DE8609268U1 - Solarkraftwerk - Google Patents

Description

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Soiarkraftwerk

Die Neuerung betrifft ein Solärkräftwerk mit ebenflächigen Elementen zur Aufnahme von Solarkollektoren oder von mit Solarzellen kombinierten Kollektoren oder von Solarzellen für sich allein, welches entweder auf einem Gestell mit horizontalen Trägern mit lotrechten Stützen und die Elemente stützenden Streben oder am Boden oder auf einem Dach angeordnet ist.

Zur Lösung des Flächenbedarfsproblems ist bekannt, die ebenflächigen Elemente zur Aufnahme der Solarkollektoren oder Solarzellen an lotrechten Stützen zu befestigen. Dabei sind mehrere dieser Elemente in Abständen senkrecht übereinander angeordnet, und der Abstand zum Boden und jeder Abstand zwischen den Elementen ist so groß, daß die Sonneneinstrahlung den Boden hinter den Elementen erreicht. Hierbei ist von großer Bedeutung, daß eine wesentliche gegenseitige Beschattung der Elemente während des ganzen Jahres nicht eintritt und daß zwischen den horizontalen Trägern und den Elementen diese stützende erwähnte Streben angeordnet sind (E-PA 0076 455).

Weiter sind Wärme- Solarkollektoren bekannt, die mit Hohlspiegeln arbeiten, welche auch trogförmig ausgebildet sein können und der Sonne mindestens einachsig, meistens jedoch tweiachsig nachgeführt werden. Hier ist ein Rohr mit der Wärmeträgerflüssigkeit im Brennpunkt des Hohlspiegels angeordnet, dessen Schatten auf den Hohlspiegel unvermeidbar ist. Diese Anlagen zeigen ganz allgemein den Nachteil, daß sie nur bei direkter Sonneneinstrahlung Wärmeenergie nutzen können (Zeitschrit "Sonnenenergie, Heft; 3, 1985, Seite 14 und folgende).

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Dagegen zeigen die zuerst erwähnten Anlagen den Vorteil, daß sie elektrische oder Wärme-Energie infolge der Streustrahlung nutzen können, also auch bei leicht bedecktem Himmel.

Schließlich ist auch eine Anlage unterhalb des Daches auf dem Dachboden eines Wohnhauses angeordnet und mit einem pyramidenförmigen Reflektor versehen. Diese Anlage ist nicht nachführbar. Im Osten und im Westen bleiben die Wände des Dachbodens erhalten und verhindern die Einstrahlung morgens und abends, so daß durch diese Anlage nur die mehr oder weniger von Süden kommende Sonnenstrahlung genutzt werden kann (USA-PS 3, 841, 302).

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, das Solarkraftwerk der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß eine > erhebliche Leistungssteigerung durch zusätzliche Anordnung spiegelnder Flächen ermöglicht ist.

Ein weiteres Ziel der Neuerung besteht darin, zu erreichen, daß auch die von Osten oder Westen frühmorgens und spätabends auftretende Sonneneinstrahlung durch eine besondere Spiegelanordnung ohne einachsige Sonnennachführung genutzt werden) kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Dadurch ist der Aufwand sehr gering, weil zum Beispiel die bereits vorhanden gewesenen Streben genutzt werden können, um die Spiegelflächen anzubringen. Aber auch das erwähnte zusätzliche Gestell bedingt nur einen verhältnismäßig geringen Aufwand und ist überall anbringbar, also auch bei bereits installierten Solarkraftwerken nach dem Stand der Technik.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Neuerung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbei* spiele unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht auf eine erste Ausführungsform; Fig. 2 eine Seitenansicht auf eine weitere Ausführungsform

und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach der Fig.2.

