AT413892B

AT413892B - Sonnenstandsnachführungssystem

Info

Publication number: AT413892B
Application number: AT0116000A
Authority: AT
Original assignee: Kuzelka Andreas
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2006-07-15
Also published as: ATA11602000A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem automatisch einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne, nachgeführten Lichtreflektor od. dgl., mit wenigstens einer Sensoreinheit zum Erfassen der Position der Lichtquelle, und mit wenigstens einem Antrieb, der die Sensoreinheit der Bewegung der Lichtquelle nachführt und den Lichtreflektor antreibt. 5

Sonnenstrahlen treffen je nach Tages- bzw. Jahreszeit in einem bestimmten Winkel auf die Erde. Auf Grund der großen Distanz zwischen Sonnen und Erde treffen die Sonnenstrahlen nahezu parallel auf die Erde ein und haben bis dahin kaum an Intensität verloren. io Das Sonnenlicht strahlt entsprechend dem Einfallswinkel durch die Fensteröffnung in die Innenräume wo es auf fensternahe Bereiche wie Schreibtische, Mobilar oder Fußboden trifft. Dadurch kommt es einerseits zu Blendungen der in der Nähe von Fenstern befindlichen Personen, anderseits wird das Licht in Wärme umgewandelt und steht der Raumbeleuchtung nicht zur Verfügung und kann somit nicht genutzt werden. Vor allem in dicht verbautem Gebiet, in Städten, 15 Nordlagen und Tälern kommt die Beschattung durch gegenüber dem Fenster liegende Objekte hinzu, wodurch die Nutzung des direkten Sonnenlichtes unmöglich wird.

Sonnenlichteinspiegelungsanlagen, die mit einer computergesteuerten Koordinatenansteuerung und Schrittmotoren aulwendig nachgeführt werden, sind wegen des hohen Fertigungspreises 20 schwer zu vermarkten. Bei dieser Steuerungsart müssen die genauen Standpunktkoordinaten in Form von Längen und Breitengraden bekannt sein und in ein Programm eingegeben werden. Aufwendige Kaiibrierungsarbeiten der entsprechenden Computersteuerung, die nur von speziell geschulten Technikern durchgeführt werden können, verteuern dieses System weiter. 25 Aus dem Stand der Technik sind zudem fotoelektrische Sensoren bekannt, welche einer automatischen Sonnenstandsnachführung dienen. Sensoren dieser Art sind in der US 4 204 214 A, der US 4 082 947 A, der DE 31 27 086 A1, der DE 34 22 813 A1 und der SU 983 398 A beschrieben. Dieser Stand der Technik stellt jedoch keine Konstruktion zur Verfügung, mit der ein Lichtreflektor mit Bezug auf die Sonne automatisch nachgeführt werden kann. 30

Aus der US 5 148 012 A, der US 4 510 385 A und der WO 97/49956 A sind weiterhin Sonnen-nachführsysteme bekannt, die einen durch einen Motor verstellbaren Spiegel bzw. Sonnenkollektor sowie fotoelektrische Sensoren aufweisen, wobei der bzw. die Sensoren starr mit dem jeweiligen Lichtreflektor verbunden sind. Die JP 07005923 A beschreibt eine Anordnung zur 35 Sonnenstandsnachführung, die sich mit einer die Sonnenenergie nützenden Vorrichtung mit Sonnenzellen automatisch nach der Sonne ausrichtet. Bei den genannten Vorveröffentlichungen werden die fotoelektrischen Sensoren und der Lichtreflektor gemeinsam, d.h. mit gleicher Nachführ- bzw. Winkelgeschwindigkeit, nachgeführt. 40 Das Ziel der Erfindung ist es, eine universelle und kostengünstige Sonnenstandsnachführung in Sonnenlichteinspiegelungsanlagen einzusetzen und diese Technologie auf Grund des niedrigen Fertigungspreises und der einfachen Bedienbarkeit einer breiten Käuferschicht zugänglich zu machen. Ein modulares System, das in Form eines Baukastensystems von technisch versierten Kunden selbst errichtet und in Betrieb genommen werden kann. 45

Die Aufgabenstellung ist eine Sonnenlichteinspiegelungsanlage mit einer optischen Sensoreinheit auszustatten, die dem tatsächlichen Sonnenstand nachgeführt wird und gleichzeitig einen Sonnenlichtreflektor so nachzuführen, dass der Sonnenlichtkegel auf einen definierten Bereich projiziert wird. 50

Ein Sonnenlichtreflektor muss auf Grund der physikalischen Reflexionsgesetze mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Sonnenstandsbewegung nachgeführt werden, um den Sonnenlichtkegel über den Tagesverlauf konstant auf einen Bereich zu richten. Auf Grund physikalischer Eigenschaften lichtreflektierender Flächen ist dem Reflexionsgesetz zufolge der Lichteintritts- 55 Winkel gleich dem Lichtaustrittswinkel normal zur lichtreflektierenden Fläche. 3

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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen oder mehrere Antriebe, welche den einen oder mehreren Sensoreinheiten mit einer anderen, vorzugsweise der doppelten, Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit bewegen als den Lichtreflektor, wobei der veränderliche Sonnenstand bezüglich Himmelsrichtung und Höhenabweichung der Sonne vom Horizont von je einer Sensor-5 einheit und Antriebseinheit vorzugsweise getrennt nachgeführt wird.

