WO2012159611A2 - Vorrichtungen zur optimierung und betriebsstabilisierung einzelner solarer module/kollektormodule und zusammengesetzter kollektormodulgruppen gegen umwelteinflüsse, insbesondere wind und mit dem wind mitbewegte partikel und gegenstände - Google Patents

Vorrichtungen zur optimierung und betriebsstabilisierung einzelner solarer module/kollektormodule und zusammengesetzter kollektormodulgruppen gegen umwelteinflüsse, insbesondere wind und mit dem wind mitbewegte partikel und gegenstände Download PDF

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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to devices for optimizing and stabilizing the operating environmental loads and reaction moments occurring on reflective and absorbing solar collectors and module groups composed thereof.
  • Solar power plants usually use concentrating, absorbing or reflecting modules in single configuration, but mostly in field configuration, i. E. in combination of several individual modules. These modules convert the solar radiation directly, e.g. by photovoltaic cells, or indirectly, e.g. by converting the thermal energy by means of a cycle, into electrical energy.
  • Radiation power correlates approximately with the area of the modules in single configuration or field configuration to achieve high system performance.
  • the attacking forces and moments and other influences due to moving parts in the flow have become generally the subject of interpretation.
  • Today's concentrating technologies for concentrating solar irradiation require a high accuracy of the tracking of appropriate systems according to the position of the sun, which can be designed as a one- or two-axial tracking systems depending on the power plant technology used.
  • these can be moved individually or in parallel in series through one or more drives. The selection of the drive components depends on the type of system or system and the environmental influences and the resulting design basis.
  • a conventional solar collector here is the parabolic trough in application US 2011/0048405 from 26.02.2010 i. the illustrated construction of the collector with torsion tube made of steel, supporting arms made of steel and glass mirrors shown.
  • the parabolic glass mirrors used are held by appropriate support structure and tracking the position of the sun.
  • the receiver is located in the focal line of the parabolic mirrors. All forces and torsional moments occurring are transmitted through the mirrors to the support arms and from there to the torsion tube and discharged into a suitable drive.
  • the complete range of rotation or tracking angle for azimuth and elevation in the respective ranges from 0 ° to 360 ° into consideration.
  • the design loads of a static position may also be used for this purpose. To determine the design loads, the acting dead loads can be assumed to be quasi static with a known force vector (vertical).
  • Collector modules will be expected in the event of strong, cumulative deflections composite module groups, possibly also this deformation case, i. the cumulative deformation (usually a combination of deformation and twist), used as a dimensioning or design basis.
  • Interference loads (interaction of the flow conditions with other system parts) exist.
  • the occurring interference loads can, depending on the prevailing
  • Be collector module units of the entire power plant system A detailed theoretical and experimental consideration / consideration of the occurring interference and its effect on the efficiency of the entire power plant, or a correspondingly induced deformation of the individual Collector modules and composite module units will be indispensable for design and dimensioning in the future.
  • Optimization step can achieve long-term optimized efficiencies through minimal deformation of the components used in the module and this itself. This has been the basis for the design and development of the device according to the invention described below.
  • the invention is therefore based on the object, depending on the prevailing, changing operating conditions and local environmental influences - especially when occurring, strong and dynamic loads due to wind - the power plant systems, i. E. individual collector modules and the module units assembled therefrom to ensure maximum efficiency and, by constant plant operating conditions, a correlating maximum overall efficiency for each individual operating situation / load. Transferred to the individual collector modules and the module units composed thereof, this means that minimal self-deformations of the o.g. Classes in the operating area must be ensured under the possible operating conditions occurring. Alternatively, deviating goals may also be the focus of optimization; as an example here is the suppression, avoidance and / or targeted
  • the collector modules and structures of the type mentioned above in that one or more rigid and / or movable devices, which fixed by one or more Anflanschungsus and / or loose with the structure.
  • the absorbing and / or reflecting solar modules and / or the solar collector itself or by possible auxiliary devices can be mounted directly or indirectly on the structure, and can be moved statically and / or uniformly or non-uniformly in a suitable manner with the operation of the structure.
  • the invention generates
  • the devices can serve in corresponding embodiments by stabilizing measures, for example, the reduction or possibly complete suppression of occurring static and / or dynamic loads or influences.
  • stabilizing measures for example, the reduction or possibly complete suppression of occurring static and / or dynamic loads or influences.
  • additional devices for receiving or fixing solid, liquid or gaseous substances (5) can be both for the operating case as well as for the securing position additionally introduce necessary structural loads and moments to optimize the overall system.
  • the device may be designed according to the expected load as an active or passive manipulator in a simple and / or adapted to the application geometry and may be based on the application, i. E. individual collector modules and / or the modular units composed thereof, uniformly moved in fixed construction or in a uniform or non-uniformly correlated manner to the operating movement or even isolated method / controlled.
  • the rigid and / or movable device in unit with the individual collector modules and / or the module units composed thereof, ensures the optimum efficiency of the overall construction of the concentrating, absorbing or reflecting modules in a single configuration - but mostly in field configuration through optimum integration in the design composite.
  • a parabolic trough collector field which consists of rows of composite individual collectors which are each moved by one or more traversing units, by the summation of the respective induced individual torques of the modules, taking into account the material-specific characteristic value, a twist occurs.
  • a parabolic trough collector field which consists of rows of composite individual collectors which are each moved by one or more traversing units, by the summation of the respective induced individual torques of the modules, taking into account the material-specific characteristic value, a twist occurs.
  • Corresponding twist values are for the modules, which are in direct mechanical
  • inventive devices are moved so that they produce the least possible resistance.
  • the movable devices may moreover, depending on environmental parameters occurring and in particular on exceeding a fixed or variable threshold, e.g. of the wind flow vector, may be used as a passive control element e.g. the method of concentrating, absorbing or reflecting modules in
  • non-uniformly movable devices and the so dynamically generated forces and moments are generally dispensed with a drive; only a brake is required to lock a single collector module or module groups composed thereof in a predetermined position.
  • a parabolic trough collector field which consists of rows of composite individual collectors which are each moved by one or more moving units
  • solar power plant systems may vary depending on the geometric design. using special, reflective and / or absorbing modules and their fastening and support systems not only by static forces and concomitant deformations
  • the devices according to the invention in a rigid or flexible manner, passively moved or actively controlled, can greatly suppress the occurring dynamic effects in analogy to the mode of operation already shown for the static case or possibly completely prevent them.
  • Experiments carried out for solar thermal as well as photovoltaic applications show reduced alternating loads of more than 75%.
  • the dynamic structural and moment loads resulting from the flow around the overall structure can be completely suppressed for the operating range and in the securing position.
  • the devices stabilize the entire system or the wake of the entire system and thus ensure that the detaching flow as possible exert no dynamic effects on the neighboring or lagging systems.
  • the one or more rigid and / or movable devices which may be firmly and / or loosely connected to the structure and / or positioned in the vicinity of the structure, may be variably suspended in their geometry and height. By additional devices, the height of the suspension can be variably adjusted to the load case / operating case and / or operating range.
  • Single configuration - usually in field configuration by optimal design integration in the composite - is given by the symmetrical or asymmetrical design of the individual collector modules and / or the module units composed thereof, in which the rigid and / or movable device and / or beyond components of the individual collector modules and / or the module units composed thereof can be partially or completely removed permanently or by active and / or passive control.
  • the device can be connected directly and / or supported by possible auxiliary devices directly or indirectly fixed and / or flexible with the structure.
  • the device or optionally also a plurality of devices can also be mounted in combination with additional auxiliary devices in any orientation direction or different axes. These can, but do not necessarily have to be with the movement axis or the
  • the device which has as an essential function influencing the flow around the solar module and composite module groups, can be provided as a rigid embodiment which is rigidly attached to the solar module and moves in a manner analogous to the movement of the solar module.
  • different action forces are exerted on the solar module by the change in the installation angle in one or more axes of rotation due to the change in the sun angle and the corresponding tracking by the environmental influence and its change depending on the angular position.
  • the use of the device according to the invention as an active device is therefore very useful as a variant.
  • the device may in principle be constructed symmetrically or asymmetrically with respect to the basic axes of the system. Measurements on prototypes have shown that just the
  • the device and / or variants of the device can be variably designed in terms of geometry and height and / or mounted on the solar module or an auxiliary device.
  • Auxiliary devices can variably adjust the height of the suspension to the load case become. Above all, this embodiment can compensate for the non-uniform flow, ie differences in the flow rate as a function of the flow height (boundary layer formation has a considerable influence on the flow conditions), which can be equal to the respective height of the solar module.
  • Composite materials for the construction of the devices according to the invention guarantee maximum optimization effect with minimal additional structural and torque load by the structure itself.
  • Simplest systems can also be made of metallic recyclables or plastics in individual material thicknesses as well as combinations of both.
  • weatherproof and UV-resistant materials also guarantee long lifecycles and high availability of protection.
  • the technical design of the device can be individually adapted to the expected load case and the reaction loads and moments related to it.
  • the device can be in addition. the installation on the solar module and / or auxiliary devices of the solar module as an additional stiffening element, with the possibility of adjusting the spatial position by possible deformation due to the influence of the environmental influence and use active control components.
  • the aircraft can again be used here.
  • miniaturized trailing edge flaps which in the case of take-off and landing, i. can be extended in the high-lift phases at the trailing edges of the flaps, the torsional stiffness of the highly loaded flaps can be greatly increased at the same time, strong boost increase.
  • the device according to the invention can be controlled against almost all environmental influences during operation and beyond protect in possible protective positions.
  • the device according to the invention can be used individually or in combination with additional features
  • Auxiliary devices segmented and executed in different geometric embodiments.
  • foil, screen, net or fence elements which can also be segmented in the horizontal and vertical axis and / or designed in inhomogeneous design, also the individual adjustment of the effective surface of the devices to the expected load case, i. the expected wind load allows. Both in the height direction and in the direction of flow, several elements can be combined with each other in order to achieve optimum effect with the lowest possible
  • the possibility of integrating the device according to the invention as a sieve, net or fence element may be mentioned here directly at the border of a heliostat structure. If this is in the backup position i. In a horizontal position, when it is streamed by wind, under conventional design, dynamic stimulation of the structure, caused by strong, dynamic suction effects, occurs. Buoyancy and / or downforce in the flow around the structure. The screen, net or fence elements prevent this by partially or completely preventing the dynamic buoyancy and / or output effects, depending on the design.
