DE60015950T2

DE60015950T2 - Sonnenkollektor und nachführungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60015950T2
Application number: DE60015950T
Authority: DE
Inventors: Jefferson Shingleton
Original assignee: PowerLight Corp
Current assignee: SunPower Corp Systems
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: EP1169604B1; US6058930A; JP2002542615A; WO2000063625A1; JP5311697B2; ES2232442T3; DE60015950D1; EP1169604A1; ATE282802T1; PT1169604E

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Sonnenenergiekollektoren und im Besonderen eine Anlage zum Antrieb einer Vielzahl von Reihen an Solarpanelen zum Verfolgen der Bewegung der Sonne relativ zur Erde. Die Erfindung ist insbesondere darauf ausgerichtet, die Effizienz und Verlässlichkeit der Nachführungsanlage zum Schwenken oder Drehen einer Gruppe oder Anordnung aus Reihen an Solarpanelen zu verbessern. Die Erfindung bezieht sich auf Solarkollektoren, bei denen die Panele Anordnungen aus Photovoltaik-Zellen zur Erzeugung von elektrischem Strom sind, dasselbe Prinzip ist jedoch auch auf Anordnungen für Solarheizungen beispielsweise anwendbar.
Photovoltaik-Anordnungen werden für verschiedenste Zwecke eingesetzt, einschließlich als interaktives Stromversorgungssystem, zur Stromspeisung von entfernt gelegenen oder unbemannten Einrichtungen, zur Stromversorgung von Vermittlungsstellen für Mobiltelefone oder zur Stromversorgung eines Dorfs. Diese Anordnungen können eine Kapazität von einigen Kilowatt bis zu hundert Kilowatt oder mehr haben und können überall dort installiert werden, wo ein geeignet flaches Areal zur Verfügung steht, das während signifikanter Tagesabschnitte der Sonne ausgesetzt ist.
Allgemein gesagt tragen diese Systeme ihre Photovoltaik-Panelen in Form von Reihen auf einem Torsionsrohr, das als Achse fungiert. Ein Nachführungsantriebssystem dreht oder schwenkt die Reihen, um die Panele so rechtwinkelig wie möglich zur Sonne zu halten. Üblicherweise sind die Reihen so angeordnet, dass ihre Achsen in einer Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind, und die Nachführungen drehen die Reihen der Panele im Lauf des Tages schrittweise von einer nach Osten weisenden Richtung am Morgen hin zu einer nach Westen weisenden Richtung am Nachmittag. Die Panelenreihen werden für den nächsten Tag wieder in die nach Osten weisende Richtung rückgeführt.
Eine Solarkollektorenanlage dieser Art ist von Barker et al. im U.S.-Patent Nr. 5.228.924 dargelegt. Darin ist jede Panelenreihe an einer horizontalen Drehwelle befestigt, die von einem oder mehreren Lagerpfeiler getragen ist, an denen die Drehwelle drehbar gelagert ist. Ein Antriebsmechanismus ist an einem der Stützpfeiler befestigt und drückt die Solarpanele an einem Punkt, der von der Welle versetzt liegt. In diesem Fall handelt es sich beim Antrieb um einen Schraubenantrieb, und wenn sich ein Antriebsmotor dreht, so fährt eine Welle aus oder zieht sich zurück, um die Panelenreihe in die eine oder in die andere Richtung zu drehen. Bei dieser Anlage verfügt jede Panelenreihe über ihren eigenen Antriebsmechanismus, weshalb all diese aufeinander abgestimmt sein müssen, um der Sonne gemeinsam zu folgen. Mit einem auf einem Pfeiler angebrachten Antrieb ist es schwierig oder gar unmöglich, nur einen einzigen Antrieb zur Bewegung von mehr als einer Reihe an Solarpanelen einzusetzen.
Ein Problem, das sich bei dieser Anlage, d.h. mit dem auf einem Pfeiler montierten Mechanismus, stellt, ist dass sie nur schwer mit der enormen Drehmomentbelastung, die durch Wind und andere Wetterphänomene erzeugt werden kann, umgehen kann. Sie ist dafür verantwortlich, dass die Befestigungsvorrichtungen für Antrieb und Pfeiler äußerst komplex sind. Außerdem muss der Pfeiler selbst verstärkt werden, um die Antriebskräfte zum Fundament, auf welchem er befestigt, zu übertragen. Durch den auf dem Pfeiler befestigten Antrieb ist der Pfeiler zudem Biegekräften unterworfen. Da sowohl die Drehwelle als auch der Antrieb am Pfeiler befestigt sind, ist es nicht möglich, einen großen Drehmomentausleger oder Momentenarm anzuordnen, wodurch eine großer Lastfaktor auf dem Antriebsmechanismus liegt.
