AT396309B - Steuerung eines reflektors - Google Patents

Description

AT 396 309 B

Will man Sonnenlicht etwa zu Beleuchtungs· oder zu Energiegewinnungszwecken verwenden, so ergibt sich oft das Problem, die Strahlung der bewegten Strahlungsquelle "Sonne" durch Reflexion auf ein ortsfestes Ziel zu lenken.

Dieser Vorgang ist aber auch für andere bewegte elektromagnetische Strahlungsquellen mit genügend parallelem Strahlengang denkbar, etwa der Reflexion von Infrarot-, Radar-, Mikro-, Funkwellen. Im folgenden wird für alle diese Strahlungsarten das Wort "Licht" und für den ensprechenden Reflektor "Spiegel" verwendet.

Es gelten die Prinzipien der geometrischen Optik, insbesondere das Reflexionsgesetz. Die Bedingung für die Parallelität des Strahlengangs wird durch die Femzone beschrieben, das ist der Bereich, in dem die Wellenlänge der Strahlung sehr klein im Vergleich zur Distanz Quelle-Reflektor ist. Aus der physikalisch unvermeidlichen Divergenz der Quelle ergibt sich eine gewisse erlaubte Unscharfe beim Positionieren des Spiegels. Ist die Divergenz groß genug, so erlaubt dies die Genauigkeit der Spiegelbewegung (und damit den technischen Aufwand) entsprechend zu senken. Andererseits darf die Divergenz einen gewissen Schwellwert nicht überschreiten, um den unten beschriebenen Steuervorgang zu erlauben. So hat etwa die Sonne die Strahlendivergenz von 0,53° und damit nach der ersten Reflexion eine Stiahldivergenz von 1,06°.

Nun gilt, daß der Normalenvektor des bewegten Reflektors einer bewegten Lichtquelle nur um den halben Winkel (bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem in der Drehachse des Spiegels) folgen muß, sodaß der LichtstraN auf einen ortsfesten Punkt reflektiert wird. Das vorliegende System nützt diese Tatsache auf einfache Weise aus. Es wird jeweils ein einzelner Reflektor von den Signalen eines mit den Bewegungen des Reflektors mechanisch oder elektrisch verbundenen Detektorsystems gesteuert. Für die Steuerung der Bewegung jeder Reflektorachse wird ein eigener Detektor verwendet. Dieser zu einer Achse gehörende Detektor übernimmt die Bewegung der Reflektorachse über ein elektrisches oder mechanisches Antriebssystem im Verhältnis 2:1 (Drehwinkel Reflektorachse: Detektorachse). Der Winkel Detektorebene zur Ebene des Reflektors wird durch einen speziellen Justiervorgang durchgeführt, der mit einem eigenen Justiergerät vorgenommen werden kann. Üblicherweise werden diese Systeme nach rechnergestützten Sonnenstandsberechnungen gesteuert, die den Reflektor anhand astronomischer Formeln (etwa C. F. Ratto "Sun-earth astronomical Relationships and the extraterrestrial solar radiation", in "Physical Climatology for Solar and Wind Energy", R. Guzzi, C. G. Justus, ed.; Singapore: World Scientific 1988) bewegen. Dabei ergeben sich folgende praktische Probleme und Einschränkungen: a) nicht jedes Steuersystem kann die entsprechenden Berechnungen in der entsprechenden Zeit genau genug durchführen (Hardware als limitierender Faktor). Die astronomischen Formeln sind nur nach genügender Vereinfachung berechenbar, dadurch ergibt sich eine entsprechende Abweichung; b) die Sonnenstrahlen werden durch atmosphärische Einflüsse abgelenkt, dies erfordert empirische - und damit ungenaue · Korrekturfaktoren; c) die entsprechenden Berechnungen sind für jeden geographischen Standort zu modifizieren, dies verringert die Portabilität der Systeme. Als wesentlicher Vorteil ist jedoch zu nennen, daß bei der Führung vieler Reflektoren am gleichen Standort die Sonnenstandsberechnung nur einmal zentral durchzuführen und durch einfache Koordinatentransformationen auf die einzelnen Reflektoipositionen übertragbar ist (etwa bei Verwendung vieler Spiegel in Sonnenkraftwerken). Die vorliegende Erfindung minimiert die vorhandenen Schwierigkeiten durch autonomen Betrieb, durch Verwendung einfachster Meß- und Steuertechnik sowie selbständige Anpassung des Systems an lokale wie atmosphärische Änderungen des Strahlenganges. Will man viele nahe beieinanderliegende Systeme betreiben, so liegt der Vorteil nach wie vor in ihrem autarken Betrieb und dem einfachen mechanischen Aufbau.

