DE4306656A1

DE4306656A1 - Automatische Nachführung nach dem Sonnenstand

Info

Publication number: DE4306656A1
Application number: DE4306656A
Authority: DE
Inventors: Georg Linckelmann
Original assignee: Georg Linckelmann
Current assignee: LINCKELMANN, GEB. SCHWARTZKOPFF, HELGA, 85604 ZORN
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1993-12-16

Description

Nachführungen von Solareinrichtungen nach dem Sonnenstand sind besonders wichtig für Konzentrato ren von Sonnenlicht. Die Anforderung an die Genauigkeit der Nachführung ist um so höher je größer der Konzentrationsgrad ist.

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei Verfahren der Nachführung:

a) vorbestimmt = passiv = open loop z. B. Nachführung durch zeitgesteuerte Motoren.
b) automatisch = aktiv = closed loop

Hierzu gehört die Anmeldung. Der Stand der Technik für sie ist vorzugsweise in folgenden beiden Patenten niedergelegt.

1. WO 88/04016: SELF-POSITIONING CARRIER WITH WIND SAFTY DEVICE FOR SOLAR PANELS.
2. US-Patent 4,476,853: SOLAR ENERGY RECOVERY SYSTEM.

In beiden Patenten wird das Signal für die automatische Nachführung von einem Schattenwurf abgelei tet. Das führt zu einer Begrenzung des Nachführbereiches, besonders im US-Patent. Hier wird deshalb die Nachführung bzw. Rückführung teilweise durch zeitgesteuerte Motoren übernommen.

Häufig erfolgt eine tägliche Nachführung um eine zur Erdachse parallele Achse und eine Nachführung senkrecht dazu nach dem im Jahresverlauf sich ändernden Höhenstand der Sonne. Besondere Pro bleme sind:

1. Die Rückführung der Anordnung von West nach Ost nach Sonnenuntergang.
2. Die Nachführung über einen größeren Bereich bei bedecktem Himmel.
3. Die genaue automatische Justierung nach dem Sonnenstand.

Für Punkt 1 und 2 ist ein großer Nachführungsbereich nach beiden Richtungen notwendig. Da die Nachführung nach dem Höhenstand der Sonne natürlich auch täglich durchführbar ist, kann man die Beschränkung einer Nachführung parallel zur Erdachse fallen lassen und eine einzige Art der Nachfüh rung, die für jeden beliebigen Erdort wirksam ist, vorsehen.

Das Grundprinzip der Erfindung sind nach Anspruch 1 zwei antiparallel geschaltete in einem pfeilförmi gen Querschnitt angeordnete Solarmodule oder Photodioden, mit deren Spannungskennlinie der Nachführungsmotor ohne oder mit eingefügten Verstärker angesteuert wird.

Bei Verzicht auf eine Rückführung von West nach Ost direkt nach Sonnenuntergang bzw. auf Nachfüh rung über einen größeren Bereich bei aussetzendem Sonnenschein, wird die Anordnung außerordent lich einfach. Man nimmt dann allerdings in Kauf, daß die Rückführung von West nach Ost erst nach Sonnenaufgang erfolgt bzw. nach aussetzendem Sonnenschein die Nachführung erst nach wieder ein setzendem Sonnenschein beginnt. Dadurch geht etwas Betriebszeit verloren.

Die Variationsbreite der Erfindung ist sehr groß und sie läßt sich nach Genauigkeit, Größe des Nach führ- und Rückführbereiches insbesondere für den täglichen Sonnengang aber einer weniger aufwendi gen Ausführung für die Nachführung nach dem Höhenstand der Sonne, da hier der Nachführbereich viel kleiner ist, anpassen.

