Solaranlage zum Erzeugen von Solarstrom
Die Erfindung betrifft eine Solaranlage zum Erzeugen von Solarstrom mit einer Mehrzahl von einen Halterahmen und Solarzellen aufweisenden Solarmodulen.
Solaranlagen werden bekanntermaßen auf einem Hausdach oder auf einer freien Fläche aufgestellt. Insbesondere auf Freiflächen ist eine reihenweise Anordnung der Solarmodule bekannt, wobei die Solarmodule weitgehend nach Süden unter einem möglichst günstigen Winkel ausgerichtet sind, um die Solarmodule mit möglichst viel Sonnenstrahlung zu beaufschlagen.
Ebenso sind vor allem in südlichen Ländern eingesetzte Solaranlagen bekannt, bei denen die Solarmodule durch eine bewegliche und gesteuerte Tragkonstruktion während eines Tages möglichst gut auf die Sonne ausgerichtet werden. Hierbei ist der technische Aufwand größer, jedoch ist die Stromausbeute wegen der ganztägigen optimalen Ausrichtung der Solarmodule maximal.
Des Weiteren ist eine Anordnung von Solarmodulen bekannt, die eine Tragkonstruktion in Form eines spitzen Daches aufweist, wobei die Solarmodule mit einer Ausrichtung einerseits nach Westen und andererseits nach Osten angeordnet sind. Dadurch werden die einzelnen Solarmodule wegen der fehlenden Südausrichtung nicht optimal genutzt, jedoch kommt es durch die Kombination von West- und Ostausrichtung zu einer höheren Stromausbeute pro Flächeneinheit des Untergrunds.
Die einzelnen Solarmodule werden bei allen genannten Solaranlagen von einer Tragkonstruktion getragen, die aus einem sich selbsttragenden Gestänge gebildet werden, so dass die Solarmodule lediglich auf die Tragkonstruktion aufgelegt und fixiert werden müssen.
Dabei wird die unter den Solarmodulen angeordnete Fläche durch die Tragkonstruktion durch einzelne Stützen so beaufschlagt, dass die Fläche nicht weiter genutzt werden kann.
Eine bekannte Lösung besteht darin, dass die Tragkonstruktion so hoch aufgebaut ist, dass unter den Solarmodulen die Flächen zwischen den einzelnen Stützen begeh- und befahrbar ist und somit bewirtschaftet werden kann. Der technische Aufwand ist dabei jedoch beträchtlich.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, eine Solaranlage zum Erzeugen von Solarstrom mit einer verbesserten Flächennutzung des Untergrundes anzugeben.
Das zuvor aufgeführte technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Solaranlage gelöst mit mindestens drei einen Halterahmen und Solarzellen aufweisenden Solarmodulen, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Solarmodulen, mit mindestens zwei Basiselementen, mit Verbindungselementen zum Verbinden der Halterahmen untereinander und mit Tragelementen zum Verbinden von Halterahmen mit einem der Basiselemente, wobei die Halterahmen jeweils zwei parallel zu den Basiselementen verlaufende erste Seitenkanten und mindestens zwei weitere zweite Seitenkanten aufweisen, wobei die Verbindungselemente jeweils zwei erste Seitenkanten von mindestens zwei Paaren von Halterahmen unter einem vorgegebenen Winkel von weniger als 180° miteinander verbinden und wobei mindestens drei Halterahmen entlang der ersten Seitenkanten miteinander verbunden sind und einen gewölbten Solarmodulabschnitt bilden.
Die Solarmodule werden erfindungsgemäß abschnittsweise zu einer sich selbst tragenden Konstruktion aufgebaut, so dass zwischen den beiden außen liegenden Solarmodulen keine weiteren Stützen benötigt werden. Die Konstruktion ähnelt daher einem klassischen Torbogen- oder Fensterbogenbau aus Steinen. Somit kann bereits
mit drei Solarmodulen ein gewölbter Solarmodulabschnitt gebildet werden. Die einzelnen Solarmodulabschnitte weisen bevorzugt sechs bis zehn, insbesondere acht Solarmodule auf, so dass zum einen die Spannbreite größer als bei drei Modulen ist und die Winkel zwischen den einzelnen Solarmodulen größer sind und näher bei 180°liegen. Bei einem Solarmodulabschnitt mit sechs bis 10 Solarmodulen ergeben sich eine größere Spanbreite und größere Winkel zwischen den Halterahmen.
