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Dokumentenidentifikation DE10156184A1 05.06.2003
Titel Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Klärstufe
Anmelder Lambrecht, Hans, 51067 Köln, DE
Erfinder Lambrecht, Hans, 51067 Köln, DE
DE-Anmeldedatum 15.11.2001
DE-Aktenzeichen 10156184
Offenlegungstag 05.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.06.2003
IPC-Hauptklasse H01L 31/045
IPC-Nebenklasse H01L 31/05   H01L 31/052   
Zusammenfassung Die schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Klärstufe wird von der getauchten Rasterebene 2 und der darüber schwimmenden Zellenmodulebene 9 gebildet, die durch Ankerseile 16 miteinander verbunden sind. Die Ankergittermodule 1 sind mit den Pontonarmen 6 und 7 zu der Rasterebene 2 zusammengestellt und werden für die Sonnenstandnachführung mit Drehkranz 3 und den Propellerantrieben 44 an Turm 4 drehbar und höhenverstellbar gehalten. Die Zellenmodule 9 sind als schwimmfähige Schaumteppichbahnen 10/11 in die Öffnungen 12 eingearbeitet und darin an Gelenken 18 die Gestellglocken 13 gehalten werden. Mit dem vom Druckluftnetz 25 aufgebauten und an der Wasseroberfläche gekühlten Luftpolster 19 wird die Schrägstellung der Solarzellenpaneele 15 dem Sonnenstand nachgeführt und gekühlt. An den Außenseiten der Zellenmodule 9 sind die Schwimmschläuche 32 gehalten, sie tragen die Ankerseile 16, von denen die Ankergitterebene 2 und die Pflanztröge 40 gehalten werden. Maste 34 für die Strom- und Blitzableitung werden auf den Schwimmschläuchen 32 ebenfalls montiert. Für den Transport mit Luftschiffen sind die Ankerseile 16 in Durchlaufhülsen 47 durch die Schaumteppichbahnen 10/11 und die Schwimmschläuche 32 hindurchgeführt. Sie schnüren die Rasterebene 2 und die Zellmodulebene 9 zu einer Einheit zusammen.

Beschreibung[de]

Die relativ geringe Leistung der Solarzelle macht es erforderlich, dass für ihren Einsatz in industriellen Großanlagen große Nutzflächen in sonnenreichen, wetterbeständigen Regionen zur Verfügung stehen müssen. Solarfarmen von 200 Megawatt als Grundeinheit würden bei einer Leistung von 100 W/m2 und 2 km2 effektiver Zellenfläche circa 4 km2 Anlagenfläche erforderlich machen. Für ihre Nutzung in der Wasserstoffenergiewirtschaft müssten 100 bis 130 solcher Grundeinheiten mit einer Gesamtfläche von 400 bis 520 km2 zu einer Solarzellenplantage zusammengefasst werden. Hinzu käme, dass für die Erzeugung von Wasserstoff große Mengen Süßwasser benötigt würden und die zehnfache Menge zumindest schwach salzhaltiges Kühlwasser zur Verfügung stehen müsste. In Westeuropa dürften diese Voraussetzungen wegen Platzmangel nicht gegeben sein. Wüstenregionen dagegen können vom Platzangebot und von der Sonnenscheindauer betrachtet als optimal angesehen werden. Jedoch schränken mögliche Sandstürme, überheiße Lufttemperaturen und die Schwierigkeiten bei der Bereitstellung des Betriebswassers die Nutzung der Solaranlagen in der Wüste stark ein. Hinzu käme, dass die auf stabile Gestelle lagernden Zellenpaneele auf sicheren Fundamenten stehen müssten, was in diesen Regionen aufwendig und teuer werden könnte.

Das Ausrichten der Solarzellen auf eine möglichst senkrecht auftreffende Sonneneinstrahlung erfordert ständige Nachführarbeiten der Zellenpaneele um ihre Vertikalachse sowie ihre Hochachse. Die hierfür erforderlichen Vorrichtungen sind mechanisch aufwendig und würden bei vielen Paneelgestellen zu erheblichen Wartungsarbeiten und zu hohen Baukosten führen. Die Leistungsfähigkeit der Solarzelle ist temperaturabhängig. In Wüstenregionen können sich Solarzellen schnell auf über 75°C erhitzen und damit bis zu 20 Prozent ihrer Leistung verlieren. Es ist darum wirtschaftlich, Solarzellen mit geeigneten Vorrichtungen zu hinterlüften. Für die Standortwahl der Solarzellenanlagen sind flache Horizonte günstig, denn sie nehmen die Sonneneinstrahlung gleich nach Sonnenaufgang und vor Sonnenuntergang auf.

