längsrichtung (L) der Sammelrinne verlaufende Kollektorrohre (7) zugeordnet sind, mit denen die einfallende Strahlung (A, A') einem Wärmetauschermedium zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als ein ein Gehäuseteil (8) mit weitgehend geschlossener Umfangskontur aufweisender Solarmodul (M, M', M") ausgebildet ist, wobei dessen auf der angetriebenen Tragvorrichtung (4) schwenkbar abgestützter Gehäuseteil (8) eine sich zwischen gegenüberliegenden Seitenwandteilen (9, 10) erstreckende Rückwand (11) in Form des rinnenförmigen Sammelspiegels (2) aufweist, diesem vorderseitig eine sonnenlichtdurchlässige Deckscheibe (13) zugeordnet ist und in dem damit begrenzten Innenraum (14) zwischen den Seitenwandteilen (9, 10) in Richtung der Brennlinie (6) des Spiegels (2) die Kollektorrohre (7, 7') verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten Vorrichtungen zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie ( DE 30 28 437 C2 ) ist zu deren Erfassung ein halbkugelförmiger Parabolspiegel vorgesehen, der im Nahbereich seines Brennpunktes einen einfallende Strahlung einem Wärmetauschermedium zuführenden Absorber mit Kollektorrohren aufweist. Der Parabolspiegel besteht dabei aus einer Vielzahl von Spiegel-Segmenten, so daß derartige Vorrichtungen insgesamt aufwendig gebaut sind. Gemäß einem Vorschlag in DE 195 46 913 A1 weist eine als Solarkollektor bezeichnete Vorrichtung einen langgestreckten Reflektor in Form einer Parabolrinne auf, wobei dieser Parabolrinne Rohrkollektoren außerhalb zugeordnet sind und diese Einbaulage zu einem verringerten Wirkungsgrad führt. Bei einer Solaranlage gemäß DE-OS 28 02 167 ist ein Reflexionskollektor vorgesehen, der eine Vielzahl von die Kollektorrohre einzeln umgreifenden Schalenteilen aufweist. Damit ist die gesamte Anlage nur mit hohem Aufwand in ihrer Wärmekapazität veränderbar.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie zu schaffen, die mit geringem technischem Aufwand herstellbar ist, eine insgesamt preiswerte und einfach erweiterbare Kollektoranordnung aufweist und diese bei optimaler Sonnennachführung eine Erhöhung des Wirkungsgrades ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 14 verwiesen.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie ist in Form eines weitgehend geschlossenen Solarmoduls ausgebildet, dessen rinnenförmig verlaufender Sammelspiegel vorderseitig auf der zur Sonne ausgerichteten Seite durch eine lichtdurchlässige Deckscheibe verschlossen ist. In diesem Innenraum sind im Bereich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie der Spiegelanordnung verlaufende Kollektorrohre so angeordnet, daß ein optimaler Eintrag der Strahlungsenergie erreicht und eine weitgehend verlustfreie Strahlungsaufnahme sowie Wärmegewinnung möglich ist.
Der kompakte Solarmodul ist dabei auf einer einen automatischen Antrieb aufweisenden Tragvorrichtung so angeordnet, daß mit einfachen Mitteln eine zeit- und winkelgesteuerte Nachführung des Sammelspiegels auf einer der Jahreszeit entsprechenden Bahnkurve der Sonne durchführbar ist, wobei zur Leistungssteigerung einer derartigen Anlage auch mehrere der Solarmodule zu einer Baueinheit verbindbar sind.
