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Die Erfindung betrifft eine Spiegelanlage zur automatischen Umlenkung von Licht bewegter Lichtquel- len, insbesondere von Sonnenlicht, auf einen festgelegten bzw. fixierten Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Sonnenlicht, kann aber theoretisch auch für die Umlenkung des Lichts anderer bewegter Lichtquellen verwendet werden.
Die Sonnenstrahlen treffen je nach Tages- bzw. Jahreszeit in einem bestimmten Winkel auf die Erde.
Dadurch kann die Sonnenenergie als Licht- oder Wärmequelle, z. B. in Räumen oder Anlagen nur sehr unzureichend genutzt werden. In Zeiten knapper und teurer Energie beschäftigt sich beispielsweise die Solararchitektur mit Massnahmen zur effizienten Nutzung der Sonnenenergie. Die Höhe der Energieausnut- zung beispielsweise bei der Sonneneinstrahlung durch ein Fenster ist stark abhängig vom Einstrahlwinkel und somit von der jeweiligen Tageszeit.
Bei Sonnenkraftwerken, welche die Sonneneinstrahlung an einem zentralen Punkt konzentrieren und die dort entstehende Wärme, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie, verwenden, werden aufwendi- ge Nachführungsmassnahmen zur Berücksichtigung des Sonnenstandes verwendet. Dabei werden z. B. von Hochleistungsrechnern die Koordinaten der Sonnenbahn ermittelt und die Spiegel entsprechend orientiert.
Beispielsweise wird ein solcher Heliostat in der SU 1019-186 A beschrieben, bei dem die Nachführung der Anordnung durch einen Photodetektor in Kombination mit einer Steuerung und einem Antrieb bewerkstelligt wird.
Aus der US 4,425,905 A ist eine Einrichtung zum Sammeln und Konzentrieren von Sonnenlicht bekannt, welche in der Lage ist, dem Verlauf der Sonne zu folgen. Zur Vermeidung von Energieverlusten erfolgt keine Umwandlung der Lichtenergie in thermische oder elektrische Energie, sondern das Licht selbst wird über Lichtleiter an einen gewünschten Ort transportiert. Das einfallende Licht wird dabei in aufwendiger Weise durch einen sehr gross dimensionierten Parabolspiegel oder eine Vielzahl von Linsen konzentriert, bevor es mehrfäch umgelenkt, weitergeleitet wird. Der grosse Aufwand steht einer breiten praktischen Anwendung entgegen.
Die oftmalige Umlenkung des Lichts bringt auch höhere Verluste mit sich Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiegelanlage der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welche sich in einfacher und kostengünstiger Weise automatisch in Richtung der bewegten Lichtquelle, insbesondere der Sonne, ausrichtet und das Licht unabhängig von der Lage der Lichtquelle auf einen festgelegten bzw. fixierten Bereich umlenkt. Es soll unabhängig von der Lage der Lichtquelle immer die gesamte Lichtintensi- tät (abgesehen von Reflexionsverlusten durch die Umlenkung) auf den festgelegten Bereich umgelenkt werden.
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch, dass die Anordnung des ersten und des bzw. der nächsten Umlenkspiegel od. dgl. um die Achse des vom zweiten Umlenkspiegel od. dgl. in Richtung des festgelegten Bereichs reflektierten Lichtstrahls drehbar angeordnet ist. Dadurch ist eine Umlenkung von
Licht bewegter Lichtquellen auf einen festgelegten Bereich mit nur zwei Umlenkspiegel od. dgl. möglich, wodurch die Verluste minimal bleiben und somit auch kleinflächigere Umlenkspiegel od. dgl. ausreichen.
Auf den festgelegten Bereich trifft immer die maximale von der Lichtquelle ausgehende Lichtintensität auf, unabhängig vom jeweiligen Stand der Sonne bzw. Lichtquelle. Dies gilt im Falle der Sonne natürlich nur dann, wenn das Sonnenlicht nicht durch Wolken, Bäume od. dgl. abgedeckt wird. Die Anwendungsgebiete für die vorliegende Erfindung sind vielfältig. So kann beispielsweise das Sonnenlicht vom Dach des
Gebäudes über einen Kanal in fensterlose Räume eingebracht werden und diese somit im wesentlichen unabhängig vom Sonnenstand gleichmässig ausgeleuchtet werden. Ebenso kann das Licht auf eine Solarzel- le zur Erzeugung elektrischer Energie geführt werden und der Bewegung der Lichtquelle nachgeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute erhöht werden kann.