  • the screen, net or fence elements as integrated components of the device according to the invention can thus contribute in a special way to the stabilization of the solar modules.
  • the use of devices themselves and / or the attachment points of the devices to the horizontal and vertical edges of the modules provide additional protection and functionality.
  • the devices can be targeted to reduce or completely block the ground clearance of the module in the different axes of motion use. According to the geometry and design of the device this can also be used as a mechanical stop, buffer or damper.
  • the asymmetrical design of the device it can be combined, i. by using the own actuator or by using the drive of the solar module itself to make / restore the ground clearance e.g. at shipping or
  • the devices and auxiliary devices for receiving and / or attachment or recording and attachment of solid, liquid or gaseous substances for paraxial guidance of diagnostic, measuring and control systems as well as for the cleaning of the surfaces of corresponding modules are used.
  • the device can also be used as a guide and / or for positioning systems that are not permanently located in the area of action of the solar module.
  • the device according to the invention which, as described above, can also be embodied in partial bodies or partial surfaces, can be implemented in the simplest case as a simple, flat plate. This is indirectly or rigidly pivotable via one or more attachment points directly or by an auxiliary device. movably attached to the solar module.
  • the flow triggers when hitting the "sharp" edge of the device according to the invention and there is a region of detached flow instead of the potential accelerated flow that would normally prevail on the so-called suction side Optimization of the effectiveness of the device according to the invention, which can be supplemented and / or executed in its entirety in different geometrical forms.
  • a form of circular cylinder called, which uncritical tearing of the flow in a further range of variation of the possible flow vector of the flow and device according to the invention
  • all conceivable standard as well as special profile geometries can be used to ensure a stable flow around the entire operating angle range of the solar module
  • the simple, flat plate can also be designed segmented.
  • the ratio of flow deflection to the flow through the respective simple, flat plate can be varied and adapted to the respective requirements.
  • the device according to the invention can also be non-uniform Extension and / or shape with respect to the corresponding spatial directions of the alignment.
  • a rigid or flexible flap element can be assumed, which is mounted on the so-called suction side of a parabolic trough collector ie on the side of convex curvature to specifically stabilize the flow in dependence of the operating parameters and lead or the position of the stall fix and thereby ensure stabilization and optimization of the flow around.
  • individual parts of the flap can be made of inhomogeneous materials.
  • auxiliary devices which in turn are not in homogeneous but, for example, by the integration of screening or bridle elements with additional
  • Possibility of partial flow can be equipped. This optimizes and stabilizes the flow additionally.
  • simple protection nets e.g. simple protection nets than
  • auxiliary devices that the solar module rotates by its own rotation in the operating room in these auxiliary devices and thus is almost completely protected from external environmental influences.
  • the execution of the device according to the invention is designed as a circular cylinder for receiving or fastening or receiving and fixing of solid, liquid or gaseous substances, may be mentioned.
  • the device according to the invention can be equipped with additional mass according to requirements in the field of solar modules, and by using additional auxiliary devices such as a
  • Windscreen sieve be hung at different heights on the horizontal support structure of a heliostat.
  • the flow around the heliostat is thereby greatly changed and stabilized, depending on the elevation angle of the solar module and the resulting ground clearance. Loads and induced torques decrease significantly.
  • the use of the device according to the invention is limited, with respect to the individual solar module, to the operating region of the solar module. This means, on the one hand, that the
  • Device according to the invention directly i. can be fixed directly rigid and / or flexible on the solar module. But it is also possible to attach the device according to the invention directly or indirectly by one or more auxiliary devices on the solar module or in the operating area of the solar module.
  • the operating range of the solar module typically includes the area that is twice the length of each of the longest basic dimensions, i. the reference length of length, width or height and / or diameter or radius of the module would sweep, regardless of the respective one or more axes of rotation of the solar module in the possible, different spatial directions.
  • FIG. 1 a shows, by way of example, the structure of a combination of the FIGS
  • Protection position of the individual solar collector modules and composite collector module groups acts the inventive device (lb) as protection of the ground-level reflective or absorbing modules of the collector against entrained in the flow of particles and objects.
  • Device (la) ensures a constantly optimized flow around the upper edge of the collector.
  • Fig. 1b shows the structure in a selected operating position.
  • device (lb) ensures a minimization of undercurrent and concomitant lower structural loads and, above all, torques of the collector system; parallel generates device (la) by additional
  • FIG. 2a shows, in a side view, by way of example the structure of a combination of FIGS.
  • the device (1a) acts as a protection against particles and objects entrained in the flow in order to protect the collector's reflecting or absorbing modules near the bottom.
  • Fig. 2b shows the structure for a typical operating position. In the operating area is the
  • Device (la) according to the invention is moved in a non-uniform manner such that, with minimal interference, e.g. by shading, an optimized effect on protection against environmental influences, e.g. Wind and in the flow of moving particles, is realized.
  • Fig. 3 shows in the rear view the structure of a combination of the inventive device for optimizing individual solar collector modules and composite
  • Collector module groups against environmental influences, in particular wind, a combination of the devices shown in Figures la and lb and 2a and 2b.
  • the devices according to the invention on the one hand in fixed mounting or actively controllable design (la) and freely movable mounting (lb), are fastened in each case by attachment points to the basic structure of the solar collector (6).
  • Corresponding devices are designed segmented. You yourself can be both flat and curved running.
  • the integration of screen or network structures is possible.
  • a device according to the invention (lc) by means of auxiliary device (3) is additionally attached to the solar collector (6).
  • FIGS. 4a and 4b show a side view of the combination of the invention
  • the device according to the invention (lc) designed as a sieve structure, which is fastened to the solar collector (6) by an auxiliary device (2b), prevents or optimizes the flow around the collector, in particular in inclined flow.
  • the device according to the invention can be mounted symmetrically to the axis of rotation of the solar collector (6), shown in FIG. 4 a, or asymmetrically, shown in FIG. 4 b.
  • Fig. 5 shows the side view of a support system for absorbing or absorbing
  • both the flow around the lateral edges can be optimized by devices (ld) according to the invention. greatly reduced by the flow around the lowest and / or highest pressure differences as well as the flow around the entire system, i. of the solar collector (6) by passive or active ventilation by permanently mounted and / or actively controllable (la) and freely movable inventive devices (lb) optimize.
  • the pressure on the surface of the solar modules (5) of the lower collector surface in the corresponding operating position weakens due to the ventilation, i.e. the ventilation. a resulting gap strong.
  • the inventive devices used in the upper collector surface (la) optimize the overall torque balance of the structure by an additionally generated force component by the obstruction of the openings between the solar modules (5) but above all by a force component generated by the inventive device (la) on the top
  • Fig. 6 shows the side view of a support system for integrating absorbent
  • the reflective solar module (5) which is provided with devices (1) according to the invention. These are mounted directly on the solar modules (5).
  • the devices (ld) according to the invention for optimizing the flow around the solar collector (6) can equally be used as guides for auxiliary devices (7) which are not permanently in the effective range of the solar collector (6).
  • FIG. 7 shows the perspective view of a support system for absorbing or absorbing
  • reflective solar module (5) which is provided with devices (1) according to the invention. These are mounted by means of auxiliary device (3) and attachment points (2c) directly to the solar modules (5).
  • inventive devices (1) which are executed in the present application by mesh and screen structures and in combination and additionally with a device for receiving or attachment or recording and attachment of solid, liquid or gaseous substances, by the partial suppression of Underflow of the solar collector (6) overall, the flow stabilized while minimizing the loads and moments acting on the structure.
  • FIG. 8 shows a side view of the support system for integrating absorbent or reflective.
  • FIG Solar module (5) which is provided with devices (1) according to the invention. These are mounted by means of attachment points (2c) directly to the solar modules (5).
  • the device is designed in this embodiment as a triangular geometry of a combination of sieve and plate structures.
  • the fluctuations in the wind flow acting on the solar collector (6) due to natural turbulence or possibly due to upstream structures are partially or completely suppressed, depending on the degree of blocking / porosity of the device (1a) according to the invention.
  • Partial body of the device according to the invention fixedly mounted and / or actively controllable lb Part body of the device according to the invention, mounted freely movable
  • Partial body of the device according to the invention mounted in the second axis, rigid, controllable or freely movable

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Optimierung der auftretenden umweltspezifischen Belastungen d.h. Kräfte und Momente reflektierender und absorbierender Solarkollektoren sowie daraus zusammengesetzter Modulgruppen. Der Aufbau ist eine Kombination aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen und entsprechenden Modulen selbst. Im gesamten Operationsbereich wirken die erfindungsgemäßen Vorrichtungen durch Beeinflussung und Optimierung der Umströmung der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen und führt so zu geringeren statischen und dynamischen Belastungen und somit zu gesteigerten Wirkungsgraden.

Description

Vorrichtungen zur Optimierung und Betriebsstabilisierung einzelner solarer Module/Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind und mit dem Wind mitbewegte Partikel und
Gegenstände
Beschreibung:
[001] Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Optimierung und Betriebsstabilisierung der auftretenden umweltspezifischen Belastungen und Reaktionsmomente an reflektierenden und absorbierenden Solarkollektoren sowie daraus zusammengesetzter Modulgruppen.
Darüber hinaus werden durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Schutz reflektierender und absorbierender Sonnenkollektoren vor umweltbedingten Belastungen die Umströmung bzw.
Durchströmung einzelner Kollektormodule oder auch zusammengesetzter Kollektormodulgruppen und - felder optimiert und somit die Anlagenwirkungsgrade optimiert.
Stand der Technik
[002] Solare Kraftwerke nutzen in der Regel konzentrierende, absorbierende oder reflek-tierende Module in Einzelkonfiguration, meist allerdings in Feldkonfiguration, d.h. in Zusammenstellung mehrerer Einzelmodule. Diese Module wandeln die solare Einstrahlung direkt, z.B. durch photovoltaische Zellen, oder indirekt, z.B. durch Umwandlung der thermischen Energie mittels Kreisprozess, in elektrische Energie.