Die Solarmodule sind im Bereich ihres jeweiligen Sammelspiegels mit einer insbesondere aus hochchromhaltigem Edelstahl bestehenden Platte versehen. Diese ist an jeweiligen die Tragvorrichtung bildenden Stützstreben so angelegt, daß mit dieser Platte als einziges Spiegelteil je Modul die Reflexion der Sonnenstrahlung zu den zentralen Kollektorrohren hin möglich ist. Die Edelstahl-Spiegelplatte ist dabei unter Vorspannung zwischen zwei Halteteilen so festgelegt, daß mittels deren Verstellung die radiale Krümmung in der Einbaulage der Platte einstellbar ist und so die Spiegelfläche mit geringem Aufwand auf den Brennpunkt bzw. die Brennlinie mit der Kollektoranordnung eingestellt werden kann. Die gesamte Baueinheit des Solarmoduls ist mit geringem Aufwand herstellbar, so daß damit eine geringe Gestehungskosten aufweisende Vorrichtung in kundenspezifisch variabler Größe aufbaubar ist, da auch mehrere der Solarmodule auf der angetriebenen Tragvorrichtung aufnehmbar sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung näher veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung auf einer angetriebenen Tragvorrichtung,
2 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß 1 mit mehreren auf der Tragvorrichtung vorgesehenen Solarmodulen,
3 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Aufbaus des Solarmoduls,
4 eine Prinzipdarstellung im Bereich des Antriebes der Tragvorrichtung gemäß einer Linie IV–IV in 1,
5 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Sammelspiegels im Bereich des Solarmoduls,
6 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung gemäß Pfeil VI in 5,
7 eine Seitenansicht mehrerer den Kollektor bildender Rohre,
8 eine Stirnansicht der in einer Schraubenlinie verlegten Kollektorrohre gemäß 7,
9 bis 11 jeweilige Ansichten des Solarmoduls mit an dessen Deckscheibe vorgesehenen Spiegellamellen, und
12 eine rückseitige Perspektivansicht der Vorrichtung zur Wärmegewinnung ähnlich 1.
In 1 ist eine insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie dargestellt, die einen insbesondere rinnenförmig ausgebildeten Sammelspiegel 2 aufweist. Dieser Sammelspiegel 2 ist mittels einer einen Antrieb 3 aufweisenden Tragvorrichtung 4 durch entsprechende Kippbewegungen K bzw. Schwenkbewegungen S (2) der Bewegungsbahn der Sonnen nachführbar, so daß der Spiegel 2' die mit Strich-Punkt-Linie in 1 dargestellte Lage einnimmt. Dieser Anordnung sind als Wärmetauscher 5 jeweilige nahe einer zentralen Brennlinie 6 des Spiegels 2 vorgesehene und in Richtung einer Längsmittelachse L des rinnenförmigen Sammelspiegels 2 verlaufende Kollektorrohre 7 zugeordnet, in denen die einfallende Strahlung (3, Pfeil A) einem Wärmetauschermedium zuführbar und zu einem externen Verbraucher (nicht dargestellt) weiterleitbar ist.
Die Vorrichtung 1 ist in erfindungsgemäßer Ausführung als ein ein Gehäuseteil 8 (2) mit weitgehend geschlossener Umfangskontur aufweisender Solarmodul M ausgebildet. Dieser auf der angetriebenen Tragvorrichtung 4 schwenkbar abgestützte Gehäuseteil 8 weist eine sich zwischen gegenüberliegenden Seitenwandteilen 9, 10 erstreckende Rückwand 11 auf, an der der rinnenförmige Sammelspiegel 2 festgelegt ist. Diesem Sammelspiegel 2 ist vorderseitig eine sonnenlichtdurchlässige Deckscheibe 13 zugeordnet und in dem damit begrenzten Innenraum 14 verlaufen die Kollektorrohre 7 in Richtung der Brennlinie 6 der Spiegelfläche bzw. parallel zu dieser in Richtung der Längsmittelachse L (entspricht der Kippachse für die Bewegung K, 1).
Die Vorderansicht der Vorrichtung 1 gemäß 2 zeigt, daß auf der Tragvorrichtung 4 mehrere Solarmodule M, M', M" festgelegt sind, wobei diese mittels eines gemeinsamen Antriebes 3 (1) und der Stützbaugruppe dem Sonnenstand nachführbar sind (Schwenkung S, Kippung K, Drehung D). Die Solarmodule M, M', M" sind dabei in einer Reihenanordnung nebeneinander auf einem Gestellteil 15 der Tragvorrichtung 4 angeordnet, wobei im Bereich der paarweise aneinandergrenzenden Seitenwände 9, 10 die durch diese hindurchgeführten Kollektorrohre 7 verbunden sind. Das in diesem geförderte Wärmetauschermedium wird einem nicht dargestellten Speicher oder Verbraucher zugeführt.
