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Dokumentenidentifikation DE102006010781A1 13.09.2007
Titel Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul
Anmelder Krinner Innovation GmbH, 94342 Straßkirchen, DE
Erfinder Krinner, Nikolaus, 94342 Straßkirchen, DE
Vertreter Leske und Kollegen, 80337 München
DE-Anmeldedatum 08.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006010781
Offenlegungstag 13.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/54(2006.01)A, F, I, 20060308, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24J 2/38(2006.01)A, L, I, 20060308, B, H, DE   H01L 31/042(2006.01)A, L, I, 20060308, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul beschrieben, welche einen Ständer und ein das Solarmodul befestigendes Tragwerk aufweist. Die Sonnenstandsnachführeinrichtung ermöglicht eine Verschwenkung des Solarmoduls um eine erste Achse und um eine Elevationsachse mittels eines Antriebs. Beide Achsen sind dabei so miteinander mechanisch gekoppelt und derart angetrieben, dass durch eine Verschwenkung des Solarmoduls um dessen erste Achse während eines Tages eine gleichzeitige Verschwenkung um die Elevationsachse erfolgt, d. h. die Elevationsachse wird mit der Verschwenkung um die erste Achse gleichzeitig mitgeführt, wobei die Mitführung dem jeweiligen Sonnenstandsverlauf angenähert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul. Bei den Solarmodulen kann es sich dabei um Fotovoltaikmodule, solarthermische Module, auch Kollektoren genannt, oder Brennspiegelmodule handeln.

Es ist bekannt, derartige Module zu großen Einheiten zusammenzusetzen und stationär anzuordnen. Insbesondere sind dafür Gebäudeteile wie Dächer, Wände und Brüstungen besonders gut geeignet. Vorhandene bauliche Flächen, welche ohnehin der Sonne ausgesetzt sind, werden nutzbringend für die Energiegewinnung ausgenutzt. Bei einer stationären Anordnung von Solarmodulen ist die Energiegewinnung jedoch nicht optimal, weil die Sonneneinstrahlung je nach Tages- und Jahreszeit sehr unterschiedlich ist, wobei Änderungen des Wetters sich insbesondere in hiesigen Breitengraden außerdem nachteilig auswirken können. Im Verlauf eines jeden Tages ändert die Sonne die Richtung ihrer Einstrahlung von Osten nach Westen. Hinzu kommt die unterschiedliche Höhe der Sonne über dem Horizont je nach Tageszeit. Im Winter steht die Sonne ohnehin tiefer als im Sommer, und die scheinbare Bewegung der Sonne über dem Horizont ist wesentlich kürzer.

Aus diesem Grunde sind zahlreiche Vorschläge bekannt, die Solarmodule der Sonneneinstrahlung nachzuführten, sodass die Ausbeute an aus der Sonnenenergie gewonnener Energie möglichst hoch wird.

So ist in DE 295 198 57 U1 darauf hingewiesen, dass bei nachgeführten Solaranlagen die größte Energieausbeute erzielbar ist durch die Nachführung um die erdachsparallele Achse, welche auch als Azimutachse bzw. eine dementsprechende Verstellung als Azimutverstellung bezeichnet wird. Diese Verstellung um die Azimutachse berücksichtigt den scheinbaren Verlauf der Sonne über einen Tag von Ost nach West. Um jedoch auch eine möglichst optimale Sonneneinstrahlung und damit Energieausbeute unter Berücksichtigung der jahreszeitlichen Elevation der Sonne zu erhalten, wird bei Sonnenstandsnachführeinrichtungen für Solarmodule häufig auch eine Verstellung um eine zweite Achse, die sogenannte Elevationsachse, d.h. eine Elevationsstellung realisiert. Die Energieausbeute aus der Nachführung nach dem jahreszeitlichen Stand wird jedoch nur noch als ca. 10% der aus der Azimutverstellung erzielbaren Energieausbeute angesehen.

In DE 100 59 721 A1 ist eine selbsttätig wirkende Sonnenstandsnachführeinrichtung für Solarmodule beschrieben. Diese bekannte Sonnenstandsnachführeinrichtung weist einen über einen Drehantrieb angetriebenen Drehteller sowie ein auf dem Drehteller schwenkbar gelagertes und über einen Schwenkantrieb angetriebenes Schwenkgestell für das Solarmodul auf. Neben einem derartigen Zweifachantrieb für die Nachführung um zwei Achsen ist zusätzlich eine Optosensorik vorgesehen, welche in Abhängigkeit vom Stand der Sonne Signale erzeugt und einer Steuereinheit zuführt, von welcher entsprechende Signale dem Dreh- und/oder Schwenkantrieb zuführbar sind.