Fig. 1 zeigt einen lotrechten Mast 10, der durch einen schrägen nördlichen Mast 11 mit einem oder mehreren horizontalen nicht bezeichneten Querbalken mit dem lotrechten Mast 10 verbunden ist. An diesem lotrechten Mast sind von unten nach oben mehrere horizontale Träger 16, 17, 18, 19, 20 an der Südseite befestigt. In Fig. 1 ist links Süden und rechts Norden. An diesen horizontalen Trägern 16 - 20 sind in einem Winkel von 60 ° nach oben links führende Stützen 12, 13, 14, 15 befestigt, ferner dazwischen liegende Solarkollektoren I^ 2, 3, 4, die in diesem Falle in einem Winkel von 45 ° zu der Horizontalen angeordnet sind.

Die Unterkante des untersten Kollektors 1 ist in einem Abstand a vom Boden entfernt. Der Abstand zu und zwischen den übrigen Kollektoren 2-4 ist b so groß gehalten, daß eine wesentliche gegenseitige Beschattung der Kollektoren während des gesamten Jahres nicht möglich ist. Das liegt daran, daß in unseren Breitengraden die maximale Sonneneinstrahlung etwa 60° beträgt.

Hinter dem Mast 10 sind identische Masten in gewissen Abständen von zum Beispiel 3 m angeordnet, die durch die

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erwähnten horizontalen Querträger 6-10 miteinander in Ver-

bindung stehen. Auch die schrägen Stützen 11 können entspre- ί

chend vervielfältigt sein. Sie dienen lediglich der Aufnahme i

der Windlast im Bedarfsfall, das heißt, sie können auch ent- j

fallen, wenn die lotrechten Masten 10 entsprechend ausge- f

bildet sind, zum Beispiel als bekannte Gitterraaste aus Stahl. ·> Dargestellt ist eine Anordnung aus Holzmasten, die durch

einige wenige rostfreie Bolzen in entsprechenden Löchern l

miteinander verbunden sind. (

Insoweit gehört das Solarkraftwerk nach der Fig. 1 im wesentlichen zum Stand der Technik. Allerdings waren die Streben 12-15 gemäß dem Stand der Technik horizontal angeordnet, gemäß der Neuerung liegen sie in einem Winkel von 60° zu der Horizontalen.

Gemäß der Neuerung sind nun weiter die ebenflächigen Tragelemente mit spiegelnden Flächen, die hier mit "Spiegel" bezeichnet werden sollen, 5, 6, 7, 8, an der Oberkante der Kollektoren l4_;2, 3, 4 dadurch angeordnet, daß sie an den erwähnten Streben 12-15 befestigt sind. Zwischen diesen Streben und der Unterkante der Kollektoren können weitere horizontale nicht bezeichnete aber dargestellte Träger vorgesehen sein. Diese liegen zu den erwähnten horizontalen Trägern 16 -20 parallel.

Im unteren Bereich sind nun weitere nach Süden gerichtete Horizontalträger und Stützen hierfür sichtbar, auf denen ein weiterer "Spiegel" 9 in einem Winkel von 15 ° an die Unterkante des untersten KollekU*-:? 1 anschließend angeordnet und gehalten ist« Alle Spiegel 5-9 erstrecken sich nach Osten und nach Westen über die Kollektoren hinaus,

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was in der Fig. 1 nicht sichtbar ist, jedoch anhand der Fig. 2 noch dargestellt und erläutert werden wird. Dies ist sehr wichtig, weil dadurch die frühmorgens und spätabends auftretende Sonnenstrahlung durch die Spiegel ebenfalls genutzt werden kann.

Die Wirkungsweise im übrigen ist unten und oben dargestellt. Unten ist der 20 und der 45-Grad Strahl eingezeichnet. Dieser trifft auf den Spiegel 9 und wird durch diesen auf den Kollektor 1 abgelenkt. Hier wurde der Mitten-Strahl ausgewählt. Dem Fachmann ist verständlich, daß die Strahlung insgesamt auftrifft, der Mittenvektor dient lediglich zur Darstellung der Gesamtstrahlung.

Ferner ist verständlich,daß die gesamte Strahlung zwischen 20°und 45 ° ebenfalls auf den unteren Spiegel 1 gelenkt wird.

