PL235952B1 - Stojak, zwłaszcza do modułów fotowoltaicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest obrotowy stojak, zwłaszcza do modułów fotowoltaicznych.

Istnieją obecnie na rynku rozwiązania pozwalające na zmianę położenia paneli fotowoltaicznych w jednej lub dwóch płaszczyznach. Jednak dostępne konstrukcje są przystosowane do montażu zbyt małej liczby paneli na jednym stojaku, aby zakup takiego systemu stał się uzasadniony ekonomicznie. Ograniczenie wielkości płaszczyzny paneli wynika z niedostosowania konstrukcji do niesprzyjając ych warunków atmosferycznych, np. siły wiatru. Proponowane konstrukcje stojaków, np. kolumnowe, pochłaniają istotną część produkowanej energii do pozycjonowania paneli, w szczególności kiedy mamy do czynienia z oddziaływaniem mas powietrza.

Niektóre spotkane na rynku urządzenia pozwalają na montaż większej liczby modułów jednak są kosztowne w produkcji, ze względu na drogą metodę łożyskowania oraz napędu konstrukcji kolumnowej. Duże nie modułowe elementy wymuszają zastosowanie specjalistycznego transportu oraz narzędzi podczas montażu, a co za tym idzie nieadekwatnych nakładów okołoprojektowych. Takie podejście powoduje budowanie rozległych farm tego typu instalacji o stosunkowo małej stopie zwrotu inwestycji.

Dotychczas stosuje się centralnie umieszczone kolumny w celu zachowania centrycznego łożyskowania oraz braku możliwości zastosowania innego niż opartego o wieniec zębaty mechanizmu napędowego. Rozwiązania kolumnowe powodują wzrost kosztów produkcji stojaków oraz zwiększają poziom skomplikowania zestawu.

Znany jest z opisu patentu US5022929A stojak, zwłaszcza do modułów fotowoltaicznych. Istotą tego wynalazku jest rozwiązanie problemu składania powierzchni roboczej oraz rozłożenia ciężaru na okrągłą prowadnicę. Natomiast opisane rozwiązanie nie uwzględnia niedokładności w wykonaniu bieżni, nie gwarantuje, że tarcie będzie wystarczającą siłą, aby napędy pracowały i aby rolki przenoszące ciężar konstrukcji pracowały bez zacinania się. Prowadnica o znacznym obwodzie jest bardzo ważna w opisie US5022929A jednak wykonanie tak dużej prowadnicy z wielką dokładnością, tak aby nie dochodziło do utraty kontaktu napędu z powierzchnią bieżni oraz blokowania się zestawu rolek nawet w zmieniających się warunkach klimatycznych jest niemożliwe. Pierścień będzie odkształcał się pod wpływem warunków środowiskowych, co oznacza, że żywotność zestawu będzie bardzo mała.

Rozwiązanie według wynalazku kompleksowo skupione jest na nieoczywistych problemach technicznych, jakie wystąpią w przypadku niedoskonałości w kształcie okrągłej, profilowanej prowadnicy o średnicy powyżej 1,5 m, na której rama zasadnicza osadzona może być za pośrednictwem co najmniej trzech zestawów łożyskowanych uchwytów.

Ważne jest, aby budowana instalacja miała jak najmniejsze rozmiary oraz osiągała jak największą wydajność, ponieważ uwzględniając zapotrzebowanie energetyczne oraz zanieczyszczenia generowane podczas procesu produkcji i logistyki jednego modułu fotowoltaicznego, wpływ na środowisko takich instalacji jest sumarycznie negatywny. Przeciętny panel ustawiony w pozycji standardowej, nieruchomo na wysokości geograficznej mniejszej niż -30° oraz większej niż 30° nie jest w stanie wygenerować w cyklu życia takiej ilości energii, jaka była zużyta do jego produkcji transportu i montażu. Konieczna jest optymalizacja warunków pracy tego typu instalacji, aby osiągnąć dodatni bilans energetyczny.

