PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006010419A1 06.09.2007
Titel Messgerät zur Lichteinfallswinkelmessung sowie solartechnische Nachführeinrichtung
Anmelder Schilcher, Johann, 86343 Königsbrunn, DE
Erfinder Schilcher, Johann, 86343 Königsbrunn, DE;
Schilcher, Matthias, 86343 Königsbrunn, DE
DE-Anmeldedatum 04.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006010419
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse G01J 1/06(2006.01)A, F, I, 20060304, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05D 3/00(2006.01)A, L, I, 20060304, B, H, DE   F24J 2/38(2006.01)A, L, I, 20060304, B, H, DE   
Zusammenfassung Nachführeinrichtung zum Ausrichten einer Solareinrichtung (5) auf die Sonne mit einer Verstellmechanik zum Drehen der Solareinrichtung um mindestens zwei Raumachsen, wobei das Verstellen um die Raumachsen von Elektromotoren vorgenommen wird. Eine Regeleinrichtung verarbeitet Eingangssignale eines Messgeräts zum Messen des Lichteinfallswinkels. Das Messgerät weist mindestens zwei winkelig zueinander angeordnete Fotowiderstände (1, 2) auf. Abhängig von der Lichteinstrahlung auf die Fotowiderstände werden Ausgangssignale erzeugt. Das Verhältnis der Ausgangssignale zueinander lässt auf den Lichteinfallswinkel schließen. Über Hülsen (4) an den Fotodioden wird das Ansprechverhalten der Messvorrichtung verbessert.

Beschreibung[de]

Der Sonnenenergienutzung in Bereichen wie der Photovoltaik, der Warmwasserbereitung oder bei Sonnenkraftwerken kommt durch die zunehmende Verknappung der nicht erneuerbaren Energien eine immer größere Bedeutung zu.

Die optimale Ausrichtung von solartechnischen Einrichtungen, wie z.B. von Solarmodulen oder Solarkollektoren, zur Sonne wird bisher beispielsweise mittels komplexer Rechenmodelle bewerkstelligt, die orts- und tageszeitabhängig über Datentabellen die optimale Ausrichtung ermitteln.

Eine Möglichkeit mit weniger Rechenaufwand eine Ausrichtung zu verwirklichen zeigt die DE 4116894 auf. Hier wird eine Einrichtungen gezeigt, die den Schatten, den ein dafür verwendeter Aufbau liefert, durch eine möglichst senkrechte Ausrichtung zur Sonne mittels einer entsprechenden Nachführeinrichtung minimiert. Der Aufbau dieses Standes der Technik ist groß und wenig flexibel, weshalb er insbesondere für mobile und Anwendungen auf kleinem Bauraum wenig geeignet scheint. Ferner offenbart die DE 4116894 ein weiteres Wirkprinzip, nämlich die Verwendung von keilförmig angeordneten Solarmodulen, wobei die bei ungleichem Lichteinfall resultierende Differenz an gewonnener Sonnenergie genutzt wird, um die Solarmodule wieder in die Position eines gleichmäßigen Lichteinfalls zu bringen.

Die Nachteile der oben genannten Lösungen sind, dass sie eine große Rechenleistung voraussetzen oder einen relativ großen Aufbau benötigen, um eine optimale Signalstärke bzw. einen ausreichenden Antriebsstrom zu erreichen.