Vor bzw. nach der
Anlage können beispielsweise Einrichtungen zur Bündelung des Lichts, wie z. B. Linsen, angeordnet werden und dadurch die Licht- bzw. Wärmeausbeute weiter erhöht werden.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsvariante besteht die Anordnung aus zwei Umlenkspiegel od. dgl., wobei der erste Umlenkspiegel od. dgl. in einer 45 zur gewünschten Einstrahlrichtung der Lichtquelle geneigten Ebene angeordnet ist, und der zweite Umlenkspiegel in einer 45' zur Richtung der Achse des vom ersten Umlenkspiegel od. dgl. reflektierten Lichtstrahls geneigten Ebene angeordnet ist. Diese
Konstruktion kann leicht und billig beispielsweise durch Rohrstücke, welche in 90 zueinanderstehenden
Richtungen drehbar angeordnet sind, realisiert werden, wodurch die Spiegelanlage in jede beliebige
Richtung ausgerichtet werden kann.
Wenn die Spannungsversorgung der Sensoreinheit, der Steuereinheit und der Stellmotoren durch zumindest eine Solarzelle vorteilhafterweise in zusammen mit einem Akkumulator od. dgl. zur Speicherung der elektrischen Energie gebildet wird, ist die gesamte Einrichtung von Fremdenergie unabhängig. Dadurch wird die Inbetriebnahme bzw. Montage der Spiegelanlage beispielsweise auf einem Hausdach einfacher, da keine Verbindung mit dem elektrischen Netz erfolgen muss. Darüberhinaus ist die Wartung der Anlage
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einfacher, da die elektronischen Komponenten einfach austauschbar angeordnet werden können. Die Akkumulatoren od. dgl. zur Speicherung elektrischer Energie ermöglichen eine Steuerung der Spiegelanla- ge auch in Dunkelheit, wie sie z.
B. nach Sonnenuntergang zur Rückstellung der Anlage in Richtung Sonnenaufgang erfolgen kann.
Gemäss einer Ausführungsvariante ist die Sensoreinheit durch vier Photodioden od. dgl. gebildet, welche Photodioden od. dgl. auf einer im wesentlichen 90 zur Richtung der Lichtquelle orientierten Grundplatte angeordnet und durch senkrecht zur Grundplatte orientierte Wände voneinander getrennt sind, sodass die Photodioden od. dgl. bei Lichteinstrahlung auf die Sensoreinheit unter genau 90 zur Grundplatte gleichmä- #ig bei Abweichung von dieser Einstrahlrichtung unterschiedlich bestrahlt werden. Dies stellt eine von vielen möglichen Ausführungsformen der Sensoreinheit dar, welche billig und einfach mit den heute üblichen elektronischen Bauteilen realisierbar ist.
Durch die senkrechten Wände zwischen den Photodioden wird nur im Falle einer direkten, d. h. 90 zur Ebene, in der die Photodioden angeordnet sind, einfallenden Lichteinstrahlung alle vier Photodioden gleichmässig bestrahlt. In jeder davon abweichenden Einstrahlung wird eine oder mehrere der Photodioden durch den Schattenwurf einer der Wände teilweise oder vollständig abgedeckt, wodurch eine oder mehrere der Photodioden unterschiedliche elektrische Signale hefern und auf den Stand der Sonne bzw. Lichtquelle rückgeschlossen werden kann.
Wenn an der Sensoreinheit eine Referenzphotodiode od. dgl. angeordnet ist, kann die Lichtintensität der Lichtquelle berücksichtigt werden. Somit ist die Sensoreinheit von der Lichtintensität weitestgehend unabhängig.
Gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Sensoreinheit durch zumindest drei lichtemp- findliche Segmente od. dgl. gebildet ist, welche lichtempfindliche Segmente od. dgl. voneinander durch Wände getrennt in einem Gehäuse mit einer in Richtung der Lichtquelle orientierten Öffnung angeordnet sind, sodass alle lichtempfindliche Segmente od. dgl. bei Lichteinstrahlung auf die Sensoreinheit unter genau 90 * zur Grundfläche des Gehäuses gleichmässig und bei Abweichung von Einstrahlrichtung unterschiedlich bestrahlt werden. Auch durch diese Konstruktionsvariante der Sensoreinheit kann die direkte Lichteinstrah- lung eindeutig festgestellt werden. Bei Abweichung von der direkten Lichteinstrahlung geben die Sensoren unterschiedliche, elektrische Signale ab, wodurch auf die Orientierung der Lichtquelle rückgeschlossen werden kann.