Die Wirkungsweise der an der Oberkante angebrachten Spiegel 5-8 ist im obersten Bereich der Fig. 1 dargestellt. Man sieht die 10° und 50 "-Strahlung eingezeichnet. Dadurch ist klar, daß die dazwischen liegenden Einstrahlungen während des Tages auch dann auf die unteren Kollektoren abgelenkt werden, wenn sie frühmorgens oder spätabends stark von Osten oder Westen, also von Südosten oder Südwesten herkommen.

Durch die neuerungsgemäße Anordnung tritt somit die Wirkung ein, daß die Spiegel von frühmorgens bis spätabends absolut zusätzlich Sonnenstrahlung auf die Kollektoren werfen, da eine Beschattung durch irgendwelche Teile der Anlage niemals eintritt. Nur am 21. Juni mittags um 12.00 Uhr

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sind die Spiegel nicht wirksam, weil an diesem Tage der Einstrahlungswinkel 60° beträgt. Aber auch an diesem Tage wirken die Spiegel vor und nach 12.00 Uhr mittags, wie dargestellt und erläutert.

Dabei spielt die Anordnung der Kollektoren 1-4 kaum eine Rolle. Wenn also anstelle des viel gewählten Neigungswinkels von 45° ein anderer Winkel gewählt würde, dann würde die Wirkung der Spiegel fast unverändert sein. Insbesondere könnte im Falle der Verwendung von Röhren-Kollektoren der Neigungswinkel auch gleich Null sein, das heißt, j die Kollektoren können horizontal angeordnet sein. Hierzu

müßtenlediglich die Streben 12-15 verlängert werden. Dadurch würde sich der /orteil ergeben, daß die Windlast geringer wäre, weil zwischen den Spiegeln und der Unterkante der Kollektoren ein größerer Raum entstehen würde, der durch die südlichen oder nördlichen Winde nicht beansprucht wird.

Im unteren Bereich sieht man in der Fig. 1, daß auch in diesem Falle zwischen der Oberkante des Spiegels 5 und der Unterkante des Kollektors 2 ein gewisser Abstand innerhalb des Bereiches b freibleibt.

Die Ausführungsform nach der Fig. 1 wird in der Regel auf dem Boden bei Großanlagen angewendet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dieses Solarkraftwerk auf beliebigen Dächern von Gebäuden, auch in der Mitte von Großstädten, anzubringen. Dabei könnte dann der Abstand a entfallen.

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Bevorzugt ist ferner, daß die Streben 12-15 in dem erwähnten Winkel von 60° zur Horizontalen liegen. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen anderen Winkel, insbesondere einen größeren, zu wählen, wenn das Solarkraftwerk in Landern aufgestellt werden soll, bei denen ein größerer maximaler Einstrahlungswinkel der Sonne vorliegt. Dann könnten die Streben auch etwa im mittleren Bersich der Kollektoren oder deren Träger angreifen. Dies is'- eine weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform, die sich der Fachmann aber ohne weiteres vorstellen kann.

Ferner ist bevorzugt, daß je ein ebenflächiges Tragelement der Spiegel 5-8 an mindestens je zwei zu einander parallelen Streben 12-15 befestigt ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, die auf einem Flachdach 29 angeordnet ist. Zunächst sieht man in der Mitte einen Kollektorständer 15 zur Halterung des Kollektorfeldes 2 herkömmlicher Art. Solche bekannten Kollektors tänder bestehen meistens aus Stahlrohr und sind mit Füßen 48 zum Abstellen auf dem Boden oder dem Flachdach versehen. Dies muß nicht im einzelnen dargestellt werden, weil es dem Fachmann bekannt ist. Der Neigungswinkel beträgt hier ebenfalls, wie zumeist üblich, 45°.

Die Neuerung zeigt nun ein Gestell, das ebenfalls auf Füßen 45, 46 und 55 aufruht. In Wahrheit sind es natürlich noch mehrere Füße, die genau dahinter liegen.