Erste Entwicklungen der solarthermischen Anwendungen lassen sich bereits Anfang des letzten
Jahrhunderts finden. Sowohl in Afrika als auch den Vereinigten Staaten von Amerika sind hier erste Kollektormodelle bzw. Anlagen zur Nutzung der solaren Einstrahlung entwickelt worden. Diese wurden meist ausschließlich zur Erzeugung bzw. Nutzung der thermischen Energie eingesetzt. So beschreibt das Patent US 1,989,999 vom 07.06.1933 grundsätzlich den Aufbau eines thermischen Röhrenkollektors, der sich bis heute im Aufbau prinzipiell nur unwesentlich geändert hat. Geändert haben sich in hohem Maße aber die Ausführungsgrößen und die Leistung der Anlagen, um so durch hohe
Einstrahlungsleistung, korreliert annähernd mit der Fläche der Module in Einzelkonfiguration oder Feldkonfiguration, hohen Anlagenleistungen erzielen zu können. Mit der Skalierung der Anlagen von einer einfachen Dachanwendung hin zu Kraftwerksanwendungen sind daher vor allem die angreifende Kräfte und Momente und weiteren Einflüsse durch in der Strömung mitbewegte Teile wie beispielsweise und durch die Umweltbedingungen generell zum Auslegungsgegenstand geworden. [003] Heutige konzentrierende Technologien zur Bündelung solarer Einstrahlung erfordern eine hohe Genauigkeit der Nachführung entsprechender Systeme nach dem Sonnenstand, welche je nach verwendeter Kraftwerkstechnologie als ein- oder zweiaxiale Nachführungssysteme ausgeführt sein können. Je nach Ausführung der solaren Module können diese einzeln oder parallel in Reihe durch einen oder mehrere Antriebe verfahren werden. Die Auswahl der Antriebskomponenten richtet sich entsprechend nach dem Typus der Anlage bzw. des Systems und den einwirkenden Umwelteinflüssen und den sich daraus ergebenden Bemessungsgrundlagen.
Aufbauend auf den erprobten Konstruktionen in Kraftwerksumfang, von denen die ersten während der ersten und zweiten Ölkrise d.h. in den 1970iger Jahren gebaut und erprobt worden sind, haben sich grundsätzliche Tendenzen sowohl im Bereich der thermischen Anwendungen d.h. bei den typischerweise als Parabolrinnen, Heliostaten, Dish und Fresnelsystemen, um die wichtigsten konstruktiven
Umsetzungen zu Anfang des 20. Jahrhunderts zu nennen, und bei den photovoltaischen Anwendungen d.h. bei einfache Flachpaneele als auch konzentrierende Systeme heraus kristallisiert.
Als Beispiel für einen konventionellen solaren Kollektor sei hier die Parabolrinne in Anmeldung US 2011/0048405 vom 26.02.2010 d.h. die dargestellte Konstruktion des Kollektors mit Torsionsrohr aus Stahl, Tragarmen aus Stahl und Glasspiegeln dargestellt. Die genutzten parabolischen Glasspiegel werden durch entsprechende Tragstruktur gehalten und dem Sonnenstand nachgeführt. In der Brennlinie der parabolischen Spiegel befindet sich der Receiver. Alle Kräfte und auftretenden Torsionsmomente werden durch die Spiegel auf die Tragarme und von dort auf das Torsionsrohr übertragen und in einen geeigneten Antrieb abgeleitet.
Eine eher unkonventionelle, wenn auch vor dem Hintergrund einer mechanischen und
werkstoffspezifischen Auslegung optimierte Konstruktion, Ausführung eines solarthermischen Kollektors findet sich in der Anmeldung DE 10 2009 038 962 vom 20.08.2009. Hier wird ein röhrenförmiger Grundkörper mit einer transparenten oberen Schale und unteren Schale, welche als Spiegel ausgeführt wird, verwendet. Die angreifenden Kräfte werden durch den Röhrenkörper aufgenommen und in die Tragstruktur abgeleitet, welche wiederum mit einem Antrieb zur Kraftübertragung ausgestattet ist. Grundsätzlich können in den betriebsrelevanten Positionen durch die Ausführung des Kollektors als geschlossenes Röhrenelement und der Möglichkeit, bauartbedingt höhere Kräfte und Torsionsmomente übernehmen zu können, im Vergleich zu den konventionellen Systemen höhere Wirkungsgrade erwartet werden. Diese werden allerdings durch die transparente Abdeckung d.h. der vorderen
Kollektorabdeckung teils oder ggf. komplett überkompensiert werden.
[004] Die durch solare Kraftwerke zu erzielenden Wirkungsgrade steigen grundsätzlich mit der
Genauigkeit der Nachfuhrung bzw. der Minimierung möglicher Winkelablagen der solaren Module vom Sonnenstand. Verluste treten insbesondere durch systematische Winkelablage und/oder zusätzliche dynamische Auslenkung auf. Dabei spielen die auftretenden Umwelteinflüsse - hierbei insbesondere die vorherrschende Windbelastung - eine wesentliche Rolle für Auslenkungen von der idealen Positionierung zur Sonne. Die auftretenden Auslenkungen lassen sich dabei grundsätzlich in Klassen, von denen hier die Wichtigsten genannt werden sollen, unterteilen:
(a) die Eigenverformung der absorbierenden und/oder reflektierenden Module durch Eigengewicht im gesamten Operationswinkelbereich (vereinbarungsgemäß wird die Sonnenaufgangsposition als alpha= 0° definiert) der möglichen Nachführung, d.h. von derzeit alpha= -30° (Schutzposition im Osten) bis alpha= 180° (Sonnenuntergangsposition) oder teilweise sogar alpha= 210° (Sicherungsposition im Westen). Grundsätzlich kommt allerdings der komplette Dreh- oder Nachführungswinkelbereich für Azimut und Elevation in den jeweiligen Bereichen von 0° bis 360° in Betracht. Für den Fall der nicht nachgeführten Systeme werden hierfür ggf. auch die Bemessungslasten einer statischen Position herangezogen. Zur Ermittlung der Bemessungslasten können die wirkenden Eigenlasten als quasi statisch mit bekanntem Kraftvektor (vertikal) angenommen werden.
(b) die Verformung jedes individuellen Kollektormoduls durch umweltbedingte zusätzlich zu dem unter (a) dargestellten Eigenwicht; im Wesentlichen durch Windlasten aber auch Schneelasten aufgeprägte Verformungen bzw. Verdrillung entsprechender Anordnungen der Kollektormodule. Diese Lasten und die sich daraus ergebenden Verformungen können instationär (zeitlich und örtlich variierend) auftreten.
(c) zusätzlich auftretende Effekte der Verformung in den o.g. Klassen durch auftretende Temperaturdifferenzen im Tages- und Jahresgang; bei den derzeit in Betrieb befindlichen Systemen sind diese im Vergleich zu den durch Windeinfluss und Eigengewicht aufgeprägten Verformungen allerdings zu vernachlässigen.
[005] Je nach auftretenden Windgeschwindigkeiten stellen die nach den o.g. Eigenverformungskiassen einzeln, oder in Kombination, bei unter Windeinfluss auftretenden, maximalen Auslenkungen der absorbierenden oder reflektierenden Kollektormodulflächen in jeweiliger Winkelstellung (Nachführung zum Sonnenstand) im Operationsbereich den Auslegungs- bzw. Dimensionierungsfall des einzelnen Kollektormoduls, bzw. somit ebenfalls einer daraus zusammen gesetzten Modulgruppe, dar. Bei der Bemessung der Design- und Auslegungsrichtlinien der absorbierenden und/oder reflektierenden
Kollektormodule wird für den Fall zu erwartender, starker kumulierter Auslenkungen zusammengesetzter Modulgruppen, ggf. auch dieser Verformungsfall, d.h. die kumulierte Verformung (meist Kombination aus Verformung und Verdrillung), als Dimensionierungs- bzw. Bemessungsgrundlage herangezogen.
Im anvisierten Operationswinkelbereich und unter Zugrundelegung der maximal zulässigen
Windgeschwindigkeiten des regulären Betriebs sollten unter Beachtung entsprechender
Auslegungskriterien theoretisch gleichbleibende, maximale Anlagenwirkungsgrade zu erzielen sein. Weiteres, sicherheitsrelevantes Auslegungskriterium für die solaren Energieanlagen d.h. die einzelnen absorbierenden und/oder reflektierenden Kollektormodule als auch den hieraus zusammengestellten Modulgruppen stellt die langjährige Schadensfreiheit der Anlagen auch unter ungünstigsten Umwelteinflüssen d.h. z.B. bei Windgeschwindigkeiten, die deutlich über den
Betriebswindgeschwindigkeiten liegen, dar. Die solaren Anlagen werden, um diesen Umweltbedingungen widerstehen zu können, meist in eine sog. Sicherungspositionen gefahren, welche sich bezogen auf den Betriebsfall durch -relativ gesehen- niedrigere, auftretende Lasten und korrespondierenden
Drehmomente im Vergleich zu den Betriebskonfigurationen auszeichnen. Die in dieser Position auftretenden Verformungen und zugehörige Lasten / Momente können dabei aufgrund der maximal möglichen Windgeschwindigkeiten wesentlich größer / höher sein als dies für den Anlagenbetrieb, welcher bei höchsten Wirkungsgraden stattfinden soll, zulässig ist. Bleibende d.h. plastische
Verformungen sollten dennoch vermieden werden.
Vergleicht man die Anforderungen der Auslegung der solaren Energieanlagen vor dem Hintergrund der Minimierung möglicher Verformungen und deren direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anlagen während des Betriebs und parallel dazu die Anforderungen an die Anlagen in der Sicherungsposition, stellt man fest, dass sich diese bauartbedingt fast ausschließlich aus den Bedingungen und Verfahren zur Verformungsreduzierung während des regulären Betriebs ergeben. Entsprechend dimensionierte und ausgelegte Anlagen halten ebenfalls den in der sog. Sicherungspositionen auftretenden maximal auftretenden Lasten und Momenten stand. Dies allerdings bei erhöhter elastischer Verformung und/oder erhöhtem Materialeinsatz zur Versteifung der Anlagen.
