DE10059723A1 - Sensor zur Erfassung des Sonnenstandes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensor zur Erfassung des Sonnenstandes, insbesondere für Sonnenstandsnachführeinrichtungen von Solarmodulen, beschrieben. Der Sensor umfaßt einen Unterbau, eine auf dem Unterbau angeordnete Trenneinrichtung, die den Raum über dem Unterbau in mehrere oben und seitlich offene Abteile unterteilt, wobei in jedem Abteil mindestens eine Lichtempfangseinrichtung angeordnet ist, die Licht in elektrischen Strom umwandelt, sowie an die Lichtempfangseinrichtungen angeschlossene und zu einer Steuer/Auswerte/Anzeigeeinheit führende elektrische Leitungen. Der Sensor ist einfach und kompakt ausgebildet und bewirkt eine besonders genaue Erfassung des Sonnenabstandes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfas­ sung des Sonnenstandes, insbesondere für Sonnenstandsnach­ führeinrichtungen von Solarmodulen.

Es ist bekannt, daß Solarmodule (Einrichtungen zur Umwand­ lung von Sonnenlicht in elektrischen Strom) ihre optimale Leistung erbringen, wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Modulebene (Paneelebene) auftreffen. Bei stationär an­ geordneten Solarmodulen ist dies bei dem sich relativ hier­ zu verändernden Sonnenstand, wenn überhaupt, nur kurzzeitig der Fall. Diese stationär angeordneten Solarmodule erbrin­ gen daher keine optimale Leistung.

Um die Leistung dieser Solarmodule zu verbessern, hat man bereits vorgeschlagen, den Solarmodul so zu bewegen, daß immer ein optimaler Einfallswinkel der Sonnenstrahlen gege­ ben ist. Mit anderen Worten, der Solarmodul wird so bewegt, daß die Sonnenstrahlen möglichst senkrecht auf seine Ebene auftreffen. Hierzu wurden entsprechende Sonnenstandsnach­ führeinrichtungen entwickelt. Diese selbsttätig operieren­ den Einrichtungen besitzen einen Sensor, der den Stand der Sonne erfaßt, sowie Antriebe, die eine Drehbewegung und/­ oder Schwenkbewegung des Solarmoduls durchführen, um eine optimale Stellung des Solarmoduls relativ zur Sonne zu erreichen.

Die vorliegenden Erfindung befaßt sich mit einem Sensor zur Erfassung des Sonnenstandes, der beispielsweise in derarti­ gen Sonnenstandsnachführeinrichtungen von Solarmodulen ver­ wendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Erfassung des Sonnenstandes zu schaffen, der bei einer ein­ fachen und kompakten Bauweise eine besonders genaue Erfas­ sung des Sonnenstandes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor ge­ löst, der die folgenden Bestandteile umfaßt:
einen Unterbau,
eine auf dem Unterbau angeordnete Trenneinrichtung, die den Raum über dem Unterbau in mehrere oben und seitlich offene Abteile unterteilt,
mindestens eine Lichtempfangseinrichtung in jedem Abteil, die Licht in elektrischen Strom umwandelt, und
an die Lichtempfangseinrichtungen angeschlossene und zu einer Steuer/Auswerte/Anzeigeeinheit führende elektrische Leitungen.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Gedanken, mit der auf dem Unterbau angeordneten Trenneinrichtung eine Einrichtung vorzusehen, die in Abhängigkeit vom Sonnenstand Schatten wirft, der ein Abteil oder mehrere Abteile und so­ mit die in jedem Abteil angeordnete mindestens eine Licht­ empfangseinrichtung bedeckt. Je nach Stand der Sonne kann daher die Trenneinrichtung überhaupt keinen Schatten erzeugen, wenn die Sonne genau senkrecht über dem Sensor und da­ mit der Trenneinrichtung steht oder wenn ansonsten gleich­ mäßige Lichtbedingungen vorhanden sind, wie beispielsweise in der Nacht, bei diffusem Licht etc., oder die Trennein­ richtung kann Schatten werfen, wenn ihre Längsachse mit der dem Sonnenstand entsprechenden Achse einen Winkel bildet. In diesem Fall werden ein oder mehrere Abteile und damit die entsprechenden Lichtempfangseinrichtungen der zugehöri­ gen Abteile durch den von der Trenneinrichtung erzeugten Schatten bedeckt und erzeugen somit keine elektrischen Signale, während die anderen Abteile und zugehörigen Licht­ empfangseinrichtungen schattenfrei sind und elektrische Signale erzeugen. Die elektrischen Signale werden dann einer Steuer/Auswerte/Anzeigeeinheit zugeführt, je nachdem, welchem Zweck der erfindungsgemäße Sensor dient.