Des weiteren ist in DE 94 05 983 U1 ein fotovoltaische Solaranlage beschrieben, bei welcher gegenüber bekannten Anlagen der Sonneneinfall insgesamt hinsichtlich der Energieausbeute günstiger gemacht werden soll. Dazu ist das als Tafel ausgebildete Solarmodul durch Drehung um eine aus der Senkrechten nach Norden geneigte Achse dem Sonnenstand nachführbar, wobei zusätzlich zu der Neigung dieser Achse die Tafel gegenüber dieser Achse geneigt ist. Zwar soll diese Zweifach-Neigung die Energieausbeute verbessern, eine Verstellung mittels eines Getriebemotors erfolgt jedoch nur um eine Achse.

Aus DE 20 2005 011 800 U1 ist des weiteren eine Halterung eines plattenförmigen Solarmoduls bekannt, bei welcher das Solarmodul ebenfalls um zwei Achsen geneigt ist, wobei ein Verschwenken mittels eines motorischen Antriebs um eine Tragachse vorgesehen ist. Mittels des Antriebs um eine Achse wird aufgrund der doppelten Neigung des Solarmoduls zwar eine verbesserte Anpassung an sowohl den tageszeitlichen als auch den jahreszeitlichen Sonnenstand geschaffen, es handelt sich in jedem Fall jedoch um einen Kompromiss, bei welchem die Höchstenergieausbeute vor allem während der Sommermonate und der Mittagszeit erreichbar ist, wohingegen zu Zeiten geringerer Energieausbeute bewusst ein vom Optimum abweichender Einfallswinkel der Sonnenstrahlen in Kauf genommen wird.

In DE 100 22 236 B4 ist ein mechanisch/hydraulisches Verstellsystem für zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführte Solargeneratoren beschrieben. Die Verstellung um die Azimutachse erfolgt mittels einer Linearbewegung einer Zahnstange, welche mit einem zahnradartigen Rundteil in Eingriff ist, wodurch der Ständer in Drehung versetzt wird und damit ein Schwenken des Solarmoduls um die Azimutachse erfolgt. Um eine Verstellung um die Elevationsachse vorzusehen, ist zusätzlich ein Hydrozylinder vorgesehen, welcher ausfahrbar und einfahrbar ist, wodurch die Elevationsneigung des Solarmoduls veränderbar ist. Der Antrieb der Zahnstange erfolgt mittels eines Hydraulikaggregates durch Beaufschlagung mit einem Druckölstrom. Die Bewegung der Kolbenstange des Hydrozylinders für eine Elevationsverstellung erfolgt ebenfalls durch einen Druckölstrom, welcher von demselben Hydraulikaggregat bereitgestellt wird. Zwar wird der Druckölstrom von ein und demselben Hydraulikaggregat für beide Antriebseinheiten zur Verfügung gestellt, die Antriebseinheiten werden jedoch unabhängig voneinander betrieben, was in bestimmten Intervallen erfolgt. Die Anzahl der Elevationsnachführungen im Vergleich mit den Azimutnachführungen beträgt dabei im praktischen Betrieb ca. 1 : 20. Das bedeutet, Elevationsverstellungen werden nur gelegentlich und unabhängig von den Azimutnachführungen vorgenommen.

Die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie ist zwar einerseits ökologisch sinnvoll, der Einsatz von Hydrauliköl, welches bei Undichtigkeiten ins Erdreich eindringen kann, erscheint jedoch zumindest bedenklich.

Des weiteren ist in US 5 632 823 A ein Sonnenstandsnachführsystem für einen Solarkollektor beschrieben, bei welchem die Tagesbewegung durch eine einachsige Nachführung per Schrittmotor erfolgt, wobei eine Verstellung schrittweise um 5° alle 20 Min. beschrieben ist. Während des Sommerhalbjahres wird der Sonnenkollektor um einen zusätzlichen Elevationswinkel flacher eingestellt, eine permanente Anpassung an den sich ständig verändernden jahreszeitlich bedingen Sonnenstand erfolgt nicht.