Stojak, zwłaszcza do modułów fotowoltaicznych posiada ramę oraz podstawę, składającą się z okrągłej, profilowanej prowadnicy, na której zamontowana jest za pośrednictwem co najmniej trzech łożyskowanych uchwytów rama zasadnicza, do której wierzchołka zamocowana jest w co najmniej dwóch punktach podporu rama górna, która ponadto połączona jest z ramą zasadniczą siłownikami liniowymi. Rama zasadnicza oparta jest na prowadnicy za pomocą rolek jezdnych, których ilość jest równa ilości punktów podporu, a ponadto w osi każdej rolki jezdnej znajduje się wał, na którym zamocowany jest uchwyt z rolką ustalającą opartą o górną wewnętrzną część prowadnicy. Stojak charakteryzuje się tym, że na zewnętrznym obwodzie prowadnicy znajdują się przynajmniej dwa elementy kotwiczące, umieszczone w przynajmniej dwóch punktach, w odległości kątowej nie mniejszej niż 15 stopni w stosunku do siebie. Ponadto do prowadnicy, od jej zewnętrznej strony i w jej części dolnej zakotwiczony jest niestale na elementach kotwiczących, łańcuch napędowy. Do ramy zasadniczej zamocowany jest mechanizm napędowy, składający się z zębatki napędowej połączonej z silnikiem oraz rolek napinających, przez które przeciągnięty jest łańcuch napędowy. Rolka jezdna znajduje się w obudowie, na której spoczywa rama zasadnicza, a ponadto prowadnica wykonana jest z profili giętych w odcinkach.

Prowadnica korzystnie wykonana jest z ceowników lub z zestawu kątowników.

Korzystnie rama górna wzmocniona jest dodatkowymi prętami.

PL 235 952 B1

Wał korzystnie osadzony jest na obu swoich końcach w sposób ruchomy za pomocą łożysk liniowych lub wał osadzony jest na obu swoich końcach w sposób nieruchomy za pomocą osadzenia stałego i w sposób ruchomy za pomocą osadzenia ruchomego.

Produkcja prowadnicy o relatywnie dużym obwodzie, giętej z profili w odcinkach tak, aby możliwe było jej składanie na miejscu instalacji wymagało rozwiązania również istotnych problemy technologicznych rozwiązanych poprzez:

i) zaprojektowanie łańcuchowego napędu w odniesieniu do prowadnicy z kotwiczeniem niestałym w taki sposób, że łańcuch zamknięty w obwodzie (nie ma przerw w ciągłości) przechodzi przez przekładnię zębatą zamocowaną do ramy zasadniczej w każdym miejscu prowadnicy, zakotwiczenie łańcucha nie ogranicza obrotu zestawu. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest wykonanie wielokrotnego obrotu zestawu wokół osi pionowej. Zastosowanie łańcucha znacząco ogranicza koszt produkcji prowadnicy oraz eliminuje problemy związane z niedokładnością pasowanie poszczególnych modułów prowadnicy dolnej, ii) zaprojektowanie zestawu rolek przenoszących ciężar ramy zasadniczej na prowadnicę, mających zdolność utrzymywania właściwej pozycji względem zadanego odcinka prowadnicy w taki sposób, aby zachować płynność pracy nawet na prowadnicy, w której dopuszcza się nieregularny owal ze względu na działanie zmiennych temperatur w roku oraz niedokładności montażu, iii) zaprojektowanie zestawu rolek zapewniających właściwe ustalenie pozycji ramy zasadniczej na prowadnicy, iv) zaprojektowanie mechanizmu napędowego pozwalającego na poruszanie się ramy zasadniczej w wielokrotnym ruchu obrotowym po prowadnicy w pełnym zakresie 360 stopni.

Stojak według wynalazku przeznaczony jest do utrzymywania właściwego dla danego zastosowania, odchylenia w pozycji horyzontalnej i wertykalnej, zamocowanego do stojaka przyrządu/odbiornika, zwłaszcza do właściwego ustawienia kątów odchylenia względem kierunków geograficznych paneli fotowoltaicznych w stosunku do zmieniającej się pozycji słońca w taki sposób, aby promienie słoneczne padały na moduły zamontowane na panelu pod optymalnym kontem przez jak najdłuższy czas w zadanym cyklu.

Rozwiązanie to pozwala na znaczne podniesienie wydajności modułów fotowoltaicznych. Według pomiarów dokonanych na współrzędnych 51°28’N 22°36’E skuteczność energetyczna modułów fotowoltaicznych zamontowanych na stojaku według wynalazku w całym roku wzrosła o 38% w stosunku do modułów tej samej mocy zamontowanych standardowo w kierunku południowym 0° oraz pochylonych pod kontem 35°. Taki wzrost wydajności pozwala na znaczne ograniczenie kosztów inwestycji oraz miejsca niezbędnego do osiągnięcia zakładanej wydajności energetycznej całej instalacji.

Stojak według wynalazku, w odróżnieniu do innych tego typu konstrukcji, został zaprojektowany tak, aby uzyskać jak największą średnicę prowadnicy w stosunku do szerokości całego zestawu. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu zestawu rolek możliwe było jednocześnie wyeliminowanie drogiej i komplikującej instalację centralnej kolumny napędowej.

