PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102009043128A1 28.04.2011
Titel Dreiachsige Aufdachnachführung mit Schutzposition für Sonnenkollektoren und Photovoltaikmodule
Anmelder Masur, Markus, Dr.-Ing., 30419 Hannover, DE
Erfinder Masur, Markus, Dr.-Ing., 30419 Hannover, DE
DE-Anmeldedatum 25.09.2009
DE-Aktenzeichen 102009043128
Offenlegungstag 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse F24J 2/54  (2006.01)  A,  F,  I,  20090925,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F24J 2/38  (2006.01)  A,  L,  I,  20090925,  B,  H,  DE
H01L 31/04  (2006.01)  A,  L,  I,  20090925,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf eine dreiachsig gestellte Aufdachnachführung für Sonnenkollektoren und Photovoltaikmodule (mit oder ohne V-Trogbespiegelung), welche auf Flach-, oder Giebeldächern mit beliebiger Neigung und Orientierung montiert werden kann. Der entwickelte Unterbau, als Verbindung zwischen der Dachkonstruktion und der Nachführmechanik, gleicht hierbei alle Neigungswinkel aus und sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung sowie einen Blitzschlag- und Sturmschutz. Dies wird mit Hilfe einer Kippachse erreicht, welche die Nachführmechanik samt Sonnensammelfläche zwischen der Betriebsposition (senkrecht auf einem Pfahl stehend) und der festgelegten Schutzposition (flach, parallel zum Dach liegend) bewegt. Die Kippachse wird in der Betriebsposition durch eine Stützstange mit Verriegelung abgestützt, um windinduzierte Schwingungsamplituden zu minimieren und die gesamte Konstruktion zu versteifen. Eine passend zum Unterbau entwickelte Nachführmechanik wird am oberen Ende der Kippachsenträger montiert, um die Sonnensammelfläche zweiachsig der Sonne nachzuführen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dreiachsig gestellte Aufdachnachführung, welche gemäß Bild 1 aus der Sonnensammelfläche (1), der Nachführmechanik (2) und dem Unterbau (3) besteht. Die Hauptpositionen der Aufdachnachführung sind als Seitenansichten in Bild 1 dargestellt. Diese Aufdachnachführung kann auf Dächern mit beliebiger Neigung und Orientierung montiert werden, ohne dass daraus Einschränkungen in Funktion und Energieertrag resultieren. Die Sonnensammelfläche besteht aus Sonnenkollektoren oder Photovoltaikmodulen mit oder ohne V-Trogbespiegelung. Die gesamte Nachführmechanik ruht auf einem Unterbau, welcher mittig zwischen zwei Dachsparren (9) auf den Dachsparrenverbindern (10) montiert wird, um windinduzierte Biegemomente aufzufangen und in für das Dach unbedenkliche Normalkräfte umzuwandeln. Zwei Stellachsen werden dabei für die kalendarische Sonnennachführung verwendet, um die Sonnensammelfläche mit einer Abweichung von rund ±0,5° zur einfallenden Direktstrahlung auszurichten. Die dritte Stellachse, die Kippachse (4), wird dazu verwendet die Nachführmechanik mit Sonnensammelfläche aufzurichten und abzusenken und somit zwischen der Betriebsposition (A, D) und der definierten Schutzposition (B, E) zu bewegen. Die Kippachse wird in der Betriebsposition durch eine Stützstange (5) mit Verriegelung abgestützt, um windinduzierte Schwingungsamplituden zu minimieren und die gesamte Konstruktion zu versteifen. In der Schutzposition liegt die Sonnensammelfläche an ihren Eckpunkten auf den dachintegrierten Auflagehaltern (7) und umfasst diese mit den fest am Rahmen der Sonnensammelfläche montierten Auflageklammern (6). Auf diese Weise wird ein Kontakt mit der Dachfläche (8) vermieden und damit ein Reiben infolge sturminduzierter Schwingungen. Da die aktive Sonnensammelfläche in der Schutzposition in Richtung der Dachfläche orientiert ist und an mehreren Punkten aufliegt, ergibt sich somit ein wirksamer Schutz gegen Verschmutzung, Blitz- und Hagelschlag sowie Sturm- und Schneebruch.