In JP 2002 25 23 65 A ist beschrieben, einen Schrittmotor mit Untersetzungsgetriebe für eine Sonnenstandsnachführeinrichtung durch einen Rastklinkenmechanismus zu ersetzen. Der Rastklinkenmechanismus weist eine Zahnscheibe auf, welche um einen bestimmten Winkelbetrag zeitweise gedreht wird. Außerdem ist beschrieben, dass ein Elektromagnet über eine Zugstange diese Zahnscheibe schrittweise antreibt. Dabei handelt es sich jedoch um eine Nachführung um eine Achse; eine gleichzeitige Nachführung um eine zweite Achse, die Elevationsachse, ist bei diesem Stand der Technik nicht angesprochen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Sonnenstandsnachführeinrichtung zu schaffen, welche eine tages- und jahreszeitlich optimierte Energieausbeute sichert, aber dennoch einfach im Aufbau, kostengünstig, störungsunanfällig, wartungsarm oder sogar wartungsfrei und ökologisch unbedenklich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 geschaffen. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die erfindungsgemäße Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul weist einen Ständer und ein das Solarmodul tragendes bzw. befestigendes Tragwerk auf. Die Sonnenstandsnachführeinrichtung gemäß der Erfindung weist eine Verschwenkmöglichkeit für das Solarmodul um eine erste Achse und um eine Elevationsachse mittels eines Antriebs auf. Unter Verstellung um die erste Achse ist eine Verstellung bzw. Verschwenkung zu verstehen, welche ein Nachführen des Solarmoduls nach dem tageszeitlich bedingten veränderlichen Sonnenstand ermöglicht. Ein Nachführen des Solarmoduls um eine Elevationsachse berücksichtigt den sich jahreszeitlich veränderlichen Sonnenstand. Gemäß der Erfindung sind beide Achsen so miteinander mechanisch gekoppelt und derart angetrieben, dass bei Verstellung des Antriebs derart, dass das Solarmodul um eine erste Achse während eines Tages verschwenkt wird, gleichzeitig die Elevationsachse bezüglich ihrer Neigung nachgeführt bzw. mitgeführt wird. Das Mitführen des Solarmoduls um die Elevationsachse erfolgt dabei vorzugsweise kontinuierlich derart, dass die Mitführung des Solarmoduls um die Elevationsachse dem jeweiligen jahreszeitlichen Sonnenstandsverlauf angenähert ist. Dies bedeutet, dass die Verstellung des Solarmoduls um die Elevationsachse mit dem Antrieb für die Verstellung um die erste Achse erfolgt und damit täglich an den jahreszeitlich bedingten Sonnenstandsverlauf angepasst wird. Das Solarmodul wird dabei täglich aus seiner Ausrichtung in Richtung Osten am Morgen bis zu seiner Ausrichtung nach Westen am Abend geführt und wird am Ende eines Tages oder unmittelbar zu Sonnenaufgang oder davor wieder in die Ostrichtung zurückbewegt. Die Verschwenkung des Solarmoduls um die Elevationsachse erfolgt jedoch während eines ersten Jahreszeitabschnittes immer nur in einer Richtung, der Mitnahmerichtung. In der anderen Richtung zur Rückverschwenkung auf eine Sonnenaufgangsposition verbleibt sie in der Mitführungsposition des vorherigen Tages. Während eines zweiten Jahreszeitabschnittes erfolgt dies umgekehrt. Der wesentliche Vorteil einer derartigen einfachen mechanischen Einrichtung besteht darin, dass ohne zusätzliche Sensorik oder zusätzliche Antriebe mit einem einzigen Antrieb sowohl die Verschwenkung um die erste Achse als auch die Verschwenkung um die Elevationsachse erreicht werden kann. Da dafür keine hydraulischen Mittel benötigt werden, ist die einfache mechanische Kopplung zwischen der Verschwenkung um die erste Achse und der Verschwenkung um die Elevationsachse ökologisch unbedenklich, zudem kostengünstig und einfach im Aufbau.

Vorzugsweise ist die erste Achse bezüglich des eine Längsachse definierenden Ständers geneigt und ist die Elevationsachse im wesentlichen rechtwinklig dazu und zu dieser Längsachse des Ständers angeordnet. Vorzugsweise ist die Elevationsachse horizontal angeordnet. Beide Achsen sind vorzugsweise im Raum so angeordnet, dass sie sich nicht schneiden. Ein wesentlicher Vorteil in der bezüglich der Längsachse des Ständers geneigten ersten Achse besteht darin, dass bei dem tageszeitlichen Verlauf die Neigung des Solarmoduls relativ flach ist. Beim Verschwenken des Solarmoduls um die erste Achse in Richtung nach Osten bzw. in Richtung nach Westen nimmt dadurch die Neigung des Solarmoduls zu, wodurch die Sonneneinstrahlung selbst bei einem relativ niedrigen Sonnenstand in den Morgenstunden bzw. in den Abendstunden unter einem relativ großen Winkel auf das Solarmodul trifft und damit die Energieausbeute verbessert wird.