Es sind eine Reihe von Reflektorsystemen publiziert (US-PS 4,355,313, US-PS 4,480,918, US-PS 4,227,776, CH-PS 657.443) die entweder starre Fixierungen der Position Detektor - Reflektor vorsehen oder keine bewegliche Verbindung der Detektorachsen mit den Achsen des Reflektorsystems im Verhältnis 1:2 aufweisen. Sie sind jedoch für den genannten Verwendungszweck nur mit erhöhtem Aufwand an Steuertechnik einsetzbar.

Besondere Beachtung verdient das System von Mori (DE-OS-3 731 515) einer Sonnenstrahlsammelvorrichtung mit Reflexionseinrichtung, optischer Linse und Lichtleiter. Dieses System wird durch die hier vorgestellte Erfindung entscheitend verbessert bzw. vereinfacht. Als Reflektoreystem dient demnach ein nach dem beanspruchten Detektoreystem gesteuerter Spiegel, als starres Ziel die Absorberfläche. Der Justiervorgang mit dem Justiergerät richtet Reflektor und Detektor auf den Absorber aus und funktioniert dann ohne Steuer und Kontrolleinrichtungen, die Absorber und Reflektor ansonsten miteinander verbinden.

Figurenübersicht: Fig. 1 zeigt die Reflexionsverhältnisse an einem ebenen Spiegel; Fig. 2 die Reflexionsverhältnisse für die Sonne, die ja einen divergenten Strahlengang aufweist. Die Definition der verwendeten Winkelbezeichnungen findet sich in Fig. 3. Fig. 4 zeigt die Winkelverhältnisse für eine bewegte Lichtquelle. Fig. 5 zeigt die Vorderansicht eines möglichen Reflektorsystems. In Fig. 6 wird die Seitenansicht des Reflektoreystems von Fig. 5 präsentiert, wobei der Strahlengang eingezeichnet ist. Fig. 7 zeigt sowohl Aufsicht als auch Seitenansicht eines möglichen Detektorsystems. Fig. 8 zeigt das Anschlußschema für das Detektorsystem aus Fig. 7. In Fig. 9 sind Beispiele für 4 verschiedene Detektorsysteme angeführt. Fig. 10 zeigt die Stellung Detektor zu Reflektor während des Justiervorgangs anhand des Strahlengangs. Fig. 11 zeigt die Justierung der Anordnung von Fig. 6 mittels dem Justiergerät.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des vorgestellten Systems vorgestellt: Fig. 1 zeigt die Reflexions· -2-

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Verhältnisse an einem ebenen Spiegel (2), es gilt das Reflexionsgesetz Phi 2 = Phi2 = Phi (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) gemessen in Bezug auf den Normalenvektor (3) zum Reflektor (2). Fig. 2 zeigt die Reflexionsverhältnisse für die Sonne als Lichtquelle (1), die ja einen divergenten Strahlengang (Divergenz 0,53°) aufweist. Nach jeder Reflexion wird der Divergenzgrad verdoppelt, bei der Sonne nach Reflexion am Spiegel (2) auf 1,06°. Die erlaubte Unschärfe im Positionieren des Systems wird durch die Hälfte des Divergenzwinkels bestimmt, beträgt also im Fall der Sonne ca. 0,53°.

Da das Ziel der reflektierten Strahlung ortsfest ist, muß die Definition der Winkel (Fig. 3) anhand einer in der Drehachse des Spiegels ortsfesten Achse (5) geschehen. Mit Phi wird der Winkel des von (1) auf (2) einfallenden Strahls zur ortsfesten Achse bezeichnet. Mit Sigma wird der Winkel Normalenvektor (3) des Reflektors (2) zu ortsfester Achse (5) bezeichnet

Nun gilt, daß der Normalenvektor (3) des bewegten Reflektors einer von (1) auf (1') bewegten Lichtquelle (1) nur um den halben Winkel Diff(Sigma) = Sigma2 - Sigmaj = (Phi2 - Phi^/2 = Diff(Phi)/2, bezogen auf das ortsfeste Koordinatensystem (5) folgen muß, sodaß der Lichtstrahl auf einen ortsfesten Punkt (4) reflektiert wird (Fig. 4).