Die Winkel zwischen den Halterahmen bzw. den Solarmodulen sind von der Anzahl der verwendeten Solarmodule abhängig. Bei einem Solarmodulabschnitt mit nur drei Solarmodulen beträgt der Winkel in bevorzugter Weise ca. 130° bis 150°. Bei Solarmodulabschnitten mit 6 bis 10 Solarmodulen liegt der Winkel bevorzugt zwischen 160° und 185°.
Die Solarmodulabschnitte können einen Abstand von fünf bis zehn Metern gewölbeartig überspannen. Die Höhe der Solarmodulabschnitte kann im Bereich von 1 bis 3,5 Metern, vorzugsweise bei 2 Metern liegen. Dabei sind die Grenzen nicht grundsätzlich, sondern durch die Stabilität der einzelnen Solarmodule und deren Verbindungen beschränkt.
Die äußeren Solarmodule, die an einer ersten Seitenkante mit den Tragelementen an den Basiselementen verbunden sind, sind in bevorzugter Weise so ausgerichtet, dass die Mittelebene des Solarmoduls in Richtung des Basiselements verläuft. Dadurch wird eine günstige Krafteinleitung auf das Basiselement erreicht.
Unter einem Solarmodul wird ein an sich bekanntes Solarmodul verstanden, bei dem eine Mehrzahl von Solarzellen in einem äußeren Halterahmen angeordnet ist. Die Solarzellen können monofazial ausgebildet sein und Sonnenlicht nur von einer Seite in elektrische Energie umwandeln. Die Solarzellen können aber auch bifazial ausgebildet sein und von beiden Seiten des Solarmoduls einstrahlendes Licht in elektrische Energie umwandeln. Somit kann Sonnenlicht, das durch das Solarmodul hindurchtritt, nach einer Reflexion am Untergrund ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden.
Die Form der Solarmodule ist üblicher Weise rechteckig und weist zwei lange erste Seitenkanten und zwei kurze zweite Seitenkanten auf. Dagegen können die Solarmodule auch eine andere Form aufweisen, jedoch ist vorliegend die Ausbildung von parallelen ersten Seitenkanten erforderlich.
So können die Solarmodule auch zwei kurze erste Seitenkanten und zwei lange zweite Seitenkanten aufweisen oder die Solarmodule sind quadratisch mit gleich langen ersten Seitenkanten und zweiten Seitenkanten. Nachfolgend wird die Erfindung mit der bevorzugten Ausgestaltung mit zwei langen ersten Seitenkanten und zwei kurzen zweiten Seitenkanten beschrieben.
Die Solarmodule werden elektrisch bzw. elektronisch in bekannte Weise miteinander verschaltet und die Übertragung des erzeugten Stroms an eine Umspannstation erfolgt in herkömmlicher Weise und mit bekannten Mitteln, ohne dass es darauf bei der Konstruktion der Solaranlagen ankommt.
Die beschriebenen Basiselemente sind in der Regel ausgebildet, um mit einem Untergrund verbunden zu werden. Dadurch wird eine gute Stabilität erreicht, insbesondere wenn der Untergrund nicht befestigt ist, also beispielsweise ein offenes Feld ist. Dagegen können die Basiselemente auch auf einem festen Untergrund angeordnet werden, wobei dann keine Fixierung mit dem Untergrund benötigt wird, sogar eine auf dem Untergrund verfahrbare Konstruktion möglich ist.
Die Verbindungselemente sind als Profilrahmen aus Metall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder hartem Kunststoff ausgebildet. Die Verbindungselemente können daher kostengünstig in großem Mengen hergesteht und zur Verfügung gestellt werden.