Herkömmliche Nachführungen dieser Art verwenden quadratische Stahlrohre als Träger, die sich zwischen den Stützpfeilern erstrecken, da angesichts der Gegenwart von durch Wind erzeugten Belastungen diese Form die Torsionsbelastungen zwischen den Panelen und dem Antrieb besser tragen kann. Um jedoch aufeinander folgende Abschnitte eines quadratischen Torsionsrohrs oder -trägers zu verbinden, werden besondere Verbindungsstücke benötigt, die für eine noch komplexere und kostenaufwendigere Konstruktion sorgen. Außerdem müssen diese quadratischen Torsionsrohre, aufgrund des Gewichts und der Windbelastung der Panele, sowohl drehbar, radial als auch axial angeordnet sein, dort wo sie an den Stützpfeilern dreh bar gelagert sind. Im Laufe der Zeit zerstört der Kontakt von Metall zu Metall zwischen dem Torsionsrohr und dem Lagerzapfen den Korrosionsschutzüberzug. Die Lager oder Schwenkanordnung zur drehbaren Lagerung für herkömmliche Nachführungssysteme bieten jedoch keine Lösung für diese Probleme an.
Ein Sonnenenergiekollektor und -wandler vom Typ zum Erhitzen von Umlaufwasser ist im U.S.-Patent Nr. 4.000.734 (Matlock et al.), beschrieben. Bei dieser Art von Kollektor ist ein Heizrohr im linearen Brennpunkt eines drehbaren Parabolreflektors angeordnet. Mehrere solche Reflektoren sind auf einem Trägerrahmen angeordnet, sodass die gedreht werden können, um auf die Position der Sonne gerichtet zu sein. Die Reflektoren weisen die Form von Rinnen auf, die parallel am Rahmen angeordnet sind. Ein Verbindungsmittel verbindet alle Reflektoren, und ein Schraubenantrieb bewegt das Verbindungsmittel, um die Rinnenreflektoren zur Sonne hin auszurichten.
Ziele und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, eine Solarnachführungsanlage bereitzustellen, die die Nachteile des Stand der Technik ausräumt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Solarnachführungsanlage, die die Probleme der mechanischen Beanspruchung bewältigt und auf Windlast und ein hohes Drehmoment bei der Solarnachführung ausgefegt ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Solarnachführungsanlage bereitzustellen, die einen einzigen Stellmotor zur Steuerung einer Vielzahl an Solarpanelenreihen einsetzt.
Einem Aspekt der Erfindung gemäß ist eine Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage durch die Merkmale aus Anspruch 1 definiert.
In einer Ausführungsform ist der Stellmotor vertikal ausgerichtet und die Stange erstreckt sich im Allgemeinen vertikal vom Körperabschnitt zum Augabschnitt des Drehmomentauslegers. In anderen Ausführungsformen ist der Stellmotor horizontal ausgerichtet und die Stange erstreckt sich im Allgemeinen horizontal vom Körperabschnitt zum Augabschnitt des Drehmomentauslegers. In diesem Fall kann der Drehmomentausleger im Allgemeinen im rechten Winkel zur Ebene der Solarpanelen ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Torsionsrohr im Allgemeinen einen quadratischen Querschnitt auf. Das Torsionsrohr kann aus zwei oder mehreren Abschnitten gebildet sein, die an ihren Enden miteinander verbunden sind. In einem solchen Fall kann einer der Abschnitte ein Ende aufweisen, das so verformt ist, dass es fest in das Ende eines nachfolgenden Abschnitts einpassbar ist, um eine feste, sichere Verbindung zwischen den Abschnitten herzustellen.
Vorzugsweise umfasst das Schwenkelement ein Lager, das aus einem äußeren zylindrischen Lagerzapfen und vier Einsätzen besteht, die innerhalb des Zapfens auf den jeweiligen Seiten des Torsionsrohrs mit quadratischem Querschnitt angeordnet sind. Die Einsätze können aus einem Kunststoffharz geformt sein, das ein Schmierfüllmittel enthält. Diese Anlage ist Wetterphänomenen gegenüber beständig und kann hohen Belastungen, die bei Solarpanelen zu erwarten sind, widerstehen.
Eine Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung setzt eine Vielzahl von parallelen Reihen aus Solarpanelen ein und umfasst die Merkmale aus Anspruch 11. Vorteilhaft ist, dass der starre Verbindungsmechanismus eine Reihe aus aufeinanderfolgenden starren Verbindungselementen umfasst, die gelenkig aneinander und an den Drehmomentauslegerelementen der jeweiligen Reihen von Solarpanelen angebracht sind. Die gelenkigen Verbindungselemente ermöglichen die Verwendung der Solarnachführungen auch auf unebenem Gelände, die trotzdem nur einen einzigen Nachführungsantrieb benötigen.
Die gelenkige Verbindung, das Torsionsrohr und die Drehmomentausleger können als Leitung für die Durchführung von elektrischen Kabeln dienen und verringern damit die Kosten für Aushubarbeiten und Verlegung unterirdischer Leitungen.
