CN114019580A - 具有可变距离感测的日光强度或云检测 - Google Patents

具有可变距离感测的日光强度或云检测 Download PDF

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Abstract

本申请涉及具有可变距离感测的日光强度或云检测。某些方面涉及一种云检测器，所述云检测器包括指向天空的第一区域的第一检测器模块和指向天空的第二区域的第二检测器模块。每个检测器模块具有封闭一个或多个感测元件的管。第一检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第一区域获取天气条件读数。第二检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第二区域获取天气条件读数。在一个方面中，所述云检测器被配置成基于这些天气条件读数来检测云覆盖。在一些情况下，所述一个或多个感测元件包括用于测量红外辐射强度的红外辐射检测器(例如，热电堆)和用于测量日光强度的光传感器元件。

Description

具有可变距离感测的日光强度或云检测
分案申请的相关信息
本案是分案申请。本分案的母案是发明名称为“具有可变距离感测的日光强度或云检测”、申请日为2015年9月29日、申请号为201580052861.7的中国发明专利申请案。
技术领域
本公开总体涉及用于检测天气条件的感测元件的布置，并且具体地，涉及用于检测云条件的系统和方法。
背景技术
检测云覆盖和其他天气条件可为做出关于在例如机器人天文台处使设备进行操作的决策的重要部分，因为雨和其他天气条件可能损坏天文设备。此外，天文学家可能想要检测干扰他们的观察的云。映射天空以检测云覆盖的常规方法依赖于昂贵的成像装置，所述成像装置通常依赖于可见光测量。
发明内容
某些方面涉及一种云检测器，所述云检测器包括指向天空的第一区域的第一检测器模块和指向天空的第二区域的第二检测器模块。第一检测器模块可以是近检测器模块，并且第二检测器模块可以是远检测器模块，其中第一近检测器模块指向比第二远检测器模块更靠近建筑物的天空的第一区域。每个检测器模块具有封闭一个或多个感测元件的管。第一检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第一区域获取天气条件读数。第二检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第二区域获取天气条件读数。在一个方面中，所述云检测器被配置成基于这些天气条件读数来检测云覆盖。在一些情况下，检测器模块的每个的一个或多个感测元件包括用于测量红外辐射强度的红外辐射检测器(例如，热电堆)和用于测量日光强度的光传感器元件。在一个实例中，热电堆被配置成测量波长在8μm与14μm之间范围内的红外辐射的强度。在另一个实例中，热电堆被配置成测量波长大于5μm的红外辐射的强度。
在一些方面中，一种云检测器包括指向天空的第一区域的第一检测器模块和指向天空的第二区域的第二检测器模块。每个检测器模块具有封闭一个或多个感测元件的管。第一检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第一区域获取天气条件读数。第二检测器模块的一个或多个感测元件被配置成从天空的第二区域获取天气条件读数。在一个方面中，第一模块和第二模块位于例如呈蜂窝状布置的检测器模块阵列中。在一种情况下，所述云检测器还包括位于检测器模块阵列之上的透明覆盖物。在一个方面中，所述云检测器被配置成基于这些天气条件读数来检测云覆盖。在一些情况下，检测器模块的每个的一个或多个感测元件包括用于测量红外辐射强度的红外辐射检测器(例如，热电堆)和用于测量日光强度的光传感器元件。在一个实例中，热电堆被配置成测量波长在8μm与14μm之间范围内的红外辐射的强度。在另一个实例中，热电堆被配置成测量波长大于5μm的红外辐射的强度。
在一些方面中，一种云检测器包括具有管和一个或多个感测元件的检测器模块，所述一个或多个感测元件配置在管内以限制一个或多个感测元件的视场。所述云检测器还包括具有以不同角度从基部延伸的第一臂和第二臂的双轴万向节，其中检测器模块安装到第二臂的远端。所述云检测器还包括安装到第一臂的远端的平衡器和具有第一轴线的轴向构件。双轴万向节连接到轴向构件并且在枢轴处可旋转地连接到轴向构件。所述云检测器还包括电动机，其被配置成旋转轴向构件以致使检测器模块围绕第一轴线旋转，其中以高速旋转轴向构件致使检测器模块围绕第二轴线旋转。在围绕第一轴线和第二轴线进行不同旋转，检测器模块指向天空的不同区域，其中检测器模块内的感测元件被配置成从天空的不同区域获取天气条件读数。在一个方面中，所述云检测器被配置成基于来自天空的不同区域的天气条件读数来检测云覆盖。在一些情况下，检测器模块的每个的一个或多个感测元件包括用于测量红外辐射强度的红外辐射检测器(例如，热电堆)和用于测量日光强度的光传感器元件。在一个实例中，热电堆被配置成测量波长在8μm与14μm之间范围内的红外辐射的强度。在另一个实例中，热电堆被配置成测量波长大于5μm的红外辐射的强度。
一些方面涉及一种方法，所述方法包括：使一个或多个检测器模块指向天空的至少两个区域；测量来自天空的至少两个区域的传感器数据；基于所测量的传感器数据，确定天空的至少两个区域中的每一个处的云覆盖；以及基于所述传感器数据对所述云覆盖进行分类。在一些情况下，所述方法还包括基于传感器数据确定云覆盖的速度，以及使用所述速度对云覆盖进行分类。在一种情况下，使一个或多个检测器模块指向天空的至少两个区域包括旋转检测器模块中的一个。
一些方面涉及一种云检测器，所述云检测器包括：瞄准天空的第一区域的第一检测器模块；第一检测器模块的一个或多个感测元件；以及封闭第一检测器模块的一个或多个感测元件的管，所述管将视场限制到天空的第一区域，其中所述一个或多个感测元件被配置成检测云覆盖。
下文将参考附图更详细地描述这些和其他特征和实施方案。
附图说明
图1A、图1B、图1C和图1D是根据实施方案的在建筑物处的具有近检测器模块和远检测器模块的云传感器在四个不同云情景下的示意图
图2A和图2B是根据实施方案的具有安装到双轴万向节的单个检测器模块的云检测器的侧视图的绘图。
图3是根据实施方案的包括在半球形外壳内的圆形蜂窝状配置的检测器模块阵列的云检测器的透视图。
图4A是示出根据实施方案的作为云检测器中的感测元件的红外传感器的功能的曲线图。
图4B是示出根据实施方案的作为云检测器中的感测元件的湿度传感器的功能的曲线图。
图5是示出根据实施方案的作为云检测器中的感测元件用于测量来自云的热辐射的辐射计、高温计、地面辐射强度计或红外温度计的图。
图6是示出来自太阳的可见光和来自地面的红外辐射被云吸收且然后重新发射这种辐射的周期的图。
图7是根据实施方案的使用包括热电堆红外传感器的云检测器所得的结果的曲线图。
图8是根据实施方案的在云检测器中使用的光电二极管的照片。
图9是根据实施方案的用于确定云状态的方法的流程图。
图10是示出根据实施方案的不同水平的云覆盖一致性和天气预报修改器的图表。
具体实施方式
A部分-云检测器
I.前言
在某些实施方案中，云检测器可以测量云的可检测特性以及天空的不同区域处的其他天气条件。这些读数与距建筑物的不同距离相关联。由这些检测器模块获取的多个读数可以用于检测云和/或其他天气条件，并且确定云的速度和/或其他天气条件。例如，由感测元件测量的辐射强度可以与云的密度相关。这个强度读数可以用于检测云并且还用于确定云的性质。作为另一实例，可以通过分析由每个检测器模块随时间收集的能量的变化来预测云行进方向。
