DE10043525A1

DE10043525A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachstellung einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand

Info

Publication number: DE10043525A1
Application number: DE10043525A
Authority: DE
Inventors: Artur Deger
Original assignee: Artur Deger
Current assignee: KORKMAZ, HUENKAR, DE
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: DE10043525B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Nachstellen einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand, wobei als Sensoren für die Erfassung der notwendigen Drehrichtung Solarzellen verwendet werden. Des weiteren ist ein Speicher vorgesehen, bei dem geringe von der Solaranlage gelieferte Energie aufgrund beispielsweise von Streulicht gespeichert wird. Bei Erreichen eines Schwellwertes wird mit dieser gespeicherten Energie die Drehbewegung der Solaranlage bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachstellen einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Nachstellen einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Es ist allgemein bekannt, dass zur Erhöhung der Effektivität von Solaranlagen die Sonnenkollektoren der Solaranlage dem aktuellen Sonnenstand nachgeführt werden müssen. Nach Untergang der Sonne befindet sich die Solaranlage in der Endstellung und muss nach Sonnenaufgang am nächsten Tag wieder in Sonnen richtung zurückgedreht werden. Hierzu ist aus der DE 297 07 201 ein Sensor bekannt, der mit 4 lichtempfindlichen Sensoren ausgerüstet ist, die mittels einer Regelelektronik die Nachführung dem Sonnenstand entsprechend steuern. Dazu weist der Sensorkopf einen Sensor auf, der entsprechend der Rückseite der Solaranlage orientiert ist, und 3 Sensoren, die entsprechend der aktiven Kollektorfläche der Solaranlage orientiert sind. Der Sensorkopf dreht sich mit der Solaranlage mit. Von den 3 vorderen Sensoren, die im Wesentlichen in einer Reihe angeordnet sind, sind die beiden äußeren leicht nach außen von dem mittleren weggedreht und dienen dazu, während des Tagesverlaufes die Nachführung entsprechend auszulösen. Die Regelung erfolgt derart, dass bei einer Differenz zwischen diesen beiden äußeren Messfühlern die Nachführung der Solaranlage ausgelöst wird. Die Energie, zumindest für die Rückführung der Solaranlage, wird durch eine entsprechende Speicherzelle (Akkumulator) zur Verfügung gestellt, der tagsüber mit dem vom der Solaranlage gelieferten Solarstrom aufgeladen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der eine verbesserte und genauere Rück- und Nachführung möglich ist, wobei insbesondere zur Rückführung kein Energiespeicher erforderlich ist, der am Vortag mit Solarstrom aus der Solaranlage aufgeladen wurde.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils den diesbezüglich rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß dem Verfahren wird die von der Solaranlage gelieferte Energie (Streulicht) in einem Energiespeicher solange gespeichert, bis sie für eine erste Drehbewegung der Solaranlage ausreicht. Dann wird bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes die Solaranlage aufgrund der von den Sensoren in Form von Solarzellen gelieferten Information solange vor- oder zurückgedreht, bis der Energiespeicher leer ist. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die aktive Fläche der Solaranlage der hellsten Stelle zugewandt ist. Normalerweise erfolgt zuerst ein Zurückdrehen und dann ein Nachführen im Tagesverlauf. Aufgrund von Bewölkung können sich jedoch auch andere Ausgangsstellungen ergeben. Die Nachführung im Tagesverlauf erfolgt entsprechend in der bekannten Art und Weise, wobei hier jedoch auch zur Nachführung die von der Solaranlage direkt zur Verfügung gestellte Energie verwendet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung wird die von der Solaranlage im Morgengrauen gelieferte Energie gespeichert, solange sie nicht den Wert von 1 W übersteigt. Diese Energie wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem Kondensator gespeichert, der in der Nähe der Sensoren angeordnet ist und je nach Größe und Stromaufnahme der zu bedienenden Stellmotoren ausgelegt wird.

Die Rückstellung wird bei Erreichen einer definierten Kondensatorspannung von eingeleitet.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit von dem zur Verfügung gestellten Strom die (Sensor)Solarzelle ausgewählt, die die höchste Intensität liefert und die Solaranlage gedreht. Dabei hängt die Genauigkeit der Nachführung nicht von der Beleuchtungsstärke ab. Zusätzlich wird bei zunehmender Dunkelheit und damit kleineren Strömen die Nachregelgenauigkeit gesteigert, in dem die Regelgenauigkeit von einer logarithmischen Abhängigkeit auf eine lineare Abhängigkeit gewechselt wird. Durch die Auswertung des von der Solarzelle gelieferten Stromes ist eine genaue und optimale Ausrichtung auf die Richtung mit der höchsten Intensität möglich. Daran mangelt es bei den im Augenblick angebotenen Sensoreinrichtungen für die Nachführung.