Fig. 1 Mit Hilfe der in Anspruch 1 beschriebenen Spannungskennlinie, wird ein Gleichstrommotor angesteuert, der für die Nachführung der Solareinrichtung, auf der die beiden Solarmodule angebracht sind, sorgt. Es ist wünschenswert bei der Nachführung, daß die Pfeilspitze immer auf die Sonne zeigt. Das wird in Wirklichkeit nicht erreicht. Wandert die Sonne in Fig. 1 nach rechts, dann wächst γ so lange bis bei γ = γ_A der Nachführungsmotor zu laufen beginnt. Dabei ist der Motor so geschaltet, daß die Solareinrichtung nachgeführt wird, was bedeutet, daß der Winkel kleiner wird. Beim Unterschrei ten einer bestimmten Spannung an der Stelle γ = γ_E hört der Motor auf zu laufen. So erfolgt die Nachführung schrittweise. Der maximale Fehler bezogen auf γ = 0 ist γ_A. Allerdings kann man den Fehler verkleinern, wenn man die Bezugslinie für den Sollsonnenstand der Solareinrichtung auf den Mittelwert von γ_E und γ_A legt, da ja die Nachführung für den größten Teil der Zeit nur in einer Rich tung erfolgt.

Fig. 2 und 3 Wenn in Fig. 1 die Solareinrichtung bis etwa zum Sonnenuntergang mitgeführt ist, so besteht das Problem, daß bei Sonnenaufgang - einen großen Nachführungsbereich vorausgesetzt - eine Rückführung nicht möglich ist. Zur Lösung des Problems dienen die in Anspruch 2 beschriebenen Anordnungen. Sie ermöglichen z. B. in Fig. 2 eine Rückführung entlang des gestrichelten Pfeiles. Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn die Solareinrichtung morgens auf die aufgehende Sonne zurückge führt wird und danach die Sonne bis kurz vor Sonnenuntergang abgedeckt wird. Hier bewirkt die in Anspruch 2 beschriebene Anordnung eine Nachführung entlang der ausgezogenen Pfeile in Fig. 2 bzw. Fig. 3.

Allgemein kann man sagen, daß die Rückführung bzw. Nachführung über einen großen Bereich immer entlang der kürzeren Strecke erfolgt. Grundsätzlich ist mit der Anordnung nach Anspruch 2 ein Nach führungs- oder Rückführungsbereich von fast ±180° möglich.

Fig. 4 Seitliches Störlicht kann zu einer Verschiebung des Nullpunktes der Spannungskennlinie führen. Daher die Anordnung nach Anspruch 3. Nur darf die Dämpfung des Störlichtes nicht so groß sein, daß das Nutzlicht bei seitlichem Einfall so klein wird, daß eine Nachführung nicht mehr möglich ist. Fig. 5: Hier besorgt die Steigungsvergrößerung der Kennlinie eine bei Drehung der Anordnung gegen über dem Sonnenstand gegenläufige Schattenbildung. Die Anordnung ist die Anwendung eines Gedan kens des Patentes W088/04016 auf die antiparallel geschalteten Solarmodule.

Fig. 6 Ebene Spiegel reflektieren zusätzliches Sonnenlicht auf die Solarmodule. Wegen der "Lichthebelarme" besonders der weit entfernten Spiegelflächen ändert sich die Einstrahlung auf die Solarmodule mit der Drehung der Anordnung rasch. Dadurch die Versteilerung der Kennlinie. Auch ist die Einstrahlung des Sonnenlichtes höher als bei den bisher beschriebenen Anordnungen, so daß der Einfluß von Störlicht geringer wird.

Die Anordnung aus ebenen Spiegeln läßt sich auch durch wannenförmige Spiegel ersetzen.

Fig. 7 Die Abbildung zeigt eine Anordnung mit einer Linse, die ähnlich wie die Spiegelanordnung arbei tet. Diese Linsenanordnung läßt sich besonders gut mit Merkmalen nach Fig. 4 und 5 kombinieren.

Fig. 8 Für große Solarmodule wird auch die Spiegel- bzw. Linsenanordnung sehr groß. Das kann man vermeiden, wenn man die Tatsache ausnutzt, daß ein Solarmodul, das aus einer Serienschaltung von mehreren Solarelementen besteht, gesperrt ist, wenn nur ein Element unbeleuchtet bleibt. Dazu Anspruch 8.

Fig. 9 Eine wesentliche Versteilerung der Spannungskennlinie, die den Motor ansteuert ist mit einem Verstärker möglich, wie hier gezeigt und in Anspruch 9 geschildert. Die den Verstärker speisende Gleichspannungsquelle kann natürlich wieder ein Solarmodul sein, wobei man die bekannten Verfahren zur Anlaufhilfe für den Motor benutzen kann.