Stand der Technik

Bekannt sind fest installierte Photovoltaikmodule und Sonnenkollektoren für die Aufdachmontage oder Dachintegration. Diese liegen flach auf dem Dach auf und erzeugen somit keine zusätzlichen unkalkulierbaren Belastungen für die Dachkonstruktion infolge von Sturmkräften oder Schneegewichtskräften. Eine Erhöhung des Blitzschlagrisikos wird ebenfalls vermieden, wenn das Haus durch die Sonnensammelfläche nicht überragt wird. Nachteilig ist jedoch der geringe Ertrag derartiger Systeme, welcher insbesondere bei tiefstehender Sonne reduziert wird. Bei fehlorientierten Dächern oder solchen mit ungeeigneter Neigung ist mit zusätzlichen signifikanten Ertragseinbusen zu rechnen. Da die aktive Sonnensammelfläche allen Wettereinflüssen ausgesetzt ist verschmutzt sie schnell und kann im Winter sogar vollständig mit Schnee bedeckt und somit wirkungslos werden. Insbesondere im Winter wird der Ertrag an Wärme durch Sonnenkollektoren jedoch unbedingt benötigt, um den solaren Abdeckungsgrad zu maximieren.

Nachgeführte Sonnensammelflächen erbringen bis zu 35% mehr Ertrag im Jahresmittel. Sie liefern unabhängig von der Dachneigung und Orientierung immer den optimalen Ertrag. Deshalb wurden bereits verschiedene Nachführungen für die Dachmontage auf Flachdächern entwickelt [DE 10343374 A1 23.12.2004]. Diese tragen Photovoltaikmodule oder Sonnenkollektoren, welche sie computergesteuert oder helligkeitsgeregelt der Sonne nachführen. Aufgrund der Ausrichtung der Sonnensammelfläche auf die Direktstrahlung der Sonne können außerdem sogenannte V-Trogspiegel zur Fokussierung des Sonnenlichtes auf die verwendete Absorptionsoberfläche eingesetzt werden.

Somit können schwere und teure Sonnenkollektor- oder Photovoltaikmodulflächen bei nahezu gleichen Jahreserträgen halbiert, weil durch Spiegelflächen ersetzt, werden. Die Einnahme einer Schutzposition gegen Verschmutzung und Sturmbruch wurde ebenfalls bereits angedacht. Zu diesem Zweck wird die Sonnensammelfläche parallel zum Dach orientiert, um die Angriffsfläche für parallel über das Dach ziehende Windfronten zu reduzieren und den entstehenden Staudruck zu minimieren [DE 10 2005 008 064 A1 24.08.2006]. Die Nachführung bleibt jedoch dabei aufrecht stehen. Dies ist nachteilig, da bei Sturm neben den parallelen Windfronten auch unvorhersehbare Turbolenzen aus beliebigen Richtungen auf die zum Dach orientierte Sonnensammelfläche einwirken können. Somit entstehen unkontrollierbare Sturmkräfte, welche dann auf die Nachführung und auf das Dach einwirken. Aus dieser Erkenntnis resultiert der Vorschlag die Nachführungen an Pfählen mit Federsystemen zu montieren, welche die Sonnensammelfläche bei entstehendem Staudruck umkippen lassen, um sie auf diese Weise aus der Windfront zu nehmen [DE 20 2007 003 825 U1 12.07.2007]. Bei Böen entstehen an solchen Systemen jedoch schnell anwachsende Kräfte, welche zerstörerische Schwingungen anregen können. Derartige Aufdachsysteme sind somit nur für klein dimensionierte Sonnensammelflächen geeignet und stark risikobehaftet. Hinzu kommen weitere Investitionskosten, um das Gebäude und die Nachführung gegen Blitzschlag zu schützen, da die Nachführung auch bei Gewitter aufrecht stehen bleibt und somit das Gebäude erhöht.

Systembeschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung löst die genannten Nachteile herkömmlicher dachmontierter Nachführungen und erweitert den Einsatzbereich auf Dachkonstruktionen mit beliebiger Neigung und Orientierung. Das wetterbedingte Betriebsrisiko wird kalkulierbar und die Nachführung wird als Aufdachsystem genehmigungsfähig. Dies geschieht durch die automatische Einnahme einer definierten Schutzposition bei Überschreiten eines Windstärkeschwellwertes (rund 70 km/h) in der die Sonnensammelfläche flach, parallel zum Dach, auf dachintegrierten Auflagehaltern abgelegt wird, so dass weder laminare noch turbulente Luftströmungen unter sie gelangen können. Derartige Strömungen können nur von oben auf die Rückseite der Sonnensammelfläche pressen. Deshalb entstehen für die tragende Dachkonstruktion nur die Belastungen durch Sturmkräfte, welche auch ohne Nachführung existieren würden und für welche das Dach ausgelegt worden ist. In der Schutzposition werden die Sturmkräfte, welche auf die Sonnensammelfläche und somit auf die Nachführung wirken, zudem optimal minimiert, so dass ein derartiges System mit weniger Materialeinsatz (leichter, kostengünstiger) im Vergleich zu herkömmlichen Aufdachnachführungen konstruiert werden kann. Als weiterer Vorteil ergibt sich die geduckte Position weit unterhalb des Dachfirstes oder auf dem Flachdach liegend. Somit wird das Gebäude in Schutzposition nicht erhöht und zusätzliche Blitzschutzmaßnahmen können entfallen. Hinzu kommen der Schutz gegen Verschmutzung, Raureifbildung und Schneeablagerungen sowie Hagelschlag, da die aktive Fläche bei derartigen Wetterlagen zu Dachfläche orientiert ist und somit unbeeinträchtigt bleibt.

Bei allen Windstärken unterhalb des Schwellwertes verbleibt die Aufdachnachführung in ihrer Betriebsposition, wodurch windinduzierte Schwingungen und Kräfte auf sie wirken. Diese Kräfte müssen durch die Aufdachnachführung und das Dach aufgenommen werden.

In Bild 2 ist der Unterbau der Aufdachnachführung als zentraler Bestandteil der Erfindung dargestellt. Aufgrund seiner Bauweise lässt sich eine zweiachsige Nachführung fest auf jedem Dach montieren und unabhängig von der Dachneigung senkrecht aufrichten. Bei Ziegeldächern werden die Dachsparrenverbinder (1) zwischen den vorhandenen Dachsparren montiert und auf diese Weise mit ihnen verbunden. An die Dachsparrenverbinder werden Montageanker geschraubt, welche zwischen den Dachziegeln herausragen und somit die Fixierung der Unterbauträger (2) an ihnen ermöglichen. Bei Flachdächern werden die Unterbauträger direkt mit den tragenden Teilen des Daches verschraubt.

Der Kippachsengetriebemotor (4) wird an den Unterbauträgern fixiert und wirkt auf die Kippachse, welche fest mit den Kippachsenträgern (3) verbunden ist. Durch das Drehmoment des Kippachsengetriebemotors wird der Pfahl (5) und somit die gesamte Nachführung mit Sonnensammelfläche abgesenkt und aufgerichtet. Auf diese Weise kann jede definierte Position zwischen 0° und 180° angefahren werden. Beliebige Dachneigungen werden somit ausgeglichen. Die Schutzposition (B) entspricht hierbei der 0°-Position und die Betriebsposition (A) entspricht der zu definierenden n°-Position. Bei Fixierung an einer senkrechten Wand müsste z. B. die 180°-Position zum Aufrichten der Nachführeinheit eingenommen werden.

Während des Betriebs der Nachführmechanik verharrt die Kippachse in der Betriebsposition. Der Kippachsengetriebemotor muss deshalb ein Haltemoment im ausgeschalteten Zustand zur Verfügung stellen und ist mit einem selbsthemmenden Stirnradschneckengetriebe auszuführen. Zur Unterstützung des Kippachsengetriebemotors werden die Stützstangen (6) an den Kippachsenträgern gelenkig montiert. Sie nehmen im festgesetzten Zustand Windkräfte auf und verringern die Amplituden entstehender Schwingungen. Die Nachführmechanik steht somit steifer in der Betriebsposition.