在节能建筑物中，控制逻辑可以在设置其建筑物系统的水平时考虑云覆盖。例如，在具有光学可切换窗的建筑物中，控制逻辑可以在设置窗光学状态(例如，着色状态)时考虑云覆盖。然而，由于电致变色窗，特别是具有大约50ft2的可视区域的大面积类型，可能花费长达三十分钟进行切换，所以在云到达或离开之前很难有足够时间检测进入的云来改变窗状态。旨在提供这种功能的传统系统采用昂贵的感测设备。此类系统可以以一定的精度映射整个天空和跟踪云，但需要定制的集成。映射技术也由于不能够对云进行登记而受到阻碍直到具有足够的光以看到云。因此，在这种情况发生时，窗可能已经需要改变其着色状态。
一些光学可切换窗迅速着色，然而，响应于云覆盖的每次变化而改变窗着色状态的窗控制系统在一些天气条件期间可能产生烦人的着色状态的频繁波动。因此，在足以使窗控制逻辑确定例如由于进入的云覆盖是否需要响应于当前条件撤消着色变化(即，确定光学可切换窗是否迅速着色)的距离处检测进入的云覆盖是有用的。
在一些情况下，窗控制逻辑可以考虑窗的着色转变时间而做出着色状态改变的决策，所述转变时间可以是五分钟、十分钟、二十分钟或更长。在一些窗设计中，一旦开始，窗着色状态转变必须在可以进行另一转变之前完成。换句话说，着色决策必须在下一个着色决策可开始之前完成执行。例如，从40％到5％透明度进行着色的第一决策之后紧跟的可以是从5％到20％透明度进行着色的决策。然而，在一些窗着色技术中，在达到5％之前不能中止从40％到5％的转变。
在2015年5月7日提交的且标题为“CONTROL METHOD FOR TINTABLE WINDOWS”的PCT申请PCT/US15/29675中描述了可以进行考虑转变时间做出预测着色决策的电致变色(EC)窗控制逻辑的实例，所述申请以引用方式整体并入本文。在这个实例中，当前时间的着色决策可以基于来自太阳能计算器的在未来预计时间确定的预测太阳辐照度。这个预计时间可以基于将窗转变到新着色状态所花费的时间。在一些情况下，窗控制逻辑将决定提前开始转变EC窗，使得当太阳辐照度将处于预测水平时，EC窗在未来预计时间将处于适当的着色状态。例如，如果预测高的太阳辐照度水平在10分钟内发生并且将窗转变到适合于那些高太阳辐照度水平的较高着色水平(更有色彩)花费10分钟，则EC窗控制逻辑可以决定在这个时间开始转变窗，使得在预测将发生高水平的太阳辐照度时窗已经完全转变。在一些实施方案中，用于确定是改变着色还是清除的预计时间可以在预测条件之前约30分钟至40分钟的范围内。
在某些实施方案中，云检测器可以用于确定(检测和/或预测)建筑物处的云覆盖。利用单个或多个感测元件(例如，光度计、太阳能电池元件、CMOS/CCD元件、热电堆、光电二极管等)，云检测器可以通过例如使用阈值处理来识别云覆盖与完全太阳。例如，热电堆可以用于测量红外(IR)辐射通量，所述IR辐射通量可以用于检测云。将这些感测技术与能够限制视场的管耦合，云检测器可以将感测元件对准到距离建筑物不同距离处的天空的特定区域。使用来自天空的不同区域的信息，云检测器可以做出晴天与多云的确定以及预测云覆盖和其他变化的天气条件。这些确定可以用作窗控制逻辑的输入，以便做出针对EC窗的着色决策，或者用作其他建筑物系统的其他控制逻辑的输入。这种窗控制逻辑的实例在2015年5月7日提交的且标题为“CONTROL METHOD FOR TINTABLE WINDOWS”的PCT申请PCT/US15/29675中进行描述。在一个实施方案中，云检测器可以使用来自感测元件的读数以及来自激光器、声纳或其他类型的测距仪的信息，以便进一步映射建筑物和所产生的阴影，从而对大气变化作出更具体的响应。在另一个实施方案中，云检测器可以进一步被配置成映射太阳和/或月亮的位置。在这种情况下，来自云检测器的数据可以用于替换太阳能计算器或除来自太阳能计算器的数据之外使用。
II.云检测器系统的实例
根据某些方面，云检测器系统通常包括一个或多个检测器模块，其被设计成确定(检测和/或预测)诸如建筑物的结构处的云覆盖、日光强度和其他天气相关条件。每个检测器模块被设计成从天空的有限区域测量反射电磁辐射(EMR)的性质或云和其他天气相关条件的其他可检测特性。换句话说，这些检测器模块是方向性的。每个检测器模块可以瞄准天空的不同区域并且基于其在给定时间的视场来测量性质。在一个实施方案中，例如，检测器模块被限于在约(π/180)2球面度(固体角度测量的国际标准(SI)单位)的立体角上测量云的特性。在另一个实施方案中，检测器模块被限于在从约(5π/180)2球面度的立体角上测量云的特性。在另一个实施方案中，检测器模块被限于在约(π/180)2球面度至约(π/18)2球面度的范围内的立体角上测量云的可检测特性。
云检测器系统可以具有如下文的子章节A中讨论的各种设计配置。在一些情况下，云检测器可以包括在其检测器模块中的一个或多个之上的外壳。在所述情况中的一些情况下，外壳是透明材料(例如玻璃、聚碳酸酯等)，其为：半球形形状或球形形状的其他局部部分、圆锥形形状等。外壳可以用作保护盖
每个检测器模块包括一个或多个离散的感测元件。来自云的反射EMR的强度以及云的其他可检测特性可以由这些离散的感测元件来测量。例如，一种类型的感测元件可以将入射光子转换成信号中的电能，所述电能是接收到的辐射的强度的测量。作为另一个实例，一种类型的感测元件可以响应于温度波动而改变其材料性质(例如，电阻)。每种类型的感测元件测量云在其自身的参数值特性范围(例如，波长范围)内的可检测性质。例如，一个感测元件可以测量在一些或所有可见光谱波长上的辐射强度，另一个感测元件可以测量在近红外光谱中的波长范围内的辐射强度，并且再另一个感测元件可以测量在远红外光谱中的波长范围内的辐射强度。可以用于检测云特性的离散感测元件的类型的一些实例包括热敏电阻元件、诸如光电二极管的太阳能电池元件、热电堆、光度计元件(例如，光敏电阻器、光电二极管、光电倍增管)以及光传感器元件(例如，互补金属-氧化物半导体(CMOS)图像感测元件、电荷耦合装置(CCD)图像感测元件等)。在一个实施方案中，检测器模块包含作为光电二极管的感测元件。根据用于制造光电二极管的材料，可以测量不同的波长范围。
图8是根据实施方案的可以用作云检测器中的感测元件的光电二极管900的实例的照片。可以在云检测器中使用的感测元件的另一个实例是来自CMOS或CCD传感器阵列的元件。当使用这些类型的传感器阵列中的任一种时，可以测量红外线和可见光的相对强度或变化或甚至光的外观。CMOS/CCD传感器阵列不需要多个模拟测量通道来获得数据，每个CMOS/CCD元件(例如像素)可以单独进行处理。可用于云检测器中的感测元件的另一实例是激光划刻的(分割的)太阳能电池板的一部分。在这种情况下，太阳能电池板的每个部分所吸收的功率量可以用于与来自特定方向的日光量相关。在这种情况下，每个部分可能需要与单独的测量信道进行通信。在这些情况下可以使用复用(MUXing)来将数据信道组合成一个。时分复用可以用于切换以固定频率轮询的信道，并且循环通过所有信道。在某些情况下，可能不使用高数据频率。可用于云检测器中的感测元件的另一实例是黑体传感器或热电堆。在这个实例中，相对日光辐射可以从测量温度的变化导出。在这个实例中，每个感测元件可能需要与单独的输入测量信道进行通信。