Vorzugsweise ist der Antrieb hinsichtlich seiner Drehachse so am Tragwerk angebracht, dass die Drehachse mit der ersten Achse fluchtet, d.h. der Antrieb auf der ersten Achse sitzt. Der Antrieb für die Verschwenkung des Solarmoduls um die erste Achse ist über ein Koppelgestänge mit einer Getriebeverstelleinrichtung verbunden, welche seinerseits Ständer und Tragwerk und/oder Solarmodul verbindet und über welche eine Verschwenkung des Solarmoduls um dessen Elevationsachse realisierbar ist. Das Koppelgestänge ist dabei vorzugsweise mit der Abtriebswelle des Antriebs verbunden, so dass eine Verschwenkung des Solarmoduls um seine erste Achse über das Koppelgestänge der Getriebeverstelleinrichtung zugeführt wird, d.h. es liegt eine mechanische Kopplung zwischen der Verschwenkung des Solarmoduls um die erste Achse und dessen Verschwenkung um die Elevationsachse vor.

Vorzugsweise weist die Getriebeverstelleinrichtung eine Teleskop-Gewindespindel und eine durch das Koppelgestänge betätigbare Ratsche auf. Die Teleskop-Gewindespindel ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass durch Verdrehung entweder eine Verlängerung oder durch Verdrehung in eine entgegengesetzte Richtung eine Verkürzung der Länge der Gewindespindel erzielbar ist. Wenn nun der Antrieb betätigt wird, wird über das Koppelgestänge auch die Ratsche betätigt. Die Ratsche ihrerseits führt zu einer Verschwenkung um die Elevationsachse bei der Bewegung des Solarmoduls beispielsweise während eines Tagesabschnittes aus seiner Ostausrichtung in Richtung auf seine Westausrichtung. Wird jedoch am Ende eines Tages oder zu Beginn des nächsten Tages das Solarmodul aus seiner Westausrichtung wieder in die Ostausrichtung gebracht, so überträgt die Ratsche diese Bewegung auf die Elevationsachse nicht. Dies trifft beispielsweise für einen ersten Jahreszeitabschnitt vom 22. Juni bis 21. Dezember eines Jahres zu. Während eines zweiten Jahresabschnittes vom 22. Dezember bis 21. Juni erfolgen die Verschwenkung und die Nichtmitnahme an dazu umgekehrten Tagesabschnitten. Die Funktion einer derartigen Ratsche ist prinzipiell identisch mit einer Ratsche für ein Werkzeug zum Lösen beispielsweise von Radmuttern bei einem PKW. Durch diese Kopplung zwischen dem Antrieb für die Verschwenkung des Solarmoduls um die erste Achse mit der Verschwenkung um die Elevationsachse und der Übertragung der Verschwenkung der Elevationsachse durch die Ratsche in nur einer Richtung wird gewährleistet, dass während des ersten Jahreszeitabschnittes die Elevationsachse tagesgenau der Elevation des Sonnenstandes nachgeführt bzw. angenähert mitgeführt wird. Die Nachführung durch eine entsprechende Anordnung der Gewindespindel zwischen dem Ständer und dem Tragwerk bzw. dem Solarmodul führt zu deren Verlängerung, was dazu führt, dass der Neigungswinkel des Solarmoduls um die vorzugsweise horizontal angeordnete Elevationsachse flacher wird. Wenn dagegen während eines zweiten Jahreszeitabschnittes, bei welchem der Sonnenstand niedriger wird, was beispielsweise im zweiten Halbjahr eines Jahres von der Sommersonnenwende zur Wintersonnenwende der Fall ist, ein steilerer Neigungswinkel des Solarmoduls vorteilhaft ist, so wird die Ratsche so betätigt bzw. so umgestellt, dass bei deren Betätigung die Teleskop-Gewindespindel verkürzend mitbewegt wird. Bei einer tagesbedingten Umstellung von der Westausrichtung in Richtung auf die Ostausrichtung um die erste Achse wird jedoch auch in diesem Fall die Teleskop-Gewindespindel durch die Ratsche weder verlängert noch verkürzt.