Die zwei Stützstangen tragen je einen Stützstangenzapfen (8), welcher infolge des Aufrichtvorganges unter die Verriegelungseinheit (7) gezogen wird und dort durch diese Verriegelungseinheit in der Betriebsposition festgesetzt wird. In Abhängigkeit der Dachneigung und des somit notwendigen Kippwinkels muss die Länge der Stützstangen angepasst werden, um die Stützstangenzapfen immer exakt unter die Verriegelungseinheit zu ziehen. Durch die Verriegelungseinheit wird der Stützstangenzapfen in Aufrichtrichtung durch einen Haltewinkel fixiert. In Absenkrichtung wird der Stützstangenzapfen durch einen ausfahrbaren Riegel (10) blockiert. Dies ist in der Einzelheit (C) dargestellt. Sie zeigt die Verriegelungseinheit als Kombination aus der Spindelstangenstelleinheit (9) und dem Riegel, welcher hier ausgefahren ist und den Stützstangenzapfen dadurch gegen ein Ausgleiten blockiert. Die Einzelheit (D) zeigt hingegen die geöffnete Verriegelung wie sie zum Anfahren der Schutzposition notwendig ist. Bei aktiver Kippachse ist die Verriegelung immer geöffnet und die Stützstangenzapfen gleiten unbelastet über die Unterbauträger.

Der Unterbau wird in Doppelträgerarchitektur ausgeführt, um die Aufnahme von seitlichen Kräften und Biegemomenten optimal zu ermöglichen und ein Verkanten der Kippachse beim Heben und Senken zu verhindern.

Die Aufdachnachführung, skizziert in Bild 3, besteht aus dem Unterbau (1) und der hierfür angepassten Nachführmechanik mit Sonnensammelfläche (7). Die dargestellte Nachführmechanik steht auf einem Pfahl mit integrierter Horizontalachse (3), welcher am unteren Ende an den Kippachsenträgern (2) des Unterbaus montiert ist. Die Gabel (4) in Doppelträgerarchitektur wird am oberen Ende der Horizontalachse befestigt.

Die Lager der Vertikalachse (5) werden am oberen Ende der Gabel integriert. An der somit drehbar gelagerten Vertikalachse werden die Vertikalträger (6) fixiert. Die Sonnensammelfläche ist fest mit den Vertikalträgern verbunden und derartig austariert, dass die Kraftwirkungslinie des Massenschwerpunktes in jeder Position direkt zentrisch durch die Vertikal-, und Horizontalachse geht. Somit können möglichst klein dimensionierte Stellmotoren mit geringer Leistungsaufnahme verwendet werden. Dies spart Investitions-, und Betriebskosten.

Die Nachführmechanik realisiert somit das Positionieren der Sonnensammelfläche (rund 6 m2) zum breitengradabhängigen Elevationswinkel und zum längengradabhängigen Azimutwinkel der Sonne. Es findet eine kalendarische Steuerung der Aufdachnachführung statt, bei der die Sonnensammelfläche mit einer Abweichung von rund +0,5° zur einfallenden Direktstrahlung ausgerichtet wird. Die Aufdachnachführung wird einzeln oder zusammengefasst in Gruppen durch nur ein Leitsystem gesteuert. Die mögliche Gruppensteuerung bietet hier den Vorteil der Investitionskostenreduktion durch Minimierung des Bedarfs an Leittechnikkomponenten.

Wesentlich für die Erfindung als Gesamtsystem ist die exakte Abstimmung der Nachführmechanik auf die Abmessungen des kombinierten Unterbaus. Dies beinhaltet den Mindestabstand der Vertikalträger zueinander, welcher derartig bemessen sein muss, dass die Sonnensammelfläche in Schutzposition neben den Unterbauträgern und den Stützstangen des Unterbaus abgelegt werden kann, um möglichst geringe Abstände zur Dachfläche realisieren zu können. In der Schutzposition befindet sich der Unterbau somit zwischen den Vertikalträgern und der Sonnensammelfläche wodurch Kollisionen beim Aufrichten und Absenken vermieden werden.

Wesentlich für die Erfindung ist ebenfalls die Mindestlänge des Pfahls, welche, in Abhängigkeit der Montageposition des Unterbaus auf dem Dach, derartig bemessen sein muss, dass die Sonnensammelfläche in der Betriebsposition mindestens 0,5 m über dem Dachfirst eines Giebeldaches steht. Dies ist notwendig, um den Bereich der Strömungsverdichtungszone am Dachfirst zu überragen, da hier auch bei schwachen Winden eine Zunahme der Windgeschwindigkeit und Turbulenzbildung durch Strömungsabrisse stattfindet. Durch das Überragen der Strömungsverdichtungszone werden zusätzliche Belastungen auf die Aufdachnachführung vermieden, welche ansonsten einwirken würden.