[006] Der optimierte und an diversifizierte Einzelparameter angepasste Betrieb gesamter
Kraftwerksfelder, welcher sich in einem optimierten Gesamtwirkungsgrad widerspiegelt, wird zukünftig die Höhe der sog. Stromgestehungskosten (Kosten der Erzeugung elektrischer Energie) festlegen und somit über Erfolg und Einsatz entsprechender Technologien entscheiden. Dies gilt ebenfalls für mögliche Optimierungen des Gesamtfeldbetriebes und somit des Gesamtwirkungsgrades; diese Arbeiten unterscheiden sich auch aufgrund der diversifizierten Einflussparameter grundsätzlich von den
(Wirkungsgrad-) Optimierungen der einzelnen Kollektormoduleinheiten bzw. deren Komponenten. Eine wesentliche Rolle dabei spielen ebenfalls die auf das Gesamtkraftwerk wirkenden Umwelteinflüsse, und hierbei die auftretende Betriebswindgeschwindigkeit sowie die sich daraus ergebenden Belastungen und Momente der Einzelkollektoren, welche im bereits beschriebenen ersten Optimierungsschritt minimal sein sollten, und die auftretenden Belastungen der zusammengesetzten Kollektormoduleinheiten, welche im Operationsbereich aus den kumulierten Einzelbelastungen und zusätzlichen
Interferenzbelastungen (Wechselwirkung der Anströmungsbedingungen mit weiteren Anlagenteilen) bestehen. Die auftretenden Interferenzbelastungen können dabei, je nach herrschenden
Betriebsbedingungen, im Operationsbereich ein Vielfaches der kumulierten Belastung der
Kollektormoduleinheiten des Gesamtkraftwerksystems sein. Eine detaillierte theoretische und experimentelle Beachtung/Berücksichtigung der auftretenden Interferenzen und deren Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Gesamtkraftwerkes, bzw. eine entsprechend induzierte Verformung der einzelnen Kollektormodule und zusammengesetzter Moduleinheiten, wird so zur Auslegung und Dimensionierung zukünftig unerlässlich sein.
[007] Die unter den o.g. Gesichtspunkten ausgelegten und für den Betrieb optimierten solarer Kraftwerke bzw. optimierten reflektierenden und/oder absorbierende Solarkollektoren sowie daraus zusammen gesetzte Modulgruppen werden theoretisch höchste Wirkungsgrade bei der Wandlung der solaren Einstrahlung in elektrische oder in thermische Energie sicherstellen.
Im regulären Kraftwerksbetrieb müssen neben den dafür notwendigen, minimalen Abweichungen / Verformungen von der optimalen Geometrie und/oder optimalen Ausrichtung der der einzelner Module oder/und zusammengesetzter Modulgruppen zum Sonnenstand, um maximale
Gesamtanlagenwirkungsgrade sicherzustellen, viele weitere, diversifizierte Einzelparameter des
Gesamtkraftwerks angepasst und optimiert werden. Den Wandlungsprozess (Kreisprozess zur Wandlung thermischer in elektrische Energie) betreffend, sind diese aus dem konventionellen Kraftwerksbetrieb bekannt und können unter Einhaltung von Analogien / Theorien zur Ähnlichkeit direkt auf solare Energieanlagen übertragen werden.
Eine einfache Optimierung unter Beachtung aller sich aus der Anordnung und Konfiguration zusammengesetzter, solarer Modulgruppen, den zugehörigen Verfahreinheiten / Trackingeinheiten und aller im solaren Feld vorgenommenen Einbauten ergebenden Parameter wird nicht möglich sein. Hier ergibt sich auf lange Sicht der Bedarf, dies für jede individuelle Konfiguration unter Beachtung der jeweils individuell einfließenden, bauartbedingten Parameter zu erarbeiten. Hierunter ist vor allem die individuelle Auslegung der einzelnen solaren Kollektoren und daraus zusammengesetzter
Kollektormodulgruppen gegen Wind zu verstehen.
Die Optimierung und Anpassung aller Einzelschritte des regulären Betriebes werden zusammen einen optimierten Gesamtwirkungsgrad sicherstellen und für minimale sog. Stromgestehungskosten (Kosten der Erzeugung elektrischer Energie) sorgen, die zukünftig über Erfolg und Einsatz entsprechender Technologien entscheiden.
[008] Betrachtet man moderne solare Kraftwerkssysteme, d.h. die zur Auslegung und Bemessung dieser Systeme bzw. der einzelner Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, herangezogenen Grundlagen, so stellt man zwangsläufig fest, dass bisher entsprechende Aufbauten als Bauwerke und somit als statische Aufbauten angesehen werden. Betrachtet man jedoch deren Betrieb näher, ist erkennbar, dass bei der Sonnenstandsnachführung der einzelner Kollektormodule, und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, die jeweils sensitive Fläche zu Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie bewegt/verfahren wird. Dies geschieht mindestens ein-axial und dabei mindestens um 180° bei hochgenauer Nachführungsgenauigkeit.
Bauartbedingt bestehen moderne, solare Kraftwerksysteme in Bezug auf Umwelteinflüsse
auslegungsrelevanten Komponenten bis zu 98% aus solaren absorbierenden und/oder reflektierenden Modulen, d.h. sensitiver Fläche zur Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische oder direkt in elektrische Energie, die im Kraftwerkebetrieb bewegt/verfahren werden können/kann. Die bisherige Auslegung dieser Systeme unter Zugrundelegung der Grundlagen statischer Bauwerke scheint daher weder angepasst noch optimal; durch das Verfahren / Tracking der solaren Energieanlagen und die damit verbundenen Änderungen der Anlagengeometrie variieren die anzulegenden Bemessungsgrundlagen in einem enormen Wertebereich. Hinzu kommen, sofern man anstatt der theoretischen Auslegung den realen Anlagenbetrieb betrachtet, die auf das Gesamtkraftwerk wirkenden Umwelteinflüsse, und hierbei die auftretende Betriebswindgeschwindigkeit sowie die sich daraus ergebenden Belastungen und Momente der Einzelmodule und viel wichtiger der daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, welche durch die optimierte Auslegung -zumindest theoretisch- minimal sein sollten. Im Gegensatz zu der theoretischen Herangehensweise der statischen Betrachtung der Kräfte und Momente an den isolierten Modulen und zusammengesetzten Kollektormoduleinheiten treten im regulären Anlagenbetrieb neben den kumulierten Einzelbelastungen zusätzliche Interferenzbelastungen (Wechselwirkung der
Anströmungsbedingungen mit weiteren Anlagenteilen) auf. Die auftretenden statischen und
bauartabhängig auch dynamischen Interferenzbelastungen können dabei, je nach vorherrschenden Betriebsbedingungen und zugehörigen Umweltparametern im Operationsbereich ein Vielfaches der theoretisch angenommenen, kumulierten Belastung der Kollektormoduleinheiten des
Gesamtkraftwerksystems sein.
Eine detaillierte theoretische und experimentelle Beachtung / Berücksichtigung aller auftretender Interferenzen und deren Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Gesamtkraftwerkes, bzw. die daraus induzierte Verformung der einzelnen solaren Module und zusammengesetzter Moduleinheiten, wird so zur Auslegung und Dimensionierung zukünftig unerlässlich sein. Speziell durch diesen
Optimierungsschritt lassen sich langfristig optimierte Wirkungsgrade durch minimale Verformung der eingesetzten Komponenten der Module und dieser selbst erzielen. Dies ist die Grundlage zum Entwurf und der Erarbeitung der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gewesen.
Die grundsätzliche Möglichkeit der Beeinflussung der Umströmung eines photovoltaischen Moduls, welches mittels Befestigung auf einem Flachdach montiert ist, ist in Patent DE 10 2006 050 456 ausgeführt. Hier wird beschrieben, dass sich die Umströmung entsprechend montierter, photovoltaischer Module mittels passiver Ventilation durch einen Spalt verändern lässt.
[009] Bei technisch vergleichbaren Maschinen/Anlagen, die bei gleichbleibender Geometrie in unterschiedlichen Operationsbereichen unter veränderlichen Orientierungswinkeln betrieben werden können - an dieser Stelle sei als einfaches Beispiel ein Flugzeug genannt - und zur Auslegung dieser Bauteilen/Aufbauten zugrunde gelegten Grundlagen/Richtlinien, stellt man zwangsläufig fest, dass eine individuelle Anpassung/Auslegung an/für jeden einzelnen Betriebspunkt der Maschine stattfindet. Wieder auf das Flugzeug bezogen heißt dies, dass die ausgelegte Systemkonfiguration -bei Anpassung entsprechend möglicher Systemparameter wie beispielsweise der Veränderung des Anstellwinkels und/oder dem Ausfahren zusätzlicher Klappenelemente- bei maximalem Gewicht starten, die
Flugaufgabe energieeffizient erfüllen und unter reduzierter Last landen können muss - für mindestens fünfundzwanzig Betriebsjahre, meist allerdings für wesentlich längere Zeiträume.
Diese Auslegung/Optimierung dieser Systeme im Betriebsbereich wird in den seltensten Fällen unter statischen sondern meist dynamischen Gesichtspunkten durchgeführt.
[010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in Abhängig der herrschenden, wechselnden Betriebsbedingungen und lokalen Umwelteinflüsse -insbesondere bei auftretenden, starken auch dynamischen Belastungen durch Wind - der Kraftwerksysteme, d.h. einzelner Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, einen maximalen Wirkungsgrad und durch konstante Anlagenbetriebsbedingungen insgesamt einen korrelierenden maximalen Gesamtwirkungsgrad für jede individuelle Betriebssituation/-belastung sicherzustellen. Auf die einzelnen Kollektormodule und den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten übertragen bedeutet dies, dass minimale Eigenverformungen der o.g. Klassen im Operationsbereich unter den möglichen auftretenden Betriebsbedingungen sichergestellt werden müssen. Alternativ können aber auch davon abweichende Ziele im Fokus der Optimierung stehen; als Beispiel sei hier die Unterdrückung, Vermeidung und/oder die gezielt
Gegenerzeugung von dynamischen Effekten stehen.