Eine oder mehrere optische Sensoreinheiten sind bei Sonnenschein in Richtung der Sonnenleichteinstrahlung gerichtet und geben bei Sonnenstandsabweichungen ein Signal an eine elektronische Nachführregelung. Diese Regelung führt die Sensoreinheiten so lange nach bis io die jeweilige Sensoreinheit wieder in Richtung der bewegten Lichtquelle bzw. der Sonne gerichtet ist.

Durch den Einsatz eines Antriebes bzw. Zwischengetriebes od. dgl. mit vorzugsweise doppelter Übersetzungsstufe zwischen dem Sensor und dem Lichtreflektorantrieb wird der Sonnenlichtre-15 flektor mit der halben Winkelgeschwindigkeit d.h. der halben Nachführgeschwindigkeit dem Sonnenstand nachgeführt, wodurch der Sonnenlichtkegel konstant auf einen Bereich projiziert wird. Dabei wird der Sonnenlichtreflektor dem Azimut d.h. die Himmelsrichtung und der Elevation d.h. der Höhenabweichung des Sonnestandes vom Horizont getrennt nachgeführt. 20 Zum Betrieb einer Sonnenlichteinspiegelungsanlage sind daher eine Steuerung, eine oder mehrere unabhängige voneinander getrennte Nachführeinheiten bestehend aus Sensoreinheit, Nachführmotoren und Übersetzungsgetriebe od. dgl. erforderlich. Diese getrennte Nachführung der horizontalen Sonnenstandsabweichung entlang der Himmelsrichtung einerseits und der Nachführung des Sonnenstandes entlang der Höhenabweichung vom Horizont reduzieren den 25 Steuerungsaufwand erheblich.

Eine Sensoreinheit ist je nach Nachführungsart mit ein bis zwei lichtempfindlichen signalgebenden Sensoren und mindestens einer schattengebenden Trennwand od. dgl. vor bzw. zwischen den Sensoren ausgestattet. Zusätzlich kann eine Sensoreinheit mit einem lichtempfindlichen 30 signalgebenden Referenzsensor ausgestattet sein.

Wenn Sonnenlicht nun auf einer Seite der Trennwand auf einen lichtempfindlichen Sensor trifft und auf der anderen Seite der Trennwand einen Schatten auf einen anderen lichtempfindlichen Sensor wirft dann entsteht zwischen dem sonnenbelichteten Sensor und dem abgeschatteten 35 Sensor ein Differenzsignal, welches in einer elektronischen Schaltung in ein Nachführsignal umgewandelt wird und so auf einfache Weise den entsprechenden Richtungsmotor ansteuert, wodurch der Sonnenlichtreflektor dem Sonnenstand nachgeführt wird.

Wenn diese Sensoreinheit genau in Richtung Sonne orientiert ist fällt auf die Sensoren kein 40 Schatten und es entsteht kein Differenzsignal in der Regelung. Der Sonnenlichtreflektor steht dann im richtigen Winkel zur Sonne und lenkt den Lichtkegel auf ein bestimmtes Objekt oder in den gewünschten Raum. Vorausgesetzt das Sonnenlicht trifft ungehindert auf die Sonnenlichteinspiegelungsanlage und wird nicht durch Bäume, Wolken, Berge, Gebäude oder lichtundurchlässige Objekte abgeschattet. 45

Selbstverständlich können die Sensoren auch nicht analoge Signale wie variierende Frequenzen oder digitale Signale erzeugen, die in einer entsprechenden elektronischen Signalaufbereitung verarbeitet werden können und so ein Ansteuerungssignal über Frequenzumformer od. dgl. für die Nachführmotoren generieren. 50

Die Sensoreinheiten und Steuerungen können steuerungstechnisch beliebig zusammenfügt werden. Dies erscheint jedoch nicht zweckmäßig, da das einfache und klare Prinzip der getrennten Nachführung von Azimut und Elevation einen minimierten Steuerungsaufwand garantiert, die Funktionssicherheit gewährleistet und dadurch eine kostengünstige Herstellung und 55 Wartung ermöglicht. 4

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Wegen des niedrigen Energiebedarfs dieser Nachführung ist bei Harmonisierung der Steuer-und Antriebsspannungen auf Kleinspannungsniveau eine Stromversorgung durch Solarzellen möglich, wodurch die Sonnenlichteinspiegelungsanlage energieautark ist. Dies bringt vor allem in Ländern mit unzureichender Netzstromversorgung Vorteile und erspart die Verlegung von 5 langen Stromleitungen für die elektrische Energieversorgung.