Durch entsprechende Verarbeitung der Sensorsignale in einer vorteilhafterweise elektroni- schen Steuereinheit kann in einfacher und billiger Art und Weise eine Steuerung zur automatischen Nachführung der Spiegelanlage in Richtung der Lichtquelle erfolgen.
Der Ausgestaltung der Sensoreinheit sind nahen keine Grenzen gesetzt. Je weniger Photodioden angeordnet sind, desto höher ist der Aufwand zur Ermittlung der Richtung der Sonne bzw. Lichtquelle. Die Steuereinheit kann in bekannter Weise durch elektronische Bauelemente, wie z.B. Operationsverstärker od. dgl. bzw. zusammen mit den Ansteuereinheiten für die Stellmotoren in Form von kundenspezifischen, integrierten Schaltkreisen in einfacher und billiger Weise realisiert werden. Je nach Auswahl der Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten der Spiegel kann nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettlicht bzw. andere Wellenlängen verwendet und umgelenkt werden. Dies ist z. B. für den Fall von Wärmegewinnung aus Sonnenlicht wichtig.
Im folgenden wird anhand der beigefügten Abbildungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Darin zeigen
Fig. 1a-1c eine Ausführungsform der Erfindung in Schnittbilddarstellung von vorne, in der Ansicht von links sowie von oben,
Fig. 2a-2c eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensoreinheit in der Ansicht von vorne, von links und von oben,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm der Steuerung der erfindungsgemässen Spiegelanlage,
Fig. 4 ein einfaches Ausführungsbeispiel einer elektronischen Steuereinrichtung gemäss Fig. 3,
Fig. 5a-5c eine Ausführungsvariante der Sensoreinheit in der Ansicht von vorne, von links und von oben, und
Fig.6a-6c eine Ausführungsvariante der Spiegelanlage mit einem Prisma anstelle des zweiten
Umlenkspiegels.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Spiegelanlage gemäss Fig. 1 a-1c besteht aus vorzugs- weise runden Umlenkspiegel 1 und 2, welche in einem rohrknieförmigen Gehäuse 3 untergebracht sind.
Natürlich können die Umlenkspiegel 1,2 auch freiliegend oder in anderen Gehäusen mit beliebigem Querschnitt angeordnet sein. Der erste Umlenkspiegel 1 ist in einer 45 zur Einstrahlrichtung A geneigten Ebene angeordnet und der zweite Umlenkspiegel 2 ist in einer 45' zur Richtung des vom ersten Umlenkspiegel 1 reflektierten Lichtstrahls geneigten Ebene angeordnet. Vom ersten Umlenkspiegel 1 wird das in Richtung des Pfeiles A einfallende Licht in Richtung der Achse 4 reflektiert. Der zweite Umlenkspie-
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gel 2 reflektiert das entlang der Achse 4 einfallende Licht in Richtung der Achse 5 und leitet es zu einem bestimmten fixierten Bereich weiter, wo es je nach Anwendungsfall verschieden verwendet werden kann.
So kann das in Richtung des Pfeiles B umgelenkte Licht zur Beleuchtung von Räumen, zur Gewinnung von Wärmeenergie, zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Solarzellen od. dgl. verwendet werden. Zur Wärmeerzeugung kann auch beispielsweise eine Linse zur Bündelung des Lichts nachgeschaltet werden.
Abhängig vom Anwendungsfall kann die Oberflächenbeschaffenheit sowie das Material der Umlenkspiegel 1, 2 geeignet gewählt werden. Auch können anstelle von Umlenkspiegel 1,2 Prismen eingesetzt werden.