单个检测器模块可以包含一种类型的离散感测元件或可以包含多种类型的感测元件(例如，热电堆和光电二极管)。在某些实施方案中，检测器模块可以包括呈用于测量天空温度的热电堆形式的感测元件，所述感测元件可以用于检测云覆盖。在一个实施方案中，热电堆可以被配置成响应于在8μm至14μm的波长范围内的IR。在某些实施方案中，检测器模块包括用于测量红外线的感测元件(例如，热电堆)和用于测量可见光强度的感测元件(例如，诸如光电二极管的光传感器元件)。红外测量可用于检测云覆盖。例如，检测器模块可以包括用于测量天空温度以检测云覆盖的热电堆和用于检测光强度的光传感器。在一个实施方案中，检测器模块包括太阳能电池元件，诸如光电二极管。
在某些实施方案中，检测器模块包括管(例如，圆柱体或圆锥体)。如本文所使用的，“管”是指可以限制管内的感测元件的视场的结构。例如，“管”可以是各种横截面形状诸如圆形、椭圆形、矩形等的圆柱体。在另一实例中，“管”可以是圆锥形、抛物线形、半球形、盒形等。在另一实例中，“管”可以是将检测器模块阵列(例如，蜂窝状结构)的每个隔室(例如，单元)分离的分隔壁，其中分隔壁被设计成限制特定检测器模块的感测元件的视野。管中的感测元件的视场将基于管的尺寸和管内的感测元件的位置。也就是说，感测元件定位得距管对天空的开口越远，感测元件对天空的视场越受限制且越小。
在某些方面中，检测器模块的管、感测元件的位置和检测器模块的瞄准被设计成将管内感测元件的视场限于天空的特定区域。例如，检测器模块可以包括封闭在管内的瞄准天空的那个特定区域的感测元件。感测元件可以位于管内的各种深度处以提供对天空的特定视场。在某些方面中，感测元件位于管内距管开口的开口端一定距离处，以基于感测元件的视场从天空的有限区域接收辐射。在一些情况下，管内的感测元件可以位于管的内表面处，或者在其他情况下，可以悬置在管的内部。在一种情况下，感测元件可以位于管的基部端，所述基部端与开口端相对。
检测器模块的管通常包括一个或多个内表面。材料涂层(例如，膜)或涂层可以设置在这些内表面中的一个或多个上。在一个实施方案中，材料涂层可以包括光或其他能量吸收材料。在另一个实施方案中，材料涂层可以包括光或其他能量反射材料。
在一些方面中，云检测器可以包括标准光度计、太阳能电池和/或CMOS/CCD的感测元件，其结合阈值处理操作来识别云覆盖或另一个临时障碍物或识别存在完全的日照。在一些情况下，热电堆可以用于检测云。将这些技术与对准天空的特定区域的管耦合，所述区域位于与受控制的建筑物系统相距不同的距离处，云检测器可以识别晴天与多云和/或识别云或变化的天气条件。在一个实例中，云检测器包括在半球形蜂窝状外壳中的CMOS传感器或特别划刻的太阳能电池，其可以用于通过分析在每个部分中收集的能量随时间的变化来预测云行进方向。
在某些方面中，云检测器包括用于检测云覆盖的热电堆以及测量光强度并使用阈值处理以生成强度图像的光度计。云检测器系统可以包括例如在具有许多管的单个壳体(例如，蜂窝状结构)中的几对这种相关联的热电堆和光度计元件，或者在另一实例中，云检测器系统可以包括多个相关联的热电堆-光度计对，其中多对中的每一对具有其自身的相关联的壳体和/或管。这些对可以位于不同的地理位置并且在方位角上进行分布以覆盖天空的围绕建筑物或部分地围绕建筑物的区域，例如瞄准进入的天气模式，以便检测云覆盖并向建筑物控制系统诸如智能窗着色算法、太阳能跟踪站等提供数据。
A.云检测器系统配置
云检测器系统可以使其组件以各种配置进行布置。在一种配置中，云检测器包括检测器模块阵列，其中每个检测器模块瞄准天空的不同区域。每个检测器模块可以例如具有热电堆和光度计或光传感器元件。一般来说，检测器模块瞄准天空的在某一参考高度处、在距建筑物的不同距离处的不同区域。在一种配置中，云检测器包括单个检测器模块和用于移动检测器模块以扫描天空的多个区域的机构。在一种配置中，云检测器包括瞄准天空的靠近建筑物的区域的第一近检测器模块以及瞄准天空的远离建筑物的区域的第二远检测器模块。通过观察远离建筑物的各种距离处的天空的不同区域，云检测器可以检测在距建筑物的不同距离处的云随时间的特性，并且可以基于这些距离来确定这些特性的变化。在某些情况下，云检测器可以预测由于云覆盖的变化而导致的接收能量的变化，而不需要具体地映射云。在其他情况下，云检测器可以被配置成映射天空的一部分。
在某些方面中，云检测器包括瞄准天空中的不同区域的多个检测器模块。每个区域基于某一参考高度位于距建筑物不同的距离处。然后，每个模块可以在各种采样时间测量远离建筑物的不同距离处的云的特性。基于这些测量，云检测器可以预测由于云覆盖特性随时间的变化而导致的接收能量的变化。在一个实例中，在给定时间测量的IR强度水平高于某一阈值可以指示在天空的这个区域中存在云覆盖。使用在多个采样时间获取的测量值，云检测器可以确定强度水平相对于距离建筑物的不同距离在天空中如何变化。然后，云检测器可以使用这些强度变化来确定接收能量的变化和云覆盖随时间的变化。也就是说，云的方向和速度可以使用随时间获取的强度测量值并且基于天空的目标区域之间的距离来确定。云检测器可以使用这些测量的云覆盖的变化来预测建筑物处的云覆盖的变化。这个数据可以例如通过智能窗切换算法用于在特定天气模式到达具有智能窗的建筑物之前开始切换玻璃。
配置1-近检测器模块和远检测器模块
在某些实施方案中，云检测器包括瞄准靠近建筑物的第一距离的天空的第一区域的第一近检测器模块，以及瞄准比第一距离更远离建筑物的第二距离处的天空的第二区域的第二远检测器模块。尽管不限于这样，但是某些实例将第一距离表示为“1x”，并且将第二距离表示为“Nx”，即第一距离的倍数。N可以是整数乘数2、3、4、5、6等，或实数乘数，例如，N可以是1与10之间的实数值。在一些情况下，第一距离可以与建筑物系统的控制操作相关联。例如，第一距离可以基于光学可切换窗(例如，电致变色窗)的转变时间。第一距离和第二距离可以基于某一参考高度，例如，在建筑物附近的区域中的云覆盖的典型高度。
图1A、图1B、图1C和图1D示出根据实施方案的具有云检测器100的建筑物20，所述云检测器100具有指向分别离建筑物20第一距离x1和第二距离x2的天空的不同区域的第一近检测器模块110和第二远检测器模块120。第一近检测器模块110包括管111，所述管111具有开口端112和与其开口端112相对的后端113。第一近检测器模块110还包括封闭在管111内并且位于开口端112与后端113之间的感测元件114(例如，诸如热电堆的云感测元件或诸如光电二极管的光度计元件)。基于感测元件114距后端113的距离，第一近检测器模块110在参考高度处具有天空的第一视场119。第二远检测器模块120包括管121，所述管121具有开口端122和与其开口端122相对的后端123。第二远检测器模块120还包括封闭在管121内并且位于其后端113处的感测元件124(例如，诸如热电堆的云感测元件或诸如光电二极管的光度计元件)。基于感测元件124在管的后端123处的距离，第二远检测器模块130在相同的参考高度处具有与第一近检测器模块110不同的天空区域的第二视场129。第一距离x1与第二距离x2(例如，3x x1、4x x1、5x x1等)之间的差Δ是由检测器模块110和120获取的读数之间的时间/距离延迟。