Der längere Hebelarm oder Drehmomentausleger ermöglicht, dass größere Drehmomente vom Antriebsmechanismus absorbiert werden. Durch das Versetzen des Antriebsmechanismus vom Stützpfeiler oder den Stützpfeilern werden die Lasten an den Boden weitergegeben und erzeugen keine Biegekräfte, die auf die Stützpfeiler wirken, wie dies bei Anlagen nach dem Stand der Technik gemeinhin der Fall war. Eine Antriebskonfiguration mit mit Verbindung zum Boden optimiert die Antriebsgeometrie und minimiert die Antriebskraft. Zudem ist diese Anorndung günstiger und einfacher zu installieren und instand zu halten. Der herkömmliche mit dem Pfeiler verbundene Antrieb ist hingegen mechanisch komplexer, sowohl was den Antrieb selbst als auch was die Befestigung am Stützpfeiler betrifft. Der herkömmliche Stützpfeiler muss stärker sein, um die Antriebskräfte an das Fundament zu übertragen und muss außerdem Biegebelastungen, die durch den am Stützpfeiler montierten Antrieb einwirken, standhalten. Es ist nicht möglich, einen langen Antrieb anzubringen, wie dies mit einem Antrieb mit Bodenverbindung möglich ist, wodurch der Momentenarm kürzer als bei dieser Erfindung ist und somit sehr viel stärkere Linearkräfte benötigt. Hingegen werden bei dieser Erfindung die Antriebslasten direkt auf das Fundament übertragen und werden effizienter an den Erdboden übertragen. Der Antrieb dieser Erfindung übt keine signifikanten Biegebelastungen auf die Stützpfeiler aus. Der Antrieb kann sehr viel länger sein und sich die gesamte Strecke bis zum Boden erstrecken, sodass längere Drehmomentausleger angeordnet und die Wirkung des Antriebs maximiert werden kann. Da der Antrieb durch den Einsatz langer Drehmomentausleger optimiert ist, kann der Antrieb mit einem längeren Hub (und einer kleineren Linearkraft) konstruiert werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich war.
Bei der Torsionsrohrkopplung nach dem Stand der Technik wurden üblicherweise zwei quadratische Torsionsrohre am Stützpfeiler befestigt, wobei beide quadratischen Torsionsrohre in eine größere quadratische Verbindungsmuffe eingeführt wurden. Die Muffe ist üblicherweise im Lagerzapfen angeordnet und dient typischerweise selbst als Lager. Bei der Anlage der Erfindung hingegen, d.h. den verformten Rohrenden der Torsionsrohre ist ein Ende eines jeden Torsionsrohrs fest im offenen Ende des nächsten Torsionsrohrs eingepasst. Die extra hergestellte Muffe ist somit überflüssig und eine festere Verbindung zwischen benachbarten Torsionsrohren bereitgestellt. Auch müssen die Stellen der Verbindungen zwischen den Abschnitten nicht mehr präzise mit den Stützpfeilern ausgerichtet werden.
Bei Lageranordnung dieser Erfindung mit den vier Lagerkissen, die an den Seiten eines jeden quadratischen Torsionsrohrs angeordnet sind, wird ein Stahl-an-Stahl-Gleitkontakt, der die Korrosionsschutzüberzüge beschädigen kann, vermieden. Auch lässt diese Anordnung ein wenig axiale Bewegungsfreiheit des Torsionsrohrs zu, um eine Verlängerung und Verkürzung der stählernen Torsionsrohre aufgrund extremer Wetterbedingungen zuzulassen. Die Lagermaterialien selbst, d.h. hochdichtes Polyethylen oder Polypropylen, können mit Schmiermitteln und UV-Hemmern, wie beispielsweise Ruß, versetzt sein und weisen eine lange Lebensdauer im Freien auf. Diese segmentierten Lagerkissen können einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer ausgewählten bevorzugten Ausführungsform hervor, die gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden soll.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1A, 1B und 1C sind Aufrisse, die eine Reihe von Solarpanelen mit einem auf einem Stützpfeiler befestigten Antrieb nach dem Stand der Technik zeigen.
Die 2A, 2B und 2C sind Aufrisse, die eine Reihe von Solarpanelen mit einem horizontalen bodengestützten Antrieb gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Die 3A, 3B und 3C sind Aufrisse, die eine Reihe von Solarpanelen mit einem vertikalen bodengestützten Antrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Die 4A, 4B und 4C sind Aufrisse, die eine Vielzahl an Reihen von Solarpanelen mit einer bodengestützten horizontalen Antriebsanordnung gemäß dieser Erfindung zeigen.
5 ist eine Detailansicht, die das Merkmal der Gelenksverbindung dieser Erfindung zeigt.
6A ist eine Draufsicht auf einen horizontalen Antrieb dieser Ausführungsform, und 6B ist eine Seitenansicht derselben.
7 veranschaulicht eine Vielzahl an Reihen der Solarpanele mit vertikalem Antrieb dieser Erfindung in einer Konfiguration für unebenes Gelände.
8 veranschaulicht eine Vielzahl an Reihen der Solarpanele mit horizontalem Antrieb dieser Erfindung in einer Konfiguration für unebenes Gelände.
Die 9A, 9B und 9C sind Draufsichten von Anordnungen von Solarpanelenreihen gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung.
10 ist ein Aufriß entlang 10-10 aus 9A.
Die 11 und 12 sind Seitenansichten einer Lagermuffe dieser Ausführungsform bzw. eine Querschnittsansicht entlang 12-12 aus 11.