Es ist bekannt, dass Solarzellen auf Paneelen zu Modulen zusammengebaut werden und auf Gestellen zu Solarfarmen und zu Solarzellenplantagen zusammengestellt werden. Diese Module werden durch Schrägstellung ihrer Gestelle auf den jeweiligen Sonnenstand ausgerichtet. Mechanisch arbeitende Stellvorrichtungen führen die Solarzellenmodule um die Vertikalachse und die Horizontalachse dem Sonnenstand nach. Bei niedrigem Sonnenstand wird die Eigenbeschattung der Zellenmodule durch entsprechend große Gestellabstände ausgeglichen. Die Solarzellen der großen Voltaikanlagen werden in der Regel nur von der Umgebungsluft gekühlt. Es ist weiterhin bekannt, dass in biologischen Kläranlagen mit Pflanzen besetzte Substratkörbe für die Reinhaltung und zur Entgiftung des Abwassers eingesetzt werden. Außerdem ist bekannt, dass große Luftschiffe in der Entwicklung sind, mit denen der Transport großer Anlagenteile möglich wäre.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Solarzellenmodule zu schwimmfähigen Großanlagen auf Binnenseen oder auf vor Wellen geschützten offenen Gewässern zusammenzustellen und somit wertvolle Nutz- und Naturflächen zu schonen, die Erwärmung der Solarzellen zu mindern und hierfür die vom Seewasser gekühlte Luft zu nutzen, die gegenseitige Beschattung der Solarzellenpaneele durch geregelte Schrägstellung ihrer Gestelle zu vermeiden und damit die Anlage platzsparend ausbilden zu können, die Fertigmontage auf dem See zu vereinfachen, das Kühlwasser externer Wasserstofferzeugungsanlagen zur Verhinderung der Eisbildung auf dem See einzusetzen, die Sonnenstandnachführung zu vereinfachen, den See bei belastetem Wasser zu regenerieren, die Montage der Anlage durch die Möglichkeit des Einsatzes von Arbeitsschiffen zu rationalisieren, für den Transport der Anlagenteile die Vorteile großer Luftschiffe zu nutzen.

Ein Aufführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Ankergittermodul

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Zellenmodul

Fig. 3 einen Querschnitt des zusammengestellten Großmoduls in der Normalstellung und in der Transportstellung (gestrichelt)

Fig. 4 einen Querschnitt des Großmoduls entlang der Linie IV-IV in Fig. 5

Fig. 5 einen Querschnitt der Paneelglocke (bei flacher Paneelstellung) entlang der Linie V-V in Fig. 4

Fig. 6 einen Querschnitt des Großmoduls (bei aufgestellter Paneelstellung) entlang der Linie VI-VI in Fig. 7

Fig. 7 einen Querschnitt der Paneelglocke (bei aufgestellter Paneelstellung) entlang der Linie VII-VII in Fig. 6

Fig. 8 einen Querschnitt der Fahrrinne zwischen den Großmodulen

Fig. 9 eine Verbindungsstelle der Ankergittermodule in der Fahrrinne

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Ankergittermodule der Gesamtanlage (teilweise ohne Verstrebungen gezeichnet)

Fig. 11 einen Querschnitt durch die Verbindungspontons entlang der Linie XI-XI in Fig. 10

Diese Aufgabe wird gelöst, indem unter dem Wasserspiegel die schwimmfähigen Ankergittermodule 1 zu der Rasterebene 2 zusammengesetzt sind, die mit dem Drehkreuz 3 höhenveränderlich um den Turm 4 gedreht werden kann. Jedes Ankergittermodul 1 ist als Fachwerkträger ausgebildet, das die Horizontalkräfte aufnimmt und dessen Eigengewicht dem verdrängten Wasser der Rohrkonstruktion entspricht. Die einzelnen Ankergittermodule 1 werden gegenseitig mit leicht lösbaren Verbindungsstücken 5 zu einem in der Ebene nicht verschiebbaren Rasternetz (Fig. 10) zusammengesetzt. An dem Drehkranz 3 sind parallel zur Sonnenrichtung die beiden Pontonarme 6 fest angesetzt und senkrecht dazu sind an dem Drehkranz 3 die beiden Pontonarme 7 fest angesetzt. Die Pontonarme 6 und 7 bilden gegeneinander rechte Winkel, die von den Diagonalseilen 8 fixiert werden.