Vorzugsweise kann an Stelle der Ratsche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Nocken in der Art einer Schrägscheibe vorgesehen sein, auf welchem die Gewindespindel abstützend geführt ist. Von diesem Nocken wird dabei sein erster Halbumfang innerhalb des ersten Jahreszeitabschnittes nur in eine Richtung überfahren, so dass die Teleskop-Gewindespindel verlängernd mitbewegt wird, wenn die Gewindespindel vom untersten zum obersten Teil des Nockens geführt wird. Nach Passieren des obersten Punktes des Nockens wird anschließend für den zweiten Jahreszeitabschnitt der zweite Halbumfang überfahren, wodurch die Teleskop-Gewindespindel verkürzend mitbewegt wird. Die Gewindespindel ist dabei am Nocken so geführt, dass bei der Rückwärtsbewegung von der Azimutausrichtung West auf die Azimutausrichtung Ost die Gewindespindel in ihrer Längenverstellung konstant bleibt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass bei der Rückwärtsbewegung von Westausrichtung auf Ostausrichtung der Nocken feststehend ist, d.h. sich nicht bewegt, wohingegen der Nocken zur Gewährleistung einer tagesgenauen Elevationseinstellung bei der Azimutverstellung von Ost nach West mitbewegt wird.

Der Winkel, um den eine Verstellung des Solarmoduls um die Elevationsachse erfolgt, hängt unter anderem von der gewählten Steigung des Gewindes der Gewindespindel ab, im Falle eines Nockens vom Neigungswinkel seiner Schrägfläche.

Die Teleskop-Gewindespindel ist vorzugsweise so mit dem Ständer und dem Tragwerk und/oder dem Solarmodul verbunden, dass vom Beginn bis zum Ende des ersten Jahreszeitabschnittes, d.h. vom 22. Dezember bis 21. Juni, die Elevationsneigung des Solarmoduls sich verringert, d.h. dessen Neigungswinkel flacher wird, und vom Beginn bis zum Ende des zweiten Jahreszeitabschnittes, d.h. vom 22. Juni bis 21. Dezember eines jeden Jahres, sich vergrößert, d.h. dessen Neigungswinkel steiler wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die Sonneneinstrahlung unter einem möglichst großen Winkel auf das Solarmodul auftrifft, so dass eine erhöhte Energieausbeute möglich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Getriebeverstelleinrichtung so ausgebildet, dass am Ende eines Jahreszeitabschnittes die Ratsche von der einen Richtung, in welche das Mitführen der Elevationsachse während des einen Jahreszeitabschnittes gewährleistet wird, umgestellt wird auf die entgegengesetzte Richtung, in der ein Mitführen der Elevationsachse in dem anderen Jahreszeitabschnitt erfolgt. Diese manuelle Umstellung hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau, welcher zudem kostengünstig ist und auch störunanfällig ist, realisierbar ist. Es ist jedoch auch möglich, dass an der Ratsche ein Anschlag vorgesehen ist oder eine Abtastung erfolgt, so dass kontinuierlich automatisch am Ende eines Jahreszeitabschlusses auf die andere Richtung jeweils umstellbar ist, in welcher die Ratsche ein Mitführen der Elevationsachse bei erfolgendem Antrieb der Verstellung des Solarmoduls um dessen erste Achse bewirkt.

Vorzugsweise ist die Steigung des Gewindes der Gewindespindel, welche durch die Ratsche in einer Richtung zur Verschwenkung des Solarmoduls um die Elevationsachse wirkt, über einen Jahreszeitabschnitt nicht konstant, d.h. veränderlich. Insbesondere während der Wintersonnenwende ist es möglich, dass die Verstellung langsamer bzw. geringer ausgeführt wird, weil die Energieausbeute während dieser Zeit ohnehin relativ gering ist. Zum andern kann die Verstellung um die Sommersonnenwende ebenfalls geringer ausfallen, weil während dieser Zeit eine hohe Energieausbeute ohnehin gewährleistet wird. Die Modifizierung des Gewindes der Gewindespindel kann darüber hinaus auch so ausgeführt sein, dass während der Sonnenwendzeiten ein Leerlauf bzw. ein Freilauf vorgesehen ist, welcher beispielsweise über einen Zeitraum 10 Tage vor und 10 Tage nach der jeweiligen Sonnenwende wirkt. Dadurch erfolgt um die Sonnenwendzeiten keine Mitführung der Elevation mit der Verstellung bzw. Verschwenkung des Solarmoduls um dessen erste Achse, und zwar aus den oben genannten Gründen. Wenn die Verstellung daher nicht über volle 180 Tage erfolgt, ergibt sich eine weitere mechanische Vereinfachung der erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführeinrichtung.

Vorzugsweise wird bei der Sonnenstandsnachführeinrichtung das Solarmodul um seine erste Achse in einem Winkelbereich von +55 Grad bis –55 Grad, insbesondere +40 Grad bis –40 Grad, insbesondere +35 Grad bis –35 Grad, jeweils bezogen auf die Mittelposition, welche der Mittagsposition (0°-Position) beim Tageszeitablauf entspricht, verstellbar ist. Durch diesen relativ großen Winkelverstellbereich von maximal 110 Grad gegebenenfalls auch 120 Grad wird durch die schräggestellte erste Achse ein steileres Ausrichten des Solarmoduls in den Morgen- bzw. Abendstunden eines Tages erreicht.