Die vergrößerten Einzeldarstellungen gemäß 3 bzw. 5 zeigen, daß als Sammelspiegel 2 eine einstückige, im Gehäuseteil 8 eingespannte Metallplatte P vorgesehen ist, die eine den Innenraum 14 des Solarmoduls M rückseitig begrenzende Spiegelfläche bildet. Für eine kostenoptimale Fertigung derartiger Solarmodule M hat sich die Verwendung einer federelastisch spannbaren Platte P als schnell verfügbare und einfach einstellbare Spiegelfläche herausgestellt, wobei diese Platte P vorteilhaft aus einem hochchromhaltigen Edelstahl besteht.
Die Platte P des Sammelspiegels 2 (5) ist dabei mittels zumindest einer die jeweiligen Wölbungen W und W' (5) bestimmenden sowie die Reflexion der Strahlung A der Spiegelfläche auf die Brennlinie 6 mit den Kollektorrohren 7 (3) einstellenden Spannvorrichtung 16 im Bereich der Tragvorrichtung 4 bzw. des Gehäuseteils 8 festgelegt. In 6 zeigt eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung die Ausbildung der Spannvorrichtung 16 am oberen Ende des Sammelspiegels 2. Die Metallplatte P kann dabei auch nur bereichsweise am oberen bzw. unteren Ende der Rückwand 11 angelegt werden. Die Platte P ist mittels einer an der Rückwand 11 im Bereich einer oberen Längsstrebe 12 gehaltenen Druckschraube 18 mit Tellerfeder 18' und eines von diesen Spannteilen durchgriffenen U-förmigen Klemmprofils 19 festgelegt. Die Schraube 18 ist durch eine Drehung G zum Klemmprofil 19 hin so verlagerbar, daß damit in einer Pfeilrichtung B Druck auf die Metallplatte P im Bereich deren Stirnfläche 19' ausgeübt wird. Unter Wirkung dieser Spannkraft B wird die Platte P definiert gespannt und dabei die Spiegelfläche so geformt, daß diese die zur optimalen Strahlenreflexion vorgesehene Wölbungs-Form W, W' einnimmt. Die Rückwand 11 des Gehäuses 8 kann dabei Strebenteile 11' (12) aufweisen, an denen die Platte P anliegt (6) und damit ein maximaler Radius R, R' der Wölbung vorgegeben wird.
Die in 6 dargestellte Spannvorrichtung 16 ist in spiegelbildlicher Ausführung auch im Bereich des unteren Endes des Gehäuseteils 8 in Form einer Spannvorrichtung 17 vorgesehen. Mittels dieser beiden Spannvorrichtungen 16 und 17 kann die Metallplatte beidseits ihrer parallel zur Brennlinie 6 verlaufenden Scheitellinie C so fixiert werden (5), daß der Spiegel 2 bzw. die jeweiligen Teil-Spiegelflächen der Platte P auf unterschiedliche Wölbungsradien W, W' einstellbar sind. Damit ist eine optimale Einstellung des Strahlenverlaufs im Sammelspiegel 2 auf die zentral im Bereich der Brennlinie 6 verlaufenden Kollektorrohre 7 (3) möglich und der Wirkungsgrad des Solarmoduls M durch maximale Energieaufnahme vorteilhaft hoch. Im Bereich der Rückwand 11 ist der Solarmodul mit einer Wärmedämmung 40 versehen (6) Die Querschnittsdarstellung gemäß 3 zeigt, daß (in vorteilhafter Ausführung) die Kollektorrohre 7 in einem nach vorn zur Deckscheibe 13 hin offenen Kanalteil 21 aufgenommen sind. In diesem Kanalteil 21 wird die in Pfeilrichtung A' einfallende Sonnen-Strahlung direkt gesammelt bzw. auf die Rohre 7 geleitet, während die Strahlung A von der Edelstahl-Platte P zu der Rückwand des aus einem Kupfermaterial gefertigten Kanalteils 21 hin reflektiert wird und von da aus die Einleitung der Wärmeenergie in die Kollektorrohre 7 erfolgt. Zur Optimierung dieses Wärmeüberganges ist der Kanalteil 21 im wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei vorderseitige Schenkelteile 22 und 23 zur Deckscheibe 13 hin verlängert sind und am Basisschenkel des U-Profils ein rückseitiger Längsschenkel 24 vorgesehen ist, mit dem insbesondere nur die im direkten Strahlungs-Schatten des Kanalteiles 21 auftretende Konfektionswärme aus dem Innenraum 14 des Moduls M erfaßt und in die Kollektorrohre 7 eingeleitet wird.