Die Ankergittermodule 1 sind mit den Pontonarmen 6 und 7 fest verbunden und bilden gemeinsam das Gerippe zur Fixierung der auf der Wasseroberfläche schwimmenden Zellenmodule 9. Die Zellenmodule 9 sind durch die Ankerseile 16 und die Anschlagösen 17 mit dem Ankergittermodul 1 flexibel verbunden. Die Ankerseile 16 bestimmen die Abtauchtiefe der Ankergittermodule 1. Sie ist so tief eingestellt, dass Arbeitsschiffe 43 darüber hinweg fahren können.

Jedes Zellenmodul 9 ist auf einer zerreißfesten, elastischen Haut 10 aufgebaut, die mit einem auftriebswirksamen Schaumteppich 11 unterlegt ist (Fig. 5 und 7). In der Haut 10 sind die Öffnungen 12 ausgenommen, in die, von Gelenken 18 gehalten, die Gestellglocken 13 eingesetzt sind. Die Gestellglocke 13 bildet einen nach unten offenen Kasten 14 aus auftriebswirksamen Material, der mit dem Solarzellenpaneel 15 nach oben luftdicht abgedeckt ist.

Zwischen dem Solarzellenpaneel 15 und dem Wasserspiegel ist der Freiraum 19 ausgebildet, in den, entsprechend seiner Funktion als Hebekraft für das Solarzellenpaneel, aus Öffnung 20 Druckluft herein- oder herausströmt. Die Öffnung 20 steht mit dem Luftkanal 21 in Verbindung, der mit dem Flansch 22 an den Druckluftschlauch 23 angeschlossen ist. Der Druckluftschlauch 23 ist mit dem Flansch 24 an das Druckluftnetz 25 angeschlossen, das von den Ankergittermodulen 1 und von den Pontonarmen 7 getragen wird und das von einem in Turm 4 eingebauten Drucklufterzeuger 26 mit Druckluft gefüllt ist.

Mit der Veränderung des Druckes in dem Druckluftnetz 25 wird die Schrägstellung der Gestellglocken 13 in der gesamten Anlage gesteuert. Unter der Gestellglocke 13 kann nur ein solcher Luftdruck aufgebaut werden, wie es der Wasserdruck an der größten Eintauchtiefe 28 der Gestellglocke 13 wirksam werden lässt. Damit ein optimaler Wasserdruck wirksam werden kann ist am unteren Rand des Kastens 14 die flexible Schürze 29 untergehängt, die von einem Ringwulst 30 nach unten gezogen wird und hier den Tiefendruckquerschnitt 27 wirksam werden lässt (Fig. 4 und Fig. 6).

Die Baulänge der Ankergittermodule 1 und der Zellenmodule 9 wird von ihrer Fertigung und von der Transportleistung der Transportluftschiffe 45 bestimmt. Damit die Seefläche vor Ort voll genutzt wird und keine ungenutzten Freiflächen entstehen, werden die Module 9 an den Stirnflächen mit den Verbindungsleisten 31 versehen und zu langen Modulreihen zusammengefügt.

An beiden Längsseiten der Zellenmodule wird mit den Verbindungsstreben 33 der Schwimmschlauch 32 gehalten, der die Aufgabe hat mit den Ankerseilen 16, die unterhalb der Wasseroberfläche schwimmenden Ankergittermodule 1 in der erforderlichen Tiefe zu halten, die Zellenmodule 9 an der Fahrbahnrinne 38 vor treibendem Schmutz und vor Stößen der Arbeitsschiffen 43 zu schützen und die Masten 34 für die elektrische Anlage zu tragen. Mit den Stromableitungskabeln 36 wird der in den Solarzellen erzeugte Strom an das Sammelleitungskabel 35 abgegeben und weiter in den Turm 4 abgeleitet. Auf die Masten 34 ist die Blitzschutzanlage 37 aufgesetzt.

