Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Nachführungsvorrichtung für Solarkollektoren mit einer hohen Energieausbeute anzugeben, die kostengünstig herstellbar und einfach installierbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein einfach anwendbares Verfahren zum Betrieb einer solchen Nachführungsvorrichtung anzugeben, bei dem eine hohe Energieausbeute gegeben ist. Des weiteren sollen bei einem solchen Verfahren zum Betrieb einer Nachführungsvorrichtung eine Beschädigung oder ein Verschleiß der Nachführungsvorrichtung weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung für wenigstens einen Solarkollektor, insbesondere für ein Photovoltaik-Modul oder für ein solarthermisches Modul umfasst eine horizontal angeordnete, drehbar gelagerte Drehachse, wenigstens einen Kollektorträger, der mit der Drehachse fest verbunden ist und der dazu bestimmt ist, auf seiner von der Drehachse weggerichteten Seite wenigstens einen Solarkollektor aufzunehmen, und seitlich an den Enden der Drehachse ansetzende Lagerstützen, die auf einer Grundfläche befestigbar sind und die rotative Lager zur Aufnahme der Enden der Drehachse aufweisen. Dabei ist die Höhe der Lagerstützen so bemessen, dass der oder die Kollektorträger mit der Drehachse über einen Winkelbereich von wenigstens 160° schwenkbar ist/sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Höhe der Lagerstützen größer gleich der Hälfte der Breite der Kollektorträger ist.

Bei dieser Nachführungsvorrichtung rotiert der bzw. rotieren die Kollektorträger zusammen mit der Drehachse.

In einer alternativen Ausführung der Nachführungsvorrichtung ist der bzw. sind die Kollektorträger mittels wenigstens eines rotativen Lagers drehbar mit der Drehachse verbunden. In diesem Fall können die rotativen Lager an den Lagerstüzen entfallen, denn der Kollektorträger dreht sich um die ortsfeste Drehachse.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung ermöglicht es eine solche Nachführungsvorrichtung, dass der wenigstens eine Solarkollektor so gedreht, geschwenkt oder (um-)gekippt werden kann, dass er, wenn die Drehachse in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist, mit seiner solaren Wirkfläche bzw. Kollektorenoberfläche sowohl in Richtung Süden als auch in Richtung Norden gerichtet und somit individuell auf den jeweiligen Sonnenstand ausgerichtet werden kann. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass sich die Kollektorwirkachse mindestens von –80° auf der Südseite, was einer nahezu senkrechten, nach Süden ausgerichteten Lage des Solarkollektors entspricht, über 0°, was einer waagerechten Lage mit einer nach oben gerichteten Kollektorenoberfläche entspricht, bis 80° auf der Nordseite, was ebenfalls einer nahezu senkrechten Lage des Solarkollektors entspricht, einstellen läßt.

Alternativ dazu kann die Drehachse in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sein, so dass die Kollektorenoberfläche sowohl in Richtung Westen als auch in Richtung Osten gerichtet werden und somit dem Lauf der Sonne folgen kann. Diese Anordnung ist besonders für Gegenden geeignet, die zwischen dem südlichen und dem nördlichen Wendekreis bzw. recht nahe am Äquator liegen.

Die eingestrahlte Energie kann, unabhängig davon ob durch Photovoltaik oder durch Solarthermie oder ähnlichem, nur dann effektiv genutzt werden, wenn sie annähernd senkrecht zur Kollektorenoberfläche auftrifft. Abweichungen im Einstrahlungswinkel unabhängig davon, ob horizontal oder vertikal, verringern die Ausbeute.

Bei der vorliegenden Nachführungsvorrichtung wird eine Energieausbeute erreicht, die sehr nahe an die Energieausbeute heranreicht, die von in zwei Ebenen, nämlich horizontal und vertikal arbeitenden Kollektornachführungsvorrichtungen erreicht wird, wobei jedoch die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung deutlich kostengünstiger in der Herstellung, in der Montage, in der Steuerung und im Unterhalt ist und gleichzeitig weniger störungs- und ausfallanfällig ist. Auf ein kostenintensives Horizontaldrehgestell, das bei in zwei Ebenen, nämlich horizontal und vertikal arbeitenden Kollektornachführungsvorrichtungen erforderlich ist, kann dabei verzichtet werden.