Durch Anbringen einer zweiten Vorrichtung kann das Verfahren auch zur (gleichzeitigen) Steuerung der Solaranlage sowohl in der Azimutachse (Ost/Westrichtung) als auch zur Steuerung in der Elevationsachse verwendet werden.

Gemäß der Vorrichtung sind die Sensoren als Solarzellen ausgebildet, und mindestens die Solarzelle auf der Rückseite der Solaranlage ist an einen austauschbaren Kondensator als Zwischenspeicher für eine damit verbundene Motorsteuerung verbunden. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung eine Speichereinrichtung und eine Auswerteeinrichtung, die einerseits mit den aktiven Solarzellen der Solaranlage und andererseits mit der Motorsteuerung verbunden ist, wobei die Auswerteeinrichtung bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes die Motorsteuereinrichtung zur Ansteuerung des Motors veranlasst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher als Kondensator ausgebildet, der in einer Halteeinrichtung auswechselbar angeschlossen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die 3 Solarzellen derart angeordnet, dass sie 3 Seiten einer dreiseitigen Pyramide bilden.

Um eine optimale Ausrichtung auf die Richtung der höchsten Sonnenintensität zu erreichen, ist die Auswerteeinrichtung und deren Schaltung in einer bevorzugten Art und Weise mit den Solarzellen verbunden, um in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke bei zunehmender Dunkelheit die Nachregelgenauigkeit zu steigern.

Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung ist es somit möglich, eine autarke Rückführung ohne die Verwendung zusätzlicher Energiequellen durchzuführen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine Detektoreinrichtung;

Fig. 2 ein prinzipielles Blockschaltbild der Anordnung der einzelnen Steuerelemente, und

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild der Detektorsteuerung, insbesondere der Auswahleinrichtung.

Aus der Draufsicht in Fig. 1 ist eine Detektorvorrichtung 4 in Form einer dreiseitigen Pyramide dargestellt mit der Rückseite 1, der linken Seite 2 und der rechten Seite 3. Auf jeder Seite befindet sich eine Solarzellenfläche, deren aufgenommene Energie zur Steuerung des Motors für die Solaranlage liefert. Je nach dem, welche Solarzellenflächen die meiste Intensität (Strom) liefert, wird die Solaranlage in diese Richtung gedreht. Die Detektorvorrichtung 4 wird auf der drehbaren Solaranlage montiert und dreht sich mit der Kollektorfläche mit. Solange die Rückseite 1 oder die linke Seite 2 die höchste Intensität liefert, bewegt sich die Solaranlage nach links und wenn die rechte Seite 3 die höchste Intensität liefert nach rechts. Selbstverständlich können noch mehr Kollektorflächen vorgesehen sein, so dass sich ein vielflächiger Körper ergibt.

Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild mit einer Detektorsteuerung 5, an die die 3 Solarzellen 1, 2, 3 zur Feststellung der Drehrichtung angeschlossen sind. Die Detektorsteuerung 5 zusammen mit den Solarzellen 1, 2 und 3 stellen die Detektorvorrichtung 4 gemäß Fig. 1 dar. An die Detektorsteuerung 5 ist die Kollektorfläche 6 angeschlossen, die einerseits einen nicht dargestellten Anschluss zur Netzeinspeisung aufweist und andererseits mit einem parallel geschalteten Speicher 9 verbunden ist. Je nachdem speist die Kollektorfläche 6 entweder den Speicher 9 oder direkt den mit der Detektorsteuerung 5 verbundenen Motor 7, um eine Drehung der Kollektorfläche 6 entsprechend dem aktuellen Sonnenstand zu bewirken. Die Detektorsteuerung 5 umfasst eine Auswerteeinrichtung 8 und eine Motorsteuerung 10. Die Auswerteeinrichtung 8 ist einerseits mit den Solarzellen 1, 2 und 3 für die Feststellung der Drehrichtung und andererseits mit dem Speicher 9 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 8 überprüft die Spannung an dem Speicher 9 und liefert bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes ein Signal an die Motorsteuerung 10, um diese zu veranlassen, den Motor 7 zu bewegen. Die Drehrichtung ist dabei abhängig davon, welche der drei Solarzellen 1, 2 oder 3 die höchste Intensität liefert. Bei Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Spannung am Speicher 9 wird der Motor 7 angehalten. Als Speicher kann ein Kondensator verschiedener Größen verwendet werden. Der Speicher selbst ist als auswechselbares Element ausgebildet, um die Größe an den Bedarf anzupassen.