Da es sich hier um eine kleine häusliche- Anlage handelt, ist das neuesungsgemäße Gestelljtnit den horizontalen Boden«

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stangen 37, 37a, wie man auch der Fig. 3 entnehmen kann, um den herkömmlichen Kollektorständer 15 herumgebaut. Somit besteht die Möglichkeit, das Gestell zusätzlich bei bereits installierten Kollektorständern 15 mit Kollektoren 2 anzubringen.

In der Fig. 2 sieht man deutlich, daß die Stangen 40, 40a Unten mit Bolzen 32, 32a an einem Ende mit den Bodenstangen 37, 37a verschraubt sind, so daß sich ein Winkel oC von zum Beispiel 60 °, wie zuvor, gegenüber der Horizontalen ergibt. Etwas unterhalb der Höhe des Kollektorständers

sind diese Stangen 40, 40a mit Stütz- Stangen 41, 41a '

durch die Bolzen 42, 42a verschraubt, welche am anderen Ende durch'den Bolzen 43,43a mit den Bodenstangen 37, 37a verschraubt sind. Die Bodenstangen zeigen nun eine größere Zahl von Löchern 33, 34, 35, 44, um die Verschraubung der Stangen 40, 40a mit den Bodenstangen 37, 37a zu verstel- j len. Dem Fachmann ist ohne weiteres verständlich, daß dann, wenn der Bolzen 32 gelöst und in ein anderes Loch, zum Bei- I

spiel 33, eingeführt wird, der Winkel OL gegenüber der \

Horizontalen geändert ist. \

Im oberen Bereich der Stangen 40, 40a ist ein Tragelement j 3 b mit einer spiegelnden Fläche la befestigt, vorzugswei- \ se ebecfalls angeschraubt.

Weiter links sieht man ein weiteres Gestell mit den beiden Füßen 18, 47, durch die das Tragelement 3 a rait der Spiegelfläche 17 in einem Winkel y zu dem horizontalen Flachdach 29 angeordnet ist. Zur Verstellung des Winkels ^ ist in den hohen Stützen 18 ein Scharnier 55 angeordnet.

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Dadurch kann man den unteren Teil der Stützen 18 nach oben klappen, wodurch der Winkel ·γ* dann geändert ist* Natürlich kennt der Fachmann auch nochjandere Möglichkeiten, die Höhe der Stütze 18 im Bedarfsfall, nur saisonbedingt, zu Verstellen.

Die Wirkungsweise ist wieder durch den 50⁵-Strähi linkö dargestellt, der im Mittelpunkt 25 der Spiegelfläche 17 auftrifft und einwandfrei auf die Kollektorfläche 2 gelenkt wird.

Ferner trifft der 50,°-Strahl im Punkte 22 auf die Spiegelfläche la und wird von da ebenfalls auf den Kollektor 2 abgelenkt. Das Gleiche gilt für den 10°-Strahl, der ebenfalls im Punkte 22 auftrifft.

Da der Winkel γ hier gleich 15 ° gewählt wurde, wird der 10°-Strahl von der unteren Fläche 17 nicht reflektiert,, Um dies zu ermöglichen ist, wie schon erwähnt, erforderlich, , die Stütze 18 zu verkleinern.

Ferner sind in Fig. 1 noch|die Seile 49 links und 54 rechts dargestellt, durch die die Anlage gegen die Windlast mit dem Flachdach 29 verspannt wird. Hierzu sieht man links deutlich, daß das Seil 49 um die Oberkante des Flachdaches J 29 herumgeführt und dort an einemHaken 56 befestigt ist, der in die horizontale Wand des Gebäudes eingedübelt wurde. Dadurch ist nicht erforderlich, das Flachdach 29 anzugreifen. In ähnlicher Weise werden auch die weiteren Seile 53, 54, siehe Fig. 3, mit dem Haus oder dem Untergrund verspannt.