Die Konstruktion des Sammelspiegels 2 mit der einstellbaren Metallplatte P ermöglicht den Aufbau des Solarmoduls M mit einer vorteilhaft geringen Bautiefe E ( 3). Dies wird dadurch erreicht, daß der Verlauf der Wölbungsbereiche W und W' mit jeweiligen Radienbögen R und R' berechnet sind, die außerhalb der Mittellängsebene N liegende Radienmittelpunkte T und T' aufweisen.
In 7 und 8 ist eine zweite Ausführungsform der als primäre Wärmetauscher vorgesehenen Kollektorrohre 7' dargestellt, wobei hier mehrere schraubenlinienförmig verlaufende und weitgehend spaltfrei aneinanderliegende Rohre 24 an Stelle des U-Kanalteiles 21 als zentrale Sammler-Anordnung in dem Solarmodul M, M', M" vorgesehen sind. Der Innenraum 14 des Moduls M ist dadurch zugänglich, daß der Rahmen 8 mit einer schwenkbaren (Pfeil 39') Glashalterung 39 versehen ist ( 12) und zur permanenten Entlüftung des Innenraums 14 kann eine nicht dargestellte Druckausgleichsöffnung vorgesehen werden.
Die Darstellungen gemäß 9 bis 11 zeigen weitere Gestaltungsmöglichkeiten des Solarmoduls M, wobei dieser oberhalb seiner die Sonnenstrahlung A einlassenden Deckscheibe 13 mit in einer Pfeilrichtung F schwenkbaren Lamellen 25 versehen ist, die insbesondere eine doppelseitige Verspiegelung aufweisen. Damit ist auch in unterschiedlichen Einbaulagen, beispielsweise in der gemäß 11 gezeigten Horizontalstellung, eine Wärmeenergiegewinnung mittels des Solarmoduls M möglich, wobei dieser mit den Lamellen 25 auch im Bereich von Flachdächern o. dgl. installierbar ist. Zur Einstellung und zeit- bzw. positionsgenauen Nachführung sowie einer optimalen Reflexionseinstellung der Spiegel-Lamellen 25 ist ein entsprechender Antrieb 26 vorgesehen, der mit Verbindungsteilen 26' auf die Lamellen 25 so einwirkt, daß diese ebenfalls entsprechend dem Sonnenstand steuerbar sind. Ebenso ist denkbar, daß vorhandene Kollektoren mit den steuerbaren Lamellen 25 nachgerüstet werden.
In 4 ist in einer Draufsicht der insgesamt mit 3 bezeichnete Antrieb für den Solarmodul M dargestellt, wobei zu dessen Bewegung mit der Tragvorrichtung 4 ( 1) ein Antriebsmotor 28 vorgesehen ist, dessen Antriebsschnecke 29 mit einer Untersetzung im Verhältnis 60 : 1 ein Schneckenrad 30 antreibt. Nachgeordnet diesem Schneckenrad 30 wird mittels einer Stahlrollenkette 31 o. dgl. Antriebsverbinder ein Hauptrad 32 der Tragvorrichtung 4 mit einem Untersetzungsverhältnis von 24 : 1 angetrieben. Mit dieser vergleichsweise einfachen Konstruktion besteht die Möglichkeit, den Solarmodul M im Minuten-Takt mittels einer preiswerten Zentraluhr anzusteuern und damit eine optimale Sonnennachführung zu realisieren. Für die Eichung und Eilrückstellung der Anlage ist ein zweiter Antrieb 33 mit entsprechenden Umlenkrollen 34 vorgesehen.
Mit diesen Antrieben 28 und 33 wirkt die Tragvorrichtung 4 im Bereich eines Schubgestänges 35 (1, 2) mit einem Führungsbogen 36 so zusammen, daß entsprechend der getakteten Drehbewegung D um die vertikale Hochachse N die Kip pung K bzw. Schwenkung S der Tragvorrichtung 4 bzw. des Solarmoduls M erfolgt. Die um die Hochachse N schwenkende Baugruppe liegt mit einer Stützrolle 37 auf dem Führungsbogen 36 auf, so daß der Solarmodul M entlang einer dem Wendekreis der Sonne entsprechenden und zur Horizontalen geneigten Führungsbahn X (2) geführt ist, derart, daß mittels des die Schubbewegung gemäß Pfeil 35' bewirkenden Gestänges 35 die entsprechende Kippung K gesteuert wird. Durch eine entsprechende Stellbaugruppe 38 ist die Neigung X des Führungsbogens 36 einstellbar und damit die Anlage mit den Solarmodulen A, A', A" insgesamt auf veränderte Winkeleinstellungen in Sommer- bzw. Winterzeit umrüstbar.