Die frei tragende Konstruktion der miteinander verbundenen Solarmodule steht eine gewölbeartige Struktur dar. Daher überspannt die beschriebene Solaranlage eine freie
Fläche, ohne deren Benutzung wesentlich einzuschränken. Eine mögliche Anwendung ist ein freies Feld, dessen Oberfläche bei vorhandener Solaranlage weiter bestellt werden kann. Obwohl eine Abschattung durch die Solaranlage erfolgt, können im Schatten gedeihende Pflanzen angebaut und geerntet werden. Die beschriebene Solaranlage kann auch auf einer befestigten Oberfläche aufgestellt werden, beispielsweise im städtischen Bereich wie Plätzen, Bahnsteigen oder Parks. Sofern die Sonneinstrahlung nicht wesentlich eingeschränkt ist, können die beschriebenen Solaranlagen Flächen abschatten und für Menschen an sonnenintensiven Tagen oder auch bei Regentagen besser nutzbar machen. Dazu können die Basiselemente auch auf Stelzen befestigt sein, um die Höhe des überspannten Raums zu vergrößern. Des Weiteren ist eine Anwendung der beschriebenen Solaranlage als Unterstelleinrichtung wie ein Schuppen oder ein Carport möglich.
In bevorzugter Weise verbinden die Verbindungselemente die Halterahmen von zumindest einem Teil der Solarmodule in gleichen Winkeln entlang der Reihe von Halterahmen miteinander. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Aufbau, der für eine erhöhte Stabilität sorgt. Dabei ist es möglich, insbesondere im Randbereich, die Solarmodule planar anzuordnen, also in einem Winkel von ungefähr 180°. Dadurch kann eine größere Höhe des Gewölbes erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungselemente schienenartig ausgebildet sind und eine Länge nicht größer als die Länge der ersten Seitenkanten aufweisen. Damit können die ersten Seitenkanten aneinander grenzender Solarmodule gegebenenfalls sogar entlang der gesamten Länge miteinander verbunden werden.
Weniger aufwändig ist dagegen eine Ausbildung der Verbindungselemente als einzelne Befestigungselemente. Die Montage kann dadurch vereinfacht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der beschriebenen Anlage sind mindestens zwei Solarmodulabschnitte entlang von zweiten Seiten von Halterahmen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden, vorzugsweise nur an den Ecken
von Halterahmen. Dadurch entsteht ein gewölbtes Dach, das sich durch Verwendung von einer Vielzahl von Solarmodulabschnitten zu einem langen Dach ähnlich einem Treibhaus verlängern lässt. Werden also nicht nur die ersten Seitenkanten, sondern auch die zweiten Seitenkanten, beispielsweise mittels schienenförmiger Verbindungselemente miteinander verbunden, kann eine nach oben weitgehend geschlossene Konstruktion erreicht werden, die ein Eindringen von Luft und Feuchtigkeit reduziert oder gar verhindert.
Die Länge einer solchen Konstruktion von einer Vielzahl von Solarmodulabschnitten in Richtung der zweiten Seitenkanten ist grundsätzlich nicht beschränkt und hängt von der Länge des Untergrunds ab. Somit sind beispielsweise Längen von über 100 Meter oder gar 500 Meter oder mehr möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass die Tragelemente gegenüber den Basiselementen verschiebbar ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine Konstruktion gewählt werden, bei der die Tragelemente gegenüber den Basiselementen verschiebbar sind, also gleiten oder rollen können. Somit kann beispielsweise ein Untergrund nur zu einem Teil mit der Solaranlage abgeschattet werden, während ein anderer Teil frei bleibt. Durch ein regelmäßiges Verschieben der Solaranlage gegenüber dem Untergrund kann eine gemittelte geringere Abschattung des Untergrunds erreicht werden.
Die Basiselemente sind bevorzugt als Rohre, insbesondere als Betonrohre ausgebildet sein. Andere Alternativen, wie Betonfundamente oder in den Boden gerammte Stahlprofile bzw. -bleche können je nach Bodenbeschaffenheit auch eingesetzt werden. Somit lassen sich herkömmliche Baumaterialien wirtschaftlich einsetzen. Die Befestigung der Tragelemente an den Rohren oder alternativen Gründungen kann dann vor Ort durchgeführt werden. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass die Basiselemente geeignet sind, an einer Längsposition zwei Tragelemente von zwei verschiedenen Solarmodulabschnitten zu tragen. Dadurch wird der Materialaufwand der Solaranlage weiter verringert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Solaranlage können die Verbindungselemente, die Tragelemente und/oder die Basiselemente weitere Funktionen übernehmen, wie sie beispielsweise in der Landwirtschaft erforderlich sind.