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Fig* 3 zeigt links, daß es sich um zwei Seile 49j 50 im Abstand zueinander handelt.

In Fig. 3 ist wieder links Süden und rechts Norden, während oben Westen Und unten Osten ist. Man erkennt, daß die Spiegelflächen 17 und la mit dem Tragelement 3b nach Osten und Westen geradlinig Weit über das Kollektorfeld hinaus verlängert sind. Dadurchjkönnen auchidie östlichen und westlichen Strahlungen, wie oben schon erwähnt, auf den Kollektor 2 gelenkt werden.

Weiter rechts eieht man, daß hier zwei Seile 51, 52 zur jj Verbindung mit dem rechten Teil des Gestells angeordnet

eind. Dies ist erforderlich, um die Windkräfte auf die übrigen Seile zu übertragen.

Bei dem Kollektorfeld 2 kann es sich wieder um Röhrenkollektoren handeln, was durch die von Süd nach Nord laufenden Striche angedeutet ist.

Weiter rechts sieht man die Rückseite des Tragelementes 3b, die in diesem Falle als eine Art Dachfläche dienen kann und auch,soll. Man erkennt deutlich, daß das Kollektorfeld 2 hierdurch zum größten Teil überdacht ist. Dadurch wird der Kollektor vor Schnee und Hagel geschützt,

so daß er auchiim Winter voll wirksam sein kann. Im Winter wird indessen das Gestell so verstellt, daß der Neigungswinkel QO zum Boden stark geändert ist, zum Beispiel durch Benutzung des letzten Loches 35 in den Bodenstangen 37, 37a. Vorzugsweise wird dies so dimensioniert, daß der Winkel £t dann nur 40° beträgt.Auf diese Weise ist dann im Winter der Kollektor 2 vollständig überdacht, so daß er selbst nach starkem Schneefall voll wirksam

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j sein kann, ohne daß erforderlich ist, den Schnee zu ent-

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Weiter rechts sieht man in Fig. 3 am Ende der Bodenstangen

37, 37a eine abstandshaltende Stange 38. Der Abstand zwischen den Stangen 40, 40a wirdnatürlich durch das Tragelement

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haltende Stange zwischen den beiden Bodenstangen angeordnet

' sein.

Die Bezugszeichen sind in Fig.3die gleichen wie in Fig.

Die Schrauben zur Befestigung des Tragelementes 3 b an den Stangen 40, ^fOa, sind nicht dargestellt, die Befestigung kann auch auf andere Weise erfolgen, zum Beispiel durch Nageln.

Das Gestell nach der Neuerung ist aus Holz gefertigt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß es aus Stahlrohren besteht, wobei dann die Tragelemente 3a, 3b aus Stahlblech gefertigt sein können.

Bei den Spiegel-Flächen 17, la muß es sichnicht um Glasspiegel handeln. Vielmehr ist jede spiegelnde Fläche anwendbar. Zum Beispiel kann es sich um weiße Farbe handeln, die ebenfalls spiegelnde Eigenschaften hat, wobei sowohl die diffuse oder Streustrahlung als auch die direkte Sonneneinstrahlung reflektiert wird. Natürlich'zeigt die Anwendung von weißer Farbe noch mehr als die Verwendung von Spiegelfolien den Vorteil, daß der Aufwand sehr gering ist. Ganz allgemein ergibt sich, daß das neuerungsgemäße Solarkraftwerk einen überraschend niedrigen Aufwand bedingt.

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Wie oben schon erwähnt, ist der Aufwand bei der Ausführungsforra bei der Fig. 1 ganz besonders niedrig. Außerdem zeigt diese Ausführungsform den bekannten Vorteil, daß der Bodenflächenbedarf sehr gering ist.

Der Flächenbedarf ist bei der Ausfuhrungs form nach den Fig. 2 und 3 zwar größer, doch ist auf dem Flachdach des Gebäudes die zusätzliche Fläche meistens vorhanden, jedenfalls dann, wenn es sich um eine derartige Kleinanlage nur für den Bedarf eines Einfamilienhauses oder dergleichen handelt.

