CN102410874A - 用于太阳光强度的日射传感器 - Google Patents

用于太阳光强度的日射传感器 Download PDF

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Abstract

一种日射传感器，用于确定太阳光强度作为用于评估暴露于该太阳光强度的太阳能模块产生的电能的基础，包括：包括光入射窗的外表面；测量太阳光强度的至少一个光传感器，其布置于该光入射窗后面；以及探测该表面上影响日射传感器和太阳能模块两者的降落物和所导致的沉积物的探测器装置。

Description

用于太阳光强度的日射传感器
相关申请的引用
本申请要求于2010年6月22日提交的、共同待决的欧洲专利申请No.10166 859.8的优先权。
技术领域
本发明涉及确定太阳光强度作为用于评估暴露于该太阳光强度的太阳能模块的电能的基础的日射传感器(insolation sensor)。
本发明涉及的日射传感器，通常并不用于基于太阳光强度产生电能。而是，仅用于测量太阳光强度以具备用于评估暴露于该相同的太阳光强度的光伏系统的太阳能模块的标准。这种日射传感器典型地包括有效(active)表面，其表面积仅是布置为平行于该日射传感器的太阳能模块的表面积的一部分。进一步地，该日射传感器典型地布置紧密地在待评估的太阳能模块旁边或在其中间，并定向于与太阳能模块相同的方向。
背景技术
从DE 10 2008 003 272A1中已知可针对光伏系统的功能测量该光伏系统。为此目的，将运动传感器布置于太阳能模块。该运动传感器允许探测盗窃的情况下的运动或由于强风、暴风雨导致的运动。进一步地，可提供温度传感器，其在火灾情况下测量环境温度增加。通过测量太阳能模块产生的能量，也可识别出该光伏系统上是否落雪或任何污染物是否影响了该系统的性能。
从DE 10 2006 008 178A1中已知测量太阳能驱动的发电厂的方法，该文献中通过比较针对其各个太阳能模块测量的能量来连续地监测所产生的能量。也可在固定的参考模块与该太阳能模块的至少一部分之间进行这样的比较。优选地，该参考模块具有与该太阳能模块相同的物理特性并且暴露在直接接近于并与该太阳能模块处于相同条件下的太阳光强度。在DE 102006 008 178A1中，由天气条件造成对太阳能模块的污染或损害表示为影响由太阳能模块产生的能量的变量。
从US2009/0314279A1中已知相对于遮蔽(shadowing)装置布置的光传感器阵列。各个光传感器的信号用于将与该阵列和遮蔽装置固定布置的太阳能模块以相对于太阳位置的最优方式进行定向。
通过将由日射传感器探测的太阳光强度与由太阳能模块产生的电能进行比较，无法探测日射传感器和相关联的太阳能模块上的均匀污染。类似地，无法通过比较两者的方式解决影响日射传感器和太阳能模块两者的所有其它外在影响。
因此，仍然需要一种日射传感器，通过该日射传感器可探测外在影响，特别是由于降落物等造成的影响，即使这些外在影响既影响日射传感器、又影响借助该日射传感器测量的太阳能模块。
发明内容
一方面，本发明提供用于确定太阳光强度作为用于评估由暴露于该太阳光强度的太阳能模块产生的电能的基础的日射传感器。该日射传感器包括：包括光入射窗的外表面；测量太阳光强度的至少一个光传感器，其布置于该光入射窗后面；以及探测该表面上的降落物(precipitation)和所导致的沉积物(deposit)的探测器装置。
另一方面，本发明提供用于评估由暴露于太阳光强度的太阳能模块产生的电能的系统。该系统包括用于确定该太阳光强度的日射传感器。该日射传感器包括：包括光入射窗的外表面；测量太阳光强度的至少一个光传感器，其布置于该光入射窗后面；以及探测该表面上的降落物和所导致的沉积物的探测器装置。该探测器装置包括布置于该外表面和/或比较表面的后面的传感器阵列，该比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置，并且该传感器阵列的传感器分布在25至250cm2的表面积上并且包括彼此之间不超过5cm的距离。进一步地，该探测器装置包括对来自各个传感器的信号彼此进行比较的比较器装置。
通过研究下述附图和详细说明，本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。所有这些附加的特征和优点意图包括在本发明权利要求所限定的范围内。
附图说明
参考以下附图将更好地理解本发明。附图中的组成部分并不必然按比例绘制，重点在于清楚地示出本发明的原理。附图中，同样的附图标记标示各个视图中相应的部分。
图1是包括四个太阳能模块和中心日射传感器的光伏系统的示意俯视图；