Die Verbindungselemente und/oder die Tragelemente können mit Wasserleitungen und Wasserverteilsystemen versehen sein, um den Raum unterhalb der gewölbten Anordnung der Solarmodule zu bewässern und ggf. mit weiteren Stoffen wie Düngemitteln oder Pflanzen- bzw. Insektenschutzmitteln zu versorgen. Alternativ oder ergänzend können auch Beleuchtungsmittel vorgesehen sein. Die Basiselemente können beispielsweise auch mit Schienen versehen sein, auf denen bewegliche und ggf. automatisierte Bearbeitungsvorrichtungen zur Aussaat, Pflege und Ernte der unterhalb der Solaranlage angebauten Pflanzen geführt werden können.
Die Verbindungselemente, die Tragelemente und/oder die Basiselemente können auch Kanäle und Öffnungen für eine Be- und Entlüftung des Raums unterhalb der gewölbten Solaranlagen aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert ln der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solaranlage mit einem Solarmodulabschnitt mit drei Solarmodulen im Querschnitt,
Fig. 2 das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen
Ansicht,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei Solaranlagen mit jeweils mehreren Solarmodulabschnitten mit jeweils acht Solarmodulen,
Fig. 5 die Solaranlage aus Fig. 4 mit einer verschiebbaren Verbindung der
Solaranlagen mit den Basiselementen,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl von Solaranlagen in einer Ansicht von oben,
Fig. 7 ein Basiselement im Querschnitt,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements im
Querschnitt,
Fig. 9 das in Fig. 8 gezeigte Verbindungselement in einer perspektivischen
Ansicht und
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solaranlage mit einem alternativen Verbindungselement. ln der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden Bauteile und Elemente mit gleicher Funktion und gleicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile und Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Solaranlage 2 zum Erzeugen von Solarstrom mit drei einen Halterahmen 4 und Solarzellen 6 aufweisenden Solarmodulen 8. Zwei seitlich angeordnete und mit dem Untergrund 10 verbundene Basiselemente 12 dienen dazu, die Anordnung der Solarmodule zu tragen. Die Halterahmen 4 sind mit Verbindungselementen 14 untereinander verbunden und Tragelemente 16 verbinden die Halterahmen 4 jeweils mit einem der Basiselemente 12.
Die Halte rahmen 4 weisen, wie Fig. 2 zeigt, jeweils zwei parallel zu den Basiselementen 12 verlaufende erste Seitenkanten 18 und mindestens zwei weitere zweite Seitenkanten 20 auf, die Solarmodule 8 sind somit rechteckig mit zwei langen ersten Seitenkanten 18 und zwei kurzen zweiten Seitenkanten 20 ausgebildet.
Die Verbindungselemente 14 verbinden jeweils zwei erste Seitenkanten 18 von mindestens zwei Paaren von Halterahmen 4 unter einem vorgegebenen Winkel a von weniger als 180° miteinander, so dass drei Halterahmen 4 entlang der ersten Seitenkanten 18 miteinander verbunden sind und einen gewölbten Solarmodulabschnitt 22 bilden.
Fig. 3 zeigt ein zuvor beschriebenes Verbindungselement 14 im Querschnitt, das zwei Aufnahmen 24 zur Aufnahme von Halterahmen 4 aufweist, die seitlich von Wangen 26 begrenzt sind. Nicht im Detail dargestellte Befestigungsmittel dienen dazu, den Halterahmen 4 in der Aufnahme 24 zu halten und zu fixieren. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Verbindungselemente 14 die Halterahmen 4 von zumindest einem Teil der Solarmodule 8 in gleichen Winkeln entlang der Reihe von Halterahmen 4 miteinander verbinden. Somit entsteht ein gleichmäßig gewölbter Solarmodulabschnitt 22, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
Des Weiteren sind dass die Verbindungselemente 14 schienenartig ausgebildet und weisen eine Länge nicht größer als die Länge der ersten Seitenkanten 18 der Halterahmen 4 auf. Somit sind die Halterahmen 4 ggf. sogar vollständig entlang der gesamten Seitenkanten 18 eingefasst und sicher fixiert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Solarmodulabschnitt 22 mit nur einer Reihe von miteinander zu einem Gewölbe zusammengesetzten Solarmodulen 8. Eine weitere Ausgestaltung zeigt Fig. 4, bei der mehreren Solarmodulabschnitte 22 entlang von zweiten Seiten 20 von Halterahmen 4 miteinander verbunden sind und somit ein längeres gewölbtes Dach bilden. Fig. 4 zeigt darüber hinaus, das drei nebeneinander
angeordnete Solaranlagen 2 mit jeweils acht Solarmodulabschnitten 22, die wiederum jeweils acht Solarmodule 8 aufweisen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Solaranlagen 2 gemäß Fig. 4, indem die Tragelemente 16 gegenüber den Basiselementen 12 verschiebbar ausgebildet sind. Somit können die Solaranlagen 2 entlang der dargestellten Doppelpfeilen hin und her bewegt werden, um eine variable Überdeckung des Untergrundes 10 zu realisieren.