Die 13 und 14 sind eine Querschnitts- bzw. eine Axialschnittansicht des Torsionsrohrs- und Stützpfeilerlagers, die eine Verbindung zwischen Torsionsrohrabschnitten gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und anfänglich auf die 1A bis 1C ist hier eine Solarnachführungsanordnung 10 nach dem Stand der Technik von Norden aus betrachtet gezeigt. Ein Torsionsrohr 12 dient als Nord-Süd-Achse, und eine Reihe von Solarpanelen 14 ist am Rohr 12 befestigt. Symmetrisch dazu sind weitere Panele ähnlich an der Ost- und Westseite der Achse angeordnet. Die Verwendung der Bezeichnung "symmetrisch" ist hierin nicht strikt auf eine identische Anordnungsweise der Panele an jeder Seite des Rohrs 12 beschränkt. Geringe Unsymmetrien können, abhängig von mechanischen Faktoren, zugelassen sein. Ein vertikaler Stützpfeiler 16 besitzt einen Fuß 18. z.B. aus Gussbeton gebildet, der als das im Erdboden getragene Fundament dient. Eine Schwenkachse 20 ist an der Oberseite des Stützpfeilers bereitgestellt, um das Torsionsrohr 12 zu tragen, sodass die Reihe von Solarpanelen 14 im Laufe des Tages von einer nach Osten weisenden Richtung (1B) über eine im Allgemeinen flache Ausrichtung am Mittag zu einer nach Westen weisenden Richtung (1C) geschwenkt werden kann. Um diese Schwenkbewegung der Anordnung 10 ausführen zu können, ist ein Nachführungsstellmotor 22 am Stützpfeiler 16 angebracht, der über ein ausfahrbares Stangenelement 24 verfügt, welches am distalen Ende eines Drehmomentauslegers oder eines Hebelarms 26 befestigt ist. In dieser Konfiguration ist der Drehmomentausleger von der Achse des Torsionsrohrs 12 bis zum Stangenelement 24 etwa 38 cm (15 Zoll) lang, und der Linearstellmotor 22 verfügt über ein Hubvermögen von etwa 61 cm (24 Zoll). Die Breite der Reihe von Solarpanelen 14 beträgt in etwa 3,6 m (12 Fuß). Hier ist der Drehmomentausleger 26 als ein separates Element gezeigt, das am Torsionsrohr befestigt und parallel zur Ebene der Solarpanelen 14 angeordnet ist. In einigen gleichwertigen Anlagen könnte jedoch auch eine Röhre oder ein Stab verwendet werden, der parallel zum Torsionsrohr angeordnet ist und an einer Seite der Panelenreihe 14 getragen wird. Wie zuvor erörtert ist bei dem mit dem Pfeiler verbundenen Antrieb dieser Anordnung die Nachführungsanlage auf eine vertikale Antriebsanordnung eingeschränkt, und es wird ein separater Antrieb für jede Reihe von Solarpanelen benötigt. Der Stützpfeiler 16 muss eine sehr schwere Konstruktion sein, da er das Gewicht des Nachführungsantriebs und das Gewicht der Panelen tragen muss, und weil er den Biegemomenten, die durch den am Stützpfeiler befestigten Antrieb wirken, standhalten muss. Der Hub des Nachführungsantriebs ist notwendigerweise eingeschränkt, wodurch auch die mögliche Länge des Drehmomentauslegers 26 ebenso eingeschränkt ist. Das bedeutet, dass die Antriebskraft, die der Stellmotor anlegen muss, eher hoch sein muss.
Eine Ausführungsform dieser Erfindung ist in den 2A bis 2C gezeigt, die eine Solarnachführungsanordnung 30 entlang ihrer Nord-Süd-Achse betrachtet zeigt, die in ihrer Mittags-Ausrichtung (2A), einer nach Osten weisenden Ausrichtung (2B) und einer nach Westen weisenden Ausrichtung (2C) geschwenkt ist. Eine Reihe von Solarpanelen 34 ist auf symmetrische Weise von einem Torsionsrohr 32 getragen, das in einem Lager 40 auf der Spitze des Stützpfeilers 36 gelagert ist. Wie in den 1A bis 1C verfügt der Stützpfeiler 36 über einen Fuß 38 der in der Erde (oder einem gleichwertigen Fundament) eingelassen ist. In diesem Fall ist ein Drehmomentausleger 46 vertikal (in 2A), d.h. senkrecht zur Ebene der Solarpanelen 34, an einem Ende des Torsionsrohrs 32 befestigt. Ein horizontaler Nachführungsantrieb besteht aus einem Linearstellmotor 42 mit einem Körperabschnitt 43, der an einem feststehenden Gestell 45, das in einem Abstand vom Fuß 38 für den Stützpfeiler in die Erde eingelassen ist, befestigt ist. Der Stellmotor 42 verfügt über ein im Allgemeinen horizontales Stangenelement 44, das am distalen Ende des Drehmomentauslegers 46 angebracht ist. Da der Stellmotor 42 vom Stützpfeiler 36 beabstandet ist, kann die Hublänge des Stangenelements 44 ziemlich lang sein. Auch kann die Länge des Drehmomentauslegers 46 lang sein und kann der Länge des Stützpfeilers entsprechen, wodurch er mit dem Ende des Stangenelements 44 auf Bodenhöhe zusammentrifft. Ist die Erde in diesem Bereich ausgehoben, so kann die Länge des Drehmomentauslegers 44 die Höhe des Stützpfeilers überschreiten. Der lange Drehmomentausleger 44 verringert das Ausmaß der Linearkraft, die zum Schwenken der Solarpanelen benötigt wird. Auch ist der Stellmotor 42 aufgrund des verlängerten Drehmomentauslegers 44 imstande, größere Drehmomentbelastungen, z.B. durch Wind verursacht, zu absorbieren.