Der erste Umlenkspiegel 1 bzw. die Anordnung, in diesem Fall der Teil des rohrknieförmigen Gehäuses 3, in dem der Umlenkspiegel 1 befestigt ist, ist um die Achse 4 drehbar angeordnet. Zu diesem Zweck ist ein Stellmotor 7 vorgesehen, der die Drehung des Teils des Gehäuses 3, in dem der erste Umlenkspiegel 1 angeordnet ist, bewerkstelligt. Der Teil des Gehäuses 3, in welchem der zweite Umlenkspiegel 2 angeord- net ist, kann um die Achse 5 ebenfalls mit Hilfe eines Stellmotors 8 gedreht werden. Durch diese Anordnung kann die Öffnung des Gehäuses 3 in jede beliebige Raumrichtung orientiert werden. Zur automatischen Ausrichtung der Öffnung des Gehäuses 3 in Richtung der Lichtquelle ist vorzugsweise neben der Öffnung des Gehäuses 3 erfindungsgemäss eine Sensoreinheit 6 plaziert und mit dem Gehäuse 3 fest verbunden.
Zur Energieversorgung der elektronischen Komponenten, wie Sensoreinheit 6, Steuereinheit und Motoren 7,8, können Solarzellen 9 vorgesehen sein, welche für optimale Energieausnutzung vorzugsweise genau in Richtung der Lichtquelle orientiert sind. Beispielsweise können die Solarzellen 9 neben der Öffnung des Gehäuses 3 mit diesem fest verbunden werden.
Die Fig. 2a-2c zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Sensoreinheit 6 zur automati- schen Ausrichtung der Spiegeleinheit in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 besteht aus einer Grundplatte 10, auf der vier lichtempfindliche Bauelemente, beispielsweise Photodioden 11, 12, 13, 14 mit der photoempfindlichen Schicht parallel zur Ebene der Grundplatte 10 angeordnet sind. Die Photodioden 11-14 sind durch Wände 15, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Grundplatte 10 angeordnet sind, voneinander getrennt. Durch diese Konstruktion wird gewährleistet, dass die vier Photodioden 11-14 nur bei Einstrahlung des Lichts senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte 10 gleichmässig beleuchtet werden und somit gleiche Ströme hervorrufen.
Bei einer geringfügigen Abweichung von der Einstrahlrichtung werden eine oder mehrere Photodioden 11-14 durch Schattenwurf einer der Wände 15 teilweise oder vollständig abgedeckt, wodurch die Photodioden 11-14 unterschiedliche Diodenströme proportional zur einfallenden Lichtmenge hervorrufen. Durch entsprechende Verarbeitung der Photodiodenströme in einer elektronischen Schaltung erfolgt eine automatische Regelung der Stellmotoren zur Ausrichtung der Spiegel- anlage in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 ist somit bestrebt, sich automatisch so auszurichten, dass die Grundplatte 10 im wesentlichen 90 zur Richtung des einstrahlenden Lichts liegt. Auf einer der Wände 15 kann eine Referenzphotodiode 16 angeordnet sein, welche einen zur jeweiligen Lichtintensität proportionalen Referenzstrom liefert.
Die Empfindlichkeit der Steuerung kann dadurch von den jeweiligen Lichtverhältnissen unabhängig gestaltet werden, dass nicht die absoluten Photodiodenströme sondern die Differenzen zum Referenzphotodiodenstrom ausgewertet werden. Für eine eindeutige Bestimmung der Lage der Lichtquelle sind mindestens drei Photodioden notwendig. Daher kann die Sensoreinheit 6 natürlich auch aus einer Anordnung von drei oder beliebig vielen Photodioden bestehen.
Fig 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild der Einheit zur automatischen Ausrichtung der Spiegelanla- ge in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 besteht aus vier Photodioden 11-14 sowie der Referenzphotodiode 16, welche mit einer Steuereinheit 17 verbunden sind.
Die Steuereinheit 17 steuert die zwei Stellmotoren 7,8 in Abhängigkeit der Diodenströmen der Photodioden 11-14 an. Bei gleichen Diodenströmen der Photodioden 11-14, entsprechend der Ausrichtung der Sensoreinheit 6 genau in Richtung der Lichtquelle erfahren die Stellmotoren 7, 8 keine Ansteuerung, sie bleiben ruhig. Bei Abweichung der Diodenströme der Photodioden 11-14 voneinander wird einer oder beide Stellmotoren 7, 8 so angesteuert, sodass die Abweichung der Ausrichtung der Sensoreinheit 6 von der Richtung der Lichtquelle ausgeglichen wird. Die Steuereinheit 17 kann in einfacher Weise aus Operations- verstärkern aufgebaut sein oder auch die Verarbeitung der Daten mit Hilfe eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers durchführen.
Bei den Stellmotoren 7 und 8 handelt es sich vorzugsweise um Motoren mit einer sehr hohen Getriebeübersetzung, sodass eine sehr genaue Einstellung und Ausrichtung möglich ist.