Bei dem hier vorgestellten System wird jeweils ein einzelner Reflektor (2) von den Signalen eines mit den Bewegungen des Reflektors mechanisch oder elektrisch verbundenen Detektorsystems gesteuert. Fig. 5 und 6 zeigen ein solches System für den mechanischen Fall. Um zu erreichen, daß die Bewegung der Sonne, die in zwei Freiheitsgraden (beschrieben durch die Sonnenhöhe und den Sonnenazimut) in die Bewegung des Reflektors umgesetzt wird ist es zweckmäßig, den Reflektor auf zwei aufeinander normal stehenden, unabhängig voneinander drehbaren Achsen (7,8) zu montieren. Die Bewegung jeder Achse kann durch ein Antriebssystem (9,10) unabhängig von der anderen durchgeflihrt werden.

Die beiden Achsen (7, 8) sind dabei nicht notwendigerweise parallel bzw. lotrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet. Sie können also in jeder zweckmäßigen Richtung ausgerichtet sein, solange sie aufeinander normal stehen. Der Einfachheit halber werden die beiden Achsen in der Folge weiterhin mit Horizontal- bzw. Vertikalachse benannt

Bei gewissen Bewegungsformen der Strahlungsquelle kann es sinnvoll sein, das Reflektorsystem so zu montieren, daß die Bewegung einer Achse (7 oder 8) ausreicht, der Lichtquelle zu folgen (analog der parallaktischen Montierung eines Teleskops). In diesem Fall ist das hier dargestellte System so zu modifizieren, daß von dem Steuersystem nur diese eine Achse betreut wird, während die zweite Achse fixiert ist (d. h. ohne Antrieb und Steuerung auskommt). Da der fixierten Achse eine mit Antrieb ausgestattete, jedoch unbewegte Achse entspricht, ist dieser Fall eine Vereinfachung des allgemeineren, mit zwei Achsen bewegten Systems und daher in dieser Darstellung inkludiert. Trifft dieser Fall zu ist sinngemäß von zwei auf eine Achse zu schließen.

Um die Drehung des Reflektors richtig durchführen zu können, ist es notwendig, die Reflexionsebene des Reflektors (2) (etwa die versilberte Schicht eines Spiegels) mit der durch die Drehachsen (7,8) gebildeten Ebene zusammenfallen zu lassen. Für die Steuerung der Bewegung jeder Reflektorachse wird ein eigener Detektor (6) verwendet. Dieser zu einer Achse gehörende Detektor übernimmt die Bewegung der Reflektorachse über ein elektrisches oder mechanisches Antriebssystem im Verhältnis 2:1 (Drehwinkel Reflektorachse: Detektorachse). Im mechanischen Fall ist dies ein einfaches Getriebe der Übersetzung 2 : 1 (Reflektorachse : Detektorachse), im elektrischen Fall etwa ein Stellmotor der die Bewegung des Spiegels synchron auf das Detektorsystem im Verhältnis 2:1 überträgt.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Detektorform mit zwei Detektorflächen (11, 12), die symmetrisch um die Drehachse (14) ausgerichtet sind. Jeder Detektor verfolgt die Bewegung der Lichtquelle - in der Ebene normal zu seiner Drehachse (14), ausgedrückt durch den Normalenvektor (13) der Detektorgrundfläche (15), und - in Abhängigkeit von der Abweichung vom auf der Drehachse zentrierten Normalenvektor der Detektorebene.