[011] Diese Aufgabe wird bei den Kollektormodulen und -aufbauten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen, welche direkt durch einen oder mehrere Anflanschungspunkte fest und/oder lose mit dem Aufbau d.h. den absorbierenden und/oder reflektierenden solaren Modulen und/oder dem solaren Kollektor selbst bzw. durch mögliche Hilfsvorrichtungen mittelbar oder unmittelbar am Aufbau montiert sein können, und in geeigneter Weise mit dem Betrieb des Aufbaus statisch und / oder gleichförmig oder ungleichförmig verfahren werden können. Je nach betriebsoptimaler Anforderung generieren die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen durch Aktions- oder Reaktionskräfte z.B. durch die Modifikation der Umströmung der solaren Module (5) oder des gesamten Kollektors (6) geringstmögliche Struktur- und/oder
Momentenbelastungen für die einzelnen solaren Module als auch die zusammengesetzten Modelgrüppen, welche Auslöser für die Eigenverformungen der o.g. Klassen im Operationsbereich sind und somit erhebliche Wirkungsgradminimierung zur Folge haben können.
Darüber hinaus können die Vorrichtungen in entsprechenden Ausführungsformen durch stabilisierende Maßnahmen beispielsweise der Reduzierung oder ggf. kompletten Unterdrückung von auftretenden statischen und/oder dynamischen Belastungen oder Beeinflussungen dienen. Durch die Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Vorrichtungen zur Aufnahme oder Befestigung fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe (5) lassen sich sowohl für den Betriebsfall als auch für die Sicherungsposition zusätzlich notwendige Strukturlasten und Momente zur Optimierung des Gesamtsystems einbringen.
[012] Die Vorrichtung kann gemäß der zu erwartenden Belastung als aktiver oder passiver Manipulator in einfacher und/oder auf den Anwendungsfall angepasster Geometrie ausgeführt sein und kann auf den Anwendungsfall bezogen, d.h. einzelne Kollektormodule und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten, gleichförmig in fest montierter Bauweise oder in gleichförmig oder ungleichförmig korrelierter Weise zur Betriebsbewegung mitbewegt oder auch isoliert verfahren/gesteuert werden.
[013] Im regulären Anlagenbetrieb sichert die starre und/oder bewegliche Vorrichtung in Einheit mit den einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten den optimalen Wirkungsgrad des Gesamtaufbaus der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in Einzelkonfiguration - meist allerdings in Feldkonfiguration durch bauartoptimale Integration im Verbund. Bei zunehmendem Einfluss der umweltrelevanten Parameter in Abhängigkeit des
Betriebspunktes, welche im Ergebnis als leistungsmindernd wahrgenommen werden können, können sowohl die mit bewegten starren Vorrichtungen, deren positiver Einfluss auf den Wirkungsgrad in vorherigem Optimierungsprozess sichergestellt werden muss, als auch die beweglichen Vorrichtungen, durch geeignetes Verfahren in die den variierenden Umweltparametern optimal angepassten Weise zur Wiederherstellung des optimalen Wirkungsgrades einzelner Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten genutzt werden.
Beispielhaft heißt dies für den Anwendungsfall, dass bei aufkommenden hohen Windgeschwindigkeit z.B. in einem Parabolrinnenkollektorfeld, welches aus Reihen zusammengesetzter Einzelkollektoren besteht die jeweils durch eine oder mehrere Verfahreinheiten bewegt werden, durch die Summation der jeweiligen, induzierten Einzeldrehmomente der Module unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Kennwert eine Verdrillung auftritt. Einzel für jedes Modul und für die zusammengesetzte Modulgruppe. Entsprechende Verdrillungswerte werden für die Module, welche sich in direktem mechanischem
Anschluss eines Festlagers oder Antriebes/einer Verfahreinheit befinden, minimal sein. Diese ergibt sich aus der Verdrillung des einzelnen d.h. ersten Moduls am Festlager selbst. Mit zunehmender Modulzahl und dem damit zusätzlich induziertem Drehmoment werden die Verdrillungswinkel bei gleichartigen Kollektormodulen (und ggf. zusätzlich integrierten Anbauteilen) überproportional größer. Je nach auftretender statischer Windbelastung werden absolute Verdrillungswerte für die zusammengesetzten Moduleinheiten erreicht, die den individuellen Kollektorwirkungsgrad stark reduzieren oder gar zu Null werden lassen. Starre und/oder bewegliche Vorrichtung der o.g. Art würden für diesen Fall aktiv mitbewegt oder als passiver Manipulator entsprechende Widerstandskräfte und -momente (Erzeugung von Kräften und Momenten, die den ursächlichen Komponenten entgegengerichtet sind) erzeugen. Als Ergebnis ließen sich reduzierte Verdrillungen oder je nach Aufwand der Steuerung und Regelung der Vorrichtungen sogar keine Verdrillung und somit ein optimierter Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusammengesetzte Moduleinheiten erreichen.
Der genannte Effekt durch den Einsatz bzw. die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtungen an einzelner Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten lässt sich im Umkehrschluss natürlich auch durch die gleichförmig homogene und/oder ungleichförmige, homogene oder inhomogene Reduktion von Komponenten d.h. der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und/oder Komponenten an den Moduleinheiten / zusammengesetzte Modulgruppen bewirken. So können für den Fall der übermäßigen Belastung durch Verdrillung z.B. aktiv oder passiv gesteuert die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen so verfahren werden, dass sie geringstmögliche Widerstände erzeugen.
[014] Insbesondere die beweglichen Vorrichtungen können darüber hinaus, in Abhängigkeit auftretender Umweltparameter und hier insbesondere beim Übersteigen eines festgelegten oder variablen Schwellwertes, z.B. des Windanströmungsvektors, dazu genutzt werden, als passives Steuerungselement z.B. das Verfahren der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in
Einzelkonfiguration oder in Feldkonfiguration in eine vorher bestimmte Position, meist zur Sicherung des Gesamtaufbaus, genutzt zu werden. Im Vergleich zu den bisher in Betrieb befindlichen Systemen, welche ihre Antriebssysteme leistungsmäßig an den in bestimmten Betriebszuständen maximal auftretenden Kräfte unveränderlicher Geometrien auslegen, kann so unter Nutzung des auftretenden Windanströmungsvektors, in Kombination mit den im Operationsbereich gleichförmig oder
ungleichförmig beweglichen Vorrichtungen, und den so dynamisch erzeugten Kräften und Momenten, auf einen Antrieb generell verzichtet werden; es wird lediglich eine Bremse zur Arretierung eines einzelnen Kollektormoduls bzw. daraus zusammengesetzter Modulgruppen in einer vorher bestimmten Position benötigt.
Für den beispielhaften Anwendungsfall heißt dies, dass bei aufkommenden hohen Windgeschwindigkeit z.B. in einem Parabolrinnenkollektorfeld, welches aus Reihen zusammengesetzter Einzelkollektoren besteht die jeweils durch eine oder mehrere Verfahreinheiten bewegt werden, durch das aktive Verfahren eines Manipulators Drehmomente, welche die durch den Antrieb erzeugten Momente unterstützen, erzeugt werden können, so dass entsprechende Moduleinheiten / zusammengesetzte Modulgruppe teilweise ohne oder ganz ohne zusätzlichen Antrieb in ihre Sicherungsposition (Endanschlag) gefahren werden kann.
[015] Bauartbedingt können solare Kraftwerkssysteme je nach geometrischem Aufbau d.h. unter Verwendung spezieller, reflektierender und/oder absorbierender Module und deren Befestigungs- und Halterungssysteme nicht nur durch statische Kräfte und damit einhergehende Verformungen
beeinträchtigt sein, wie dies in den bisherigen Absätzen beschrieben wurde, sondern auch durch instationäre Kräfte und/oder instationäre Schwingungsanregung beinträchtig sein. Angeregt werden diese Aufbauten im Wesentlichen durch Wechselwirkung der Geometrie mit den Umwelteinflüssen. Beispielhaft sei hier die instationäre Ablöseneigung an unterschiedlichen geometrischen Körpern, im einfachsten Fall einer Platte oder z.B. eines Kreiszylinders genannt. Wirkungsgradverluste treten dabei vor allem durch die Schwingungsanregung durch dynamische Kräfte und die damit einhergehende dynamische Verformung der Module und/oder zusammengesetzten Modulgruppen auf.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, in starrer oder flexibler Weise, passiv mitbewegt oder aktiv angesteuert, kann die auftretenden dynamischen Effekte in Analogie zur bereits für den statischen Fall dargestellten Funktionsweise stark unterdrücken oder ggf. vollständig verhindern. Durchgeführte Versuche für solarthermische als auch photovoltaische Anwendungen zeigen reduzierte Wechsellasten von über 75%.
Durch zusätzlich bewegte (passiv oder aktiv) erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich die durch die Umströmung des Gesamtaufbaus entstehenden dynamischen Struktur- und Momentenlasten für den Betriebsbereich und in der Sicherungsposition vollständig unterdrücken. Die Vorrichtungen stabilisieren das Gesamtsystem bzw. den Nachlauf des Gesamtsystems und sorgen somit dafür, dass die ablösende Strömung möglichst keine dynamischen Effekte auf die benachbarten oder im Nachlauf befindlichen Systeme ausüben kann.
[016] Die eine oder mehrere starre und/oder bewegliche Vorrichtungen, welche fest und/oder lose mit dem Aufbau verbunden und/oder in der Nähe des Aufbaus positioniert sein können, können in ihrer Geometrie und Höhe variabel aufgehängt sein. Durch zusätzliche Vorrichtungen kann die Höhe der Aufhängung variabel an den Lastfall/Betriebsfall und/oder Betriebsbereich angepasst bzw. varüert werden.
[017] Eine spezielle Ausführung bzw. spezieller Anlagenbetrieb der einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten zur Erzielung der optimalen Wirkungsgrad des Gesamtaufbaus der konzentrierenden, absorbierenden oder reflektierenden Module in
Einzelkonfiguration - meist allerdings in Feldkonfiguration durch bauartoptimale Integration im Verbund - ist durch die symmetrische oder unsymmetrische Ausführung der einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten gegeben, bei denen die starre und/oder bewegliche Vorrichtung und/oder darüber hinaus Komponenten der einzelnen Kollektormodulen und/oder den daraus zusammengesetzten Moduleinheiten dauerhaft oder durch aktive und/oder passive Steuerung teilweise oder ganz entfernt werden kann.