第一近检测器模块110中的感测元件114比第二检测器模块120中的感测元件124更靠近管开口端112。因此，第一检测器模块110中的感测元件114的接受角度大于第二检测器模块120中的感测元件124的接受角度。如图所示，检测器模块110和120中的每一个指向天空的不同区域。第一近检测器模块110对应于基于在云处的某一高度距建筑物的边缘为x1的第一距离。第二检测器模块120为基于在云处的高度距建筑物的边缘第二距离x2(例如，4x x1、3x x1等)处。也就是说，近检测器模块110瞄准距建筑物的距离为x1的云覆盖的底部，并且远检测器模块120瞄准距建筑物的距离为x2的云覆盖的底部。
图1A、图1B、图1C和图1D是根据实施方案的在具有云检测器100的建筑物20处的不同时间的四个不同云情景的示意图。在这些情景下，云条件31、32、33和34朝向建筑物20从左向右移动，如大箭头所表示。
在图1A中，建筑物20附近和周围的整个天空的天气条件是阴天。如图所示，云31位于分别由第一检测器模块110和第二检测器模块120覆盖的两个视场119和129内的天空区域上。在这种情况下，第一近检测器模块110和第二远检测器模块120此时将在天空的两个区域中检测到云覆盖。
在图1B中，天气条件在建筑物20上方和附近是多云的，但是即将晴朗。如图所示，云32在第一近检测器模块110的第一视场119内的天空区域上，并且不在第二远检测器模块120的第二视场129内的天空区域上。在这个实例中，第一近检测器模块110将在距建筑物20为距离x1的天空区域中检测到云覆盖，并且第二远检测器模块120将在距建筑物20为距离x2的天空区域中检测不到云覆盖。
在图1C中，建筑物20附近的天空的天气条件是云覆盖与阳光之间的间歇性多云条件。如图所示，云33在第一近检测器模块110的第一视场119内的天空区域上，并且还在第二远检测器模块120的第二视场129内的天空区域上。然而，云33不在这两个区域之间的天空中。在这个实例中，第一近检测器模块110将在距建筑物20为距离x1的天空区域中检测到云覆盖，并且第二远检测器模块120将在距建筑物20为距离x2的天空区域中检测到云覆盖。尽管检测器模块110或120都没有检测到这些天空区域之间缺少云覆盖，但是基于在间歇性云之间的这种短暂的阳光改变建筑物控制将不会是有效的和/或可能使居住者分心。也就是说，到控制操作完成时，示出为距建筑物最远的云将已经到达建筑物20，并且控制将需要恢复到先前的控制位置。
在图1D中，建筑物20附近的天气条件是即将来临的多云条件。如图所示，云34不在第一近检测器模块110的第一视场119内的天空区域上。云34被示出为在第二远检测器模块120的第二视场129内的天空区域上。在这个实例中，第一近检测器模块110将在距建筑物20为距离x1的天空区域中检测不到云覆盖(即，晴空)，并且第二远检测器模块120将在距建筑物20为距离x2的天空区域中检测到云覆盖。
在某些实施方案中，来自近检测器模块和远检测器模块(例如，图1A、图1B、图1C和图1D所示的那些)的云检测器测量值可以用作建筑物控制系统的输入。例如，来自近模块和远模块的云检测器测量值可以用作用于光学可切换窗的控制逻辑中的输入，以便做出着色决策，例如改变着色状态(增加、减少、清除)或不改变着色状态。例如，近检测器模块可以瞄准距建筑物为第一距离x1的天空区域，所述第一距离x1等于“1x”距离。在这个实例中，“1x”距离与在这个距离处检测到的平均云到达建筑物20所花费的时间量相关联。第一检测器模块可以旨在具有与将特定光学可切换窗(例如，平均大小窗、最大窗等)转变到另一光学状态(诸如不同的着色水平)所花费的时间量相关联的距离“1x”。也就是说，近检测器模块旨在在平均云到达建筑物时转变窗所花费的时间检测平均云。在这个实例中，远检测器模块瞄准距建筑物为“Nx”(例如，3x x1、4x x1和5x x1)距离的第二距离x2的天空。作为实例，针对第二检测器模块可以选择“4x”距离，因为如果云检测器确定在从一种着色状态转变到另一种着色状态将花费的时间量内在建筑物上方将存在云覆盖或缺少云覆盖，则将仅改变着色状态。
在许多方面中，云检测器检测云并测量太阳辐照度。在一些情况下，云检测器可以确定所测量的太阳辐照度水平是否高于阈值水平。
在一些实例中，云检测器测量值用作用于控制一个或多个光学可切换窗的着色状态的控制逻辑的输入。在一些实例中，云检测器可以确定所测量的太阳辐照度水平是否高于最小阈值水平以确定是否增加着色。如果没有云并且太阳辐照度高于最小阈值水平，则窗控制逻辑可以决定增加着色。如果云检测器检测到云并且测量到低于最小阈值水平的太阳能强度，则窗控制逻辑可以决定减小窗的着色水平(例如，清除)。在一个实例中，基于第一检测器模块的着色决策将保持，除非查看远离建筑物的转变时间的倍数的时间/距离处的天空的第二检测器模块在那个区域中感测到云。如果第一近检测器模块和第二远检测器模块两者都感测到云，则着色决策可以是减少光学可切换窗的着色(例如，清除)。
例如，窗控制逻辑可以基于在图1A、图1B、图1C和图1D所示的四个不同云情景下获取的云检测器读数来确定针对光学可切换窗(例如，电致变色窗)的着色决策。尽管参考辐射强度水平的测量值描述了这个实例，但是在其他实例中，可以使用云的其他可检测特性，诸如温度。
参考图1A所示的完全阴天的云情景，第一近检测器模块110和第二远检测器模块120测量到低于最小阈值水平的低强度水平，这指示在距建筑物20的第二远距离x2和第一近距离x1两者处存在云覆盖。在这个实例中，第一距离x1与建筑物20处的平均光学可切换窗转变时间相关联，并且第二距离x2与转变时间的4倍(4x)相关联。在这种情景下，窗控制逻辑从云检测器100接收如下指示：在第二远距离x2(4x)和第一近距离x1(1x)两者处存在云覆盖，即整个天空是阴天。作为响应，窗控制逻辑将发出“清除命令”，因为整个天空是阴天。如果尚未清除，清除命令将窗转变为无色的，且如果已经清除，则将不更改着色水平。
参考图1B所示阴天并且即将晴朗的云情景，第一近检测器模块110将测量到低于最小阈值水平的强度水平，这指示在距建筑物20的第一近距离x1(在这种情况下为1x)处存在云覆盖，并且第二远检测器模块120将测量到高于最小阈值水平的强度水平，这指示在第二距离x2(4x)处是晴天。在这种云情景下，云检测器100可以确定第二远检测器模块120检测到云的时间与在第一近检测器模块110处检测到云的时间之间的时间段。如果这个时间短于窗的转变时间，则窗控制逻辑选择不做任何事情，因为在这个转变时间期间可能仍然存在云覆盖。如果所述时间较长，例如，为转变时间的某一倍数，则窗控制逻辑可以选择对光学可切换窗进行着色。在图1B中，近检测器模块110与远检测器模块120之间的时间延迟Δ是建筑物中的光学可切换窗的转变时间的4倍(4x)。因此，基于这种云情景，窗控制逻辑将发出“着色”命令以预期在这种情景下云覆盖的清除。
参考图1C中的阴天并且具有间歇性云的云情景，第一近检测器模块110和第二远检测器模块120将测量到低于最小阈值水平的强度水平。云检测器100将确定这些低强度水平指示在第二远距离x2(4x)和第一近距离x1(1x)距离处的云覆盖。在这种云情景下，云覆盖之间的间隙是暂时的，且尽管可能存在更多的光进入建筑物的较短时间段，但它不会触发着色事件，并且对于间歇性的云覆盖，窗仍保持适当的着色。作为响应，窗控制逻辑发出“清除命令”，因为阳光太短暂。
参考图1D中的云即将来临的云情景，第一近检测器模块110测量到高于最小阈值水平的强度水平，这指示在第一近距离x1(1x)处的晴天条件，并且第二远检测器模块120测量到低于最小阈值水平的强度水平，这指示在第二远距离x2(4x)处的云覆盖。在这种情景下，窗控制逻辑在特定时间发出“清除命令”，其将允许光学可切换窗在即将来临的云到达建筑物20时转变到新的清除状态。窗控制逻辑由于即将来临的云而发出清除命令。