Claims

Vorrichtung zur Wärmegewinnung mittels Sonnenenergie (A, A'), mit einem eine Rinne bildenden Sammelspiegel (2), der mittels einer Tragvorrichtung (4) dem Sonnenstand nachführbar ist, wobei diese Anordnung als Wärmetauscher jeweilige nahe einer Brennlinie (6) des Spiegels (2) vorgesehene und in Längsrichtung (L) der Sammelrinne verlaufende Kollektorrohre (7) zugeordnet sind, mit denen die einfallende Strahlung (A, A') einem Wärmetauschermedium zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als ein ein Gehäuseteil (8) mit weitgehend geschlossener Umfangskontur aufweisender Solarmodul (M, M', M") ausgebildet ist, wobei dessen auf der angetriebenen Tragvorrichtung (4) schwenkbar abgestützter Gehäuseteil (8) eine sich zwischen gegenüberliegenden Seitenwandteilen (9, 10) erstreckende Rückwand (11) in Form des rinnenförmigen Sammelspiegels (2) aufweist, diesem vorderseitig eine sonnenlichtdurchlässige Deckscheibe (13) zugeordnet ist und in dem damit begrenzten Innenraum (14) zwischen den Seitenwandteilen (9, 10) in Richtung der Brennlinie (6) des Spiegels (2) die Kollektorrohre (7, 7') verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf einer Tragvorrichtung (4) mehrere Solarmodule (M, M', M") aufweist, die mittels eines gemeinsamen Antriebs (3) dem Sonnenstand nachführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Solarmodule (M, M', M") in einer Reihenanordnung nebeneinander auf einem Gestellteil (15) der Tragvorrichtung (4) angeordnet und im Bereich jeweiliger durch die Seitenwände (9, 10) hindurchgeführter Kollektorrohre (7, 7') verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sammelspiegel (2) eine einstückige, im Gehäuseteil (8) eingespannte Metallplatte (P) vorgesehen ist, die eine den Hohlraum (14) des Solarmoduls (M, M', M") begrenzende Spiegelfläche bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als spiegelnde Metallplatte (P) eine federelastisch spannbare Edelstahlplatte vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (P) des Sammelspiegels (2) mit einer die Wölbung (W, W') der Spiegelfläche auf die Brennlinie (6) mit den Kollektorrohren (7, 7') einstellenden Spannvorrichtung (16, 17) an der Tragvorrichtung (4) festlegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (P) beidseits ihrer parallel zur Brennlinie (6) verlaufenden Scheitellinie (C) jeweils Teil-Spiegelflächen (W, W') mit unterschiedlichen Wölbungsradien (R, R') aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Brennlinie (6) verlaufenden Kollektorrohre (7) in einem nach vorn zur Deckscheibe (13) hin offenen Kanalteil (21) aufgenommen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalteil (21) U-förmig ausgebildet ist, wobei die vorderseitigen Schenkelteile (22, 23) zur Deckscheibe (13) hin verlängert sind und am Basisschenkel des U-Profils ein rückseitiger Längsschenkel (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmetauscher bildenden Kollektorrohre (7') in Form von schraubenlinienförmig verlaufenden und spaltfrei aneinanderliegenden Rohren (24) eines Stranges vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseteil (8) des Solarmoduls (M, M', M") eine rückseitige Wärmedämmung aufweist und der Innenraum (14) mit einer Belüftungsöffnung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (4) des Solarmoduls (M, M', M") im Bereich des Antriebs (3) mit einer sowohl die Schwenkung (D; S) um eine vertikale Hochachse (H) als auch eine den Sonnenstand nachführende Kippung (K) bewirkenden Steuereinheit (35, 36, 37) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Solarmodul (M, M', M") im Bereich seiner die Sonnenstrahlung einlassenden Deckscheibe (13) mit schwenkbaren Lamellen (25) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbaren Lamellen (25) aus einem doppelseitig verspiegelten Material besteht und sämtliche Lamellen (25) mittels eines Antriebes 26 einstellbar sind.