Bei einer einfachen Anordnung werden die Signale lediglich einer Anzeigeeinheit zugeführt, aus der der Benutzer bei­ spielsweise entnehmen kann, in welcher Richtung er einen zugehörigen Solarmodul manuell verstellen muß, um eine op­ timale Stellung in bezug auf den Stand der Sonne zu errei­ chen. Bildet der Sensor beispielsweise einen Teil einer selbsttätig operierenden Sonnenstandsnachführeinrichtung, so werden die Signale einer Steuereinheit zugeführt, die in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen beispielsweise einen Drehantrieb und/oder einen Schwenkantrieb betätigt, welche den Solarmodul relativ zum Sonnenstand nachführen, d. h. in eine optimale Stellung zur Sonne bringen, in der die Sonnenstrahlen etwa senkrecht auf die Solarmodulfläche (Solarpaneelfläche) auftreffen. Es versteht sich, daß die entsprechenden elektrischen Signale in geeigneter Weise ausgewertet werden, bevor sie ihre Anzeige- oder Steuer­ funktionen erfüllen.

Natürlich können die Lichtempfangseinrichtungen auch an andere Einrichtungen angeschlossen sein.

Ist der Sensor und damit die Trenneinrichtung beispiels­ weise so ausgerichtet, daß die Achse des Sensors und der Trenneinrichtung beim höchsten Stand der Sonne (zwölf Uhr mittags) genau parallel zu den Sonnenstrahlen verläuft, sind in diesem Fall bei entsprechender Sonnenbestrahlung sämtliche Lichtempfangseinrichtungen in Betrieb und zeigen den optimalen Sonnenstand an. Eine Bewegung eines entspre­ chenden Solarmoduls ist daher nicht erforderlich. Ändert sich nunmehr der Winkel der Sonneneinstrahlung relativ zur Achse des Sensors, wirft die Trenneinrichtung auf ein oder mehrere Abteile Schatten, so daß ein oder mehrere Lichtemp­ fangseinrichtungen außer Betrieb gesetzt werden, was, wie vorstehend erläutert, angezeigt wird oder zu einer Nachfüh­ rung des entsprechenden Solarmoduls führt, bis wieder die optimale Stellung erreicht ist.

Vorzugsweise unterteilt die Trenneinrichtung den Raum über dem Unterbau in vier Abteile. Sie bildet ein sogenanntes "Schattenkreuz", mit dem in bezug auf die Funktionsfähig­ keit des Sensors besonders gute Ergebnisse erzielt wurden.

Zweckmäßigerweise ist in jedem Abteil eine Lichtempfangs­ einrichtung angeordnet. Diese Anordnung ist ausreichend, um für eine ausreichend genaue Anzeige und Steuerung zu sor­ gen.

Als Lichtempfangseinrichtung findet vorzugsweise eine Pho­ todiode Verwendung.

Für die Praxis hat sich eine Ausführungsform als besonders geeignet erwiesen, bei der der Sensor einen im Horizontal­ schnitt etwa quadratischen Unterbau und eine Trenneinrich­ tung mit entlang den Diagonalen des Unterbaus angeordneten Wänden besitzt. Die Trenneinrichtung bildet daher ein "Schattenkreuz", das im Horizontalschnitt etwa einem An­ dreaskreuz entspricht. Es werden vier dreieckförmige Abtei­ le gebildet, in denen sich jeweils eine Photodiode im ge­ eigneten Abstand von den Wänden des Schattenkreuzes befin­ det. Die Photodioden sind auf dem Unterbau fixiert, wobei sich die entsprechenden elektrischen Leitungen innerhalb des Unterbaus vereinigen und über ein elektrisches Kabel aus dem Unterbau herausgeführt werden. Das Kabel steht mit einer geeigneten Steuer/Auswerte/Anzeigeeinheit in Verbin­ dung.

Wie bereits erwähnt, kommt der erfindungsgemäß ausgebildete Sensor vorzugsweise bei einer Sonnenstandsnachführeinrich­ tung eines Solarmoduls zum Einsatz. Der Sensor ist hierbei zweckmäßigerweise am dreh- und schwenkbeweglich angeordne­ ten Solarmodul selbst vorgesehen, d. h. er wird jeweils in die optimale Stellung des Solarmoduls relativ zur Sonne mitbewegt. Hierdurch entspricht die Stellung des Sensors immer exakt der Stellung des Solarmoduls.

Generell bleibt festzuhalten: Werden sämtliche Lichtemp­ fangseinrichtungen gleich hell beleuchtet (bei Sonnenbe­ strahlung, Streulicht, nachts), erzeugt die zugehörige Steuereinheit keine Befehle zum Nachführen des Solarmoduls. Derartige Steuerbefehle werden nur dann erzeugt, wenn Hel­ ligkeitsdifferenzen zwischen den einzelnen Abteilen (Licht­ empfangseinrichtungen) auftreten. Tritt eine derartige Dif­ ferenz auf, werden vorzugsweise beide Antriebe, d. h. der Drehantrieb und Schwenkantrieb angesteuert (im Zickzack­ lauf), um einen senkrechten Sonnenstand zu erreichen. Eine solche Steuereinheit ist vorzugsweise mit einer Einrichtung zur Schwingungsunterdrückung versehen, um ein permanentes Hin- und Herfahren der Antriebe zu vermeiden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Sensors zur Erfassung des Sonnenstandes;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sensor der Fig. 1; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Sonnenstandsnach­ führeinrichtung, bei der der Sensor der Fig. 1 und 2 Verwendung findet.