Gemäss der Ausführungsvariante in den Figuren 1 a-1 wirken die Stellmotoren 7 und 8 am besten in 90 * zueinander. Vorteilhafterweise sind die Photodioden 11-14, die allfällige Referenzdiode 16, die Steuereinheit
17 sowie die Motoren 7,8 mit einer Spannung gespeist, welche beispielsweise von einer Solarzelle 9 herrührt, sodass die gesamte Einheit von Fremdenergiequellen unabhängig wird.
Fig. 4 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Steuerung gemäss Fig. 3, wobei die Steuereinheit
17 durch Operationsverstärker gebildet werden. Die Solarzelle 9 speist einen Akkumulator 24, welcher die gesamte Einheit mit Spannung versorgt. Anstelle der Photodioden können natürlich auch beliebig andere
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photoempfindliche Elemente, wie z. B. Phototransistoren oder auch lichtempfindliche Widerstände in ent- sprechender Schaltung eingesetzt werden.
In den Fig. 5a-5c ist eine Ausführungsvariante der Sensoreinheit 6 dargestellt, welche aus einem halbkugelförmigen Gehäuse 18 besteht, das an seinem höchsten Punkt mit einer blendenförmigen Öffnung 19 ausgestattet ist. Wie aus Fig. 4c am besten ersichtlich ist, ist das Innere des Gehäuses 18 in drei gleich grosse lichtempfindliche Segmente 21-23 unterteilt und durch Trennwände 20 voneinander getrennt. Anstelle der lichtempfindlichen Segmente 21-23 könnte auch in jedem der drei entstehenden Räume eine Photodio- de od. dgl. angeordnet werden. Fällt das Licht in einem Winkel von 90 zur Grundfläche 25 des halbkugelförmigen Gehäuses 18 ein, so werden die drei lichtempfindlichen Segmente 21-23 gleichmässig beleuchtet.
Weicht die Einstrahlrichtung von dieser Vorzugsrichtung ab, so werden die lichtempfindlichen Segmente 21-23 durch Schattenwurf der Trennwände 20 teilweise oder vollständig abgedeckt und rufen unterschiedhche Ströme oder Signale hervor. Aus diesen Signalen der lichtempfindlichen Segmente 21-23 kann auf die Einstrahlrichtung der Lichtquelle geschlossen werden und daher eine Ausrichtung der Sensoreinheit in Richtung der Lichtquelle durchgeführt werden. Ebenso könnten die lichtempfindlichen Segmente so angeordnet werden, dass bei direkter Einstrahlung kein lichtempfindliches Segment angestrahlt wird, und nur bei Abweichung von der Einstrahlrichtung zumindest ein lichtempfindliches Segmente bestrahlt wird.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 5a-5c mit drei lichtempfindlichen Segmenten 21-23 ist der Aufwand zur Verarbeitung der Daten etwas aufwendiger als bei einer Anordnung mit vier tichtempfindlichen Segmenten bzw. Photodioden gemäss Fig. 2a-2c.
In den Fig. 6a-6c ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher der zweite Umlenkspiegel 2 durch ein kegelstumpfförmiges Prisma 26 ersetzt wurde. Bei dieser Anordnung kann der erste Umlenkspie- gel 1 um die Achse 4 und um die Achse 5 gedreht werden, während das Prisma 26 fest bleibt. Durch die rotationssymmetrische Form des Prismas 26 wird das entsprechend der Richtung des Pfeiles A einfallende Licht immer in Richtung des Pfeiles B aufeinen mehr oder weniger festgelegten Bereich umgelenkt.
Die Ausführungsformen zeigen nur einen kleinen Ausschnitt aller im Rahmen der Erfindung möglichen Konstruktionsvarianten.
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The invention relates to a mirror system for the automatic deflection of light from moving light sources, in particular sunlight, to a defined or fixed area according to the preamble of patent claim 1.
The invention relates in particular to sunlight, but can theoretically also be used to deflect the light from other moving light sources.
Depending on the time of day or season, the sun's rays hit the earth at a certain angle.
This allows solar energy as a light or heat source, e.g. B. are used only very inadequately in rooms or systems. In times of scarce and expensive energy, for example, the solar architecture deals with measures for the efficient use of solar energy. The amount of energy used, for example when the sun is shining in through a window, is strongly dependent on the angle of incidence and thus on the time of day.