Der Detektor erfaßt die Abweichung der Lichtquelle vom Normalenvektor (13) und setzt diese in Steuersignale für den Reflektorantrieb um. Dies kann durch Vergleichen der beiden Signale durch einen Komparator (16) geschehen. Wird eine analoge Steuerung angewendet, so kann die Stärke des Signals der Abweichung vom Normalenvektor (13) entsprechen. Steht die Lichtquelle normal auf den Detektor, also in Richtung des Normalenvektors (13), so soll kein Steuersignal ausgelöst werden, das System verharrt in seiner Position. Das Systemverhalten wird in diesem Fall durch den Einbau eines Schwellwertschalters (17) verbessert, der das Steuersignal erst ab einer bestimmten Stärke der Abweichung vom Normalenvektor, nach Überschreiten eines Schwellwerts aussendet (Fig. 8).

Um dieses Detektorverhalten zu erreichen sind verschiedene Detektoranordnungen möglich, die jedoch stets eines gemeinsam haben, nämlich daß die Abweichung der Lichtquelle vom Normalenvektor des Detektors (13) (diesa1 steht normal zur Drehachse (14) und zur Detektorgrundfläche (15)) in ein dem Drehsinn entsprechendes Steuersignal umgewandelt werden kann. Dies wird etwa durch die um den Normalenvektor (13) symmetrische Anordnung ö "' Detektorsystems, bestehend aus zwei Detektorflächen (11,12) nm den Normalenvektor erreicht, sowie durch jstruktive Maßnahmen, die diese Abweichung in für die einzelnen Detektoren unterschiedliche Lichtverhält:.. ·« umsetzen. -3-

Claims (3)

1. AT 396 309 B Fig. 9 zeigt mögliche Detektoranordnungen. Der Grundtyp wird aus zwei lichtelektrischen Detektoren (11,12) (etwa Solarzellen) gebildet, die in einem Winkel < 180° zueinander angeordnet sind. Dadurch wird bei Abweichung der Sonne vom Normalenvektor (13) ein elektrisches Differenzsignal erzeugt. Andere Detektor· anoidnungen können wie gezeigt etwa undurchsichtige Trennwände oder Abdeckungen (18) enthalten, die jeweils bei Abweichung der Strahlung vom Normalenvektor einen Detektor abschatten und so das Differenzsignal erzeugen. Bei Verwendung der letzten beiden vorgestellten Detektorsysteme nach Fig. 9 (Abdeckung (18) mit innenliegenden Detektorflächen (11, 12) und Reflektor (19) an der Grundfläche (15)) müssen die Steuerleitungen im Vergleich zu den anderen Systemen ausgekreuzt werden, da jeweils der gegenüberliegende Detektor auf die vermehrte Lichteinstrahlung reagiert Durch die Kopplung eines Detektors (6) (etwa über ein Getriebe) an die Bewegung des Reflektors (2) im Verhältnis 2:1 wird »reicht daß der reflektierte Lichtstrahl trotz bewegter Lichtquelle (1) stets auf dasselbe Ziel (4) gerichtet bleibt da die Detektorebene (15) der Lichtquelle (1) doppelt so schnell folgt wie der Reflektor. Fig. 10 zeigt diesen Sachverhalt in Anlehnung an Fig. 4. Um den Spiegel für verschiedene Lagen des festen Ziels einsetzbar zu machen, muß für jede Achse (7,8) der Detektor (6) zum Spiegel (2) entsprechend geneigt werden. Dieser Justiervorgang ist nur einmal für das ortsfeste Ziel (4) anhand einer feststehenden Lichtquelle (20) durchzuführen und dabei die Neigung der Detektorebene (15) zur Reflektorebene zu fixieren (Fig. 10). Die so fixierte Stellung Detektor - Reflektor garantiert, daß der Spiegel stets, vom justierten Detektor geführt, die bewegte Lichtquelle auf das ortsfeste Ziel ablenkt. Die feststehende Lichtquelle (20) hat dabei ebenfalls einen annähernd parallelen Strahlengang (analog der bewegten Lichtquelle (1)) aufzuweisen. Mögliche technische Lichtquellen sind etwa Laser oder sonstige Lichtquellen, die mittels Linsen- und Blendensystemen parallel ausgerichtet werden. Für diesen Justiervorgang kann ein einfaches Gerät zur Anwendung gelangen (Fig. 11 zeigt den Vorgang für die Horizontalachse), das diese Prinzipien verwirklicht. Dazu wird eine Lichtquelle (20) mit genügend parallelem Lichtstrahl (etwa ein Laser) mittels einer ev. auf dem Spiegel befestigten Halterung (21) auf die Reflektormitte (das ist der Schnittpunkt der bewegten Achsen (7, 8)) unter einem beliebigen schiefen Winkel (z. B. 45°) zu beiden Achsen gerichtet. Reflektiert der Reflektor nur ungenügend sichtbare elektromagnetische Strahlung, so wird während des Justiervorgangs ein optischer Spiegel in der Reflektormitte angebracht Der Reflektor (2) wird nun so geneigt, daß der reflektierte Lichtstrahl auf das gewünschte oftsfeste Ziel (4) zeigt. Die Detektorfläche (15) jedes Detektors (6) wird nun solange gegenüber der Reflektorebene verdreht, als bis der Normalenvektor des Detektors in Richtung der Lichtquelle zeigt. Dieser Vorgang kann anhand der angebrachten, strahlparallelen Führung (22) durchgeführt und so die Stellung Detektor - Reflektor fixiert werden. Der Vorgang läßt sich verkürzt in drei Punkten zusammenfassen: 1. Strahl auf Spiegel zentrieren
2. 2. Spiegel drehen, sodaß Ziel bestrahlt wird