Die Bewegbarkeit kann mittels Gleitkufen oder mittels Rollen verwirklicht werden.
Die Figuren zeigen zudem, dass die Basiselemente 12 als Betonrohre ausgebildet sind, die geeignet sind, an einer Längsposition zwei Tragelemente 16 von zwei verschiedenen Solarmodulabschnitten 22 zu tragen.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Solaranlagen 2 mit jeweils acht Solarmodulen 8, die an ihren ersten längeren Seitenkanten 18 miteinander verbunden sind und einen gewölbeartigen Bogen als Solarmodulabschnitt 22 ausbilden. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 sind die zweiten Seitenkanten der Halterahmen der Solarmodule nicht mit benachbarten Halterahmen verbunden, so dass jeder Solarmodulabschnitt 22 für sich ein Solarmodul 2 ausbildet.
Dargestellt sind in Fig. 6 auch die Basiselemente 12, die jeweils aus mehreren Teilstücken in Form von Betonrohrabschnitten 30 gebildet sind. Ein solcher Betonrohrabschnitt 30 ist in Fig. 7 im Querschnitt dargestellt. Die Betonrohrabschnitte 30 weisen paarweise an gegenüber angeordneten oberen Außenabschnitten Tragelemente 16 in Form einer rechtwinklig gebogenen Laufschiene 32 und einem zugeordneten Laufelement 34 auf, das am abstehenden Ende der Laufschiene 32 mit einem Laufrad 36 aufgesetzt ist. Somit ist das Tragelement 16 als zweigeteiltes und gegeneinander rollbares Tragelement ausgebildet, so dass die Solarmodulabschnitte 22 einzeln gegeneinander rollbar und somit verschiebbar ausgebildet sind.
Die Fig. 8 und 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 14 in Form eines Profils. Das Profil weist eine Basis 40 mit einer Unterseite 42 und zwei Oberseiten 44, die in einem Winkel kleiner als 180° zueinander ausgerichtet sind. Ein Mittelabschnitt 46 erstreckt sich ausgehend von der Basis 40 nach oben, wobei die beiden Seitenwände 48 des Mittelabschnitts 46 jeweils im Wesentlichen senkrecht zu den beiden Oberseiten 44 ausgerichtet sind und somit einen Winkel zwischen einander ausbilden. Der Mittelabschnitt 46 weist eine nach oben gerichtete Öffnung 50 auf, in die ein Klemmelement 52 einsetzbar ist.
Während der Montage eines Solarmoduls 2 wird ein Verbindungselement 14 gemäß den Fig. 8 und 9 zwischen den ersten Seitenkanten 18 von zwei Solarmodulen 8 angeordnet, die auf den Oberseiten 44 der Basis 40 aufliegen und an den Seitenwänden 48 des Mittelabschnitts 46 anliegen. Durch den gewölbeartigen Aufbau werden die Halterahmen 4 an die Verbindungselemente 14 aufgrund der Schwerkraft angedrückt und bilden einen stabilen Solarmodulabschnitt 22.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solaranlage mit einem alternativen Verbindungselement 14, das seitlich an die Halterahmen 4 angeschraubt ist. Das Verbindungselement 14 ist somit nicht zwischen den ersten Seitenkanten 18 angeordnet, sondern ist seitlich an den zweiten Seitenkanten 20 angeschraubt. Das hier beschriebene Verbindungselement 14 kann alternativ oder ergänzend zu den zuvor beschriebenen Verbindungselementen eingesetzt werden. Auch in der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform verbinden die Verbindungselemente 14 jeweils zwei erste Seitenkanten 18 von mindestens zwei Paaren von Halterahmen 4 unter einem vorgegebenen Winkel von weniger als 180° miteinander, auch wenn in Fig. 10 das Verbindungselement seitlich an den zweiten Seitenkanten 20 befestigt ist.