Die zu Grunde liegende Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein kompakt aufgebautes Messgerät zur Messung eines Lichteinfallswinkels sowie eine geregelte Nachführeinrichtung bereitzustellen, die zuverlässig solartechnische Einrichtungen optimal zur Sonne hin ausrichtet.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Messgerät zum Messen eines Lichteinfallswinkels bereitgestellt. Das Messgerät weist mindestens zwei winkelig zueinander angeordnete lichtempfindliche Sensoren auf. Als Sensoren sind insbesondere Fotowiderstände geeignet. Allerdings ist auch die Verwendung von Fotodioden oder allgemein gesprochen die Verwendung jeglicher Sensoren geeignet, die ein zur Lichteinstrahlung zumindest abschnittsweise proportionales Ausgangssignal liefern. Mittels einer Messeinrichtung werden die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Sensoren verglichen. Das Verhältnis der Ausgangssignale zueinander spiegelt den Lichteinfall wieder, denn durch die winklige Anordnung der lichtempfindlichen Sensoren zueinander ist nur dann die Differenz der Ausgangssignale annähernd null, wenn die lichtempfindlichen Sensoren mit der Lichteinfallsrichtung im Wesentlichen den gleichen Winkel einschließen. Abhängig davon welcher lichtempfindliche Sensor das höhere Ausgangssignal ausgibt, kann somit der Lichteinfallswinkel bestimmt werden. Darüber hinaus sind die lichtempfindlichen Sensoren über Abschirmungseinrichtungen, d.h. beispielsweise mittels Hülsen um die Fotowiderstände, abgeschirmt. Dadurch wird der Lichteinfall auf die lichtempfindlichen Sensor begrenzt. D.h. auch bereits bei einer geringfügigen winkeligen Anordnung der lichtempfindlichen Sensoren zueinander ist durch die Abschirmeinrichtung das Ansprechverhalten der Sensoren derart verbessert, dass eine Anordnung der Sensoren unter kleinem Winkel mit wenig Abstand zueinander verwirklicht werden kann.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Messgeräts auf dem Gebiet der Nachführeinrichtungen für Sonnenkollektoren oder ähnlichem, ist es erforderlich, mindestens vier lichtempfindliche Sensoren vorzusehen, um Azimut und Elevation der Sonne ermitteln zu können. Die vier lichtempfindlichen Sensoren können beispielsweise an den seitlichen Enden eines flächigen Solarmoduls befestigt sein. Dies ist aber nicht zwingend, so dass auch eine Anordnung gewählt werden kann in der die vier Sensoren direkt nebeneinander angeordnet werden. Diese Anordnungsweise wird insbesondere durch die Abschirmeinrichtungen um die lichtempfindlichen Sensoren unterstützt. Soll eine einfache Kopplung zwischen beispielsweise einem Solarmodul und dem erfindungsgemäßen Messgerät verwirklicht werden, so ist es vorteilhaft das Messgerät, d.h. insbesondere die lichtempfindlichen Sensoren in der Ebene des Solarmoduls anzuordnen. Es kann jedoch auch eine anderweitige mechanische oder elektrische Kopplung zwischen Messgerät und dem Solarmodul vorgesehen sein.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Anwendung des Messgeräts in einer Nachführeinrichtung zum Ausrichten einer Solareinrichtung auf die Sonne. Unter Solareinrichtung wird hier allgemein jegliches Objekt verstanden, das auf die Sonne ausgerichtet werden soll. Neben Sonnenkollektoren und Solarmodulen können dies z.B. auch Spiegel sein, die das Sonnenlicht auf einen bestimmten Punkt umlenken sollen, wie dies etwa bei Sonnenkraftwerken der Fall ist. Die Nachführeinrichtung verfügt über eine Verstellmechanik zum Drehen der Solareinrichtung um mindestens zwei Raumachsen, wobei das Verstellen um die Raumachsen vorzugsweise von zwei Elektromotoren vorgenommen wird. Die Motoren werden über eine elektrische Regelungseinheit geregelt. Die Regelungseinheit der Nachführeinrichtung erhält Eingangssignale von dem weiter oben erläuterten Messgerät. Die Regeleinrichtung der Nachführeinrichtung und die Messeinrichtung des Messgeräts können durch die gleichen Bauteile integral verwirklicht sein. Beispielsweise kann Regeleinrichtung und Messeinrichtung durch einen Mikrocontroller verwirklicht werden. D.h. es ist möglich, dass Regeleinrichtung und/oder Messeinrichtung analog und/oder digital verwirklicht sind.

Das Zusammenspiel von Nachführeinrichtung und Messgerät ergibt sich aus folgendem Wirkprinzip. Die Regelungseinrichtung nimmt ausgehend von einer Ausgangssignaldifferenz eines Paares von lichtempfindlichen Sensoren des Messgeräts die Drehung um eine dem Paar lichtempfindlicher Sensoren zugeordnete Drehachse vor. Dies erfolgt solange, bis die Ausgangssignaldifferenz einen Toleranzwertebereich um null erreicht hat. Der Toleranzwertbereich ist erfindungsgemäß einstellbar und kann somit auf anwendungsbedingte Anforderungen angepasst werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Drehwege um die Raumachsen durch Endanschläge begrenzt. Damit wird der Nachführeinrichtung ein Drehwinkelbereich vorgegeben. Der Drehwinkelbereich kann einstellbar ausgebildet sein. Im Allgemeinen sollte eine Drehung der Solareinrichtung von 180° um eine vertikale Achse und 80° um eine horizontale Achse für Anwendungen in der Solartechnik ausreichend sein. Ein größerer Winkelbereich ist aber verwirklichbar, wenn entsprechende Vorkehrungen in Kabelführung und Verstellmechanik getroffen werden.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Nachführeinrichtung Nachschaltwiderstände für die lichtempfindlichen Sensoren auf, die austauschbar ausgebildet sind. Dadurch kann die Nachführeinrichtung auf die Sonnenintensität bzw. Lichtquellenintensität angepasst werden.