配置2-单个检测器模块
在某些方面中，云检测器包括使用一个或多个机构(例如，电动机)在天空的一部分上进行扫描的单个检测模块。在一个实例中，具有两个自由度的单个检测器模块使用电动机进行旋转以扫描天空的一部分。编码器或其他类似装置可以用于给出位置反馈，所述位置反馈可用于主动映射天空。在单个检测器模块的每个位置处，其中的感测元件具有有限的视场并且可以测量云的可检测特性。通过针对多个位置扫描这种有限的视场，其中具有重叠或分离的视场，这个云检测器可能够以高分辨率检测云。尽管被描述为在天空的一部分上进行扫描，但是应当理解，单个检测模块可以在单个检测器模块到天空的不同(重叠或分离)部分的增量移动时获取测量值。
在某些方面中，云检测器包括安装在具有平衡器的枢轴上的单个检测器模块。单个电动机可以用于使单个检测器模块围绕枢轴旋转以便将检测器模块的视场移动到天空的一部分上的不同区域。平衡器被设计成基于电动机的速度来改变检测器模块的角度。以这种方式，单个电动机和编码器可以用于确定检测器模块的预测角度。参考图2A和图2B来描述这样实施方案的实例。
图2A和图2B是根据实施方案的包括具有两个自由度的单个检测器模块510的云检测器500的侧视图的图。单个检测器模块510包括管512，其中感测元件520(例如，诸如热敏电阻和热电堆的温度传感器)位于管512内。感测元件520居中定位在管512的后端附近。示出了感测元件520的视场530。
检测器模块510安装在双轴万向节上，所述双轴万向节具有第一臂570和在第一端附接到第一臂570的第一端的第二臂580。双轴万向节附接到第一轴向元件，所述第一轴向元件可以围绕枢转点560来旋转双轴万向节。单个检测器模块510还包括在第二臂580的远端处的平衡器540。管512的具有感测元件520的基部端附接到双轴万向节的第一臂570。如所配置的，检测器模块510可围绕第一垂直中心线轴线592并且围绕穿过枢转点560的中心且垂直于侧视图的平面的第二轴线旋转，以使得其能够映射接近完整的球体。在一个方面中，双轴万向节可以在旋转轴线中的一个或两个上具有编码器以便给出位置反馈。在这个实例中，云检测器500还包括直接或间接地连接(未示出)到双轴万向节的电动机590，以便能够围绕第一轴线和/或第二轴线旋转检测器模块510。例如，电动机590可以连接到围绕第一中心线轴线并且附接到双轴万向节的另一轴向元件。然后，电动机590可以旋转这个第二轴向构件和/或第一轴向构件以使检测器模块510围绕第一轴线和/或第二轴线旋转。
图2A示出当电动机590围绕中心线轴线592以低速旋转时云检测器500的操作。图2B示出当电动机590围绕中心线轴线592以高速旋转时云检测器500的操作。在较低速度旋转时，作用在平衡器540上的向心力将其向外移动到如下点：使得管512以从中心线轴线592约90度进行瞄准。在高速旋转时，作用在平衡器540上的向心力使其向外移动到最高点，使得管512以从中心线轴线592约135度向上瞄准。通过调节电动机590的旋转速度，可以调节检测器模块500的角度θ和相关联的视场530以扫过天空的不同部分。
配置3-检测器模块阵列
在某些实施方案中，云检测器包括以阵列(一维或二维)布置的多个检测器模块。阵列中的每个检测器模块瞄准天空的不同区域。在这种配置中，云检测器可以在每个采样时间测量来自各个方向的进入能量。在一些情况下，云检测器可以基于由每个检测器模块测量的能量随时间的差异来检测云(或缺少云，即晴空)。通过观察不同模块随时间获得的这些测量值的差异，可以推断出在建筑物附近或建筑物处的各种位置的云覆盖的变化。在每个单次采样时间获取的光强度测量值可以用于确定现有的光条件。
在某些方面中，包括检测器模块阵列的云检测器可以包括离散感测元件(例如，热敏电阻、光电二极管和/或热电堆)阵列。例如，云检测器可以包括离散感测元件阵列(传感器阵列)和管阵列。每个管封闭位于管后端处的传感器阵列中的一个或多个离散感测元件(例如像素)。在一种情况下，云检测器可以通过将管阵列定位在检测器阵列之上而形成。在这个实例中，云检测器呈检测器模块阵列的形式，其中每个检测器模块包括管(分区)，其将一个或多个离散感测元件封闭在每个管内。在一些情况下，每个管还可以包括邻近管的壁定位的另外的感测元件，例如IR传感器。
在具有检测器模块阵列的实施方案中，云检测器可以基于在传感器阵列的一部分处从给定方向接收的测量能量的变化来检测云或云的方向和移动。如果更靠近传感器阵列中心的传感器区域开始读取到变化，则可以推断出云正在接近(或移开)。以这种方式，云检测器可以提前很好地预测多云条件。通过使用来自云检测器的数据，建筑物控制算法可以预见云条件并且在条件之前很好地发送控制命令，使得在云覆盖件到达建筑物时或到达建筑物之前建筑物系统处于适当的状态。如果建筑物系统的转变时间很长，则可以使用这种多云条件的提前通知来提前很好地开始转变，使得在需要新状态时所述系统已经完成转变。例如，窗控制算法可以使用云检测器数据来预测多云条件，并且在需要使光学可切换窗着色或清除之前确定这种需要。
在具有检测器模块阵列的实施方案中，云检测器的整体或部分可以由透明覆盖物/屏蔽物(例如，半球形或圆锥形保护覆盖物)封闭。这个透明覆盖物可以被设计成保护检测器模块的内部组件免受碎屑的影响，同时允许辐射传递到感测元件。
在一个实例中，圆形管阵列(例如，圆柱体或圆锥体)可以放置在传感器阵列(诸如CMOS传感器阵列、CCD传感器阵列或特别划刻的太阳能电池板)上。圆形管阵列可以放置在传感器阵列上，以便能够测量在各个方向上的进入能量随时间的变化。在这种情况下，管是分区。利用这种方法，可以通过从一个方向测量的能量的减少或增加来检测云(或缺少云)。如果更靠近传感器中心的传感器区域开始读取到变化，则可以推断出云正在接近(或移开)，这允许提前预测云条件并且允许建筑物控制系统提前转变到新状态。
在具有检测器模块阵列的实施方案中，云检测器可以具有对准特征(例如，指示器)，所述对准特征可以被定位成与诸如北、南、东或西的特定方向对准，或定位在建筑物的特定立面(facade)的方向上。如果对准特征被设计成与特定立面对准，则检测器模块的方向被对准，以便将由给定检测器模块分区的视场测量的变化与建筑物的特定立面相关联。在这种设计的情况下，云检测器可以基于从给定检测器模块分区的方向测量的能量/光的减少或增加来确定云的存在(或缺少云)。如果更靠近云检测器中心的区域开始测量到这种变化，则可以推断出云正在接近(或移开)，因为所述变化发生在头顶上而不是远处。因此，这种云检测器可能够在实际需要之前很好地预测改变建筑物系统的状态的需要。
图3是根据实施方案的云检测器600的透视图，所述云检测器600呈在半球形外壳内的圆形蜂窝状配置的检测器模块620阵列的形式。每个检测器模块620包括管622和一个或多个感测元件(为简单起见，每个管中的感测组件未示出)。圆形蜂窝状配置的阵列601的周向尺寸为24并且径向尺寸为4，但是可以使用其他尺寸。在这个示出的实例中，蜂窝状阵列601中的每个管622瞄准天空的不同区域。在一个或多个管622中可以存在多于一种类型的感测元件。在一种情况下，云检测器600的感测元件可以呈CMOS/CCD传感器阵列或特别划刻的太阳能电池的形式。在这个示出的实例中，云检测器600可以通过分析在每个检测器模块部分620中收集的能量随时间的变化来预测云行进方向。在一种情况下，管622可以被设计成使得整体形状匹配太阳方位角。在一种情况下，每个分区/管622的尺寸将被设定为使得所测量的相同能量水平尽可能接近等同于其他分区/管622。