Zwischen benachbarten Zellenmodulen 9 wird für Arbeitsschiffe 43 die Fahrrinne 38 von Ankerseilen 16 offengehalten, die mit entsprechendem Abstand auf den Ankergittermodulen 1 befestigt sind. In der Fahrrinnenmitte sind die Ankergittermodule 1 durch die Verbindungsstücke 5 miteinander verbunden und sind von oben für Montagearbeiten zugänglich (Fig. 8). An den Rändern der Fahrrinne 38 sind auf dem Ankergittermodul 1 die Wasserrohre 39 befestigt, in denen mit Luft angereichertes Kühlwasser aus den Elektrolyseuren der externen Wasserstoffanlagen herantransportiert und über die Löcher 49 in das Seeoberflächenwasser abgegeben wird. Über die Wasserrohre 39 werden von den Ankerseilen 16 die schwimmfähigen Pflanztröge 40 gehalten, unter denen sich die aus dem Kühlwasser aufsteigende Luft sammelt und über die Öffnungen 41 an das Wurzelwerk der Pflanztröge 40 abgegeben wird. Außerdem erwärmt das aufsteigende, warme Kühlwasser das umgebende Seewasser und verhindert damit eine mögliche Eisbildung an der Oberfläche. Die Anschläge 42 an den Ankerseilen 16 verhindern, dass die Pflanztröge 40 aufsteigen und somit die Fahrrinne 38 für den Einsatz der Arbeitsschiffe 43 offen bleiben.

Die Pontonarme 6 sind schwimmfähige Hohlkörper, deren Auftrieb so groß bemessen ist, dass sie auch als befahrbare Zuwegung bis an den Turm 4 genutzt werden. Die Pontonarme 7 sind ebenfalls schwimmende Hohlkörper, deren obere Abdeckung 48 im Bereich der Fahrrinnen 38 entsprechend der Fahrrinnentiefe stufenförmig abgedeckt ist und in denen die Druckluftrohre 25 aus dem Turm 4 heraus bis an das Druckluftrohrnetz auf den Ankergittermodulen 1 herangeführt werden. Ebenso werden in den Pontonarmen 7 die Kühlwasserrohre 39 aufgenommen und auf den Ankergittermodulen 1 weitergeführt. An den Enden der Pontonarme 6 und 7 sind die Antriebspropeller 44 gehalten, mit deren tangential zu dem Drehkranz 3 wirkenden Antriebskraft die Solarzellenanlage entsprechend der Sonnenrichtung gedreht wird (Fig. 10).