Die Regelung der Nachführeinrichtung erfolgt vorteilhafterweise über einen Mikrocontroller. Es kann ein PIC-Mikrocontroller verwendet werden, wobei ein Analogmultiplexschalter die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Sensoren nacheinander an den Mikrocontroller weiterschaltet. Ferner ist eine Schaltung zum Ansteuern der Motoren vorgesehen. Diese weist antiparallel geschalteten Relais zum Ableiten der Abrissinduktionsspannung der Relaiswicklungen auf sowie vier Widerstände an den Endanschlägen.

Die Regelung der Nachführung wird für den Fall der digitalen Regelung über eine Software bewerkstelligt, welche die Differenzen der Ausgangssignale eines Paares lichtempfindlicher Sensoren vergleicht und daraufhin entsprechende Stellsignale für die Motoren errechnet.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert.

Es zeigt:

1 eine schematische Prinzipskizze zur Darstellung der zu Grunde liegenden Problematik;

2 eine schematische Darstellung des Messgeräts der vorliegenden Erfindung;

3 eine weitere schematische Darstellung des Messgeräts der vorliegenden Erfindung;

4 eine Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Nachführeinrichtung;

5 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Nachführeinrichtung;

6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Regelalgorithmus der Nachführeinrichtung.

1 zeigt eine Darstellung der im solartechnischen Bereich zu Grunde liegenden Problematik, die Ausgangspunkt für die Erfindung ist. Während bei senkrechter Sonneneinstrahlung die Gesamtbreite der Solarmoduls gut von dem einfallenden Licht abgedeckt ist, ist bei winkeliger Sonnenlichteinstrahlung nur eine kleinere Energieausbeute zu erwarten. Es ist daher immer wünschenswert das Solarmodul senkrecht zum Lichteinfall auszurichten.

2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messgeräts bei senkrechtem Lichteinfall. Die Fotowiderstände 1 und 2 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Solarmoduls 5 angeordnet. Die Fotowiderstände sind jeweils von einer Hülse 4 umgeben. Die Hülsen sind in dieser Ausführungsform an ihren Mantelflächen lichtundurchlässig ausgebildet. Abhängig vom Anwendungsgebiet kann die Hülse auch zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet sein und verschiedene geometrische Formvariationen aufweisen. Beispielsweise kann der Hülsenquerschnitt variiert werden und es kann auch die Länge der Hülse in Umfangsrichtung variieren.

Gut zu erkennen ist anhand dieser Darstellung auch das verbesserte Ansprechverhalten des Messgeräts. Die eingezeichneten Lichtstrahlen auf die Fotowiderstände befinden sich jeweils an Grenzpositionen. Ändert sich der Lichteinfallswinkel nur minimal, so ist durch die winkelige Anordnung der Fotowiderstände im Zusammenspiel mit den Hülsen bereits ein deutlicher Unterschied des jeweils auf die Fotowiderstände einfallenden Lichts gegeben. Dieser Führt zu einem erhöhten Differenzwert, der in einem vorbestimmten Verhältnis zum Lichteinfallswinkel steht.

3 zeigt das Messgerät bei einem Lichteinfallswinkel von ungleich 90° zur Fläche des Solarmoduls. Wie durch die Pfeile an den Fotowiderständen 1 und 2 dargestellt, wird im Fall des Fotowiderstands 1 der Lichteinfall beschränkt, wohingegen bei dem Fotowiderstand 2 durch die winkelige Anordnung mehr Lichteinfall zugelassen wird.

4 zeigt eine Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Nachführeinrichtung. Die Nachführeinrichtung verfügt über eine Verstellmechanik 6, die es ermöglicht das Solarmodul 5 um zwei Raumachsen zu drehen. Ausgehend von einer horizontalen und einer vertikalen gedachten Achse durch das Solarmodul ist es möglich das Solarmodul um die vertikale Achse zu drehen und um die horizontale Achse zu kippen. Der Antrieb der Verstellmechanik wird über Elektromotoren 7 und 8 bewerkstelligt, die entsprechend der Regelsignale angesteuert werden und beispielsweise über Zahnrad- und/oder Schneckengetriebe das Solarmodul verstellen.