在图3中，在云检测器600的整个面上设置屏蔽件630(例如，玻璃或其他透明材料覆盖物)。这个屏蔽件630可以保护感测元件免受碎屑和/或水分侵入。这个图示示出屏蔽件630的剖面，以便示出云检测器600的一部分的内部。
使用具有检测器模块阵列的云检测器(例如，图3的云检测器600)，可以基于在每个检测器模块分区中测量的相对光/能量水平来确定和/或预测云位置。当云相对于云检测器移动时，它们的轨迹和位置可以被确定。由邻近云检测器外周边的分区中的感测元件感测到的突然光水平读数变化可以指示云在远处。而由邻近光检测器中心的分区中的感测元件感测到的光水平读数变化可以指示云在头顶上。使用这些确定与来自太阳能计算器的预测配对，云检测器可能够确定所确定的云/障碍物(或缺少云/障碍物)将是否改变给定立面处的辐照度。
在一个实施方案中，云检测器可以包括放置在传感器阵列芯片上的管阵列，每个管将视场限于芯片的一小部分。管可将天空的区域映射到寻找两片云和改变光强度的特定传感器。在一个实例中，光电二极管和热电堆被分配给每个管。
在一个实施方案中，云检测器包括具有透镜阵列的传感器芯片(例如，CMOS/CCD)。每个透镜被配置成将辐射聚焦到一个或多个传感器元件的特定组，诸如传感器芯片和/或热电堆的一部分。这些透镜可以限制视场并将天空的区域映射到寻找两片云和改变光强度的特定传感器元件。
第III章-云检测感测元件
云和水蒸汽在红外(IR)光谱上吸收并重新发射离散频带中的辐射。由于云比晴空和水蒸气更温暖，所以可以使用测量IR的装置来检测云。例如，红外辐射计，包括被配置成IR温度计的那些，可以检测比晴空和水蒸气更温暖的云。在一个实施方案中，云检测器可以具有测量波长大于5μm的IR强度的IR感测元件。云的存在产生高于来自晴空的IR信号的增强的IR信号(其对应于在约地面温度下的近似黑体频谱)。还存在大气湿度的影响，大气湿度可以产生增强的信号，特别是在低海拔处。
在某些方面中，云检测器可以具有IR感测元件，其测量波长在特定范围(例如，在8μm与14μm之间，或在另一个实例中，大于5μm)内的红外辐射的强度。在操作中，当云检测器确定所测量的具有特定范围波长的红外辐射的强度水平高于阈值时，云检测器可以检测云。已经表明，所测量的波长在5μm以上(具体地在8μm与14μm之间的范围内)的红外辐射的水平对云的存在敏感，如在Sloan、Shaw和Williams(1955)中所证实的，所述文献以引用方式并入本文，用于提供与云的存在相关联的这种波长范围的目的。在Sloan、Shaw和Williams(1955)、Werner(1973)、Morris和Long(2006)、Idso(1982)、Maghrabi和Clay(2010)、Thompson(2005)和Maghrabi等人(2009)以及Clay等人的“A Cloud MonitoringSystem for Remote Sites”Publ.Astron.Soc.Aust.,第15卷(1998)第332-5页中描述了使用红外辐射检测装置来检测云，所述文献出于描述该用途的目的通过引用并入本文。
在某些实施方案中，云检测器使用红外传感器来测量红外辐射以便检测云覆盖。这些红外传感器可用于监测整个天空或监测云覆盖的有限视场。可以使用的红外传感器的类型的一些实例包括红外温度计(例如，热电堆)、红外辐射计、红外地面辐射强度计、红外高温计等。
在某些实施方案中，云检测器可以使用红外温度计来检测云。在一个实例中，红外温度计是响应于在9.5μm至11.5μm的波长范围内的红外辐射的热敏电阻测辐射热计。在某些实施方案中，云检测器可以具有感测元件，所述感测元件为呈热电堆形式的红外温度计。在一个实施方案中，热电堆被配置成响应在8μm至14μm的波长范围内的红外辐射。在一个实施方案中，热电堆被配置成响应在10.5μm至12.5μm的波长范围内的红外辐射。在一个实施方案中，热电堆被配置成响应在6.6μm至20μm的波长范围内的红外辐射。
在某些实施方案中，云检测器使用红外温度计(例如，热电堆)来检测云和/或使用光度计以进行阈值处理。红外温度计可以用作红外辐射计以检测云的存在，并且提供用于估计可降水量(PW)的装置，所述PW与由太阳光度计给出的PW的均方根差少至2.68mm。
图4A和图4B是示出根据实施方案的红外传感器可如何用作云检测器或用作湿度传感器以检测雨的曲线图。参考图4A中的图示使用的云检测器包括用于检测云的红外传感器。如图所示，基于所测量的波长在特定范围内的红外辐射的高水平来确定阴天条件，并且基于所测量的红外辐射的较低水平来确定多云条件。参考图4B中的图示使用的云检测器包括用于检测雨的湿度传感器。如图所示，基于所测量的湿度的高水平来确定多雨条件，并且基于所测量的湿度的较低水平来确定湿润条件。
图5是示出根据实施方案的辐射计、高温计、地面辐射强度计或红外温度计可以用作云检测器中的感测元件以测量来自云的热辐射的图。如图所示，在实施方案的云检测器中，来自这些感测元件的热辐射测量值可用于检测云覆盖。
图6是示出来自太阳的可见光和来自地面的红外辐射被云吸收且然后重新发射这种辐射的周期的图。关于来自地面的辐射的波长的细节的讨论和使用基于地面的系统测量所述波长的方法可以在www.kippzonen.com处，更具体地在http://www.kippzonen.com/Knowledge-Center/Theoretical-info/Solar-Radiation处找到，它们以引用方式并入本 说明书。
图7是根据实施方案的使用包括热电堆红外传感器的云检测器所得的结果的曲线图。热电堆IR传感器指向最高点。如图所示，热电堆红外传感器在天空的约120°的视场上整合辐射。清晰的天空视图可为重要的，因为地面物体可能导致寄生红外辐射。实际上，由热电堆传感器测量两个区，每个区具有大约90°的视场。图7示出与这两个区相关联的两个曲线。
使用红外温度计的实施方案的云检测器可以具有一个或多个技术优点。一个优点是可商购获得的红外温度计通常是便宜的。另一个优点是红外温度计不需要冷却系统和定制的电子器件，并且可以是紧凑形式，诸如呈电池供电的手持式仪器的形式。使用红外温度计的另一个优点是它不需要单独测量环境温度，因为红外温度计包括校正环境温度变化的温度补偿电路。这通常通过采用2元件检测器来实现，一个元件与正监测的红外辐射源隔离，并且另一个元件暴露于红外辐射源。
红外感测元件的一些实例是CCD、CMOS、分光辐射度计、热电堆、日射强度计(pyronometer)等的元件。
第IV章：确定云状态的方法
在某些实施方案中，云检测器包括从不同视场测量云的可检测特性的一个或多个检测器模块。在一些情况下，云检测器可以包括多个检测器模块，每个检测器模块瞄准天空的不同区域。在其他情况下，单个检测器模块可以随着时间在天空的不同区域上进行扫描。通过观察天空的不同区域，云检测器可以测量远离建筑物的不同距离处的云的可检测特性。
在一个实施方案中，云检测器可以使用来自太阳能计算器或开源程序辐射率的预测来确定远离建筑物的不同距离处的晴天的预期辐照度水平。然后，云检测器可以测量不同距离处的实际辐照度水平。通过比较这些值，云检测器可以检测在距建筑物的各种距离处的云覆盖。由云检测器获取的测量值也可以用于映射天空。由云检测器做出的确定可以用于确定建筑物控制系统决策。例如，从每个检测器模块确定的数据可以用于确定是否对建筑物中的特定光学可切换窗或窗区进行着色。