In the case of solar power plants which concentrate the solar radiation at a central point and use the heat generated there, for example to generate electrical energy, complex tracking measures are used to take the position of the sun into account. Here, for. B. determined by high-performance computers, the coordinates of the sun orbit and the mirrors oriented accordingly.
For example, such a heliostat is described in SU 1019-186 A, in which the arrangement is adjusted by a photodetector in combination with a controller and a drive.
From US 4,425,905 A a device for collecting and concentrating sunlight is known, which is able to follow the course of the sun. To avoid energy losses, the light energy is not converted into thermal or electrical energy, but the light itself is transported to a desired location via light guides. The incident light is concentrated in a complex manner by a very large parabolic mirror or a large number of lenses before it is diverted and passed on. The great effort stands in the way of a broad practical application.
The frequent deflection of the light also entails higher losses. The aim of the present invention is to provide a mirror system of the type specified at the outset, which automatically and easily aligns itself in the direction of the moving light source, in particular the sun, and the light independently redirected from the position of the light source to a defined or fixed area. Regardless of the position of the light source, the entire light intensity (apart from reflection losses due to the deflection) should always be redirected to the defined area.
The object according to the invention is achieved in that the arrangement of the first and the next or the next deflecting mirror or the like is arranged so as to be rotatable about the axis of the light beam reflected by the second deflecting mirror or the like in the direction of the defined region. This is a redirection from
Light from moving light sources in a defined area with only two deflecting mirrors or the like is possible, as a result of which the losses remain minimal and thus also small-area deflecting mirrors or the like are sufficient.
The maximum light intensity emanating from the light source always hits the defined area, regardless of the position of the sun or light source. In the case of the sun, of course, this only applies if the sunlight is not covered by clouds, trees or the like. The fields of application for the present invention are diverse. For example, sunlight from the roof of the
Building can be brought into a windowless room via a channel and they are thus evenly lit essentially regardless of the position of the sun. Likewise, the light can be directed to a solar cell for generating electrical energy and track the movement of the light source, which can increase the efficiency and the power yield.
Before or after the
Plant can, for example, devices for bundling the light, such as. B. lenses, are arranged and thereby the light or heat yield can be further increased.
According to an advantageous embodiment, the arrangement consists of two deflecting mirrors or the like, the first deflecting mirror or the like being arranged in a plane inclined to the desired direction of irradiation of the light source, and the second deflecting mirror in a 45 'to the direction of the axis of the first deflecting mirror or the like. reflected light beam inclined plane is arranged. This
Construction can be done easily and inexpensively, for example, by pipe sections that are in 90 to each other
Directions are rotatably arranged, can be realized, so that the mirror system in any
Direction can be aligned.
If the voltage supply of the sensor unit, the control unit and the servomotors is advantageously formed by at least one solar cell together with a storage battery or the like for storing the electrical energy, the entire device is independent of external energy. This makes commissioning or installing the mirror system easier, for example on a house roof, since there is no need to connect to the electrical network. In addition, the maintenance of the system
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easier, since the electronic components can be arranged easily replaceable. The accumulators or the like. For storing electrical energy enable the mirror system to be controlled even in the dark, as is the case, for example, in the dark.
B. after sunset to reset the system in the direction of sunrise.
According to an embodiment variant, the sensor unit is formed by four photodiodes or the like, which photodiodes or the like are arranged on a base plate oriented essentially 90 to the direction of the light source and are separated from one another by walls oriented perpendicular to the base plate, so that the photodiodes or the like in the case of light irradiation onto the sensor unit under exactly 90 to the base plate, are irradiated differently if there is a deviation from this direction of irradiation. This represents one of many possible embodiments of the sensor unit, which can be implemented cheaply and easily with the electronic components that are common today.
Due to the vertical walls between the photodiodes, only in the case of a direct, i.e. H. 90 to the plane in which the photodiodes are arranged, all four photodiodes are evenly irradiated with incident light. In each of the different irradiations, one or more of the photodiodes is partially or completely covered by the shadow cast by one of the walls, as a result of which one or more of the photodiodes add different electrical signals and the position of the sun or light source can be deduced.
If a reference photodiode or the like is arranged on the sensor unit, the light intensity of the light source can be taken into account. The sensor unit is therefore largely independent of the light intensity.