Durch den Einsatz einer Sonnenlichteinspiegelungsanlage mit einem Sonnenstandsnachfüh-rungssystem können Wohnräume, Büros, Arbeitsstätten, Schulen, Kindergärten, Labors, Gewächshäuser usw. kostengünstig mit natürlichem Sonnenlicht versorgt werden, wodurch wert-io volle Energie und Kosten durch verringertem Kunstlichteinsatz gespart werden.

Neueste Untersuchungen haben gezeigt, dass mehr natürliches Licht in den Wohn- und Arbeitsräumen ein gesteigertes Wohlbefinden und mehr Lebensqualität zur Folge hatte. Auch Pflanzen zeigen im Laborversuch bei der Bestrahlung mit Sonnenlicht gegenüber dem Kunst-15 licht ein verbessertes Wachstum und eine geringere Anfälligkeit gegenüber Krankheiten.

Im Folgenden wird anhand der beigelegten Abbildungen ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Darin zeigen: 20 25

Fig. 1a und 1b Fig. 2 und 3 Fig. 4a und 4b Fig. 5a und 5b eine Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht von vorne sowie von links; eine Ausführungsform der Erfindung in zwei verschiedenen Positionen dargestellt; eine Ausführungsform der Sensoreinheit in Richtung der Lichteinstrahlung dargestellt in einer Ansicht von vorne und von oben; eine Ausführungsform der Sensoreinheit von der Lichteinstrahlung abweichend dargestellt in einer Ansicht von vorne und von oben.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a und 1b sowie Fig. 2 und 3 zeigt eine Variante des 30 erfindungsgemäßen Sonnenstandsnachführungssystems dargestellt in verschiedenen Ansichten und Positionen.

Ein Sonnenlichtreflektor 1 wird über eine drehbare Verbindung mit einer Schwenkkonstruktion 6 dem Sonnenstand nach entlang der Höhenabweichung vom Horizont nachgeführt. Diese dreh-35 bare Verbindung besteht aus einem Höhenantriebsgetriebemotor 3 einer Höhenantriebswelle und einer Höhenantriebslagerung 2. Über eine Höhenantriebszwischenstufe 4 od. dgl. welche vom Höhenantriebsgetriebemotor 3 angetrieben ist, wird eine Höhensensoreinheit 5 mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit bzw. 40 doppelt so schnell wie der Sonnenlichtreflektor 1 der bewegten Lichtquelle bzw. dem veränderlichen Sonnenstand in Richtung der Höhenabweichung der Sonne nachgeführt.

Der Sonnenlichtreflektor 1 wird gemeinsam mit der Schwenkkonstruktion 6 über eine drehbare Verbindung mit einer Ständerkonstruktion 11 dem Sonnenstand entlang der Himmelsrichtung 45 nachgeführt. Diese drehbare Verbindung besteht aus einem Seitenantriebsgetriebemotor 8, einer Seitenantriebswelle und einer Seitenantriebslagerung 7. Über eine Seitenantriebszwischenstufe 9 od. dgl., welche vom Seitenantriebsgetriebemotor 8 angetrieben ist, wird eine Seitensensoreinheit 10 mit doppelter Winkelgeschwindigkeit bzw. doppelt so schnell wie der Sonnenlichtreflektor 1 der bewegten Lichtquelle bzw. dem veränderlichen Sonnenstand entlang so der Himmelsrichtung nachgeführt.

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Variante der erfmdungsgemäßen Sensoreinheit gemäß Fig. 4a und 4b in Richtung der Lichteinstrahlung sowie Fig. 5a und 5b von dieser Lichteinstrahlungsrichtung abweichend, in der Ansicht von vorne und von oben. 55