通过将来自云检测器的输出用作用于控制建筑物系统的输入，可以基于实际辐射(例如，反射辐射，诸如来自附近建筑物的反射)和变化的环境来控制这些建筑物系统。在一个实施方案中，用于控制建筑物系统的逻辑可以包括来自云检测器的输入和使用测距仪来映射附近障碍物(如建筑物、树木、山脉等)的阴影映射。
在某些实施方案中，来自两个检测器模块的测量值可以用作输入以便针对一个或多个建筑物系统做出决策。例如，来自两个检测器模块的测量值可以用于做出着色决策，诸如改变光学可切换窗中的着色状态(增加、减少、清除)或不改变着色状态。第一个近检测器模块观察最接近建筑物的天空。第二远检测器模块观察更远离建筑物的天空。第一近检测器可以例如查看距建筑物一定距离处的天空区域，使得基于参考窗(例如，平均窗或最大窗)的着色时间，检测到的平均云大约为单个转变时间结束。如果第一检测器模块确定在这个近距离处没有云并且太阳强度足够高(例如，大于阈值)，则可以确定对窗进行着色。然而，如果第一检测器模块确定在这个近距离处存在云并且太阳强度足够低(例如，低于阈值)，则可以确定清除窗。这些控制决策将保持，直到查看远离建筑物的远距离(4x，3x等)处的天空的第二检测器模块检测到云。如果第二检测器模块和第一检测器模块都检测到云，则窗将被清除。如果在建筑物上方将存在云/缺少云持续从一种着色状态到另一种着色状态的时间量，则基于期望选择远距离以避免改变着色状态。
参考图1A、图1B、图1C和图1D中所示的云检测器，例如，来自近检测器模块和远检测器模块的云检测器测量值可以用作电致变色窗控制逻辑的输入，以做出着色决策。如果近检测器模块和远检测器模块都检测到云，则窗控制逻辑可以选择相应地改变着色水平。如果窗已经是无色的，则没有着色变化。如果窗是无色的，则控制逻辑将清除窗。如果第二远检测器模块检测到云并且第一近检测器模块没有检测到云(即，建筑物附近的晴空)并且云检测器测量到云的方向无变化，则控制逻辑可以决定保持当前的着色水平(无着色变化)。云的方向的变化可以通过根据在多个采样时间获取的测量值监测云移动来确定。在另一种情景下，近检测器模块可能检测到云，并且远检测器模块可能没有检测到云。如果在远模块处首次检测到云的时间与在近模块处检测到云的时间之间的时间段短于转变时间，则不改变着色水平。如果在远模块处首次检测到云的时间与在近模块处检测到云的时间之间的时间段比转变时间长某个倍数(例如，4x)，则改变该着色水平。
通过使用具有距建筑物的不同范围的特定视场，并且从传感器测量值或从来自太阳能计算器或开放源辐照度的预测值了解各个视场中的太阳辐照度，数据可以用于示出在距建筑物的各种范围/距离处的云，以便基于关于每个检测器以及其对应的天空视场的表而映射天空或具有简单的继续/终止。
在一些实施方案中，来自云检测器的云确定和强度测量值可以用于映射云或建筑物上的太阳的反射。在这些情况下，云的位置可以映射到建筑物，并且只有受云或反射影响的窗可以相应地着色。代替获得云的一般位置，如果它们在建筑物的30分钟路程内，并且还有在建筑物的1小时路程内的云，则我们将进行着色，在一小时内，在建筑物的30分钟路程内没有云，则我们将进行清除。
尽管可以参考光学可切换窗来描述本文所述的许多实施方案，但是可以使用其他可控元件(例如，机械遮光器，太阳能阵列定向跟踪器)。
-云状态确定方法的示例性流程图。
图9是根据实施方案的用于确定云状态的方法的流程图。在操作910处，该方法使用云检测器系统来测量来自天空的两个或更多个区域的传感器数据。云检测器系统包括至少一个检测器模块，其具有封闭传感器以限制传感器的视场的管。根据云检测器系统的配置，所述云检测器系统可以在一个或多个采样时间测量传感器数据。例如，具有在同一时间瞄准天空的不同区域的第一近检测器模块和第二远检测器模块的配置中的云检测器系统可以在单个时间对数据进行采样。在另一个实例中，具有被移动以瞄准天空的两个区域的单个检测器模块的云检测器系统可以在两个采样时间对数据进行采样。作为另一个实例，具有检测器模块阵列的云检测器系统可以在单个采样时间对数据进行采样。
任选地(由虚线表示)在操作920处，云检测器系统可以生成天气条件或预报数据，或者可以从外部源(诸如天气预报服务或卫星馈送)接收这种数据。
在操作930处，云检测器系统确定在天空的两个或更多个区域中的每一个处是否存在云覆盖。例如，云检测器系统可以确定传感器数据(例如，红外辐射强度、可见光强度等)是否测量到高于最小阈值的强度值。在一个方面中，最小阈值为10瓦/平方米。在另一个方面中，最小阈值为50瓦/平方米。在另一个方面中，最小阈值为100瓦/平方米。如果高于最小阈值，则云检测器系统确定在所述区域处存在云覆盖。
在操作940处，云检测器系统基于传感器数据和/或天气条件数据来对云覆盖(或缺少云覆盖)进行分类。例如，如果在操作930中确定天空的两个区域都是多云的，则云检测器系统可以确定阴天条件的云状态。作为另一个实例，如果确定远处区域为多云的并且邻近建筑物的区域为晴朗的，则云检测器系统可以确定即将来临的多云条件。如果远处的区域是晴朗的并且邻近建筑物的区域是多云的，则云检测器系统可以确定即将来临的晴朗条件。在另一个实例中，云检测器系统可以使用例如图10中的图表所示的分类系统，基于传感器数据和/或天气数据，利用云分类和天气条件来确定云状态。
在操作性操作950处，云检测器系统将云分类发送到控制系统。在一些情况下，控制系统可以是云检测器系统的一部分。
V.云检测器系统的扩展
在一个实施方案中，云检测器系统可以将云覆盖输出与来自激光器、声纳或其他类型的测距仪的信息耦合，以进一步映射建筑物和所产生的阴影以便对大气变化作出更具体的响应。在一个实施方案中，云检测器可以进一步被配置成映射太阳和/或月亮的位置。在这种情况下，来自云检测器的数据可以用于替换来自太阳能计算器的数据或除来自太阳能计算器的数据之外使用。
B部分-云覆盖的表征
在某些方面中，云检测器系统可以提供云覆盖状态的实时确定和/或预测，例如，根据表征云覆盖的光学密度、大小(如果有的话)、与建筑物的距离、云的速度以及云覆盖的一致性(例如，天空一半多云，完全多云等)。云覆盖的一致性可以基于云的覆盖密度和/或不透光性。
在某些方面中，云检测器系统可以使用来自其传感器和/或卫星图像的数据来确定/预测云状态。云状态可以用作建筑物控制系统或其他控制系统中的输入。例如，云状态可以用于确定建筑物中的电致变色窗的着色决策。在一种情况下，云特性的某些值可对应于某一着色决策。尽管本文的某些实例中将云状态描述为与控制电致变色窗中的着色决策有关，但是其他建筑物控制系统可以受益于由云状态进行控制，例如建筑物中的机械遮光系统或天文台圆顶上的用于保护设备的自动门。此外，其他控制系统可以使用云状态数据，诸如太阳能电池板阵列控制系统等。
在某些情况下，预测/确定的云状态可以用作用于控制建筑物系统的逻辑的输入，诸如采用太阳能计算器的预测逻辑和/或其他晴空辐照度预测逻辑。例如，可以使用“大部分多云”云状态云的确定来超控基于来自太阳能计算器或其他晴空辐照度预测逻辑的晴空预测的决策。在2015年5月7日提交的且标题为“CONTROL METHOD FOR TINTABLE WINDOWS”的PCT申请PCT/US15/29675中描述了具有采用太阳能计算器的窗控制逻辑的系统的实例，所述申请以引用方式整体并入本文。
如以上提及的，某些方面的云检测器系统根据以下参数来确定和/或预测云状态：诸如光学密度、大小(如果有的话)、与建筑物的距离、云的速度和云覆盖的一致性。在一些情况下，还可以确定其他参数，诸如一片或多片云的高度、几何形状和组成。在一种情况下，云检测器系统可以基于所测量的云的密度/不透光性来确定覆盖的一致性。