Der in 5 gezeigte schematische Aufbau stellt dar, auf welche Weise die Einzelkomponenten der Nachführeinrichtung miteinander in Verbindung stehen. Die Regeleinrichtung 3 nimmt Signale von den Fotowiderständen auf und errechnet damit die Stellung des Solarmoduls zum Lichteinfall, d.h. den Lichteinfallswinkel in Bezug zum Solarmodul. Mit entsprechenden Ausgangssignalen zu den Motoren 7 und 8 wird das Solarmodul dann in eine optimale Position gebracht. Die Endanschläge 9 und 10 dienen dazu die Drehwege der Verstellmechanik zu begrenzen und dadurch der Nachführeinrichtung Bezugspunkte zu liefern. Beispielsweise können bei Initialisierung der Nachführeinrichtung zunächst die Endanschläge angefahren werden, um den Regelalgorithmus einfach zu gestalten, dies ist allerdings nicht zwingend.

Der Ablauf eines beispielhaften Regelalgorithmus zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Nachführeinrichtung ist in 6 gezeigt. In einem ersten Schritt werden Deklarationen vorgenommen und Variablen gesetzt. Ferner werden Treiber und Header-Dateien eingebunden. In einem darauf folgenden zweiten Schritt werden die Endanschläge angefahren und eine geeignete Ausgangsposition wird angefahren. Ausgehend von einem Endanschlag wird in eine Richtung, beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn solange gedreht, bis eine maximale Sonneneinstrahlung detektiert werden konnte. In darauf Folgenden verschachtelten Schleifen wird danach jeweils Azimut und Elevation fortlaufend überprüft. Wenn ein festlegbarer Wertebereich für die ermittelten Ausgangssignale der Fotowiderstände überschnitten wird, erfolgt eine Korrektur der Position des Solarmoduls mittels der angesteuerten Motoren zur Azimuts- und Elevationspositionierung. Um unnötige Ansteuerungen zu verhindern werden die Endanschläge dabei immer mit berücksichtigt. Dieser Regelalgorithmus ist in einer Software umgesetzt.

1
Fotowiderstand
2
Fotowiderstand
3
Messeinrichtung
4
Hülse
5
Solarmodul
6
Verstellmechanik
7
Elektromotor
8
Elektromotor
9
Endanschlag
10
Endanschlag


Anspruch[de]
Messgerät zum Messen eines Lichteinfallswinkels mit mindestens zwei winkelig zueinander angeordneten lichtempfindlichen Sensoren (1, 2), insbesondere Fotowiderständen, die abhängig von einer Lichteinstrahlung ein Ausgangssignal erzeugen, und einer Messeinrichtung (3) zum Vergleichen der Ausgangssignale, wobei das Verhältnis der Ausgangssignale zueinander den Lichteinfallswinkel wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmungseinrichtung (4), welche die Lichteinstrahlung auf den lichtempfindlichen Sensor (1, 2) begrenzt, an jedem lichtempfindlichen Sensor (1, 2) angeordnet ist. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abschirmungseinrichtung um eine Hülse (4) handelt, die um den lichtempfindlichen Sensor (1, 2) so angeordnet ist, dass die Mittelachse der Hülse im Wesentlichen senkrecht auf den lichtempfindlichen Sensor (1, 2) steht. Messgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier lichtempfindlichen Sensoren (1, 2) vorgesehen sind, um Azimut und Elevation der Sonne ermitteln zu können. Nachführeinrichtung zum Ausrichten einer Solareinrichtung (5) auf die Sonne mit einer Verstellmechanik (6) zum Drehen der Solareinrichtung um mindestens zwei Raumachsen, wobei das Verstellen um die Raumachsen von mindestens einem Elektromotor (7, 8) vorgenommen wird, der von einer elektrischen Regelungseinheit (3) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit Eingangssignale von dem Messgerät nach Anspruch 3 erhält. Nachführeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät mechanisch an die Solareinrichtung gekoppelt ist Nachführeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (3) ausgehend von einer Ausgangssignaldifferenz eines Paares von lichtempfindlichen Sensoren (1, 2) die Drehung in eine dem Paar lichtempfindlicher Sensoren zugeordneten Drehrichtung solange vornimmt, bis die Ausgangssignaldifferenz einen Toleranzwertebereich um null erreicht hat. Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Solareinrichtung (5) wahlweise um ein Solarmodul, einen Solarkollektor oder einen Spiegel handelt. Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwege um die Raumachsen durch Endanschläge (9, 10) begrenzt sind. Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Nachschaltwiderstände für die lichtempfindlichen Sensoren (1, 2) austauschbar ausgebildet sind. Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ausrichtung über einen Mikrocontroller erfolgt. Nachführeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analogmultiplexschalter die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Sensoren nacheinander an den Mikrocontroller weiterschaltet. Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Nachführung über eine Software erfolgt, welche die Differenz der Ausgangssignale eines Paares lichtempfindlicher Sensoren auswertet.






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