Die erfindungsgemäße, rotativ arbeitende Nachführungsvorrichtung ist Nachführungsvorrichtungen, welche die Kollektoren in einer Ebene, entweder horizontal oder vertikal, nachführen können hinsichtlich der Energieausbeute und des Wirkungsgrades deutlich überlegen.

Somit werden durch die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung die Vorteile einer zweikanaligen mit denen einer einkanaligen Nachführung verbunden, nämlich eine hohe Energieausbeute und ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringen Kosten.

Durch die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung wird die Sonneneinstrahlung nutzbar gemacht, welche nördlich der Ost-West-Achse, insbesondere von West über Nord bis Ost auf der nördlichen Erdhalbkugel bzw. von Ost über Süd bis West auf der südlichen Erdhalbkugel auf den Kollektorstandort einstrahlt. Die Winkelverstellung und somit die Ausrichtung des Solarkollektors bezüglich der Sonne kann sowohl in kleinen Schritten/Stufen als auch stufenlos erfolgen.

Die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung kann einen Solarkollektor oder auch eine gesamte Kollektorengruppe aufnehmen und ist daher vielseitig anwendbar.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Lagestützen bzw. Stützen so bemessen, dass der oder die Kollektorträger über einen Winkelbereich von 360° geschwenkt werden kann/können. Dafür ist die Höhe der Stützen oder Lagestützen größer gleich der Hälfte der Breite des aufzubringenden Solarkollektors bzw. der aufzubringenden Solarkollektoren zu bemessen. Dadurch wird eine Drehung des Kollektorträgers mit dem oder den Solarkollektor(en) um 360° ermöglicht, d. h. von –90°, was einer senkrechten Lage auf der Südseite entspricht, über 0°, was einer waagerechten Lage mit der nach oben gerichteter Kollektorenoberfläche entspricht, und über 90°, was einer senkrechten„ nördlichen Ausrichtung der Kollektorenoberfläche entspricht, bis zu einem Winkel von 180°, bei dem die Kollektorenoberfläche in einer waagerechten Lage nach unten gerichtet ist.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird es durch eine derartige Nachführungsvorrichtung ermöglicht, dass die Stellung der Solarkollektoren in Bezug auf die auftreffende Strahlung quasi in zwei Winkelebenen optimiert werden kann, obwohl auf eine teure horizontale Nachführung verzichtet wird. Der im Vergleich dazu mit einer echten Zweikanal-Nachführung noch zusätzlich zu erzielende energetische Mehrertrag wird durch die erheblichen Mehrkosten der Herstellung, der Montage, der Steuerung und der Wartung einer solchen Zweikanal-Nachführung kompensiert und damit wirtschaftlich unrentabel.

Durch die Fähigkeit der erfindugnsgemäßen Nachführungsvorrichtung, dass die Kollektorenoberfläche beliebig ausgerichtet und auch nach unten gerichtet werden kann, ergeben sich weitere Vorteile.

Insbesondere kann die Kollektorebene so eingestellt werden, dass die Windangriffsfläche minimiert wird, was Schäden durch starke Winde, Stürme oder Orkane vorbeugt und so die technische Sicherheit deutlich erhöht. Bei starken Niederschlägen, insbesondere bei Regen, bei Hagel oder bei Schneefall kann die Kollektorebene nach unten gerichtet werden, um so Beschädigungen, Verschmutzungen und Ablagerungen, insbesondere Schneeablagerungen auf der Kollektorenoberfläche zu vermeiden oder zu minimieren.

Des weiteren kann die Kollektorebene bei Regen in einen geeigneten Winkel gebracht werden, so dass Schmutzpartikel durch den Regen abgespült werden können. Dadurch ergibt sich ein Selbstreinigungseffekt.

Dadurch wird nicht nur die Betriebssicherheit erhöht, sondern auch die Unterhaltskosten für eine Reinigung der Kollektorenoberflächen und auch die Herstellungskosten können gesenkt werden, zumal das auf der Kollektorenoberfläche vorgesehene Glas nicht mehr hagelsicher zu sein braucht.