Fig. 10 Besonders vorteilhaft ist die auch in Anspruch 10 aufgeführte Verstärkerschaltung. Die Schal terbrücke am Verstärkerausgang ist als Bipolarer Treiber im Katalog Portescap 1992 S. 105 beschrie ben.

Claims

1. Vorrichtung zur automatischen Nachführung nach dem Sonnenstand dadurch gekennzeichnet, daß zwei antiparallel geschaltete Solarmodule oder Photodioden (1) und (2) in Fig. 1, die in einem pfeilspitzenähnlichen Querschnitt auf der nachzuführenden Solareinrichtung gegebenenfalls auf einem gemeinsamen Kühlkörper (3) befestigt sind und die in Abhängigkeit vom Winkel γ in Fig. 1 zum Sonnenstand gegenläufig ausgeleuchtet werden und sich dadurch aus den beiden Span nungskennlinien (5) und (6) der einzelnen Solarmodule (Photodioden) eine resultierende Span nungskennlinie (4) wechselnder Polarität ergibt, die etwa bei gleicher Ausleuchtung der Solarmo dule oder Photodioden durch den Spannungsnullpunkt geht und mit deren Hilfe ein Gleichstrommotor (7) zur Nachführung angesteuert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die antiparallel geschalteten Solarmo dule oder Photodioden (1) und (2) in Fig. 2 durch zwei Solarmodule oder Photodioden (3) und (4) ergänzt werden, die in einem um 180° gewendeten pfeilspitzenähnlichen Querschnitt angeordnet sind, wobei die ergänzten Solarmodule oder Photodioden (3) und (4) zu den benachbarten ursprünglichen Solarmodulen oder Photodioden (1) und (2) parallel geschaltet sind, oder, daß zwei gegeneinander gebogene Solarfolien (1) und (2) in Fig. 3 antiparallel geschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß seitlich einfallendes Störlicht durch Flächen (3), (4) aus teildurchlässigem Material (Fig. 4) gedämpft wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein vor den Solarmodulen oder Pho todioden (1) und (2) in Fig. 5 angebrachter Schattenwerfer (3), dessen vorzugsweise Form ein T- Trägerabschnitt ist, bei sich verändernden Sonnenstand auf das eine Solarmodul (Photodiode) (1) einen wachsenden und auf das andere Solarmodul (Photodiode) (2) einen abnehmenden Schatten wirft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß den Solarmodulen oder Photodioden (1) und (2) in Fig. 6 Spiegelsysteme (3) und (4) bestehend aus einem oder mehreren ebenen Spiegeln oder aus einem Wannenspiegel angefügt sind, die bewirken, daß nicht nur direkte Son nenstrahlen, sondern auch gespiegelte Strahlen auf die Solarmodule oder Photodioden fallen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenstrahlen durch ein Linsensy stem in Fig. 7 auf die Solarmodule oder Photodioden (1) und (2) konzentriert werden.

7. Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet durch Kombination eines Teils oder aller Merkmale von Anspruch 1 bis 6.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Solarmodule oder Photodioden (1) und (2) in Fig. 1 bis 7 aus durch in Serie geschaltete dauernd beleuchtete Solarmodule (3) und (4) nach Fig. 8 ergänzt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den antiparallel geschalteten Solarmodulen oder Photodioden (1) und (2) und dem Gleichstrommotor für die Nachführung in Fig. 9 ein Verstärker (3) geschaltet ist.

10. Bipolare Treiberschaltung in bekannter Weise als Brückenschaltung von Schalttransistoren ausge legt dadurch gekennzeichnet, daß in Fig. 10 die Eingangsvorspannung für die Operationsverstärker A und B mit Hilfe der Zenerdiode D1 so bemessen ist, daß bei der Eingangsspannung Ue = 0 die Ansteuer transistoren T1 und T2 und damit die ganze Transistorbrücke gesperrt sind und daß bei pos. Ein gangsspannung Ue über den Transistor T1 der Brückenzweig T3-T5 durchgeschaltet wird, sowie bei neg. Eingangsspannung Ue über den Transistor T2 der Brückenzweig T4-T6 durchgeschaltet wird.