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung verfügt über eine vertikale, mit dem Boden verbundene Antriebsanordnung und ist in den 3A bis 3C gezeigt. Hier ist eine Reihe 50 von Solarpanelen 54 auf einem Torsionsrohr 52 befestigt, das in Lagerelementen 60 an der Spitze von einem oder mehreren Stützpfeilern 56 getragen ist, wobei jeder Stützpfeiler über einen in der Erde getragenen Fuß 58 verfügt. Ein Linearstellmotor 62 weist ein vertikal ausgerichtetes Körperelement 63 und ein Stangenelement 64 auf, das sich im Allgemeinen nach oben zu einem Drehmomentausleger 66 erstreckt, der am Torsionsrohr 52 befestigt ist. Der Körperabschnitt ist auf einem Gestell oder Fuß 65 getragen, der getrennt von den Füßen für die Stützpfeiler besteht. In einigen Ausführungsformen kann der Stellmotor jedoch denselben Fuß gemeinsam mit einem oder mehreren Stützpfeilern verwenden, solange der Momentenarm oder Drehmomentausleger mit langem Hub bereitgestellt werden kann. In diesem Fall ist die Länge des Drehmomentauslegers 66 deutlich länger als der Drehmomentausleger 26 nach dem Stand der Technik.
Eine Anordnung aus Reihen von Solarpanelen kann durch einen einzigen horizontalen Stellmotor angetrieben werden, und ein Beispiel dieser Konfiguration ist in den 4A, 4B und 4C veranschaulicht. Hier liegt eine Reihe von Reihenanordnungen 30 wie in den 2A – 2C vor, die alle parallel angeordnet sind und deren jeweilige Torsionsrohre 32 in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind. Das Stangenelement 44 eines einzelnen Nachführungsantriebs 42 ist am Drehmomentausleger 46 einer ersten der Anordnung von Reihen 30 verbunden. Ein horizontales röhrenförmiges Verbindungselement 68 verbindet dann diesen Drehmomentausleger 46 mit dem nächsten Drehmomentausleger 46. Auf dieselbe Weise sind aufeinander folgende Verbindungselemente 68 entlang der gesamten Gruppe aus Reihenanordnungen bereitgestellt. Diese Verbindungselemente 68 sind gelenkig an den Drehmomentauslegern 46 und aneinander befestigt, wie in 5 veranschaulicht ist. Kabel 69 können im Innern der röhrenförmigen Elemente verlaufen. Hier ist ein distales Ende 70 des Drehmomentauslegers 46 über drehbare Stift/Auge-Elemente 72 an den Enden der Verbindungselemente 68 befestigt. Natürlich könnte in anderen Ausführungsformen ein einzelnes starres verlängertes Element anstelle der Reihe von Gelenksverbindungselementen verwendet werden. In dieser Ausführungsform be wegt der einzelne Antrieb 42 alle Reihenanordnungen 30 der Gesamtanordnung von einer nach Osten weisenden Ausrichtung (4B) über eine Mittags-Ausrichtung (4A) zu einer nach Westen weisenden Ausrichtung (4C). Bei dieser Anlage ist der Antrieb als an der ersten oder östlichsten Reihe der Anordnung 30 angebracht dargestellt, jedoch könnte der Antrieb 42 an einer Reihe im Inneren oder an einer Reihe am anderen Ende angeordnet sein.
Einzelheiten des horizontalen Antriebs oder Stellmotors 42 sind in den 6A und 6B gezeigt. Hier ist das Gestell 45 für den Stellmotor in einem Gussbetonfuß 74 im Erdboden 75 eingelassen. Der Fuß kann aus 3.000 Pfund/Quadratzoll Beton bestehen, einen Durchmesser von etwa 2 Fuß und eine Tiefe von 5 bis 6 Fuß aufweisen, wobei das umgebende Erdreich wieder verfestigt wird. Ebenso ist hier eine elektrische Leitung 76 gezeigt, die Strom und Signale an eine an der Seite des Stellmotors 72 angebrachten Stromverteilerkasten 77 überträgt. Weiters ist hier eine Schutzmanschette oder -hülle 78 gezeigt, in die das Stangenelement 44 passt.
Die Solarpanelenanlagen dieser Erfindung können auch auf unebenem Gelänge installiert werden, wie in den 7 und 8 allgemein veranschaulicht ist.
In der Anlage aus 7 ist eine Vielzahl von Reihenanordnungen 50 vom Typ mit vertikalen Antrieben (wie in den 3A bis 3C gezeigt) jeweils parallel installiert. In dieser Anordnung können die Reihen selektiv für die jeweiligen Neigungswinkel am frühen Morgen und am späten Nachmittag programmiert werden, um nur ein Mindestmaß an Schatten auf die benachbarte Reihe von Solarpanelen zu werfen, da sie an unterschiedlichen Höhen angeordnet sein können. Hier sind die Stützpfeiler 56, Panele 54 und Stellmotoren 62 wie im Allgemeinen zuvor beschrieben wurde.