Die Elevationsachse des Solarmoduls ist vorzugsweise in einem Winkelbereich von 20 Grad bis 60 Grad, insbesondere 20 Grad bis 40 Grad, insbesondere 25 Grad bis 35 Grad verstellbar. Durch diesen relativ großen Verschwenkbereich ist es möglich, tagesgenau über jeweils ein halbes Jahr eine optimale Ausrichtung des Solarmoduls auf den jeweiligen Sonnenstand sowohl tageszeitlich auch jahreszeitlich zu realisieren.

Vorzugsweise weist der Antrieb einen Stellmotor, insbesondere einen Schrittmotor auf. Das Steuerprogramm des Schrittmotors kann dabei in einer Steuerplatine im Motor selbst abgelegt sein und berücksichtigt in der Regel den tageszeitlichen Verlauf des Sonnenstandes, so dass der Schrittmotor gegebenenfalls schrittweise oder im Wesentlichen kontinuierlich in sehr kleinen langsamen Schritten gesteuert wird.

Vorzugsweise ist das Solarmodul ein Fotovoltaikmodul, ein Kollektormodul oder ein Brennspiegelmodul.

Mit der erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführeinrichtung ist es somit in einfacher Weise möglich, durch Vorsehen eines einzigen Antriebs zur Verstellung des Solarmoduls um seine erste Achse gleichzeitig über eine einfache mechanische Kopplung in Verbindung mit einer Ratsche die Elevationsachse tagesgenau an den jeweiligen jahreszeitlich sich verändernden Sonnenstandsverlauf anzupassen bzw. anzunähern, ohne dass für jede Verschwenkachse ein gesonderter Antrieb erforderlich wäre. Die kontinuierliche Verstellung über eine Gewindespindel ermöglicht dabei eine besonders einfache und wartungsarme mechanische Verschwenkmöglichkeit. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle einer kontinuierlichen Verstellung über eine Gewindestange auch eine diskontinuierliche, d.h. schrittweise Verstellung vorzusehen, wobei vorzugsweise dabei ebenfalls eine tagesgenaue Elevationsverschwenkung vorgenommen werden soll. Um die Effektivität zu verbessern und eine Erhöhung bei der Energieausbeute zu erzielen, ist es jedenfalls bevorzugt, eine Elevationsverstellung in deutlich kleineren Schritten vorzunehmen, als dies im Stand der Technik vorgesehen ist.

Eine einfache Ausbildung der Sonnenstandsnachführeinrichtung gemäß der Erfindung ist auch in der Weise gegeben, dass beispielsweise während des Winters dennoch die Ostausrichtung des Solarmoduls bereits morgens noch vor Sonnenaufgang angefahren wird, wobei über den Antrieb für die Azimutverstellung während der Nacht sozusagen blind verstellt wird, so dass bei Sonnenaufgang das Solarmodul dennoch optimal auf die noch tief stehende Sonne gerichtet ist. Dadurch ist eine weiter vereinfachte Steuerung der gesamten Sonnenstandsnachführeinrichtung gewährleistet.

Damit eine zuverlässige Kopplung und optimale Kraftübertragung vom Antriebsmotor für die Azimutverstellung zur Verstellung der Getriebeverstelleinrichtung für die Elevationsverstellung gegeben ist, ist das Koppelgetriebe mit Kugelköpfen an den jeweiligen Gelenkpunkten versehen. Dadurch wird gewährleistet, dass selbst bei Verstellung und sich verändernden Winkeln eine gleichmäßige und zuverlässige Kraftübertragung gewährleistet ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführeinrichtung besteht gegenüber bekannten Einrichtungen auch darin, dass ein feststehender Ständer erheblich weniger Energieaufwand zur Verstellung um die jeweiligen Achsen erfordert, mithin die Sonnenstandsnachführeinrichtung energetisch noch weiter verbessert ist.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführeinrichtung;

2 eine vergrößerte Detailansicht des Koppelgestänges und der Getriebeverstelleinrichtung;

3 die Sonnenstandsnachführeinrichtung mit jahreszeitlich bedingten veränderten Elevationswinkeln jeweils für eine Mittagsstellung;

4 eine Seitenansicht für jahreszeitlich niedrigen Sonnenstand in Mittagsstellung; und

5 die erfindungsgemäße Sonnenstandsnachführeinrichtung mit zwei Azimutstellungen, einer Mittagsstellung und einer Morgen- oder Abendstellung.