图2是根据图1的光伏系统的侧视图；
图3是根据图1和图2的日射传感器的光入射窗的视图；
图4是另一日射传感器的光入射窗的视图；
图5是又一日射传感器的光入射窗及布置于该光入射窗旁边的比较表面的视图；
图6是图5的布置的侧视图；
图7是替代图5和图6的日射传感器的实施例的侧视图；
图8是根据图5和图6的日射传感器的另一替代的侧视图；以及
图9示出日射传感器和集成有载荷单元(load cell)的相关支撑结构。
具体实施方式
根据本发明的日射传感器中，提供有探测器装置，该探测器装置探测或识别在该日射传感器的光入射窗表面上的降落物和/或由该降落物导致的持久沉积。这一信息可从日射传感器以及由该日射传感器初始探测的光强度中获得。该信息可用来校正太阳光强度的测量值，因为表面上的降落物或所导致的沉积物会导致初始测量的光强度是错误的，即并非真实的光强度。然而，关于光入射窗表面上的降落物或所导致的沉积物的信息可专门用于例如触发检查或清洗措施。这些检查或清洗措施当然不仅针对日射传感器进行，也针对借助该日射传感器测量的太阳能模块进行。如果日射传感器的表面设置为平行于被测量的太阳能模块，则日射传感器表面上所探测的沉积物的意义特别重大。
探测日射传感器的光入射窗的表面上的降落物或所导致的沉积物并不必需直接在该表面上发生。反而，设置为平行于并在日射传感器的光入射窗的表面旁边的比较表面可用于该目的。事实上，即使并没有明确声明，只要在单独情况下没有其它表明，如果在此提及“该表面”，特别是“日射传感器的光入射窗的表面”，其总是应理解为还包括额外或可选地设置为平行于并在光入射窗的初始表面旁边的比较表面。然而，该比较表面是用于探测光入射窗的初始表面上的降落物和/或所导致的沉积物的日射传感器或者探测器装置的表面，而不是借助该日射传感器测量的太阳能模块的表面。
该日射传感器可包括在该表面后面的传感器阵列，传感器的信号彼此进行比较。不同形式的降落物，例如降雨，的特征在于其(至少在短观察时间内)对于表面不具有均匀的影响。在下雨的情况下，这种例如由各个雨滴撞击表面而造成的非均匀性可由设置成适当阵列的传感器来探测。如果要尽可能地探测到和解析这种非均匀性，则认为是适当的阵列应具有一定的最小尺寸，以及各个传感器之间的距离不能太大。传感器阵列的面积为25至250cm2以及其中各个传感器设置于不超过5cm的距离证明适于用于探测例如由降雨而显示出的相关非均匀性。所提及的250cm2的上限并不是由解析表面上的降落物的非均匀性的需要而导出的，而是表明根据本发明的日射传感器的适当的最大尺寸。
使用传感器阵列探测的具体的非均匀性取决于降落物的类型以及所使用的传感器的类型。然而，可应用规则：来自传感器阵列的特定信号模式对应于可由该信号模式识别的降落物的特定类型。
该阵列的传感器可以是相同的光传感器，通过它们，根据本发明的日射传感器还测量太阳光强度。鉴于测量平均分布在各个光传感器上的太阳光强度合适作为一种规则，来自各个光传感器的信号在探测或识别降落物时将被单独地评估或彼此比较。
该阵列的传感器也可是电容传感器。在用于探测日射传感器的表面上的降落物和/或所导致的沉积物的任何探测器装置中，电容传感器会是有利的，因为即使没有并排布置的传感器提供不同的信号，也能够识别出表面上的降落物或沉积。因此，已知的机动车雨水传感器采用了这种电容传感器。通过将电容传感器布置为阵列，可收集关于降落物类型的进一步信息。
根据本发明的用于探测日射传感器的表面上的降落物和/或所导致的沉积物的探测器装置也可监测包括该表面的日射传感器主体的物理质量。降落物增加了该主体的质量。这一增加的时间进程以相应的降落物为特征。灰尘或空气外的其它颗粒的降落物导致缓慢但持续的主体质量的累计增加，而降水则导致质量的暂时增加。因此，质量的暂时增加的特殊进程允许得出关于降水强度和降水的其它情况的结论。
为了确定主体的质量，可以提供支撑主体的、或设置于主体的支撑物的载荷单元。
例如，如果监测主体取决于其质量的本征频率，可获得测定主体质量的更高的灵敏度。为了该目的，探测器装置可包括耦合至包括表面的主体上的机电转换器。例如，该机电转换器可借助扫描信号来询问主体的本征频率。这样做时，也可以测量由沉积的污染物导致的主体的衰减，也可以得出表面上的沉积的类型。
在根据本发明的日射传感器中，还可提供机电转换器，用于探测由于降落物激发的日射传感器主体的撞击声。该撞击声频谱也可得出触及主体表面的降落物的类型。
在特定实施例中，根据本发明的日射传感器包括部分覆盖表面的污染保护盖。在表面的被覆盖区域，避免了由任何类型的降落物造成的表面污染。当去除该污染保护盖时，通过比较来自未被覆盖的和被覆盖的表面部分的信号，可以得出未被覆盖的表面部分上的沉积。优选地，可通过马达去除污染保护盖。