Zu Zeiten sehr geringer oder nicht vorhandener Einstrahlung, insbesondere während der Nacht, kann die Kollektorebene mit ihrer Kollektorenoberfläche nach unten geschwenkt werden, um die Auskühlung über die Kollektorenoberfläche zu verringern. Falls es cih bei dem Solarkollektor um ein Solarthermie-Modul handelt, kann in dieser Stellung sogar noch die von der Grundfläche, beispielsweise der Dachfläche oder dem Betonfundament abgegebene Wärmestrahlung bzw. Wärmekonvektion genutzt werden. Dadurch können Wärmeverluste verringert und sogar die Restwärme der Grundfläche nach Sonnenuntergang oder höhere Außentemperaturen während der Nacht genutzt werden. Bei Solarthermie-Modulen kann dadurch insbesondere im Sommer die in der Nacht noch recht warme Außenluft energetisch zur Vorwärmung des Trinkwassers genutzt werden.

Durch die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Nachführungsvorrichtung, die Ausrichtung des Solarkollektors auf einen beliebigen Winkel einzustellen, kann der Solarkollektor zur Vermeidung von hohen Stillstandstemperaturen auch „aus der Sonne heraus" gefahren werden bzw. so eingestellt werden, dass die gerade noch benötigte Energie genutzt wird.

Durch die relativ offene Bauweise der erfindungsgemäßen Nachführungsvorrichtung und durch die geringe Verbauung der Grundfläche durch die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung werden die Instandhaltung oder eine Sanierung der Grundfläche, insbesondere der Dachhaut, beispielsweise das Aufbringen von Dachpappe oder das Nachteeren nur geringfügig eingeschränkt, was einen großen Vorteil im Vergleich zu üblichen Aufständerungen darstellt. Stillegungen oder sogar komplette De- und Neumontagen der Elemente der Nachführungsvorrichtung oder der Solarkollektoren sind nicht erforderlich, wodurch die Systemnebenkosten deutlich verringert werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Nachführungsvorrichtung ist der Kollektorträger bzw. sind die Kollektorträger nahe seiner/ihrer Symmetrieachse drehbar gelagert. Dadurch wird die für ein Schwenken des Kollektorträgers erforderliche Energie verringert.

Wenn die Lagerstützen bzw. die Stützen als Böcke mit Aussteifungskreuzen ausgebildet sind, die jeweils eine Horizontalverstrebung und eine Vertikalverstrebung aufweisen, ergibt sich eine besonders stabile und zuverlässige Konstruktion der Nachführungsvorrichtung.

Für die Befestigung der Lagerstützen bzw. Stützen auf der Grundfläche können vorteilhafterweise Fußplatten vorgesehen sein, mittels derer die Lagerstützen bzw. Stützen zuverlässig mit der Grundfläche verankert oder verschraubt werden können.

Eine besonders sichere und flexible Aufnahme von Solarkollektoren kann erreicht werden, wenn der Kollektorträger über einen im wesentlichen rechteckigen Rohrrahmen verfügt. Zur Erhöhung der Stabilität und zur Gewährleistung eines modularen Aufbaus kann der Rohrrahmen radial bezüglich der Drehachse gerichtete Zwischenrohre aufweisen. Die Stabilität und die Steifigkeit des Rohrrahmens kann noch weiter erhöht werden, wenn diagonal verlaufende Zugstäbe, die insbesondere als Verstrebungen ausgebildet sein können, vorgesehen werden.

Eine gleichmäßige Massen- und Gewichtsverteilung und dementsprechend eine energieoptimale Drehbarkeit des Rohrrahmens ist dann gegeben, wenn zusätzlich ein Gegengewicht für den Rohrrahmen vorgesehen wird, das bezüglich der Drehachse dem Rohrrahmen gegenüber liegt.

Bei den rotativen Lagern können beliebige Lager zum Einsatz kommen, besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn Kugellager gewählt werden.