In der Anlage aus 8 wird eine Reihe an Reihenanordnungen 30 vom Typ mit einem horizontalen Antrieb, z.B. wie in den 2A –2C und 4A – 4C gezeigt, eingesetzt. Die Stützpfeiler 36, Panele 44, Drehmomentausleger 56 und der Stellmotor 42 sind so wie im Allgemeinen zuvor beschrieben wurde. Der Gelenksverbindungsmechanismus, der aus einer Reihe von gelenkig verbundenen starren Verbindungs elementen 68 besteht, wird Höhenunterschieden gerecht, wie dargestellt ist, und ist doch zur präzisen Nachführung fähig.
Verschiedene Konfigurationen einer großen Solaranordnung gemäß dieser Erfindung sind als Draufsicht in den 9A, 9B und 9C gezeigt, wobei dies einige von zahlreichen möglichen Konfigurationen sind. Eine allgemeine Standardkonfiguration einer Solaranordnung 80 ist in 9A gezeigt, bei der acht Reihen 30 von Solarpanelen parallel angeordnet sind. Jede Reihe weist zwei Flügel von gleicher Größe auf, einen nördlich des Stellmotors 42 und des Verbindungsmechanismus 68 und der andere südlich von diesen. Dies ist als Aufriss in 10 gezeigt, in der das Torsionsrohr 32 einer jeden Reihe 30 auf mehreren beabstandeten Stützpfeilern 36 getragen ist und der Antriebsstellmotor 42 an einer Stelle in der Mitte zwischen zwei der Pfeiler angeordnet ist. Die Drehmomentausleger 46 sind an dieser Stelle an den Torsionsrohren 32 angebracht.
Wie in 9B gezeigt ist, kann eine Solaranordnung 82 eine oder mehrere Reihen 30' aufweisen, die im Verhältnis zu den anderen etwas verkürzt sind, um Platz für ein Hindernis 83 zu schaffen, bei dem es sich um ein Gebäude, einen Felsausbiss oder ein anderes Merkmal handeln kann. Alternativ kann, je nach den Maßen des Anlagengeländes, eine Solaranordnung 84, wie in 9C gezeigt, eine große Anzahl an Reihen 30" aufweisen, von denen in dieser Ausführungsform jede über eine geringere Anzahl an Solarpanelen verfügt. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann jede Reihe mehr Solarpanele an der einen oder der anderen Seite der Stelle des Antriebs und des Verbindungsmechanismus aufweisen.
Die Kopplungsanordnung der Torsionsrohrabschnitte gemäß dieser Erfindung und die Konstruktion der Lager zum Tragen des Torsionsrohrs auf dem Stützpfeiler sind ebenfalls neuartig.
Herkömmliche Nachführungsanordnungen des hierin beschriebenen Typs verwenden quadratische Stahlrohre als Träger, die sich zwischen den Stützpfeilern erstrecken, was als optimal zum Übertragen der vom Wind erzeugten Torsion an den Antriebsmechanismus erachtet wird. Die Torsionsrohrabschnitte für benachbarte, zu überspannende Abstände, sind typischerweise an den Stützpfeilern befestigt, üblicherweise indem ihre Enden in eine größere röhrenförmige Muffe eingeführt werden. Diese ist oft Teil des Lagers und muss die Drehreibung der gelagerten Torsionsrohre aushalten. Ein Nachteil der Verwendung solcher Stahlmuffen in den Lagern besteht darin, dass sie sowohl eine Drehbewegung als auch eine Gleitbewegung als Folge der Wärmeausdehnung der Vorrichtungsteile zulassen müssen. Die Stahlmuffe ist in Bewegungskontakt mit der Schweißkonstruktion des Stützpfeilers. Im Lauf der Zeit zerstört der Kontakt, von Stahl mit Stahl die Korrosionsschutzüberzüge und erodiert letztendlich das stählerne Lastlagermaterial der Struktur.
Wie in den 11 bis 14 gezeigt ist, weist die Lageranordnung gemäß dieser Erfindung ein Lagerauge 40 auf, das an der Spitze des Stützpfeilers 36 angeschweißt sein kann. Hier liegt ein im Allgemeinen zylindrischer äußerer Abschnitt 90 vor. Ein röhrenförmiger Zapfen 94 ist am zylindrischen Abschnitt 90 angeschweißt und mit Stützpfeiler 36 gekoppelt. Ein quadratisches Torsionsrohr 32 ist für die Drehung im Inneren des zylindrischen Abschnitts mittels vier Kunststofflagereinsätzen 96 getragen. Jeder Lagereinsatz ist an jeweils einer der flachen Seiten des Torsionsrohrs 32 angeordnet, und jeder Einsatz verfügt über eine flache Seite, die zum Torsionsrohr 32 weist, sowie eine im Allgemeinen abgerundete Seite, die zur Innenwand des äußeren Lagerabschnitts 90 weist. Diese Einsätze 96 können jeweils mit einer Kerbe 98 versehen sein, sodass die Einsätze mit Spannbändern 92 am Torsionsrohr befestigt werden können. Alternativ dazu sind die Kunststoffeinsätze mit Schrauben oder anderen Mitteln daran befestigt. Vorzugsweise sind die Kunststoffeinsätze 96 aus einem widerstandsfähigen Harzmaterial, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, mit einem geeigneten Schmiermittel-Füllstoff gebildet. Ein UV-Schutz-Zusatz, wie beispielsweise Ruß, kann ebenfalls eingesetzt werden. Diese Einsätze können aus einer flachen Folie eines Materials ausgeschnitten sein und müssen nicht durch ein kostspieliges Formverfahren hergestellt werden. Es sollte festgehalten werden, dass die Einsätze 96 problemlos sowohl eine Drehbewegung des Torsionsrohrs als auch eine lineare Bewegung (z.B. durch Wärmeausdehnung) zulassen.