[018] Aus der bisherigen funktionalen Beschreibung des Einsatzes der Vorrichtung mit zugehörigen exemplarischen Ausführungsbeispielen wird deutlich, dass im durch die Vorrichtung und zusätzliche Hilfsvorrichtungen ein nahezu vollständiger Schutz der solaren Module in Kraftwerksanlagen erreicht werden kann. Neben erhöhter Systemsicherheit ergibt sich dadurch vor allem auch die Möglichkeit des einfacheren Systemaufbaus und des stark optimierten Anlagenbetriebs.
Um diese Vorteile vollumfänglich nutzen zu können, ist es notwendig, bereits während der
konzeptionellen Planungsphase des solaren Kraftwerks das mögliche Optimierungspotential
abzuschätzen und dies direkt in die Konstruktion und den späteren Aufbau mit einzubringen.
Untersuchungen zur Abschätzung der Wirkung des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung am späteren einzelnen Modul und/oder zusammengesetzter Modulgruppen können bereits in der
Planungsphase des solaren Kraftwerkes im Modellmaßstab durchgeführt werden. Ähnlich wie in der Entwicklung von Luftfahrzeugen können so qualitative als auch quantitativ Bemessungs- und
Auslegungsgrundlagen erarbeitet werden. Entsprechende Ergebnisse werden neben Erkenntnissen zur phänomenologischen Wirkung der Vorrichtung vor allem auch Aufschluss über das mögliche quantitative Optimierungspotential der einzelnen Module und zusammengesetzter Modulgruppen gegenüber nicht optimierten Anlegen ergeben.
[019] In der technischen Ausführung kann die Vorrichtung direkt und/oder unterstützt durch mögliche Hilfsvorrichtungen unmittelbar oder mittelbar fest und/oder flexibel mit dem Aufbau verbunden werden. Hierbei lässt sich die Vorrichtung oder ggf. auch mehrere Vorrichtungen auch in Kombination mit zusätzlichen Hilfsvorrichtungen in beliebiger Orientierungsrichtung bzw. unterschiedlichen Achsen montieren. Diese können, müssen aber nicht zwangsweise mit der Bewegungsachse oder den
Bewegungsachsen der solaren Module oder der zusammengesetzten Modulgruppen übereinstimmen. Im Einsatz kann die Vorrichtung, welche als eine wesentliche Funktion die Beeinflussung der Strömung um das solare Modul und zusammengesetzter Modulgruppen hat, als starre Ausführung vorgesehen werden, die starr am solaren Modul befestigt ist und sich analog zur Bewegung des solaren Moduls mitbewegt. Im Betrieb der solaren Module werden durch die Veränderung des Anlagenwinkels in einer oder mehrerer Drehachsen aufgrund der Änderung des Sonnenstandswinkels und entsprechender Nachführung durch den umweltspezifischen Einfluss und dessen Änderung je nach Winkelposition unterschiedliche Aktionskräfte auf das solare Modul ausgeübt. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als aktive Vorrichtung ist daher als Variante sehr sinnvoll.
Die Vorrichtung kann grundsätzlich in Bezug auf die Grundachsen des Systems symmetrisch oder unsymmetrisch aufgebaut sein. Messungen an Prototypen haben gezeigt, dass gerade der
unsymmetrische Aufbau dem symmetrischen gegenüber wesentliche Vorteile in Bezug auf die durch umweltspezifische Einflüsse induzierten Last- und Momenten und auch die entstehenden
Reaktionskräfte und -momente hat. In Erweiterung der unsymmetrischen Ausführung können die Vorrichtung und/oder Varianten der Vorrichtung in ihrer Geometrie und Höhe variabel ausgeführt und/oder am solaren Modul oder eine Hilfsvorrichtung montiert sein. Durch zusätzliche
Hilfsvorrichtungen kann die Höhe der Aufhängung variabel an den Lastfall angepasst bzw. variiert werden. Diese Ausführung kann vor allem die nicht gleichförmige Anströmung d.h. Unterschiede in der AnStrömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Anströmungshöhe (Bodengrenzschichtbildung hat erheblichen Einfluss auf die Anströmungsbedingungen), die gleich der jeweiligen Höhe des solaren Moduls sein kann, kompensieren.
Für bestimmte Ausführungsbeispiele hat sich gezeigt, dass die Montage bzw. Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Wirkungsbereich des solaren Kollektors an geeigneten
Anflanschungspunkten und ggf. mittels zusätzlicher Hilfsvorrichtungen erscheint. Als Wirkungsbereich wird dabei grundsätzlich das Doppelte der maximalen Referenzlänge des solaren Kollektors als maximalem Abstand von diesem definiert. Für besondere Anwendungsfälle sind aber auch größere Abstände denkbar.
[020] Die Verwendung von Leichtbaustrukturen und die dafür eingesetzten modernen
Verbundmaterialien für den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtungen garantieren maximale Optimierungswirkung bei minimaler zusätzlicher Struktur- und Momentenlast durch den Aufbau selbst. Einfachste Systeme können darüber hinaus auch aus metallischen Wertstoffen oder Kunststoffen in individuellen Materialstärken als natürlich auch aus Kombinationen beider hergestellt werden.
Wetterfeste und UV-beständige Materialien garantieren darüber neben der möglichen mechanischen Stabilität auch lange Lebenszyklen und hohe Verfügbarkeit des Schutzes.
Die technische Ausführung der Vorrichtung lässt sich dabei wie bereits beschrieben individuell an den zu erwartenden Lastfall und die auf diesen bezogenen Reaktionslasten und -momente anpassen. Durch gestalterische Ausführungsdetails lässt sich die Vorrichtung darüber hinaus d.h. die Montage am solaren Modul und/oder Hilfsvorrichtungen des solaren Moduls als zusätzliches Versteifungselement, mit der Möglichkeit der Anpassung der räumlichen Lage durch mögliche Verformung durch den Einfluss des umweltspezifischen Einflusses als auch aktive Stellkomponenten einsetzen.
Als Beispiel einer technischen Ausführung kann hier wiederum das Flugzeug herangezogen werden. Durch den Einsatz von miniaturisierten Hinterkantenklappen, welche für den Fall von Start und Landung d.h. in den Hochauftriebsphasen an den Hinterkanten der Klappen ausgefahren werden, kann die Verwindungssteifigkeit der hochbelasteten Klappen bei gleichzeitiger, starke Auftriebssteigerung stark vergrößert werden.
[021] Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich bei der Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Hilfsvorrichtungen und ggf. einer oder mehrerer zusätzlicher Hilfsvorrichtungen zur Befestigung dieser, die einzeln oder als Gesamtstruktur am solaren Modul montiert werden können, gegen nahezu alle Umwelteinflüsse im Betrieb und darüber hinaus ebenfalls in möglichen Schutzpositionen schützen. Hierbei soll exemplarisch die Möglichkeit der Kombination einer starren, vollflächigen
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben wurde, in Kombination mit zusätzlichen Hilfsvorrichtungen betrachtet werden. Diese lassen sich einzeln und im Verbund als Schutz (Klappe oder Einwicklung) der Module nutzen, so dass diese außer gegen Wind z.B. auch gegen die im Wind mittransportierten Gegenstände / Medien, Hagel und sogar möglicherweise sogar gegen die solare Einstrahlung (UV Schutz) geschützt sind.
[022] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einzeln oder in Kombination mit zusätzlichen
Hilfsvorrichtungen segmentiert und in unterschiedlichen geometrischen Ausführungsformen ausgeführt sein. Durch Integration von Folien-, Sieb-, Netz- oder Zaunelemente, die zudem in horizontaler und vertikaler Achse segmentiert und/oder in inhomogener Ausführung gestaltet sein können, wird zudem die individuelle Einstellung der Wirkfläche der Vorrichtungen an den zu erwartenden Lastfall, d.h. die zu erwartende Windbelastung ermöglicht. Sowohl in Höhenrichtung als auch in Strömungsrichtung lassen sich mehrere Elemente miteinander kombinieren, um optimale Wirkung bei geringstmöglichem
Strukturgewicht zu erzeugen.
Aus strömungstechnischer Sicht wirken sich gerade Inhomogenitäten und Nicht-Symmetrien im Aufbau der einzelnen solaren Module und/oder zusammengesetzter Modulgruppen und an diesen mittelbar oder unmittelbar montierten Vorrichtungen positiv auf die Optimierung des Wirkungsgrades und die
Stabilisierung des Betriebs aus.
Als Ausführungsbeispiel sei hier die Möglichkeit der Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Sieb-, Netz- oder Zaunelement direkt an der Umrandung eines Heliostatenaufbaus genannt. Wird dieser in der Sicherungsposition d.h. in horizontaler Stellung nun durch Wind angeströmt kommt es unter bei konventioneller Ausführung zu dynamischer Anregung des Aufbaus, bedingt durch starke, dynamische Saugeffekte d.h. Auftrieb und/oder Abtrieb bei der Umströmung des Aufbaus. Die Sieb-, Netz- oder Zaunelemente verhindern dies, indem sie, je nach Ausführung die dynamischen Auftriebs- und/oder Abtriebseffekte teilweise oder ganz unterbinden.
Die Sieb-, Netz- oder Zaunelemente als integrierte Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit in besonderer Weise zur Stabilisierung der solaren Module beitragen.
[023] Die Verwendung von Vorrichtungen selbst und/oder der Befestigungspunkte der Vorrichtungen an den horizontalen und vertikalen Rändern der Module bieten zusätzlichen Schutz und Funktionalität. So lassen sich die Vorrichtungen gezielt zur Reduzierung oder kompletten Versperrung der Bodenfreiheit des Moduls in den unterschiedlichen Bewegungsachsen nutzen. Entsprechend der Geometrie und Ausführung der Vorrichtung kann diese dabei ebenfalls als mechanischer Anschlag, Puffer oder Dämpfer verwendet werden. Durch die asymmetrische Gestaltung der Vorrichtung kann diese darüber hinaus in Kombination d.h. bei Nutzung des eigenen Aktuators oder durch Nutzung des Antriebes des solaren Moduls selbst zur Herstellung/Wiederherstellung des Bodenabstandes z.B. bei Versandung oder
Ablagerung granulärer Medien bzw. zum Verschieben / Transport von Gegenständen im Wirkungsbereich des Moduls verwendet werden.