According to one embodiment variant of the invention, the sensor unit is formed by at least three light-sensitive segments or the like, which light-sensitive segments or the like are separated from one another by walls in a housing with an opening oriented in the direction of the light source, so that all light-sensitive Segments or the like are irradiated evenly when the light is incident on the sensor unit at exactly 90 * to the base area of the housing and differently in the event of a deviation from the direction of irradiation. With this design variant of the sensor unit, too, the direct light irradiation can be clearly determined. If there is a deviation from the direct light radiation, the sensors emit different electrical signals, which allows conclusions to be drawn about the orientation of the light source.
By appropriate processing of the sensor signals in an advantageously electronic control unit, a control for automatic tracking of the mirror system in the direction of the light source can be carried out in a simple and inexpensive manner.
There are almost no limits to the design of the sensor unit. The fewer photodiodes are arranged, the higher the effort for determining the direction of the sun or light source. The control unit can in a known manner by electronic components, such as Operational amplifiers or the like or, together with the control units for the servomotors, can be implemented in a simple and inexpensive manner in the form of customer-specific, integrated circuits. Depending on the choice of materials and surface properties of the mirrors, not only visible light, but also infrared and ultraviolet light or other wavelengths can be used and redirected. This is e.g. B. important in the case of heat generation from sunlight.
Some exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the attached figures.
Show in it
1a-1c an embodiment of the invention in a sectional view from the front, in the view from the left and from above,
2a-2c an embodiment of the sensor unit according to the invention in the view from the front, from the left and from above,
3 shows a schematic block diagram of the control of the mirror system according to the invention,
4 shows a simple exemplary embodiment of an electronic control device according to FIG. 3,
5a-5c an embodiment variant of the sensor unit in the view from the front, from the left and from above, and
6a-6c an embodiment variant of the mirror system with a prism instead of the second
Deflecting mirror.
1a-1c consists of preferably round deflecting mirrors 1 and 2, which are accommodated in a tubular elbow-shaped housing 3.
Of course, the deflecting mirrors 1, 2 can also be arranged exposed or in other housings with any cross section. The first deflecting mirror 1 is arranged in a plane inclined to the direction of irradiation A and the second deflecting mirror 2 is arranged in a plane inclined 45 ′ to the direction of the light beam reflected by the first deflecting mirror 1. From the first deflecting mirror 1, the light incident in the direction of arrow A is reflected in the direction of the axis 4. The second deflecting
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gel 2 reflects the light incident along axis 4 in the direction of axis 5 and forwards it to a specific fixed area, where it can be used differently depending on the application.
Thus, the light deflected in the direction of arrow B can be used to illuminate rooms, to generate thermal energy, to generate electrical energy by means of solar cells or the like. A lens for bundling the light can also be connected downstream, for example, to generate heat.
Depending on the application, the surface quality and the material of the deflecting mirror 1, 2 can be selected appropriately. 1.2 prisms can also be used instead of deflecting mirrors.
The first deflecting mirror 1 or the arrangement, in this case the part of the tubular elbow-shaped housing 3 in which the deflecting mirror 1 is fastened, is arranged so as to be rotatable about the axis 4. For this purpose, a servomotor 7 is provided which effects the rotation of the part of the housing 3 in which the first deflecting mirror 1 is arranged. The part of the housing 3 in which the second deflecting mirror 2 is arranged can also be rotated about the axis 5 with the aid of a servomotor 8. With this arrangement, the opening of the housing 3 can be oriented in any spatial direction. For automatic alignment of the opening of the housing 3 in the direction of the light source, a sensor unit 6 is preferably placed next to the opening of the housing 3 according to the invention and firmly connected to the housing 3.
To supply energy to the electronic components, such as sensor unit 6, control unit and motors 7, 8, solar cells 9 can be provided, which are preferably oriented exactly in the direction of the light source for optimal energy utilization. For example, the solar cells 9 can be firmly connected to the housing 3 next to the opening.
2a-2c show an exemplary embodiment of the sensor unit 6 according to the invention for automatically aligning the mirror unit in the direction of the light source. The sensor unit 6 consists of a base plate 10 on which four light-sensitive components, for example photodiodes 11, 12, 13, 14 with the photosensitive layer are arranged parallel to the plane of the base plate 10. The photodiodes 11-14 are separated from one another by walls 15 which are arranged essentially perpendicular to the plane of the base plate 10. This construction ensures that the four photodiodes 11-14 are only uniformly illuminated when the light is incident perpendicular to the surface of the base plate 10 and thus produce the same currents.