用于探测表面上的降落物或所导致的沉积物的根据本发明的日射传感器的探测器装置也可确定由表面透射的光的光谱分布。该光谱分布当然不仅取决于由于降落物导致的表面上的沉积，也取决于降落物，并且以这种方式得出该沉积。这特别应用在该光谱分布与根据本发明收集的其它信息进行比较时。
该其它信息也可包括由日射传感器的表面透射的光的方向性分布。通常，表面上的任何沉积都导致能够在该表面后被探测的透射光的更加发散的散射。为了确定由日射传感器的表面透射的光的方向性分布，根据本发明的日射传感器也可具有定向于不同方向的光传感器。
另外还有利的是，用于探测表面上降落物和/或所导致的沉积物的探测器装置包括其它传感器，例如用于探测日射传感器周围环境的温度和/或大气湿度和/或风速和/或风向的传感器。另外，可以提供标志日期和/或时间和/或位置和/或日射传感器的定向的装置，从而在确定表面上的降落物或所导致的沉积物中包括这些信息。
根据本发明的日射传感器，除了评估太阳能模块的电能，当设置在根据本发明的日射传感器中的传感器还响应于模块失窃的特殊情形例如振动、倾斜变化、明显的覆盖等时，也可针对失窃检验太阳能模块。因此，该日射传感器也用于基于其传感器的这种响应而输出失窃警告信号。
附图1和2中示出的太阳能系统1包括四个太阳能模块2和布置在这些太阳能模块2中心的一个日射传感器3。太阳能模块2的表面4和日射传感器3的光入射窗的表面5彼此平行布置，从而来自太阳7的光6的入射角度在表面4和5上是相同的。日射传感器3用于确定来自太阳7的光6的太阳光强度。借助于该信息，可以评估太阳能模块2的电能。该信息也可用于确定太阳能模块2的操作条件和/或用于确定太阳能模块2在最优操作条件下能够提供或者应当提供多少能量。光伏系统1上的如灰尘、雨水、雪、浓雾等形式的任何降落物基本上一致地影响日射传感器3和太阳能模块2，至少在它们基本上具有相同的物理特性时。然而，本发明涉及探测和分析表面5上这样的降落物或所导致的沉积物。
图3示出日射传感器3的光入射窗8，其表面5覆盖日射传感器3的全部有效表面以用于数据收集。光传感器10的阵列9位于该光入射窗8的后面。光传感器10的集合用于确定由光入射窗8透射的太阳光强度。同时，来自各个光传感器10的信号彼此比较以探测表面5上的变化，该变化指示表面5上的降落物。例如，雨滴可减少由位于该雨滴撞击点后面的光传感器10测量的光强度，而不影响由邻近光传感器10测量的光强度。沿单独轨迹下流的雨水也导致由各个光传感器探测的光强度的区别性变化。
进一步地，由于采用滤色器，特别对红、绿和蓝光敏感的光传感器的拜尔矩阵由表示光传感器10的框中的字母R、G和B标示。这一布置对应于RGB彩色摄像机芯片中的一个光传感器。其可收集关于由光入射窗8透射的光的光谱信息。该信息也包括表面5上降落物或所导致的沉积物的指示，特别是当其与根据本发明获得的其它信息进行比较时。
在根据图4的日射传感器3中，除了光传感器10以外，电容传感器11布置在光入射窗8后面的阵列12中。该电容传感器11可单独地或与光传感器10一起用于特征化表面5上的降落物或所导致的沉积物。
在根据图5的日射传感器3中，也提供了光传感器10的阵列9和电容传感器11的阵列12。然而在此，只有光传感器10布置在光入射窗8的后面，而电容传感器11布置于平行于并位于光入射窗8的表面5旁边的比较表面13的后面。比较表面13，也算作日射传感器3的有效表面。根据图6的侧视图揭示了在当前实施例中，包括了其比较表面13的日射传感器3的全部有效表面由单个主体14制成，例如玻璃板。
这在附图7示出的日射传感器3的实施例中存在区别。在此，光传感器10布置于具有表面5的部分主体14′后面，而比较表面13是部分主体14″的一部分。机电转换器15布置于该部分主体14″，通过该机电转换器可测量取决于降落物导致的表面13上的沉积和部分主体14″的衰减的部分主体14″的本征频率。可选地，该机电转换器也可制成用于探测由降落物造成的部分主体14″的撞击声振动的撞击声扩音器。
图8示出日射传感器3的实施例，其中在光传感器10″位于其后面的表面5的一部分上方提供污染保护盖16，而光传感器10′位于未被污染保护盖16覆盖的表面5的另一部分的后面。该污染保护盖16可通过电机沿箭头方向去除，以利用未被表面5上的沉积影响的光传感器10″获得比较测量值，而光传感器10′的测量值受到表面5上的降落物和所导致的沉积物的影响。
图9示出借助于具有电阻应变仪18形式的载荷单元15测量包括表面5的主体14的质量变化的选项，其中电阻应变仪提供在相对于基座20支撑日射传感器3的支撑臂19上。可以理解载荷单元17还探测日射传感器3上的风荷载等。