在某些方面中，云检测器系统可以使用来自现有传感器和/或卫星图像的数据或其他天气预报数据来确定云状态。
在一些情况下，云状态包括云一致性分类和/或天气预报，诸如雨、雪、雨夹雪、晴朗或其他天气条件。图10是示出根据实施方案的八个云一致性分类1020和天气预报修改器1030的实例的图表。
在图10所示的图表中，云覆盖一致性通过在从1(最少多云)到8(天空完全布满云，即阴天)的范围内的云覆盖量来分类。这个图表还具有用于雨和晴朗天气条件的天气预报分类修改器9和10。云检测器系统可以例如基于天气预报数据来确定天气条件。在某些情况下，云覆盖一致性的这些水平可以基于云覆盖的密度/不透光性的值或值的范围。在使用图10所示的分类的操作方法中，云检测器系统将使用其传感器测量值和/或其他天气预报数据(例如，卫星数据)来确定云一致性和/或雨或晴朗的概率。云检测器系统然后将确定相关联的云分类和/或雨或晴朗的天气预报修改器。
在某些方面中，由云检测器系统确定的云状态参数可以用作控制建筑物系统或其他控制系统的预测逻辑的输入。在一些情况下，云状态参数的输出值的某些组合映射到某些控制决策。例如，图10所示的为8(完全布满云)的云覆盖一致性值可对应于将“清除”建筑物中的电致变色窗的着色决策。在另一个实例中，云覆盖一致性值高于图10中所示的某个值(例如，大于4)可以超控当前着色决策并降低着色状态(例如，超控决策以清除)。在另一个实例中，低于图10中所示的某一云分类(例如，低于3)的云覆盖一致性值可以维持当前着色状态。在另一个实例中，9的天气预报修改器可以对应于关闭观测台圆顶以保护其设备免受即将来临的雨的控制决策。
如以上各种实例中提及的，确定/预测的云状态参数可以用作用于控制建筑物系统(诸如电致变色窗控制系统)的逻辑的输入。例如，可以使用“低置的云/雾”的云分类作为输入，以确定电致变色窗中的着色水平应当保持在其当前低水平，并且应当建立备用警报以便针对可能的快速晴朗/阳光以改变着色水平。作为另一个实例，“大致阴天，高的束状云，模糊且具有低光水平”的云分类可以用作用于控制电致变色窗中的着色水平的逻辑的输入。如果云清除而露出太阳，则逻辑将增加着色水平，但是当在预期另一个清除时云返回时，将延迟返回到较低着色水平。作为另一个实例，“在大致晴天时，大朵白色蓬松的间歇性云”的云类别可以用作用于控制电致变色窗中的着色水平的逻辑的输入。在这种情况下，取决于偏置设置，窗控制逻辑将延迟清除窗，预期蓬松的云是间歇性的，并且将很快返回到阳光条件。作为另一个实例，“前方有黑暗浓厚的云，低压系统，暴风云来临”的云类别可以用作用于控制电致变色窗中的着色水平的逻辑的输入。在这个实例中，控制逻辑将降低着色水平，因为云类别将保持延长的时间段。
在一些实施方案中，云检测器系统可以预测雪天气条件。雪条件可能由于雪的反射而在建筑物的窗上引起广角炫光。在一个实例中，建筑物的窗和加热控制系统可以使用来自云检测器系统的雪天气条件的指示，以调节进入建筑物的窗的眩光和/或调节建筑物中的热负荷。
-天气预报数据的来源
根据某些方面，云检测器系统可以确定可以基于来自一个或多个源的数据的包括天气预报数据的云状态。以下讨论这些来源的一些实例。
1.来自预报服务的天气预测。例如，天气预报服务可以提供在特定时间/日期预报降雨或晴空的数据。
2.卫星图像“向下看”数据显示云和云演变和移动的历史。可以根据红外和/或可见波长提供卫星图像数据，以允许云检测器系统确定云密度和将被传输云的地外辐射的量。
3.传感器“查找”来自云检测器系统的传感器或者在建筑物处或附近的其他传感器的数据。
4.高海拔雷达也可以提供天气数据。这种系统的实例可以在http://har.gsfc.nasa.gov处找到。4.天气数据的其他来源可以是来自诸如分光辐射度计、日射强度计、数字相机天空成像器、太阳能电池板系统和光纤云高计的装置。
C部分-太阳能电池板生成数据
在某些建筑物位置中，可能存在将太阳辐射转换成电能或热能的附近的太阳能电池板。在任何给定时间由一组一个或多个太阳能电池板生成的电能的水平可以由云检测器系统用来确定当前太阳辐照度水平和/或确定/预测云状态。当与太阳能设备容量或历史输出参数进行比较时，实时的太阳能电池板生成数据用作通过专用太阳辐射传感器获得的直接日照曝光测量值的替代品。也就是说，小于由太阳能电池板生成的最大电能可以指示云覆盖。
例如，云检测器系统可以基于以下报告来确定晴空条件：电能生成接近或满足季节性最大或设计容量。基于晴空条件(例如，使用太阳能计算器)做出决策的建筑物系统控制逻辑将从云检测器系统接收这种晴空指示。这种晴空指示意味着超控基于晴空的当前决策是不必要的。然而，如果报告的电能生成减少到设计或季节性最大值以下，则可能的情况是天空是多云的。在这种情况下，可以将多云天空的这种指示输入到建筑物系统控制逻辑，以超控基于晴空条件的决策。在一种情况下，云检测器系统可以使用局部或区域太阳能电池板能量生成数据来确定太阳辐照度读数和/或云状态，而不是使用它自己的传感器数据。
这种系统的技术优点在于，其可能够消除在建筑物处安装、整合和调试传感器的需要。由于建筑物传感器有时独立于其他建筑物系统而安装，所以传感器可能在延长的操作期间遭受未诊断出的故障或未诊断出的漂移。消除建筑传感器可以提高云检测器系统的可靠性，并且降低传感器及其支持设备的安装、操作和维护成本。
应当理解，如上所述的本发明可以以模块化或集成方式使用计算机软件的控制逻辑的形式来实现。基于本文提供的公开和教导，本领域的普通技术人员将了解和理解使用硬件以及硬件和软件的组合来实现本发明的其他方式和/或方法。
在本申请中描述的任何软件组件或功能可以实现为由处理器使用任何合适的计算机语言(例如，Java，C++或Perl)、使用例如常规的或面向对象的技术来执行的软件代码。软件代码可以存储为计算机可读介质上的一系列指令或命令，所述计算机可读介质诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁介质(诸如硬盘驱动器或软盘)或光学介质(诸如CD-ROM)。任何这样的计算机可读介质可以驻留在单个计算设备上或内，并且可以存在于系统或网络内的不同计算设备上或内。
尽管已经相当详细地描述了前述公开的实施方案以便于理解，但是所描述的实施方案应当被认为是说明性的而非限制性的。对于本领域的普通技术人员明显的是，在所附权利要求书的范围内可以实践某些变化和修改。
在不脱离本公开的范围的情况下，来自任何实施方案的一个或多个特征可以与任何其他实施方案的一个或多个特征进行组合。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对任何实施方案进行修改、添加或省略。在不脱离本公开的范围的情况下，可以根据特定需要来整合或分离任何实施方案的组件。

Claims (1)

1.一种云检测器，其包括：
近检测器模块，所述近检测器模块指向天空的第一区域，所述近检测器模块包括管和位于所述管内的一个或多个感测元件，其中所述一个或多个感测元件被配置成从天空的所述第一区域获取天气条件读数；以及
远检测器模块，所述远检测器模块指向天空的第二区域，其中所述第二区域比所述第一区域距建筑物远，所述远检测器模块包括管和位于所述管内的一个或多个感测元件，其中所述一个或多个感测元件被配置成从天空的所述第二区域获取天气条件读数。
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