In 1 ist die erfindungsgemäße Sonnenstandsnachführeinrichtung in räumlicher Darstellung gezeigt. Zur Vereinfachung ist das eigentliche Solarmodul 1 weggelassen, lediglich das Tragwerk 2 ist detailliert dargestellt. Das Tragwerk 2 besteht aus einem unteren Träger 2.1 und einem oberen Träger 2.2 (siehe 3), an welchen nicht bezeichnete Querträger angeordnet sind, auf welchen ein plattenförmiges Solarmodul befestigt werden kann. Das untere Teil 2.1 und das obere Teil 2.2 des Tragwerks 2 sind um eine erste Achse 3 gegeneinander beweglich, wobei das untere Teil 2.1 des Tragwerks um eine waagerechte Achse 4, die Elevationsachse, am oberen Teil eines Ständers 10 schwenkbar ist. Eine Verstellung mittels einem Antriebsmotor 5 um die erste Achse 3 ist prinzipiell durch den Doppelpfeil 7 dargestellt. Die in 1 gezeigte Darstellung entspricht etwa der Mittagsstellung, bei welcher das untere Teil 2.1 und das obere Teil 2.2 des Tragwerks in ihrer sogenannten Nullstellung bzw. 0°-Stellung zueinander angeordnet sind. Eine Verstellung um die Elevationsachse 4 ist durch den Doppelpfeil 8 gekennzeichnet.

2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Details A, welches ein Koppelgestänge 11 zeigt, welches am oberen Teil 2.2 des Tragwerks 2 angelenkt ist und bei dessen Verschwenkung über weitere Koppelglieder eine Bewegung, welche durch den Antriebsmotor 5 ausgeübt wird, auf eine Ratsche 14 überträgt, welche mit einer Teleskop-Gewindespindel 13 verbunden ist. Die Ratsche 14 und die Teleskop-Gewindespindel 13 bilden gemeinsam die Getriebeverstelleinrichtung 12. Bei Bewegung des oberen Teils 2.2 des Tragwerks 2 um die erste Achse 3, wenn das Solarmodul dem Tagessonnenverlauf folgend bewegt wird, wird die Ratsche 14 betätigt, so dass sich je nach Jahreszeitabschnitt die Teleskop-Gewindespindel 13 verlängert oder verkürzt und damit die tagesgenaue Elevationsanpassung bzw. -annäherung der erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführeinrichtung gewährleistet ist. Die Ratsche ist so aufgebaut, dass bei der Rückführung entgegen der Ratschen-Mitnahmerichtung eine Kopplung unterbrochen ist, d.h. eine Bewegung auf die Elevationsverstellung nicht erfolgt.

In 3 ist die erfindungsgemäße Sonnenstandsnachführeinrichtung für zwei Elevationsstellungen gezeigt. Die steilere Elevationsstellung entspricht dabei einer Stellung zu einer Jahreszeit, bei welcher der Sonnenstand relativ niedrig ist, d.h. beispielsweise während des Winters, wohingegen die flachere Ausrichtung einer der Sommerzeit entsprechende Ausrichtung der Elevationsachse zeigt. Beide Stellungen sind in beispielhafter Weise für die Mittagsstellung gezeigt. In dieser 3 ist ersichtlich, dass die Teleskop-Gewindespindel 13 bei der steileren Elevation nahezu bis zum Anschlag eingefahren ist, wohingegen für die flachere Elevationsverstellung die Teleskop-Gewindespindel 13 nahezu komplett ausgefahren ist. Somit stellt die 13 im Wesentlichen den kompletten Elevationsverstellbereich dar.

4 zeigt eine Seitenansicht für eine für den Winter vorgesehene Elevationsstellung, wobei ebenfalls nur die Mittagsstellung der Einfachheit halber gezeigt ist. Wiederum ersichtlich ist die für diese steile Elevationsstellung im Wesentlichen komplett eingefahrene Teleskop-Gewindespindel 13.

Und schließlich sind in 5 für die erfindungsgemäße Sonnenstandsnachführeinrichtung zwei Stellungen der Azimutverstellung gezeigt: Die Mittagsstellung und eine Morgen- bzw. Abendstellung. Daraus ist ersichtlich, dass durch die Schrägstellung der ersten Achse 3 bei Verschwenkung um diese erste Achse 3 der Anstellwinkel des Solarmoduls zu Tageszeiten mit relativ niedrigem Sonnenstand, d.h. im Wesentlichen morgens und abends, das Solarmodul einen relativ steilen Winkel einnimmt, wohingegen während der Mittagszeit der Winkel deutlich flacher ist, um möglichst optimale Sonneneinstrahlungsbedingungen während des scheinbaren Sonnenlaufs sicherzustellen.

