DE102009011988A1 - Vorrichtung und Verfahren zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung und System zu deren Nutzung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung und System zu deren Nutzung Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird u. a. ein Verfahren zum gerichtet insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle (Q) ausgesandt wird, mittels einer Reflexionseinheit für die elektromagnetische Strahlung (S) auf ein Ziel (12), beinhaltend die Schritte: - Empfangen von Daten von einer für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Sensoreinheit (6) mit einer Sensorfläche (6a), die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit angeordnet ist, - anhand der von der Sensoreinheit (6) empfangenen Daten, Bestimmen der relativen Lage des Schattenbilds (6D) einer die Sensorfläche (6a) gegenüber der Quelle (Q) zumindest bereichsweise abschattenden Schattenwurfeinheit (6c) bezogen auf einen Referenzpunkt (R) der Sensorfläche (6a) und/oder der relativen Form des Schattenbilds (6D), bezogen auf eine Referenzform, und - Bewegen der Reflexionseinheit in Abhängigkeit von vorbestimmten Positionsdaten des Ziels (12) für die reflektierte elektromagnetische Strahlung (S) und der relativen Lage und/oder Form des Schattenbilds (6D), derart, dass die Reflexionseinheit zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung (S) zu dem Ziel (12) ausgerichtet wird, insbesondere unter Verwendung einer ebenfalls beschriebenen entsprechenden Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gerichteten Reflexion sowie ein System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle ausgesandt wird.
  • Zur solaren Energiegewinnung ist es bekannt, Vorrichtungen der eingangs genannten Art einzusetzen, um die von der Sonne ausgesandte Strahlung gezielt auf einen bestimmten Ort (das „Ziel” nach dem Sprachgebrauch der vorliegenden Beschreibung) zu lenken. Dort kann die Strahlung insbesondere zur thermischen und/oder elektrischen (photovoltaischen) Energiegewinnung genutzt werden. Weiterhin kann eine Vielzahl entsprechender Vorrichtungen (nachfolgend auch als Reflexionsvorrichtung bezeichnet) verwendet werden, um eine entsprechend hohe Strahlungsstärke am Ziel zu erreichen.
  • Bestimmte vorbekannte Systeme dieser Art besitzen den Nachteil, dass sich die Aufstellung und Ausrichtung der genannten Vorrichtungen sehr zeit- und kostenintensiv gestaltet, da in diesem Zusammenhang ein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, damit die reflektierte Strahlung tatsächlich am Ziel ankommt. Regelmäßig umfassen die vorbekannten Systeme weiterhin eine Einrichtung zum Nachführen der Reflexionsvorrichtungen gemäß einer Bewegung der Strahlungsquelle, vorliegend also der Sonne. Die genannte Einrichtung umfasst regelmäßig einen zentralen Steuerrechner, was wiederum eine aufwändige und kostenintensive Verkabelung der einzelnen Reflexionsvorrichtungen mit diesem Steuerrechner erforderlich macht.
  • Insgesamt ist dadurch der Aufbau und Unterhalt eines derartigen Systems zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung zur thermischen und/oder elektrischen Energiegewinnung relativ aufwändig, was in der Vergangenheit dazu beigetragen hat, die Anzahl tatsächlich realisierter Systeme zu begrenzen.
  • Aus der WO 2008/058866 A1 sind ein Verfahren zur Regelung der Ausrichtung eines Heliostaten auf einen Receiver, eine Heliostatenvorrichtung und ein Solarkraftwerk bekannt, wobei zum Ausrichten des Heliostaten ein Bildsensor verwendet wird, über welchen die relative Anordnung von Sonne, Heliostat und Receiver mittels Bilderkennung bestimmt und zur Regelung genutzt wird. Dieser Ansatz ist vorrichtungstechnisch relativ aufwändig, kostenintensiv und störungsanfällig.
  • Aus energie- und klimatechnischen Gesichtspunkten ist es wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein darauf basierendes System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung zur thermischen und/oder elektrischen Energiegewinnung dahingehend weiterzubilden, dass die weiter oben angesprochenen Nachteile des Standes der Technik vermieden und entsprechend eine schnelle, einfachere und kostengünstigere Realisierung derartiger Systeme ermöglicht wird. Eben diese Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mittels eines Systems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 sowie mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle ausgesandt wird, umfasst neben einer Reflexionseinheit für die elektromagnetische Strahlung:
    • – eine Bewegungseinheit zum Bewegen der Reflexionseinheit,
    • – eine Steuereinheit in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Bewegungseinheit,
    • – eine für elektromagnetische Strahlung empfindliche Sensoreinheit mit einer Sensorfläche, die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit angeordnet ist, in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit, und
    • – eine Schattenwurfeinheit, die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Sensoreinheit angeordnet ist, um in Abhängigkeit von einem Ort der Quelle zumindest einen Teil der Sensorfläche gegenüber der elektromagnetischen Strahlung abzuschatten, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist:
    • – Daten von der Sensoreinheit zu empfangen,
    • – anhand der von der Sensoreinheit empfangenen Daten die relative Lage eines Schattenbilds der Schattenwurfeinheit bezogen auf einen Referenzpunkt der Vorrichtung und/oder die relative Form des Schattenbilds bezogen auf eine Referenzform zu bestimmen, und
    • – die Bewegungseinheit in Abhängigkeit von vorbestimmten Positionsdaten eines Ziels für die reflektierte elektromagnetische Strahlung und der relativen Lage und/oder Form des Schattenbilds derart anzusteuern, dass die Reflexionseinheit zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung zu dem Ziel ausgerichtet ist.