Neben der Sicherstellung des Schutzes der absorbierenden und/oder reflektierenden Module können die Vorrichtungen und auch Hilfsvorrichtungen zur Aufnahme und/oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen auch zur achsparallelen Führung von Diagnose-, Mess- und Regelsystemen als auch für die Reinigung der Flächen entsprechender Module genutzt werden. Darüber hinaus ist die Vorrichtung auch als Führung und/oder zur Positionierung von Systemen, die nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Moduls befindlich sind, nutzbar.
[024] Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche, wie vorab beschrieben, auch in Teilkörpern bzw. Teilflächen ausgeführt sein kann, lässt sich im einfachsten Fall als einfache, ebene Platte ausführen. Diese wird über einen oder mehrere Befestigungspunkte unmittelbar oder durch eine Hilfsvorrichtung mittelbar starr oder schwenkbar d.h. beweglich am solaren Modul befestigt.
Aus der Strömungsmechanik ist bekannt, dass in Abhängigkeit der Anströmungsbedingungen bzw. Umströmungsbedingungen bezogen auf die erfindungsgemäße Vorrichtung d.h. Lage und / oder Orientierung der Vorrichtung, im Beispiel also der ausgeführten einfachen, ebenen Platte, in Bezug auf den Anströmungsvektor die Umströmung nur in einem sehr eingeschränkten Bereich d.h. bei sehr geringen Winkelabweichungen der Plattenlängsausrichtung zur Anströmungsrichtung beidseitig an der Platte anliegen und somit maximale Stabilisierung der Umströmung und die damit verbundenen Reaktionskräfte einhergehen. Außerhalb dieses Winkelbereiches löst die Strömung beim Auftreffen auf die„scharfe" Kante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ab und es entsteht ein Gebiet abgelöster Strömung anstatt der potentiellen beschleunigten Strömung, die üblicherweise auf der sog. Saugseite herrschen würde. Daraus folgt, dass, zur weiteren Ausweitung und Optimierung der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, diese ergänzt und / oder in der Gesamtheit in unterschiedlichen geometrischen Formen ausgeführt sein kann. Beispielsweise sei hier als Form der Kreiszylinder genannt, welcher ein unkritisches Abreißen der Strömung in einem weiteren Variationsbereich des möglichen Anströmungsvektors der Strömung und erfindungsgemäßer Vorrichtung sicherstellen würde. Darüber hinaus lassen sich aber auch alle erdenklichen Standard- als auch spezielle Profilgeometrien nutzen, um im gesamten Operationswinkelbereich der solaren Moduls eine stabile Umströmung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen und dabei ggf. zusätzlich maximale Reaktionsmomente hervorzurufen d.h. zum Beispiel durch den Einfluss von Wind sicherzustellen. Je nach Aufbau und den zu erzeugenden Reaktionskräften am solaren Modul kann die einfache, ebene Platte dabei auch segmentiert ausgeführt sein. Zusätzlich kann durch die Verwendung von Inhomogenitäten wie beispielsweise dem Einbringen von Lochungen und / oder der Integration von Zaun- oder Siebstrukturen das Verhältnis von Strömungsumlenkung zur Durchströmung der jeweiligen einfachen, ebene Platte variiert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei, wie bereits vorab beschrieben auch ungleichförmige Streckung und / oder Form in Bezug auf die entsprechenden Raumrichtungen der Ausrichtung besitzen. Als praktisches Ausführungsbeispiel kann hier ein starres oder flexibles Klappenelement angenommen werden, welches auf der sog. Saugseite eines Parabolrinnenkollektors d.h. auf der Seite konvexer Krümmung montiert wird, um die Strömung in Abhängigkeit der Betriebsparameter gezielt zu stabilisieren und zu führen oder aber die Lage des Strömungsabrisses zu fixieren und dadurch eine Stabilisierung und Optimierung der Umströmung sicherzustellen. Hierbei können, wie beschrieben, einzelne Teile der Klappe aus inhomogenen Materialien ausgeführt sein. Die Verwendung
unterschiedlicher Geometrien und deren Kombination ermöglicht die Einstellung einer individuellen Stabilisierung des solaren Moduls und somit eines maximalen Schutzes.
[025] Ergänzt werden kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einfacher oder spezieller geometrischer Ausführung durch zusätzliche Hilfsvorrichtungen, welche wiederum nicht in homogener sondern beispielsweise durch die Integration von Sieb- oder Zaumelementen mit zusätzlicher
Möglichkeit der teilweisen Durchströmung ausgerüstet sein können. Dies optimiert und stabilisiert die Strömung zusätzlich. Zusätzlich besteht bei der Verwendung z.B. einfacher Schutznetze als
Hilfsvorrichtungen, dass das solare Modul sich durch eigene Drehung im Operationsraum in diese Hilfsvorrichtungen eindreht und somit von äußeren Umwelteinflüssen nahezu vollkommen geschützt ist. Als praktisches Ausführungsbeispiel kann hier aber z.B. auch die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kreiszylinder zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt ist, genannt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so, gemäß Anforderung im Feld der solaren Module, mit zusätzlicher Masse ausgerüstet werden und durch die Verwendung zusätzlicher Hilfsvorrichtungen wie beispielsweise einen
Windschutzsieb in unterschiedlichen Höhen an der horizontalen Tragstruktur eines Heliostaten aufgehängt werden. Die Umströmung des Heliostaten wird dadurch, je nach Elevationswinkel des solaren Moduls und der sich dabei einstellenden Bodenfreiheit, stark abgeändert und stabilisiert. Lasten und induzierte Drehmomente sinken deutlich.
[026] Die im Rahmen der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. deren Wirkung d.h. der Stabilisierung und der damit einhergehenden Optimierung der Umströmung und des Schutzes der solaren Module dargestellte Verwendung bzw. Anwendung der Vorrichtung bezieht sich zum einen auf die solaren Module selbst, zum anderen auf den Operationsbereich der einzelnen solaren Module und letztendlich auch auf den Anwendungsbereich im Kraftwerksfeld der solaren Module.
Bei der Betrachtung einzelner solarer Kraftwerke und gesamter Kraftwerksfelder fällt auf, dass sich primär durch lokale Modifikationen z.B. durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne solare Module stabilisieren und schützen lassen und diese somit einen optimierten Betrieb erfahren. Insbesondere in den gefährdeten Bereichen entsprechender Kraftwerksfelder lassen sich damit deutliche Gewinne im Wirkungsgrad und ein generell optimierter Betrieb bezogen auf einzelne, solare Module erreichen.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschränkt sich dabei, bezogen auf das einzelne solare Modul, auf den Operationsbereich des solaren Moduls. Dies bedeutet zum einen, dass die
erfindungsgemäße Vorrichtung direkt d.h. unmittelbar starr und / oder flexibel am solaren Modul befestigt werden kann. Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung direkt oder durch eine oder mehrere Hilfsvorrichtungen mittelbar am solaren Modul bzw. im Operationsbereich des solaren Moduls zu befestigen. Hierbei umfasst der Operationsbereich des solaren Moduls typischerweise den Bereich, den das Zweifache des jeweils längsten Grundabmaßes d.h. der Referenzlänge aus Länge, Breite oder Höhe und / oder Durchmesser oder Radius des Moduls überstreichen würde, unabhängig von der jeweils einen oder mehreren Drehachsen des solaren Moduls in den möglichen, unterschiedlichen Raumrichtungen.
Zeichnungen
[027] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und Unteransprüchen, in welcher - unter Bezugnahme auf die Zeichnung - besonders bevorzugte
Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
[028] Fig. la zeigt in der Seitenansicht beispielhaft den Aufbau einer Kombination der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und
zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind an einem solarthermischen Kollektormodul (6) einem Befestigungspunkt (2) befestigter, starrer mitbewegter (la) und beweglich gleichförmiger oder ungleichförmiger Weise mitbewegter (1) Montage. In der
Schutzposition der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung (lb) als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Vorrichtung (la) sorgt für eine gleichbleibend optimierte Umströmung der Kollektoroberkante.
Fig. lb zeigt den Aufbau in einer ausgewählten Betriebsposition. Hier sorgt Vorrichtung (lb) für eine Minimierung der Unterströmung und damit einhergehenden geringeren Strukturlasten sowie vor allem Drehmomenten des Kollektorsystems; parallel dazu erzeugt Vorrichtung (la) durch zusätzliche
Strömungsumlenkung ein Gegendrehmoment. Hierdurch werden optimierte Eigenverformungen des Gesamtsystems bei höchstmöglichem Wirkungsgrad garantiert. [029] Fig. 2a zeigt in der Seitenansicht beispielhaft den Aufbau einer Kombination der
erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und
zusammengesetzter Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind, in im
Wirkungsbereich des Kollektormoduls (6) befestigter beweglich ungleichförmiger Weise mitbewegter Montage. In der Schutzposition der einzelnen solaren Kollektormodule und zusammengesetzter Kollektormodulgruppen wirkt die Vorrichtung (la) als Schutz der bodennahen reflektierenden oder absorbierenden Module des Kollektors gegen in der Strömung mitgeführte Partikel und Gegenstände. Fig. 2b zeigt den Aufbau für eine typische Betriebsposition. Im Operationsbereich wird die
erfindungsgemäße Vorrichtung (la) in ungleichförmiger Weise so mitbewegt, dass bei minimaler Beeinträchtigung, z.B. durch Verschattung, eine optimierte Wirkung an Schutz vor Umwelteinflüssen, z.B. Wind und in der Strömung mitbewegter Teilchen, realisiert wird.
[030] Fig. 3 zeigt in der rückwärtigen Ansicht den Aufbau einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter
Kollektormodulgruppen gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Wind, einer Kombination der in den Figuren la und lb als auch 2a und 2b dargestellten Vorrichtungen. Hierbei sind die möglichen, weiterhin ausgeführten Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls dargestellt. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen einerseits in fester Montage bzw. aktiv steuerbarer Ausführung (la) und frei beweglicher Montage (lb) sind jeweils durch Befestigungspunkte an der Grundstruktur des solaren Kollektors (6) befestigt. Entsprechende Vorrichtungen sind dabei segmentiert ausgeführt. Sie selbst können einerseits flach als auch gekrümmt ausgeführt werden. Zusätzlich ist die Integration von Sieb- oder Netzstrukturen möglich.
In zweiter Achse d.h. im vorliegenden Fall der Drehachse des solaren Kollektor (6) ist zusätzlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung (lc) mittels Hilfsvorrichtung (3) am solaren Kollektor befestigt (6).