1
Solarmodul
2
Tragwerk
2.1
unteres Teil des Tragwerks
2.2
oberes Teil des Tragwerks
3
erste Achse
4
Elevationsachse
5
Antrieb
7
Verschwenkung um die erste Achse
8
Verschwenkung um die Elevationsachse
9
Längsachse des Ständers
10
Ständer
11
Koppelgestänge
12
Getriebeverstelleinrichtung
13
Teleskop-Gewindespindel
14
Ratsche


Anspruch[de]
Sonnenstandsnachführeinrichtung für ein Solarmodul mit einem Ständer und einem das Solarmodul (1) befestigenden Tragwerk (2), bei welchem das Solarmodul (1) um eine erste Achse (3) und um eine Elevationsachse (4) mittels eines Antriebs (5) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Achsen (3, 4) so miteinander mechanisch gekoppelt und derart angetrieben sind, dass durch eine Verschwenkung (7) des Solarmoduls (1) um die erste Achse (3) während eines Tages die Elevationsachse (4) bezüglich ihrer Neigung mitgeführt wird, welche Mitführung dem jeweiligen jahreszeitlichen Sonnenstandsverlauf angenähert ist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (3) bezüglich des eine Längsachse (9) definierenden Ständers (10) geneigt ist und die Elevationsachse (4) im wesentlichen rechtwinkelig dazu und zur Längsachse (9) des Ständers (10), insbesondere horizontal, verläuft. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (5) auf der ersten Achse (3) sitzt und über ein Koppelgestänge (11) mittels einer Ständer (10) und Tragwerk (2) und/oder Solarmodul (1) verbindenden Getriebeverstelleinrichtung (12) eine Verstellung (8) des Solarmoduls (1) um dessen Elevationsachse (4) erzeugt. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeverstelleinrichtung (12) eine Teleskop-Gewindespindel (13) und eine durch das Koppelgestänge (11) betätigbare Ratsche (14) aufweist, welche innerhalb eines ersten Jahreszeitabschnittes nur in eine erste Richtung die Teleskop-Gewindespindel (13) verlängernd mitbewegt und innerhalb eines zweiten Jahreszeitabschnittes nur in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung die Teleskop-Gewindespindel (13) verkürzend mitbewegt, bei Bewegung der Ratsche (14) in eine Richtung entgegengesetzt zu der jeweiligen ersten oder zweiten Richtung die Teleskop-Gewindespindel (13) weder verlängert noch verkürzt. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeverstelleinrichtung (12) eine Teleskop-Gewindespindel (13) und einen die Gewindespindel (13) führenden Nocken in der Art einer Schrägscheibe aufweist, dessen erster Halbumfang innerhalb eines ersten Jahreszeitabschnittes nur in eine Richtung überfahrbar ist und dabei die Teleskop-Gewindespindel (13) verlängernd mitbewegt und dessen zweiter Halbumfang eines zweiten Jahreszeitabschnittes anschließend überfahrbar ist und dabei die Teleskop-Gewindespindel (13) verkürzend mitbewegt, wobei die Gewindespindel (13) so am Nocken geführt ist, dass bei einer Rückwärtsbewegung entgegen der nur einen Richtung die Gewindespindel (13) in ihrer Längenverstellung konstant bleibt. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teleskop-Gewindespindel (13) so mit dem Ständer (10) und dem Tragwerk (2) verbunden ist, dass vom Beginn zum Ende des ersten Jahreszeitabschnittes (22. Dezember bis 21. Juni) die Elevationsneigung des Solarmoduls (1) sich verringert und vom Beginn zum Ende des zweiten Jahreszeitabschnittes (22. Juni bis 21. Dezember) sich vergrößert. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeverstelleinrichtung manuell am Ende eines Jahreszeitabschnittes von der einen Richtung auf die andere Richtung umstellbar ist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeverstelleinrichtung (12) über einen Anschlag oder kontinuierlich automatisch am Ende eines Jahreszeitabschnittes von der einen auf die andere Richtung umstellbar ist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) um seine Azimutachse (3) in einem Winkelbereich von +55° bis –55°, insbesondere +40° bis –40°, insbesondere +35° bis –35°, bezogen auf seine Mittelposition, verstellbar ist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) um seine Elevationsachse (4) in einem Winkelbereich von 20° bis 60°, insbesondere 20° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, verstellbar ist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (5) einen Stellmotor, insbesondere einen Schrittmotor, aufweist. Sonnenstandsnachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) ein Fotovoltaik-, ein Kollektor-, oder ein Brennspiegelmodul ist.






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