Um eine sichere und genaue Nachführung zu gewährleisten, wird der von den Solarzellen 1, 2 oder 3 zur Verfügung gestellte Strom, der direkt proportional zu der Sonnenintensität ist, ausgewertet. Fig. 3 zeigt die genauere Ausbildung der Detektorsteuerung 5 mit dem Speicher 9 und dem Motor 7. Die Auswerteein richtung umfasst einen Differenzverstärker V, an dessen einen Eingang die Parallelschaltung aus der rechten Seite der zugeordneten Solarzelle 3 mit einem in Reihe geschalteten Widerstand RS und der Reinschaltung aus der der Rückseite zugeordneten Solarzelle 1 und der der linken Seite zugeordneten Solarzelle 2 mit jeweils parallel dazu geschalteten Dioden D1 und D2 angelegt ist. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers V ist mit dem Punkt zwischen dem Widerstand RS und der Solarzelle 3 verbunden. Beide Eingänge des Differenzverstärkers V sind über die Diode D3 mit Masse verbunden. Der Differenzverstärkers V besitzt an seinen beiden Eingängen einen Innenwiderstand RI gegen Masse. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit einer Logikschaltung L verbunden und deren Ausgänge R und I entsprechende Steuersignale für den Rechts- bzw. Linkslauf an die Motorsteuerung 10 abgeben. Sowohl der Differenzverstärker V als auch die Logik L sind mit einem Hysteresediskriminator 11 verbunden, an dem die Spannung des Speichers 9 anliegt.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, sind die beiden Solarzellen 1, 2, die beide für die Rückführung benötigt werden, in Reihe geschaltet. In dieser Beschaltung würde die Zelle mit dem kleinsten Photostrom dominant sein. Durch die Hinzunahme der Dioden D1 und D2 dominiert die Zelle mit dem größten Photostrom. Damit ist gewährleistet, dass nur die eine oder andere Zelle wirkt. Die Solarzelle 3 ist für den Rechtslauf erforderlich. Alle 3 Zellen sind in einem gleichseitigen Dreieck, wie in der Fig. 1 dargestellt, angeordnet. Diese Anordnung erhöht den Fangbereich der Nachführung und reduziert den Fehlwinkel deutlich.

Für die Auswertung wird lediglich der Differenzstrom von 2 Zellen benötigt. Dies ist einerseits der Strom von der Solarzelle 3 und die stärkste der Solarzellen 1 oder 2. Für die Nachführung ist lediglich der relative Unterschied der beiden Ströme dieser Solarzellen 1 bzw. 2 (links) oder 3 (rechts) von Bedeutung, d. h. ΔI/I. Durch eine Diode lässt sich der Strom in eine Spannung mit logarithmischer Abhängigkeit umsetzen. Es gilt:

Wie aus 2. zu erkennen ist, hängt ΔU nur vom Verhältnis der beiden Ströme ab. Damit ist die Genauigkeit der Nachführung nicht von der Beleuchtungsstärke abhängig. Die Konstanten a und b sind durch die Diode D3 bestimmt. Der Innenwiderstand des Differenzverstärkers RI bewirkt einen Übergang von der logarithmischen Abhängigkeit in eine lineare für kleine Ströme: Im Grenzfall gilt:

ΔU = Ri(I_links - I_rechts) 3.

Bei dieser Abhängigkeit nimmt ΔU einen sehr viel größeren Wert an als bei der logarithmischen. Dies führt zu einer Steigerung der nach Regelgenauigkeit bei zunehmender Dunkelheit. Wird die Differenzspannung zusätzlich mit RS belastet, dann nimmt die Differenzspannung bei kleinerwerdendem Strom wieder ab. Durch geschicktes Dimensionieren von RI und RS kann die Abschaltschwelle hervorragend in die Dämmerung gelegt werden. Eine Anpassung der Schaltung ist nicht nur für die Beleuchtungsstärke sondern auch für die verwendeten Solarzellen erforderlich.

Die Logik L ermittelt die Drehrichtung des Motors 7 bzw. stellt fest, ob er sich überhaupt drehen muss. Die Realisierung ist über einen Fensterdiskriminator D mit Hysterese ausgefüllt. Damit wird gewährleistet, dass der Motor 7 nicht ständig am hin- und herdrehen ist, sondern nach Erreichen einer vorgegebenen Fehlstellung eine Korrektur vornimmt, bei der die Ausrichtung auf nahe null Fehler korrigiert wird.

Die Motorsteuerung 10 fasst eine MOSFET-Brückenschaltung, die den Motor ansteuert. Diese Schaltung zeichnet sich durch sehr niedrige Einschaltwiderstände aus. Um eine Überlastung des Motors 7 sowie der Brückenschaltung zu verhindern, ist noch ein Strombegrenzer 12 eingebaut. Dieser Begrenzer 12 arbeitet dynamisch, d. h. bei Überlastung versucht er immer wieder den Motor zu starten. Die Grenze liegt in dem Ausführungsbeispiel bei 4 A.