Die Ausfuhrungsform nach der Fig. 1 kann auch an der Südfassade eines Gebäudes angebracht werden. Hierzu können die Masten 11 und möglicherweise auch die Masten 10 entfallen, ebenso die horizontalen Trägerl6 bis 20. Die Kollektoren 1-4 und die Streben 12-15 werden dann direkt in bekannter Heise an der Südfassade des Gebäudes befestigt. Dies ist dem Fachmann verständlich, ohne daß es zeichnerisch dargestellt ist. In diesem Falle besteht der Raumformgedanke darin, die Streben 12 - 15 in einem Winkel von zum Beispiel 60° anzuordnen und daran die Spiegel 5 - 8 zu befestigen.

Bei der erwähnten Winterstellung nach der Fig. 2 mit Winkel φ gleich 40 ° und γ gleich Null Grad besteht die Wirkung darin, daß die niedrige Sonnenstrahlung zunächst von der Spiegelfläche 17 auf die Spiegelfläche la und von da auf den Kollektor 2 reflektiert wird.

Die Neuerung ist nicht auf die dargestellten und geschilderten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr kann der

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Fachmann im Rahmen der Ansprüche Abwandlungen hiervon stellen.

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   Schutzansprüche

   Solarkraftwerk rait ebenflächigen Elementen zur Aufnahme von Solarkollektoren oder von mit Solarzellen kombinierten Kollektoren oder von Solarzellen für sich allein, auf einem Gestell mit horizontalen Trägern und Stützen sowie die Elemente stützenden Streben, dadurch gekennzeichnet, daß an den Streben (12-15) des Gestells oder an Stangen (40, 40a) eines zusätzlich angeordneten Gestells (37,37a, 38, 41, 41a) ebenflächige Tragelemente (3a, 3b) mit spiegelnden Flächen (la, 17) im Bereich der Ober- und/oder Unterkante des Kollektors (2, Ib, 3, 4) in einem Winkel ·, rf ) zu der Horizontalen angeordnet sind.
2. 2. Solarkraftwetk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streb, η (12-15) oder Stangen (40, 40a) an der Oberkante des Kollektors in einem Winkel von 60° zu der Horizontalen angeordnet sind.
3. 3. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenflächigen Tragelemente (3a, 3b) mit den Spiegelflächen (la, 17) über die Randkanten der Kollektoren (2) hinaus horizontal geradlinig verlängert sind.
4. 4, Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein ebenflächiges Tragelement (3a, 3b) an mindestens je zwei zueinander parallelen Stangen (40, 40a) befestigt ist.

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5. 5. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell parallel zueinander liegende Bodenstangen (37, 37a) aufweist, an denen die beiden die Tragelemente haltenden Stangen (40, 40a) in einem Winkel (öl/) zur Horizontalen parallel angeordnet und durch awei diese stützenden Stangen (41, 41a) gehalten sind, die andernends ebenfalls mit den Bodenstangen in eiuera Winkel befestigt sind.
6. 6. Solarkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenstangen (37, 37a) in Abständen zueinander liegende Löcher (32, 33, 34, 35, 44) zur verstellbaren Befestigung der Stangen (40, 40a) mit den Bodenstangen aufweisen,und daß die Stangen mit den Stützen (41, 41a) sowie den Bodenstangen lösbar verschraubt sind.
7. 7. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenstangen (37, 37a) auf Füßen (45, 46, 47, 18) angeordnet sind.
8. 8. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abstandshalter (38) zwischen den beiden Bodenstangen (38, 38a) angeordnet ist.
9. 9. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Gestell mit mehreren Seilen (49, 50* 51, 52, 53, 54) versehen ist.

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10. 10. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß die Füße (18) des zusätzlichen Gestells in ihrer Höhe verstellbar sind.

    11, Sölarkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, däü die Füße (iö) mit einem Scharnier (55) zur Höhenvef« stellung versehen sind.