  • Ein erfindungsgemäßes System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle ausgesandt wird, umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur gerichteten Reflexion der elektromagnetischen Strahlung auf ein Ziel sowie wenigstens eine als das Ziel fungierende Absorptionsvorrichtung für die reflektierte elektromagnetische Strahlung, insbesondere zur thermischen und/oder chemischen und/oder elektrischen Energiegewinnung.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gerichteten Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle ausgesandt wird, mittels einer Reflexionseinheit für die elektromagnetische Strahlung auf ein Ziel, beinhaltet die Schritte:
    • – Empfangen von Daten von einer für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Sensoreinheit mit einer Sensorfläche, die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit angeordnet ist,
    • – anhand der von der Sensoreinheit empfangenen Daten, Bestimmen der relativen Lage des Schattenbilds einer die Sensorfläche gegenüber der Quelle zumindest bereichsweise abschattenden Schattenwurfeinheit bezogen auf einen Referenzpunkt der Sensorfläche und/oder der relativen Form des Schattenbilds bezogen auf eine Referenzform, und
    • – Bewegen der Reflexionseinheit in Abhängigkeit von vorbestimmten Positionsdaten des Ziels für die reflektierte elektromagnetische Strahlung und der relativen Lage und/oder Form des Schattenbilds derart, dass die Reflexionseinheit zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung zu dem Ziel ausgerichtet wird,
    insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Nach einem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung ist also vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung (nachfolgend auch als „Reflexionsvorrichtung” bezeichnet) ihre eigene Bewegungseinheit zum Bewegen der Reflexionseinheit für die elektromagnetische Strahlung aufweist. Die Erfindung ist in diesem Zusammenhang grundsätzlich nicht auf (sichtbares) Sonnenlicht beschränkt. Die Bewegungseinheit wird von einer der Vorrichtung individuell zugeordneten Steuereinheit gesteuert, welche zu Steuerungszwecken Daten auswertet, die von einer flächigen Sensoreinheit geliefert werden, wobei letztere für elektromagnetische Strahlung empfindlich ist. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit für genau diejenige elektromagnetische Strahlung empfindlich, welche mittels der Reflexionseinheit auf das Ziel gelenkt werden soll, insbesondere Sonnenlicht. Die Sensoreinheit bzw. deren Sensorfläche ist in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit angeordnet, so dass eine Bewegung der Reflexionseinheit durch die Bewegungseinheit immer auch eine entsprechende Bewegung der Sensoreinheit bzw. Sensorfläche zur Folge hat und umgekehrt.
  • Die Steuereinheit ist, wie gesagt, dazu ausgebildet, Daten von der Sensoreinheit zu empfangen, und wertet diese Daten anschließend erfindungsgemäß wie folgt aus:
    Anhand der von der Sensoreinheit empfangenen Daten bestimmt die Steuereinheit die relative Lage des Schattenbilds einer die Sensorfläche gegenüber der Quelle zumindest bereichsweise abschattenden Schattenwurfeinheit und/oder die relative Form des Schattenbilds bezogen auf eine bekannte Referenzform. Die genannte relative Lage ist dabei auf einen Referenzpunkt der Vorrichtung bezogen. Anschließend steuert die Steuereinheit die Bewegungseinheit derart an, dass die Reflexionseinheit in Abhängigkeit von den genannten, vorbestimmten Positionsdaten des Ziels für die reflektierte elektromagnetische Strahlung und in Abhängigkeit von der relativen Lage und/oder der Form des Schattenbilds derart bewegt wird, dass die Reflexionseinheit zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung zu dem Ziel ausgerichtet ist.
  • Anders als die weiter oben erwähnte vorbekannte Vorrichtung wird somit erfindungsgemäß keine Bilderkennung an direkten optischen Abbildern der Quelle und des Ziels vorgenommen, was u. a. auch das Vorsehen einer kostspieligen Optik erfordert, sondern die relative Position der Quelle wird über Lage und/oder Form eines Schattenbildes ähnlich wie bei einer Sonnenuhr bestimmt, während im Hinblick auf das Ziel erfindungsgemäß ausschließlich vorbestimmte (relative) Positionsdaten Verwendung finden. Der Begriff „relativ” bedeutet in diesem Kontext, dass die Position der Quelle bzw. des Ziels in Bezug auf den Standort und die Ausrichtung/Aufstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und nicht in absoluten Koordinaten definiert sind.