Claims (17)

1.一种日射传感器，用于确定太阳光强度作为用于评估由暴露于所述太阳光强度的太阳能模块产生的电能的基础，所述日射传感器包括：
包括光入射窗的外表面；
测量所述太阳光强度的至少一个光传感器，所述至少一个光传感器布置于所述光入射窗后面；以及
探测所述表面上的降落物和所导致的沉积物的探测器装置。
2.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括传感器阵列，并将来自各个传感器的信号彼此进行比较，所述传感器阵列布置在所述外表面和/或比较表面的后面，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
3.根据权利要求2所述的日射传感器，其中所述传感器阵列的传感器分布在25至250cm2的表面积上并且包括彼此之间不超过5cm的距离。
4.根据权利要求2所述的日射传感器，其中所述传感器阵列的传感器包括测量所述太阳光强度的所述至少一个光传感器。
5.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括至少一个电容传感器。
6.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置确定所述日射传感器的主体的物理质量，所述日射传感器的主体包括所述外表面和/或比较表面，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
7.根据权利要求6所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括支撑所述日射传感器的所述主体的载荷单元。
8.根据权利要求6所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括布置于支撑所述日射传感器的所述主体的支撑结构的载荷单元。
9.根据权利要求6所述的日射传感器，其中所述探测器装置确定所述日射传感器的所述主体的本征频率。
10.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括耦合于所述日射传感器的主体的机电转换器，所述日射传感器的所述主体包括所述外表面和/或比较表面，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
11.根据权利要求10所述的日射传感器，其中所述机电转换器探测激发所述日射传感器的所述主体的撞击声振动。
12.根据权利要求1所述的日射传感器，其中提供有污染保护盖，所述污染保护盖部分地覆盖所述外表面和/或比较表面，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
13.根据权利要求12所述的日射传感器，其中所述污染保护盖可通过电机去除。
14.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置确定由所述外表面和/或比较表面透射的光的光谱分布，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
15.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置确定由所述外表面和/或比较表面透射的光的方向性分布，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置。
16.根据权利要求1所述的日射传感器，其中所述探测器装置包括选自温度、大气湿度、风速和风向传感器，以及日期、时间、位置和定向指示设备中的至少一个另一单元。
17.一种用于评估由暴露于太阳光强度的太阳能模块产生的电能的系统，所述系统包括：
用于确定所述太阳光强度的日射传感器，所述日射传感器包括：
包括光入射窗的外表面；
测量所述太阳光强度的至少一个光传感器，所述至少一个光传感器布置于所述光入射窗后面；以及
探测所述表面上的降落物和所导致的沉积物的探测器装置，所述探测器装置包括：
布置于所述外表面和/或比较表面的后面的传感器阵列，所述比较表面平行于所述外表面且在所述外表面旁边横向布置，并且所述传感器阵列的传感器分布在25至250cm2的表面积上并且包括彼此之间不超过5cm的距离，以及
对来自各个传感器的信号彼此进行比较的比较器装置。
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