Ponieważ ekonomicznie optymalna średnica zestawu to minimum 1,5 m prowadnica ta musi mieć budowę modułową, co pozwala na zrealizowanie tego założenia bez ograniczeń logistycznych, jakie pojawiają się przy jednolitych elementach. Uzyskanie relatywnie dużej średnicy prowadnicy w stosunku do wysokości stojaka pozwoliło na uzyskanie trzech bardzo ważnych i niedostępnych w innych konstrukcjach właściwości:

1. Niskie zapotrzebowanie energetyczne silnika elektrycznego przeznaczonego do napędu odpowiedzialnego za pozycjonowanie zestawu w kierunkach wchód-zachód. Możliwe stało się zastosowanie również małego silnika krokowego w celu zwiększenia precyzji ruchu obrotowego. Ruch zestawu podążającego za pozycją słońca oznacza obrót o około 0,25 stopnia na 1 minutę w zależności od pory dnia i roku.

2. Uproszczona konstrukcja przekładni mechanicznych, tym samym mniejsze straty energetyczne napędu. Przy tak dużej średnicy zestawu uzyskuje się znacznie większe momenty obrotowe, przez co możliwe jest zastosowanie mniejszej i tańszej przekładni ślimakowej, której samohamowności zapewnia stabilność pozycji stojaka również przy wyłączonym zasilaniu silnika.

3. Zwiększona sztywność zestawu wykorzystując własności konstrukcji szkieletowej oraz uzyskanie większych odstępów pomiędzy punktami podporu ramy zasadniczej, a tym samym

PL 235 952 B1 również ramy górnej. Minimalizuje to zagrożenie dla tego typu konstrukcji, jakim jest porywisty wiatr towarzyszący nasilającym się anomaliom klimatycznym.

Przedmiot wynalazku został pokazany na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia widok ogólny stojaka z trzema punktami podporu ramy zasadniczej, Fig. 2 przedstawia fragment prowadnicy z układem napędowym, Fig. 3 przedstawia prowadnicę z układem napędowym, Fig. 4 przedstawia fragment łańcucha napędowego zakotwiczonego na elemencie kotwiczącym, Fig. 5 przedstawia widok elementu z rolką jezdną w wersji z ruchomym wałem, Fig. 6 przedstawia widok elementu z rolką jezdną w wersji z nieruchomym walem, Fig. 7 przedstawia zakres pracy elementu pokazanego na Fig. 5, Fig. 8 przedstawia zakres pracy elementu pokazanego na Fig. 6, Fig. 9 przedstawia elementy prowadnicy wykonane z ceowników, Fig. 10 przedstawia elementy prowadnicy wykonane z kątowników, Fig. 11 przedstawia stojak z czterema punktami podporu ramy zasadniczej, Fig. 12 przedstawia stojak z czterema punktami podporu.

Przykład 1

Stojak do modułów fotowoltaicznych składa się z okrągłej, profilowanej modułowej prowadnicy 1 wykonanej z profili giętych w odcinkach w kształcie ceowników, na której zamontowana jest za pośrednictwem trzech łożyskowanych uchwytów 2 rama zasadnicza 3, do której zamocowana jest w dwóch punktach podporu 5 rama górna 4. Rama górna 4 ponadto połączona jest z ramą zasadniczą 3 siłownikami liniowymi 6. Na zewnętrznym obwodzie prowadnicy 1 znajdują się dwa elementy kotwiczące 8, umieszczone w dwóch punktach, w odległości kątowej 180 stopni w stosunku do siebie. Do prowadnicy 1, od jej zewnętrznej strony i w jej części dolnej zakotwiczony jest niestale na elementach kotwiczących 8, łańcuch napędowy 9. Do ramy zasadniczej 3 zamocowany jest mechanizm napędowy 10, składający się z zębatki napędowej 11 połączonej z silnikiem 12 oraz dwóch rolek napinających 13, przez które przeciągnięty jest łańcuch napędowy 9. Rolka jezdna 7 znajduje się w obudowie 14, na której spoczywa rama zasadnicza 3, a ponadto w osi każdej rolki jezdnej 7 znajduje się wał 15, na którym zamocowany jest uchwyt 16 z rolką ustalającą 17 opartą o górną wewnętrzną część prowadnicy 1. Wał 15 osadzony jest na obu swoich końcach w sposób ruchomy za pomocą łożysk liniowych 18, co umożliwia przesuwanie się osiowe całego zestawu wraz z wałem 15 w stosunku do obudowy 14 niwelując niedoskonałości w kształcie prowadnicy 1.

Taka metoda kotwiczenia łańcucha napędowego 9 zdejmuje ograniczenie w ruchu obrotowym stojaka, oznacza to że możliwe jest wykonanie wielu obrotów w osi pionowej.