Wie ebenfalls den 13 und 14 zu entnehmen ist, ist das Torsionsrohr aus aufeinander folgenden Rohrabschnitten 132, 132 aufgebaut. Jeder Abschnitt 132 verfügt über ein verformtes Ende 133 und ein nicht verformtes Ende 134. Das verformte Rohrende 133 ist fest in das nicht verformte Ende 134 des nächsten Rohrabschnitts eingepasst. So besteht kein Bedarf mehr an einer zusätzlich hergestellten quadratischen Rohrmuffe, und es wird eine festere Verbindung zwischen aufeinander folgenden Rohrabschnitten bereitgestellt. Die Verformungen der Rohrenden 133 können kostengünstig mit Fließbandgeräten erzeugt werden.
Der Begriff "Boden", der hier in Bezug auf das Fundament der Stützpfeilerfüße verwendet wird, ist nicht auf Erde und natürliche Geländeoberflächen beschränkt. Die Solarkollektoren dieser Erfindung können auch auf einer künstlichen Oberfläche, wie beispielsweise einem Gebäudedach oder am Oberdeck eines Parkhauses, installiert werden.

Claims

Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage, umfassend eine Anordnung von flachen rechteckigen Solarpanelen (34), die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Nord-Süd orientierten Achse befinden; zumindest eine Stütze (36 oder 56) mit einem Fuss (38 oder 58) und einem Schwenkelement (40 oder 60), das über dem Fuss (38 oder 58) an diesem befestigt ist, und von dem die Anordnung schwenkbar getragen ist und das ein Schwenken der Anordnung von Solarpanelen (34 oder 54) auf der Nord-Süd-Achse ermöglicht, um der Bewegung der Sonne relativ zur Erde zu folgen; ein Element (46 und 66) mit einem Endabschnitt (70), gegenüber der Nord-Süd-Achse versetzt; und einen Linearstellantrieb (42 oder 62) mit einem Körperabschnitt (43 oder 63) und einer Stange (44 oder 64), die sich vom Körperabschnitt aus erstreckt und ein distales Ende aufweist, das an das Element (46 oder 66) gekoppelt ist, um die Anordnung von Solarpanelen (34 oder 54) um die Achse zu rotieren; ein die Nord-Süd-Achse definierendes Torsionsrohr (32 oder 52), wobei die Anordnung von flachen rechteckigen Solarpanelen an gegenüberliegenden Seiten des Torsionsrohrs (32 oder 52) angebracht ist; das Torsionsrohr im Schwenkelement (40 oder 60) der zumindest einen Stütze (36 oder 56) gelagert ist; der Fuss (38 oder 58) der zumindest einen Stütze fest auf einem Untergrund befestigt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Element (46 oder 66) ein Drehmomentausleger (46 oder 66) ist, der sich vom Torsionsrohr zum Endabschnitt (70) erstreckt, wo die Stange gekoppelt ist; und dass der Körperabschnitt (43 oder 63) des Linearstellantriebs (42 oder 62) auf einem Fuss (45 oder 65) befestigt ist, der gegenüber dem Fuss (38 oder 58) für die zumindest eine Stütze separat angeordnet und in einem Abstand von der zumindest einen Stütze (36 oder 56) auf dem Untergrund befestigt ist; und dass der Endabschnitt als Augabschnitt ausgebildet ist.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 1, worin der Stellmotor (62) vertikal ausgerichtet ist und sich die Stange (64) im Allgemeinen vertikal vom Körperabschnitt zum Augabschnitt des Drehmomentauslegers (66) erstreckt.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 1, worin der Stellmotor (42) horizontal ausgerichtet ist und sich die Stange (44) im Allgemeinen horizontal vom Körperabschnitt (43) zum Augabschnitt des Drehmomentauslegers (46) erstreckt.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 3, worin sich der Drehmomentausleger (46) im Allgemeinen im rechten Winkel zu einer Ebene nach unten erstreckt, die durch die Solarpanele definiert ist.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 1, worin das Torsionsrohr (32) im Allgemeinen einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 5, worin das Torsionsrohr (32) aus zwei oder mehreren Abschnitten (132) gebildet ist, wobei einer der Abschnitte ein Ende (133) aufweist, das so verformt ist, dass es fest in das Ende (134) eines nachfolgenden Abschnitts einpassbar ist, um eine feste, sichere Verbindung zwischen den Abschnitten herzustellen.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 5, worin das Schwenkelement (40, 60) ein Lager umfasst, dass aus einem im Allgemeinen zylindrischen äußeren Lagerzapfen (90) und vier Einsätzen (96) besteht, die innerhalb des Zapfens auf den jeweiligen Seiten des Torsionsrohrs (32) mit quadratischem Querschnitt angeordnet sind.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 7, worin die Einsätze (96) aus einem Kunststoffharz geformt sind.