Für einen automatischen und energieoptimalen Betrieb können die Nachführungsvorrichtungen ferner über eine Steuerung und einen Antrieb verfügen, mit Hilfe derer der Kollektorträger mit dem oder den Solarkollektor(en) in definierte Drehpositionen geschwenkt und so präzise ausgerichtet werden kann/können.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer vorstehend beschriebenen Nachführungsvorrichtung. Diese wird dabei zunächst auf einer Grundfläche, insbesondere auf einem Dach so befestigt, dass ihre Drehachse im wesentlichen in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist. Dann wird der bzw. ein Kollektorträger mit wenigstens einem Solarkollektor, insbesondere einem Photovoltaikmodul oder einem solarthermischen Modul bestückt. Danach wird der Kollektorträger bzw. werden die Kollektorträger derart um die Drehachse geschwenkt und intervall- oder stufengesteuert nachgeführt, dass das auf die Kollektorenoberfläche einfallende Sonnenlicht einen bestimmten Winkel mit der Kollektorenoberfläche bildet.

In der Regel erfolgt die Einstellung des Kollektorträgers bzw. der Kollektorträger derart, dass der Winkel zwischen der Kollektorenoberfläche und dem einfallenden Sonnenlicht möglichst nahe an 90° liegt, um die Sonnenenergie optimal, d. h. mit maximaler Ausbeute und mit größtmöglichem Wirkungsgrad zu nutzen.

Durch das erfindungsgemäße Nachführen des Kollektorträgers mit dem Solarkollektor von der Südseite hin zur Nordseite können eine Energieausbeute und ein Wirkungsgrad erreicht werden, wie sie sonst nur bei teureren, in zwei Ebenen arbeitenden Kollektomachführungen erreicht werden können. Die Solarkollektoren lassen sich dabei flexibel und präzise bezüglich des einfallenden Sonnenlichts ausrichten.

Alternativ dazu ist es möglich, dass der Winkel zwischen der Kollektorenoberfläche und dem einfallenden Sonnenlicht so gewählt wird, dass gerade noch die benötigte Energie eingefangen wird.

Dadurch werden zu hohe Temperaturen in dem Solarkollektor vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kollektorträger in dem Falle, dass kein Sonnenlicht anfällt, derart um die Drehachse geschwenkt, dass die Kollektorenoberfläche der aufgewärmten Grundfläche gegenüber liegt. Dadurch kann die Restwärme insbesondere bei Solarthermie-Modulen durch Wärmestrahlung oder Wärmekonvektion der Grundfläche genutzt werden. Gleichzeitig kann ein Auskühlen der Solarkollektoren vermieden werden. Insbesondere im Sommer bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, auch in der Nacht die noch recht warme Außenluft energetisch zur Vorwärmung von Trinkwasser zu nutzen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kollektorträger bei Wind oder bei Niederschlägen, insbesondere bei Regen, bei Hagel oder bei Schneefall derart um die Drehachse geschwenkt, dass die Kollektorenoberfläche der Wind- oder Niederschlagsrichtung abgewandt ist und/oder dem Wind oder dem Niederschlag eine geringstmögliche Angriffsfläche bietet. Dadurch wird einer Beschädigung sowie Ablagerungen, insbesondere Schneeablagerungen und Verschmutzungen auf der Kollektorenoberfläche entgegengewirkt. Dementsprechend werden nicht nur die Betriebssicherheit und die technische Sicherheit erhöht, sondern es können auch die Herstellungskosten gesenkt werden, zumal das Glas des Solarkollektors nicht mehr hagelsicher zu sein braucht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kollektorträger bei Regen derart um die Drehachse geschwenkt, dass die Kollektorenoberfläche mit der Niederschlagsfläche einen stumpfen Winkel bildet. In diesem Fall ergibt sich ein Selbstreinigungseffekt, denn der Regen spült Schmutzpartikel von der Kollektorenoberfläche ab. Dadurch können die Reinigungskosten für die erfindungsgemäße Nachführungsvorrichtung eingespart und somit die Unterhaltskosten gesenkt werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass folgende technische Lösungen durch die Erfindung umfasst sind: Einzelanlage (ein oder mehrere Kollektoren); Gruppen (mehrere Schwenkeinrichtungen in Gruppen); Vor-Rücklauf-Tausch; Kollektorkreispumpe ("Vorsammlung" von Energie im Kollektorkreis, danach Abführung in den Solarkreis). Damit können selbst geringste Energieeinstrahlungen genutzt und eine Kondengatbildung auf der Absorberoberfläche vermieden werden.