Die interne Spannungsversorgung zeichnet sich dadurch aus, dass sie das System erst nach Erreichen einer für den ordnungsgemäßen Betrieb notwendigen Spannung einschaltet. Im ausgeschalteten Zustand liegt der Versorgungsstrom unter 1 µar und stellt somit keine Belastung dar. Die Stromaufnahme der Steuerung liegt bei circa 1 mA. Bricht die Spannung wieder zusammen, so wird das System erst nach Unterschreiten der Abschaltspannung wieder inaktiv. Diese Arbeitsweise macht eine einfache und kostengünstige, auf Elektrolytkondensatoren basierende, solargespeiste Spannungsversorgung möglich.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Rückstellung bei Erreichen einer Kondensatorspannung von 5 bis 6 Volt eingeleitet. Je nach Größe des Kondensators ergibt diese eine ausreichende Energie für einen gewissen Drehwinkel.

Claims

1. Verfahren zum Nachstellen einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand, bei dem die Solaranlage in der Endstellung vom Vortag bei Sonnenaufgang auf die hellste Stelle zurückgestellt wird, um dann dem täglichen Sonnenverlauf zu folgen und bei Bewölkung ständig die Stellung, aus welcher am meisten Globalstrahlung kommt, einzunehmen, indem mittels Sensoren die Bewegung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die von der Solaranlage (6) gelieferte Energie in einem Energiespeicher (9) solange gespeichert wird, bis sie für eine erste Drehbewegung der Solaranlage (6) ausreicht,
bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes die Solaranlage zurückge dreht wird, bis ein vorgebbarer Schwellwert unterschritten wird, und
der Vorgang solange wiederholt wird, bis die aktive Fläche der Solar anlage (6) der hellsten Stelle zugewandt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert so gewählt wird, dass nur die Energie kleiner 1 W gesammelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie in einem Kondensator gespeichert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung bei Erreichen einer definierten Kondensatorspannung eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem zur Verfügung gestellten Strom die Solarzelle (1, 2, 3) ausgewählt wird, die die höchste Intensität liefert und die Solaranlage (6) entsprechend gedreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nachregelung der Solaranlage von einer logarithmischen Abhängigkeit bei großen Strömen auf eine lineare Abhängigkeit bei kleineren Strömen bei zunehmender Dunkelheit gewechselt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage sowohl in der Azimutachse als auch in der Elevationsachse verstellt wird.

8. Steuervorrichtung zum Nachstellen einer Solaranlage auf den aktuellen Sonnenstand mit mindestens zwei den Sonnenkollektoren der Solaranlage zugeordneten Sensoren, die schräg zueinander stehen, so dass deren Wirkungsflächen divergieren, für die Nachführung der Solaranlage entsprechend dem Sonnenstand und mindestens einem der Rückseite der Solaranlage zugeordneten Sensor für die Rückstellung der Solaranlage, eine damit verbundene Detektoreinrichtung für die Drehrichtung und einer Motorsteuerung zum Steuern des Motors für die Bewegung der Solaranlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (4) eine Auswerteeinrichtung (8) umfasst, die die Spannung an einem von den Sonnenkollektoren (6) aufladbaren Speicher (9) abgreift und bei Erreichen eines oberen Schwellwertes über die Motorsteuerung (10) eine Drehung und bei Unterschreitung ein Anhalten veranlasst und dass als Sensoren Solarzellen (1, 2, 3) für die Bestimmung der Drehrichtung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (9) als Kondensator ausgebildet ist, der in einer Haltevorrichtung auswechselbar angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass 3 Solarzellen verwendet werden, die die 3 Seiten einer dreiseitigen Pyramide bilden.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1, 2, 3) mit der Auswerteeinrichtung (8) und deren internen Schaltung derart elektrisch verbunden ist, dass:
die der Rückseite zugeordnete Solarzelle (1) und die der linken Seite zugeordnete Solarzelle (2) in Reihe und die der rechten Seite zugeordnete Solarzelle (3) dazu parallel geschaltet und gemeinsam an den ersten Eingang eines Differenzverstärkers gelegt sind,
zu den in Reihe geschalteten Solarzellen (1, 2) jeweils eine Diode (D1, D2) parallel geschaltet ist,
zu der dritten Solarzelle (3) ein Widerstand (RS) in Reihe geschaltet und der Punkt zwischen dem Widerstand (RS) und der Solarzelle (3) an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers (V) gelegt ist, und zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers (V) und der Masse jeweils eine Diode (D3) geschaltet ist.