Der in den Figuren dargestellte Sensor besitzt einen Unter­ bau 1, der hier schematisch als entsprechender Sockel dar­ gestellt ist. Dieser Unterbau ist hohl ausgebildet, um ent­ sprechende Verdrahtungen aufzunehmen. Er weist auf seiner Unterseite eine Kabelausführung auf. Der Unterbau ist bei dieser Ausführungsform im Horizontalschnitt etwa quadra­ tisch ausgebildet.

Auf dem Unterbau 1 ist eine Trenneinrichtung 2 angeordnet, die im Horizontalschnitt die Form eines Andreaskreuzes be­ sitzt. Die Trenneinrichtung 2 bildet vier im Horizontal­ schnitt dreieckförmige Abteile 16, die nach oben und zur Seite hin offen sind. In diese Abteile kann Sonnenlicht so­ mit von oben und von der Seite eindringen. Die beiden ande­ ren Seiten des Dreieckes, die den Unterbaudiagonalen ent­ sprechen, sind von den Wänden der Trenneinrichtung 6 be­ setzt und schirmen somit das jeweilige Abteil gegenüber Sonnenlicht ab.

In jedem Abteil befindet sich in einem geeigneten Abstand von der Trenneinrichtung 2 eine Lichtempfangseinrichtung 3 in Form einer Photodiode. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht erzeugt die Photodiode 3 elektrische Signale, die über elektrische Leiter 4, welche in einem elektrischen Kabel 5 zusammengefaßt werden, einer geeigneten Steuereinheit zuge­ führt werden.

Die Trenneinrichtung 2 besitzt eine geeignete Höhe, um bei Schrägstellung der Sonne relativ zur Vertikalachse des Sen­ sors einen Schattenwurf der Trenneinrichtung 2 auf ein oder mehrere Abteile und damit die dort angeordneten Lichtemp­ fangseinrichtungen 3 zu ermöglichen. Die exakte Höhe kann empirisch ermittelt werden.

Fig. 3 zeigt den Sensor der Fig. 1 und 2 als Teil einer Sonnenstandsnachführeinrichtung eines Solarmoduls. Der Sen­ sor ist hier bei 8 angedeutet und befindet sich am dreh- und schwenkbeweglich angeordneten Solarmodul. Die entspre­ chenden Signale des Sensors 8 werden einer Steuereinheit 7 (Zentraleinheit, CPU) zugeführt, die ebenfalls Signale von den Schaltern 9, 10 des Drehantriebes und Schwenkantriebes empfängt, die empfangenen Signale auswertet und an den Drehantrieb 11 sowie den Schwenkantrieb 12 entsprechende Steuerbefehlssignale abgibt. Ferner führt die Steuereinheit 7 einer Anzeige/Bedienungseinheit 13 Signale zu. Diese Ein­ heit weist ein Anzeigefeld 14 und einen Ein/Ausschalter 15 auf.

Die Gesamteinrichtung funktioniert wie folgt:
Der Benutzer schaltet die Einrichtung mit dem Schalter 15 ein. Der Sensor 8 erfaßt den Sonnenstand und führt der Steuereinheit 7 entsprechende Signale zu. Diese Signale werden im Anzeigefeld 14 angezeigt. Ferner werden hier­ durch, falls erforderlich, entsprechende Befehlssignale er­ zeugt, die dem Drehantrieb 11 und/oder Schwenkantrieb 12 zugeführt werden, welche eine Nachführung des Solarmoduls bewirken. Die vorgesehenen Endsschalter 9, 10 beenden die entsprechenden Bewegungen des Solarmoduls.

Claims (6)

1. Sensor zur Erfassung des Sonnenstandes, insbesondere für Sonnenstandsnachführeinrichtungen von Solarmodu­ len, mit
einem Unterbau (1),
einer auf dem Unterbau (1) angeordneten Trenneinrich­ tung (2), die den Raum über dem Unterbau (1) in meh­ rere oben und seitlich offene Abteile (16) unterteilt,
mindestens einer Lichtempfangseinrichtung (3) in jedem Abteil (16), die Licht in elektrischen Strom umwan­ delt, und
an die Lichtempfangseinrichtungen (3) angeschlossenen und zu einer Steuer/Auswerte/Anzeigeeinheit (7) füh­ renden elektrischen Leitungen (4, 5).

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (2) den Raum über dem Unterbau (1) in vier Abteile (16) unterteilt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Abteil (16) eine Lichtempfangseinrichtung (3) angeordnet ist.

4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung (3) eine Photodiode ist.

5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen im Horizontalschnitt etwa quadratischen Unterbau (1) und eine Trenneinrichtung (2) mit entlang den Diagonalen des Unterbaus (2) ange­ ordneten Wänden besitzt.

6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an einem dreh- und schwenkbe­ weglich angeordneten Solarmodul vorgesehen ist.