[031] Fig. 4a und 4b zeigen in seitlicher Ansicht die Kombination der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen (1) in unterschiedlichen Drehachsen und unterschiedlicher Aufhängung.
Die als Siebstruktur ausgeführte erfindungsgemäße Vorrichtung (lc), welche durch eine Hilfsvorrichtung (2b) am solaren Kollektor (6) befestigt ist, verhindert bzw. optimiert die Umströmung des Kollektors insbesondere in Schräganströmung.
In Abhängigkeit der Kollektorkonfiguration kann die erfindungsgemäße Vorrichtung symmetrisch zur Drehachse des solaren Kollektors (6), dargestellt in Fig. 4a, oder unsymmetrisch, dargestellt in Fig. 4b, montiert werden.
Insbesondere durch die Veränderung bzw. Optimierung der Umströmung der Kanten der absorbierenden oder reflektierenden solaren Module (5) lassen sich so die instationären Belastungen auf die Module selbst als vor allem aber die Einwirkung auf die nachgelagerten Module durch ablösebedingte Wirbel stark verringern.
[032] Fig. 5 zeigt die Seitenansicht eines Tragsystems zur Integration absorbierender oder
reflektierender solaren Module (5), welche mit direkt an diese integrierten erfindungsgemäßen
Vorrichtungen (1) versehen sind. Hierbei lässt sich sowohl die Umströmung der seitlichen Kanten durch erfindungsgemäße Vorrichtungen (ld) optimieren d.h. durch die Umströmung verursachte niedrigste und/oder höchste Druckdifferenzen stark abmindern als auch die Umströmung des Gesamtsystems d.h. des solaren Kollektors (6) durch passive oder aktive Ventilation durch fest montierte und/oder aktiv steuerbare (la) und frei bewegliche erfindungsgemäße Vorrichtungen (lb) optimieren. In der dargestellten Abbildung schwächt sich der Druck auf die Oberfläche der solaren Module (5) der unteren Kollektorfläche in entsprechender Betriebsstellung durch die Ventilation d.h. einen entstehenden Spalt stark ab. Die in der oberen Kollektorfläche eingesetzten erfindungsgemäßen Vorrichtungen (la) optimieren die Gesamtdrehmomentbilanz des Aufbaus durch eine zusätzlich erzeugte Kraftkomponente durch die Versperrung der Öffnungen zwischen den solaren Modulen (5) als vor allem aber durch eine Kraftkomponente erzeugt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung (la) an der oberen
Kollektorkante/am oberen solaren Modul.
[033] Fig. 6 zeigt die Seitenansicht eines Tragsystems zur Integration absorbierender oder
reflektierender solaren Module (5), welches mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen (1) versehen ist. Diese sind direkt an den solaren Modulen (5) montiert. In vorliegender Ausführung lassen sich die erfindungsgemäßen Vorrichtungen (ld) zur Optimierung der Umströmung des solaren Kollektors (6) gleichermaßen als Führungen für Hilfsgeräte (7), welche sich nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Kollektors (6) befinden, nutzen.
[034] Fig. 7 zeigt die Schrägansicht eines Tragsystems zur Integration absorbierender oder
reflektierender solaren Module (5), welches mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen (1) versehen ist. Diese sind mittels Hilfsvorrichtung (3) und Befestigungspunkten (2c) direkt an den solaren Modulen (5) montiert.
Durch die eingesetzten erfindungsgemäßen Vorrichtungen (1), welche im vorliegenden Anwendungsfall durch Netz- und Siebstrukturen und in Kombination und zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt sind, wird durch die teilweise Unterdrückung der Unterströmung des solaren Kollektors (6) insgesamt die Strömung stabilisiert bei eine Minimierung der auf den Aufbau wirkenden Lasten und Momente.
[035] Fig. 8 zeigt in Seitenansicht das Tragsystems zur Integration absorbierender oder reflektierender solaren Module (5), welches mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen (1) versehen ist. Diese sind mittels Befestigungspunkten (2c) direkt an den solaren Modulen (5) montiert.
Die Vorrichtung ist in diesem Ausführungsfall als Dreiecksgeometrie einer Kombination von Sieb- und Plattenstrukturen ausgeführt. Für den vorliegenden Betriebsfall d.h. die Sicherungsposition des solaren Kollektors (6) bedeutet dies, dass die an den scharfen Kanten der solaren Module (5) entstehenden instationären Strömungsanteile d.h. Wirbelablösung und damit einhergehende hohe Auftriebs- und Abtriebsbelastungen nahezu komplett unterdrückt werden. Zusätzlich werden die in der Anströmung durch natürliche Turbulenz oder ggf. durch vorgelagerte Aufbauten auf den solaren Kollektor (6) einwirkenden Schwankungen in der Windanströmung je nach Versperrungsgrad/Porosität der erfindungsgemäßen Vorrichtung (la) teilweise oder komplett unterdrückt.
Erläuterungen der Bezugszeichen
1 erfindungsgemäße Vorrichtung - generell
la Teilkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung, fest montiert und/oder aktiv steuerbar lb Teilkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung, frei beweglich montiert
lc Teilkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in zweiter Achse montiert, starr, steuerbar oder frei beweglich
ld Teilkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung, starr, steuerbar oder beweglich ausgeführt, als Führung für Hilfsgräte (7) nutzbar
2 Anflanschungs-/Befestigungspunkt - generell
2a Anflanschungs-/Befestigungspunkt, bodenmontiert im Wirkungsbereich des solaren Kollektors (6) 2b Anflanschungs-/Befestigungspunkt, montiert an mechanischer Aufständerung (4) und/oder an
Hilfsvorrichtung (3) im Wirkungsbereich des solaren Kollektors (6)
2c Anflanschungs-/Befestigungspunkt, montiert am absorbierenden oder reflektierenden solaren
Modul (5) oder am solaren Kollektor (6)
3 Hilfsvorrichtung zur Befestigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1)
mechanische Aufständerung (en)
5 absorbierendes oder reflektierendes, solares Modul
6 solarer Kollektor
7 Hilfsgerät, welches sich nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solarer Kollektors (6) befindet

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Optimierung einzelner solarer Kollektormodule und zusammengesetzter
Kollektormodulgruppen gegen diversifizierte Umwelteinflüsse, insbesondere Wind um mit dem Wind mitbewegten Partikel und Gegenstände. Die Vorrichtung (1) besteht aus einem oder mehreren Teilkörpern, einem oder mehreren mechanischen Anflanschungs-/Befestigungspunkten (2), die direkt oder durch Hilfsvorrichtungen (3) und/oder durch eine oder mehrere mechanische Aufständerungen (4) und/oder das absorbierende oder reflektierende Kollektormodul (5) selbst und/oder den solaren Kollektor (6), zur Verfügung gestellt werden können, dadurch
gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Vorrichtung im Operationsbereich des solaren Kollektors (6) an mindestens einem Anflanschungs-/Befestigungspunkt (2) starr oder flexibel montiert wird und im Operationsbereich des Kollektormoduls gleichförmig oder ungleichförmig zur eigenen Systembewegung mitbewegt bzw. bewegt wird und in Reaktion des statischen und / oder dynamischen Einflusses der jeweiligen Umweltbedingungen, z.B. Wind den Betrieb des solaren Moduls schützt und/oder stabilisiert.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese symmetrisch oder
unsymmetrisch zum solaren Modul (5) und/oder solaren Kollektors (6) aufgebaut sein kann und dabei selbst sowohl eine gleichförmige oder ungleichförmige Geometrie als auch gleichförmige oder ungleichförmige Beschaffenheit in ihrer Streckung in unterschiedlichen Raumrichtungen aufweisen kann.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einer oder mehreren zusätzlichen Achsen montiert und bewegt werden kann.
4. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese segmentiert
ausgeführt sein kann.
5. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese im Wirkbereich des solaren Kollektors (6) statisch variabel in einer oder mehreren Achsen oder durch die gleichförmige oder ungleichförmige Eigenbewegung oder Kollektor-bewegung dynamisch variabel in einer oder mehreren Achsen ausgeführt sein kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material dieser transparent, wetterfest und UV-stabil sein kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass erzeugte Kräfte und/oder Momente in Richtung oder entgegen der Richtung des ursächlichen Umwelteinflusses wirken können.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese starr oder flexibel montiert werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese unter Last d.h. durch einwirkende Umwelteinflüsse ihre Geometrie und/oder Lage verändern kann.
10. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus
Leichtbaukomponenten und -Werkstoffen (z.B. CFK, GFK, Aramid, Aluminium und deren Verbundaufbauten in unterschiedlichen Werkstoffkombinationen) aufgebaut sein kann.
Alternativ können auch kostengünstige Alternativen der Vorrichtung aus metallischen
Werkstoffen und/oder Kunststoffe in individuellen Materialstärken eingesetzt werden.
11. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit zusätzlichen Hilfsvorrichtungen (3) verbunden werden kann.
12. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Variation des Versperrungsgrades inhomogen aufgebaute sein können; durch die Integration von Spalten, Schlitzen, Lochungen und/oder die Integration von Folien-, Netz-, Sieb- oder Zaunelemente unterschiedlichen Versperrungsgrades lassen sich beliebige Kombinationen an Versperrung ausführen.
13. Vorrichtung (1) nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Vorrichtung zur Aufnahme oder Befestigung oder Aufnahme und Befestigung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgeführt sein kann.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand der festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffe oder die Gewichtslast der zu befestigenden festen Stoffe individuell nach zu erwartendem Lastfall im Operationswinkelbereich bzw. entsprechenden Reaktionskräften und Momenten auf die Umwelteinflüsse eingestellt werden kann.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ganz oder teilweise, allein oder in Kombination mit Komponenten des solaren Moduls durch aktive und/oder passive Steuerung entfernt werden kann.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch die Integration zusätzlicher Hilfsvorrichtungen (3) und/oder selbst als Führung und/oder Unterstützung für zusätzliche Einrichtungen und Geräte (7), welche sich nicht dauerhaft im Wirkungsbereich des solaren Moduls befinden wie beispielsweise zur Wartung, Reparatur, Reinigung und/oder Messeinrichtungen dienen.
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