If there is a slight deviation from the direction of irradiation, one or more photodiodes 11-14 are partially or completely covered by shadowing one of the walls 15, as a result of which the photodiodes 11-14 produce different diode currents in proportion to the amount of light incident. Appropriate processing of the photodiode currents in an electronic circuit results in automatic control of the servomotors for aligning the mirror system in the direction of the light source. The sensor unit 6 thus endeavors to align itself automatically so that the base plate 10 lies essentially 90 to the direction of the incident light. A reference photodiode 16 can be arranged on one of the walls 15 and supplies a reference current proportional to the respective light intensity.
The sensitivity of the control can be designed independently of the respective lighting conditions by not evaluating the absolute photodiode currents but the differences to the reference photodiode current. At least three photodiodes are necessary for a clear determination of the position of the light source. Therefore, the sensor unit 6 can of course also consist of an arrangement of three or any number of photodiodes.
3 shows a basic block diagram of the unit for automatically aligning the mirror system in the direction of the light source. The sensor unit 6 consists of four photodiodes 11-14 and the reference photodiode 16, which are connected to a control unit 17.
The control unit 17 controls the two servomotors 7, 8 as a function of the diode currents of the photodiodes 11-14. With the same diode currents of the photodiodes 11-14, corresponding to the orientation of the sensor unit 6 exactly in the direction of the light source, the servomotors 7, 8 are not actuated, they remain calm. If the diode currents of the photodiodes 11-14 deviate from one another, one or both servomotors 7, 8 are activated such that the deviation of the alignment of the sensor unit 6 from the direction of the light source is compensated for. The control unit 17 can be constructed in a simple manner from operational amplifiers or can also process the data with the aid of a microprocessor or microcontroller.
The servomotors 7 and 8 are preferably motors with a very high gear ratio, so that a very precise setting and alignment is possible.
According to the embodiment variant in FIGS. 1 a-1, the servomotors 7 and 8 work best in 90 * to one another. The photodiodes 11-14, the possible reference diode 16, are advantageously the control unit
17 and the motors 7, 8 are supplied with a voltage which originates, for example, from a solar cell 9, so that the entire unit becomes independent of external energy sources.
FIG. 4 shows a simple exemplary embodiment of a control according to FIG. 3, the control unit
17 are formed by operational amplifiers. The solar cell 9 feeds an accumulator 24, which supplies the entire unit with voltage. Instead of the photodiodes, any other can of course be used
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photosensitive elements such as B. phototransistors or light-sensitive resistors can be used in a corresponding circuit.
5a-5c, an embodiment variant of the sensor unit 6 is shown, which consists of a hemispherical housing 18, which is equipped with an aperture-shaped opening 19 at its highest point. As can best be seen from FIG. 4c, the interior of the housing 18 is divided into three light-sensitive segments 21-23 of the same size and separated from one another by partitions 20. Instead of the light-sensitive segments 21-23, a photodiode or the like could also be arranged in each of the three spaces created. If the light falls at an angle of 90 to the base 25 of the hemispherical housing 18, the three light-sensitive segments 21-23 are illuminated uniformly.
If the direction of irradiation deviates from this preferred direction, the light-sensitive segments 21-23 are partially or completely covered by shadowing the partition walls 20 and cause different currents or signals. From these signals of the light-sensitive segments 21-23, the direction of irradiation of the light source can be inferred and therefore an alignment of the sensor unit in the direction of the light source can be carried out. Likewise, the light-sensitive segments could be arranged in such a way that no light-sensitive segment is illuminated in the case of direct irradiation, and at least one light-sensitive segment is only irradiated when there is a deviation from the direction of radiation.
5a-5c with three light-sensitive segments 21-23, the effort for processing the data is somewhat more complex than with an arrangement with four light-sensitive segments or photodiodes according to FIGS. 2a-2c.
6a-6c show a variant of the invention in which the second deflecting mirror 2 has been replaced by a truncated cone-shaped prism 26. With this arrangement, the first deflecting mirror 1 can be rotated about the axis 4 and about the axis 5, while the prism 26 remains fixed. Due to the rotationally symmetrical shape of the prism 26, the light incident in the direction of arrow A is always deflected in the direction of arrow B to a more or less defined area.
The embodiments show only a small section of all possible construction variants within the scope of the invention.