   3. Detektor entlang Führung ausrichten und fixieren. PATENTANSPRÜCHE 1. Steuerung zur Bewegung eines auf zwei aufeinander normal, jedoch nicht notwendigerweise zur Erdoberfläche lotrecht bzw. parallel stehenden Achsen aufgehängten Reflektors, wobei die Achsen unabhängig voneinander drehbar sind und zumindest eine unabhängig von der anderen durch Motoren angetrieben wird, zur Reflexion der von einer bewegten Quelle mit annähernd parallelem Strahlengang (z. B. der Sonne) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung auf ein festes Ziel, gekennzeichnet dadurch, daß die zu den bewegten Achsen gehörigen Motoren durch mit den einzelnen Achsen, im mechanischen Fall durch ein Getriebe, im elektrischen Fall durch ein mit den Achsen synchron gesteuertes Motorsystem verbundene Detektoren gesteuert werden und zwar derart, daß die Abweichung der Strahlenquelle vom auf der Drehachse des Detektors gelagerten Normalenvektor (13) der Detektorgrundfläche (15) in Drehrichtung der Achse (14) in elektrische Signale umgewandelt wird, die eine Drehung des Reflektorantriebs in Richtung der Abweichung bewirken, und der zu einer bewegten Achse gehörende Detektor die Bewegung der Reflektorachse über ein elektrisches oder mechanisches Antriebssystem im Verhältnis 2 : 1 (Drehwinkel Reflektorachse : Detektorachse) übernimmt, wobei die Neigung von Detektorgrundfläche (15) zu Reflektorebene durch folgenden Justiervorgang eingestellt wird, der für jede Achse getrennt anhand einer fest stehenden Lichtquelle durchgeführt wird: der Reflektor wird so eingestellt, daß das Licht der Quelle genau auf das Ziel reflektiert wird, und die Detektorgrundfläche so zur Reflektorebene verdreht und fixiert wird, daß der Normalenvektor genau in Richtung Lichtquelle zeigt. -4- AT 396 309 B 2. Detektorsystem zur Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei Strahlungsdetektoren in symmetrischem Aufbau die Abweichung der auftreffenden Strahlung vom auf der Drehachse (14) zentrierten und in der Symmetrieebene gelagerten Normalenvektor (12) ihrer gemeinsamen Grundfläche (15) erfassen und das Differenzsignal der beiden Detektoren in ein dem Drehsinn der Abweichung entsprechendes elektrisches Signal für den Reflektorantrieb umsetzen, wobei ein Schwellwertschalter ein Steuersignal erst ab einer gewissen Stärke der Abweichung auslöst
3. 3. Justiergerät für den Justiervorgang der Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einer elektromagnetischen Strahlenquelle (20) mit parallelem Strahlengang (z. B. Laser) geringen Strahlquerschnitts besteht, die über eine Halterung in einem windschiefen Winkel zu den Drehachsen des Detektors und in einem spitzen Winkel auf die Reflektoroberfläche gerichtet wird, sowie einer Führung (22), die den Detektor so auszurichten gestattet, daß sein Normalenvektor (13) parallel zum Strahlengang steht. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -5-