Łańcuch napędowy 9, przeciągany przez zębatkę napędową 11 mechanizmu napędowego 10 zapewnia możliwość obracania się całości konstrukcji wokół osi pionowej w pełnym zakresie. Mechanizm napędowy 10 za pomocą rolek napinających 13 zapewnia właściwy naciąg łańcucha napędowego 9 w trakcie pracy niwelując zmianę długości w zależności od temperatury otoczenia. W przypadku zamontowania modułów fotowoltaicznych na ramie górnej 4 kąt obrotu ramy zasadniczej 3 dostosowywany jest do bieżącej pozycji słońca względem kierunku wschód-zachód.

Rama górna 4 jest mocowana poziomo na wierzchołku ramy zasadniczej 3 na sworzniach łożyskowanych na uchwycie 5 w taki sposób, aby możliwe było regulowanie jej odchylenia w osi poziomej za pomocą siłowników liniowych 6. W przypadku zamontowania modułów fotowoltaicznych kąt pochylenia ramy górnej 4 zależny jest od wysokości słońca nad horyzontem.

Rama górna 4 może być wzmocniona dodatkowymi prętami w zależności od planowanego obciążenia stojaka. Możliwe jest ograniczenie wagi całego zestawu przy zachowaniu jego wytrzymałości na obciążenia stosując profile wykonane z metali lekkich lub kompozytów.

Budowa stojaka pozwala na znaczną optymalizację kosztów logistycznych w szczególności w przypadku montażu konstrukcji w miejscach o utrudnionej dostępności.

W zależności od metody łączenia elementów możliwe jest całkowite wyeliminowanie narzędzi specjalistycznych.

Przykład 2

Stojak ma identyczną budowę jak w przykładzie 1, przy czym prowadnica 1 wykonana jest z profili giętych w odcinkach w kształcie kątowników i posiada cztery punkty podporu 2 ramy zasadniczej 3, a wał 15 osadzony jest na obu swoich końcach w sposób nieruchomy za pomocą osadzenia stałego 19 i w sposób ruchomy za pomocą osadzenia ruchomego 20. Osadzenie ruchome 20 wraz z rolką jezdną 7 i rolką ustalającą 17 przesuwa się osiowo po prowadnicy 1 niwelując niedoskonałości w jej kształcie.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Stojak, zwłaszcza do modułów fotowoltaicznych posiadający ramę oraz podstawę, składającą się z okrągłej, profilowanej prowadnicy, na której zamontowana jest za pośrednictwem co najmniej trzech łożyskowanych uchwytów rama zasadnicza, do której wierzchołka zamocowana jest w co najmniej dwóch punktach podporu rama górna, która ponadto połączona jest z ramą zasadniczą siłownikami liniowymi, natomiast rama zasadnicza oparta jest na prowadnicy za pomocą rolek jezdnych, których ilość jest równa ilości punktów podporu, a ponadto w osi każdej rolki jezdnej znajduje się wał, na którym zamocowany jest uchwyt z rolką ustalającą opartą o górną wewnętrzną część prowadnicy, znamienny tym, że na zewnętrznym obwodzie prowadnicy (1) znajdują się przynajmniej dwa elementy kotwiczące (8), umieszczone w przynajmniej dwóch punktach, w odległości kątowej nie mniejszej niż 15 stopni w stosunku do siebie, ponadto do prowadnicy (1), od jej zewnętrznej strony i w jej części dolnej zakotwiczony jest niestale na elementach kotwiczących (8), łańcuch napędowy (9), przy czym do ramy zasadniczej (3) zamocowany jest, mechanizm napędowy (10), składający się z zębatki napędowej (11) połączonej z silnikiem (12) oraz rolek napinających (13), przez które przeciągnięty jest łańcuch napędowy (9), rolka jezdna (7) znajduje się w obudowie (14), na której spoczywa rama zasadnicza (3), a ponadto prowadnica (1) wykonana jest z profili giętych w odcinkach.
2. 2. Stojak według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadnica (1) wykonana jest z ceowników.
3. 3. Stojak według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadnica (1) wykonana jest z zestawu kątowników.
4. 4. Stojak według zastrz. 1, znamienny tym, że rama górna (3) wzmocniona jest dodatkowymi prętami.
5. 5. Stojak według zastrz. 1, znamienny tym, że wał (15) osadzony jest na obu swoich końcach w sposób ruchomy za pomocą łożysk liniowych (18).
6. 6. Stojak według zastrz. 1, znamienny tym, że wał (15) osadzony jest na obu swoich końcach w sposób nieruchomy za pomocą osadzenia stałego (19) iw sposób ruchomy za pomocą osadzenia ruchomego (20).