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 8, worin das Kunststoffharz ein Schmiermittel enthält.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 9, worin das Kunststoffharz ein UV-hemmendes Mittel enthält.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage, umfassend mehrere parallele Reihen (30, 30', 30") von Solarpanelen, worin jede der Reihen eine Nord-Süd-Achse aufweist; eine Anordnung von flachen, im Allgemeinen rechteckigen Solarpanelen (34), zumindest eine Stütze (36) mit einem Fuss (38) und einem über dem Fuss daran befestigten Schwenkelement (40), von dem die zugehörige Reihe von Solarpanelen schwenkbar getragen ist, damit die zugehörige Reihe von Solarpanelen auf der Nord-Süd-Achse geschwenkt werden kann, um der Bewegung der Sonne relativ zur Erde zu folgen; ein Element (46) mit einem Endabschnitt, relativ zur Nord-Süd-Achse radial in einem im Allgemeinen rechten Winkel gegenüber einer Ebene versetzt, die durch die Reihe von Solarpanelen definiert ist; und worin ein Nachführungsantrieb für die mehreren Reihen einen Linearstellantrieb (42) mit einem Körperabschnitt und einer Stange (44) umfasst, die sich vom Körperabschnitt aus erstreckt und an den Endabschnitt eines Elements (46) einer ersten dieser Reihen gekoppelt ist; und starre Verbindungsmittel (68, 68) zum Rotieren der verbleibenden Reihe oder Reihen von Panelen; dadurch gekennzeichnet, dass bei dieser Reihe von Panelen ein Nord-Süd orientiertes Torsionsrohr (32) die Nord-Süd-Achse definiert; die zugeordneten Solarpanele entlang gegenüberliegender Seiten ihres jeweiligen Torsionsrohrs (32) befestigt sind; jedes Torsionsrohr im Schwenkelement (40) gelagert ist, wobei die Stütze (38) für jede Reihe von Solarpanelen von den Stützen der anderen Reihen von Solarpanelen separat angeordnet ist, wobei der Fuss (38) der Stütze auf einem Untergrund befestigt ist; ein Drehmomentauslegerelement (46) sich radial vom Torsionsrohr nach außen erstreckt und einen äußeren Abschnitt (70) aufweist; und dass der Linearstellantriebskörper im Wesentlichen horizontal angeordnet und auf einem Fuss (45) befestigt ist, der auf einem Untergrund befestigt ist und gegenüber dem Fuss (38) aller anderen Stützen (38) für die Solarpanelen separat angeordnet ist; sich die Stange (44) im Allgemeinen davon ausgehend horizontal zum Endelement des Drehmomentauslegerelements (46) der ersten Reihe erstreckt; und die starren Verbindungsmittel ein oder mehrere auf einanderfolgende starre Elemente (68) umfassen, die sich vom Drehmomentauslegerelement (46) der ersten Reihe zu den Drehmomentauslegerelementen der anderen Reihen erstrecken.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 11, worin die starren Verbindungsmittel eine Reihe von starren Verbindungselementen (68) umfassen, die gelenkig an einander und an den Drehmomentauslegerelementen (46) der jeweiligen Reihen von Solarpanelen angebracht sind.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 11, worin jedes der Torsionsrohre (32) im Allgemeinen einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 13, worin zumindest einige der Torsionsrohre aus zwei oder mehreren Abschnitten (132, 132) gebildet sind, wobei einer der Abschnitte ein Ende (133) aufweist, das so verformt ist, dass er fest in das Ende (134) eines nachfolgenden Abschnitts einpassbar ist, um eine feste, sichere Verbindung zwischen den Abschnitten herzustellen.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 11, worin die Vielzahl acht oder mehrere solcher Reihen umfasst und die Nachführungsanlage als einzelner Antrieb ausgebildet ist, um alle acht oder mehrere Reihen von Solarpanelen zu schwenken.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 11, worin jedes der Schwenkelemente ein Lager umfasst, dass aus einem zylindrischen äußeren Lagerzapfen (90) und vier Einsätzen (96) besteht, die innerhalb des zylindrischen Zapfens auf den jeweiligen Seiten des zugeordneten Torsionsrohrs mit quadratischem Querschnitt angeordnet sind.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 16, worin die Einsätze (96) aus einem Kunststoffharz gebildet sind.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 17, worin der Kunststoff ein Schmiermittel und ein UV-hemmendes Mittel enthält.
Sonnenenergiekollektor- und Nachführungsanlage nach Anspruch 11, worin eine elektrische Verdrahtung in den Torsionsrohren, den Drehmomentauslegern und den Verbindungsmitteln verborgen ist.