Bezugszeichenliste

Bild 1:
1
Sonnensammelfläche (Sonnenkollektoren/Photovoltaikmodule mit/ohne V-Trogspiegel)
2
Nachführmechanik
3
Unterbau
4
Kippachse
5
Stützstange
6
Auflageklammern
7
Auflagehalter
8
Dachfläche
9
Dachsparren
10
Dachsparrenverbinder
A
Aufdachnachführung in Betriebsposition montiert auf einem Giebeldach
B
Aufdachnachführung in Schutzposition montiert auf einem Giebeldach
C
Montage des Unterbaus auf zwei Dachsparrenverbindern
D
Aufdachnachführung in Betriebsposition montiert auf einem Flachdach
E
Aufdachnachführung in Schutzposition montiert auf einem Flachdach
Bild 2:
1
Dachsparrenverbinder
2
Unterbauträger
3
Kippachsenträger
4
Kippachsengetriebemotor
5
Pfahl mit Horizontallager
6
Stützstange
7
Verriegelungseinheit
8
Stützstangenzapfen
9
Spindelstangenstelleinheit
10
Riegel
A
Unterbau in Betriebsposition
B
Unterbau in Schutzposition
C
Geschlossener Riegel mit blockiertem Stützstangenzapfen in Betriebsposition
D
Offener Riegel für das Anfahren der Schutzposition
Bild 3:
1
Unterbau
2
Kippachsenträger
3
Pfahl mit Horizontalachse
4
Gabel
5
Vertikalachse
6
Vertikalträger
7
Sonnensammelfläche (Sonnenkollektoren/Photovoltaikmodule mit/ohne V-Trogspiegel)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 10343374 A1 [0003]
  • DE 102005008064 A1 [0004]
  • DE 202007003825 U1 [0004]


Anspruch[de]
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zum Stellen einer Aufdachnachführung darstellt, welche es ermöglicht die Sonnensammelfläche bei Sonne auf diese auszurichten und bei Sturm in eine definierte Schutzposition abzusenken. Der wesentliche Bestandteil der Erfindung ist der beschriebene Unterbau, welcher zum Aufrichten und Absenken einer solaren Nachführmechanik mit Sonnensammelfläche verwendet wird, um diese auf Flach- oder Giebeldächern beliebiger Neigung und Orientierung zu montieren, sowie effizient und sicher zu betreiben. Wesentlich ist dabei, dass der Unterbau eine Kippachse enthält, mit der die Nachführmechanik zwischen der Betriebsposition, senkrecht stehend, und der Schutzposition, flach, parallel zum Dach liegend, gestellt werden kann. Hinzu kommen die Stützstangen, welche zusammen mit einem Verriegelungsmechanismus die Kippachsenträger in der Betriebsposition versteifen. In der abgesenkten Schutzposition sind die Stützstangen hingegen unbelastet und liegen bei geöffneter Verriegelung neben den Unterbauträgern. Wesentlich ist zudem, dass die Sonnensammelfläche mit Auflageklammern auf dachintegrierten Auflagehaltern parallel zur Dachfläche abgelegt wird. Wesentlich ist außerdem, dass der Unterbau in Doppelträgerarchitektur aufgebaut ist. Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zum Unterbau passende zweiachsige Nachführmechanik beinhaltet, welche in Schutzposition zwischen den Unterbauträgern abgelegt wird, so dass ihr Abstand zur Dachfläche minimiert wird. Die Vertikalachse befindet sich dann vor den Unterbauträgern, da sie diese ansonsten kreuzen und ein tiefes Absenken verhindern würde. Weiterhin ist wesentlich, dass die Nachführmechanik die Sonnensammelfläche derartig trägt, dass sie diese symmetrisch rechts und links neben den Unterbauträgern möglichst nahe und parallel der Dachoberfläche auf den Auflagehaltern ablegen kann. Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Pfahl der Nachführmechanik immer eine zur Dachkonstruktion und zur Montageposition des Unterbaus auf dem Dach passende Mindestlänge hat, welche dafür sorgt, dass die Sonnensammelfläche in der Betriebsposition über die Strömungsverdichtungszone des Daches hinausragt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com