Für den Transport mit dem Luftschiff 45 wird zur Verringerung des Transportquerschnitts das Zellenmodul 9 auf das Ankergittermodul 1 aufgelegt (Fig. 3), indem die Ankerseile 16 mit ihren Fixierösen 17 in die Transporthaken 46 des Transportluftschiffs eingehängt werden und die Ankerseile 16 als Hubseil für die Ankergittermodule 1 wirksam werden. Hierzu sind die Ankerseile 16 in den Durchlaufhülsen 47 durch die Haut 10 und den Schwimmschlauch 32 hindurchgeführt.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in zwei Ebenen positioniert ist, von denen die Ankergitterebene 1 getaucht ist und darüber die Zellenmodulebene 9 auf dem Wasser schwimmt, dass jedes Zellenmodul 9 von einer flexiblen Haut 10 mit unterlegtem auftriebswirksamen Schaumteppich 11 aufgebaut ist, dass in diesen Schaumteppich 11 die Öffnungen 12 ausgenommen sind, in die, von Gelenke 18 gehalten, die Gestellglocken 13 eingesetzt sind, dass zwischen dem Solarzellenpaneel 15 und dem Wasserspiegel das Druckluftpolster 19 aufgebaut wird, das die Gestellglocke 13 um die Gelenke 18 verschwenkt und damit dem Sonnenstand nachgeführt wird, dass sich das Luftpolster 19 an der Wasseroberfläche abkühlt und somit auch das Solarzellenpaneel kühlt, dass an die Pontonarme 6 und die Pontonarme 7 je ein Antriebspropeller 44 gehalten ist, von denen die Solarzellenanlage entsprechend dem Sonnenstand gedreht wird, dass die Ankerseile 16 auf den Ankergittermodulen 1 so befestigt sind, dass zwischen benachbarten Zellenmodulen 9 die Fahrrinne 38 ausgebildet ist, in der Arbeitsschiffe 43 fahren, dass die abgetauchten, schwimmfähigen Pflanztröge 40 von den Abstandsseilen 16 in der Tiefe gehalten sind, mit denen das belastete Seewasser regeneriert wird und dass für den Transport mit dem Luftschiff das Ankergittermodul 1 mit dem Zellenmodul 9 als kompakte Einheit verbunden ist.
  2. 2. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmfähigen Ankergittermodule 1, die Pontonarme 6 und die Pontonarme 7 mit Verbindungsstücken 5 fest zu einer Rasterebene 2 zusammengekoppelt sind, in deren Zentrum der Drehkranz 3 aufgenommen ist, der sich dem verändernden Wasserspiegel anpasst und der sich an den Turm 4 abstützt.
  3. 3. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenmodule 9 mit den Verbindungsleisten 31 zu Zellenmodulreihen zusammengestellt werden und dadurch ungenutzte Freiräume in Richtung zur Sonne vermieden werden und dass an den Flankenseiten der Zellenmodule 9 die Schwimmschläuche 32 durch die Verbindungsstreben 33 auf Abstand verbunden sind mit denen die Zellenmodule 9 vor Havarien mit den Arbeitsschiffen 43 geschützt werden und dass mit der Länge der Abstandsseile 16 die Eintauchtiefe von Rasterebene 2 bestimmt wird.
  4. 4. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass von einem im Turm 4 eingebauten Drucklufterzeuger 26 ein druckveränderliches Luftvolumen aufgebaut wird, mit dem über ein Rohrnetz 25 dem Druckluftschlauch 23 und dem Luftkanal 21 der erforderliche Betriebsdruck für die Schrägstellung der Solarzellenpaneele 15 an das Luftpolster 19 herangeleitet wird und das Rohrnetz 25 von den Ankergittermodulen 1 getragen wird.
  5. 5. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Solarzellenpaneel 15 auf einem im Wasser auftriebswirksamen Kasten 14 aufliegt, dessen Seitenwände mit der flexiblen Schürze 29 und dem Ringwulst 30 soweit in das Wasser hinunter verlängert ist, bis hier ein Wasserdruck vorherrscht, mit dem das Luftpolster 19 das Solarzellenpaneel 15 in die erforderliche Schräglage drücken kann.
  6. 6. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass von dem Schwimmschlauch 32 die Masten 34 getragen werden, an denen das Stromsammelkabel 35 befestigt ist, an dem alle aus den Solarzellenmodulen abgehenden Stromableitungskabel 36 angeschlossen sind und an deren Mastspitze die Blitzableiteranlage 37 befestigt ist.
  7. 7. Schwimmfähige Solarzellenanlage mit Sonnenstandausrichtung, Hinterlüftung und biologischer Wasserklärstufe, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der Fahrrinne 38 die Wasserrohre 39 auf dem Ankergittermodul 1 aufliegen, in denen Kühlwasser aus externen Wasserstofferzeugungsanlagen herantransportiert wird, welches im Turm 4 mit Luft angereichert worden ist und das über die Austrittslöcher 49 in an das Oberflächenwasser abgegeben wird, dass über die Wasserrohre 39 die schwimmfähigen Pflanztröge 40 von den Abstandsseilen 16 gehalten werden, deren Körper von an den Scheiteln aneinander gesetzte Halbschalen gebildet werden, deren Flanken von Seitenwänden geschlossen sind, dass am Scheitelpunkt der Trogschalen die Öffnungen 41 für den Luftaustritt eingelassen sind und dass in der oberen Trogschale Substrate und geeignete schadstoff- und salzabsorbierende Wasserpflanzen eingesetzt sind, von denen das belastete Seewasser gereinigt wird.






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