Claims

5 AT 413 892 B Eine Höhen- bzw. Seitensensoreinheit 5, 10 besteht aus einem oder mehreren lichtempfindlichen signalgebenden Sensoren 12, 13 und mindestens einer schattengebenden Trennwand 14 od. dgl. vor einem Sensor bzw. zwischen den Sensoren 12, 13. 5 Wenn eine Sensoreinheit 5 oder 10 genau in Richtung A der Sonnenlichteinstrahlung orientiert sind, fällt ein Lichtstrahl auf alle lichtempfindlichen signalgebenden Sensoren 12, 13. Die Trennwand 14 wirft keinen Schatten auf die Sensoren, es entsteht kein Differenzsignal in der elektronischen Steuerung. io Wenn Sonnenlicht B schräg auf eine Sensoreinheit 5 oder 10 trifft und die Trennwand 14 einen Schatten 15 auf einen lichtempfindlichen signalgebenden Sensor 12 oder 13 wirft, dann entsteht zum anderen sonnenbelichteten Sensor 13 oder 12 ein Differenzsignal, das in einer elektronischen Schaltung in ein entsprechendes Nachführsignal umgewandelt wird und so auf einfache Weise den entsprechenden Richtungsmotor 3, 8 ansteuert, wodurch die Sensoreinheit und 15 der Lichtreflektor dem Sonnenstand nachgeführt wird. Der Sonnenlichtreflektor 1, welcher halb so schnell, d.h. mit der halben Winkelgeschwindigkeit der jeweiligen Sensoreinheit 5, 10 dem Sonnenstand nachgeführt wird, steht dann im richtigen Winkel zum einfallenden Sonnenlicht und lenkt entsprechend den Reflexionsgesetzen den 20 Lichtkegel konstant auf ein bestimmtes Objekt oder in den gewünschten Raum. Voraussetzung dabei ist, dass das Sonnenlicht ungehindert auf die Sonnenlichteinspiegelungsanlage trifft und nicht durch Bäume, Wolken, Berge, Gebäude oder lichtundurchlässige Objekte abgeschattet wird. 25 Andere Konstruktionsformen als die dargestellten sind möglich. Patentansprüche: 1. Anordnung mit einem automatisch einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne, nachgeführ ten Lichtreflektor (1) od. dgl., mit wenigstens einer Sensoreinheit (5, 10) zum Erfassen der Position der Lichtquelle, und mit wenigstens einem Antrieb (2, 3, 4; 7, 8, 9) der die Sensoreinheit (5, 10) der Bewegung der Lichtquelle nachführt und den Lichtreflektor (1) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (2, 3, 4; 7, 8, 9) die Sensoreinheit (5, 10) mit 35 einer anderen, vorzugsweise der doppelten, Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit bewegt als den Lichtreflektor (1).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor (1), wie an sich bekannt, um eine vorzugsweise horizontale Achse und eine vorzugsweise vertikale 40 Achse verschwenkbar ist, und daß für jede Achse ein Antrieb (2, 3, 4; 7, 8, 9) vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoreinheiten (5, 10) vorgesehen sind, von denen jeweils eine einer Achse zugeordnet ist. 45
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Antrieb (2, 3, 4) zum Verschwenken des Lichtreflektors (1) um die horizontale Achse und dem Antrieb (7, 8, 9) zum Verschwenken des Lichtreflektors (1) um die lotrechte Achse je eine Sensoreinheit (5, 10) zugeordnet ist, und daß die Sensoreinheiten (5, 10) um die selben Achsen so verschwenkbar sind wie der Lichtreflektor (1).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (5, 10) vom den Lichtreflektor (1) schwenkenden Antriebsmotor (3, 8) schwenkan-getrieben ist, und daß zwischen der Sensoreinheit (5, 10) und dem dieser zugeordneten 55 Antriebsmotor (3, 8) ein Übersetzungsgetriebe (4, 9) angeordnet ist. 6 AT 413 892 B
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der der Sensoreinheit (5, 10) zugeordnete Antrieb (2, 3, 4; 7, 8, 9) die Sensoreinheit (5, 10) mit einer Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit verschwenkt, die doppelt so groß ist wie die Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit, mit der der Lichtreflektor (1) verschwenkt wird. 5
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sensoreinheit (5, 10) wenigstens zwei lichtempfindliche, signalgebende Sensoren, beispielsweise Fotodioden (12, 13), und einen schattengebenden Bauteil (14) aufweist, wobei die Sensoren (12, 13) von dem schattengebenden Bauteil (14) nicht beschattet werden, wenn die io Sensoreinheit (5,10) zur Sonne hin ausgeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sensoreinheit (5,10) zwei Sensoren (12, 13) aufweist, und daß der schattengebende Bauteil (14) zwischen den beiden Sensoren (12,13) angeordnet ist. 15
9. Verfahren zum automatischen Nachführen eines Lichtreflektors (1) od. dgl. mit Bezug zu einer Lichtquelle, insbesondere zur Sonne, bei dem wenigstens eine Sensoreinheit (5, 10) der Position der Lichtquelle nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor (1) der Lichtquelle mit einer anderen Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit der 20 Lichtquelle nachgeführt wird als die Sensoreinheit (5,10).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführungs- bzw. Winkelgeschwindigkeit der Sensoreinheit (5, 10) doppelt so groß ist wie jene des Lichtreflektors (1). 25 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55