  • Wie weiter oben bereits erwähnt, bewirkt das Ansteuern der Bewegungseinheit neben einer Bewegung der Reflexionseinheit auch immer eine entsprechende Bewegung der Sensoreinheit. Letztere führt zu einer Veränderung der relativen Lage und/oder der Form des Schattenbilds bezogen auf den Referenzpunkt, wobei umgekehrt die bewirkte Bewegung der Sensoreinheit eine gekoppelte Bewegung der Reflexionseinheit zur Folge hat, so dass diese bei geeigneter Ansteuerung zum Reflektieren der Strahlung auf das Ziel ausgerichtet ist.
  • Auf diese Weise ergibt sich eine quasi autark operierende Vorrichtung, welche insbesondere auch im Verbund mit einer Mehrzahl gleichartiger Vorrichtungen in der Lage ist, in einem System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung diese Strahlung auf ein Ziel hin umzulenken, um am Ort des Ziels thermische und/oder elektrische und/oder chemische Energiegewinnung zu betreiben, ohne dass hierfür aufwändige Verbesserungs-, Installations-, Ausricht- oder Verkabelungsarbeiten erforderlich wären. Dadurch sinkt der Herstellungspreis für derartige Systeme deutlich unter das aus dem Stand der Technik bekannte Niveau.
  • Außerdem wird so im Zuge der vorliegenden Erfindung insbesondere der gemeinsame Einsatz einer großen Anzahl von Spiegeln (etwa 5000–10000 Stück) zur Ausrichtung auf eine deutlich kleinere Anzahl von Zielen oder auf ein einziges Ziel erleichtert. Dies ermöglicht beispielsweise die Energiegewinnung durch chemische Prozesse mit relativ hohem Wirkungsgrad (z. B. die Dissoziation von Wasserstoff aus dem Wassermolekül in so genannten Sonnenöfen), die nur bei relativ hohen Temperaturen möglich sind.
  • Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Reflexionseinheit wenigstens einen optischen Spiegel umfasst, welcher vorzugsweise im Wesentlichen planar oder eben ausgebildet ist.
  • Um eine möglichst einfache geometrische Beziehung zwischen der Reflexionseinheit und der Sensoreinheit zu erreichen, was die erfindungsgemäße Ansteuerung der Bewegungseinheit erleichtert, sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Sensorfläche der Sensoreinheit und die Ebene der Reflexionseinheit parallel oder fluchtend angeordnet sind. Auf diese Weise erzeugt eine bestimmte Bewegung der Sensoreinheit unmittelbar eine gleichartige Bewegung der Reflexionseinheit und umgekehrt.
  • Aus Kostengründen und mit Blick auf eine mögliche Serienfertigungsvorrichtung umfasst diese im Zuge einer anderen Weiterbildung der Erfindung im Bereich der Sensoreinheit wenigstens einen flächigen CCD-Sensor, wie er heutzutage beispielsweise aus Digitalkameras oder vergleichbaren Anwendungen allgemein bekannt ist.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Referenzpunkt, bezogen auf den die relative Lage zumindest des Schattenbilds definiert ist, gerade dem Zentrum der Sensorfläche zumindest im Wesentlichen entspricht, wobei das Zentrum vorzugsweise das optische Zentrum der Sensoreinheit darstellt.
  • Die vorbestimmten Positionsdaten des Ziels können in der Steuereinheit oder in einer mit dieser in Wirkverbindung stehen Speichereinheit gespeichert sein und – wie gesagt – insbesondere relative Positionsdaten des Ziels bezogen auf die Vorrichtung umfassen.
  • Vorzugsweise geben die vorbestimmten Positionsdaten des Ziels eine Referenzorientierung der Reflexionseinheit bezogen auf das Ziel an. Weiterhin gibt die relative Lage und/oder Form des Schattenbildes vorzugsweise die momentane Orientierung der Reflexionseinheit bezogen auf den Ort der Quelle an. Wenn beispielsweise ein punkt- oder kugelförmiger Schattenwurfköper senkrecht oberhalb des Referenzpunkts angeordnet ist, zeigt eine Lage des Schattenbilds außerhalb des Referenzpunkts einen entsprechenden schrägen Einfall der Strahlung bezogen auf die Verbindungslinie zwischen Schattenwurfköper und Referenzpunkt an. Der Betrag des Einfallswinkels folgt aus dem Maß der genannten Lageabweichung des Schattensbilds. Auch die Form des Schattenbilds kann zur Bestimmung des Einfallswinkels und somit der momentanen Orientierung herangezogen werden. So erzeugt beispielsweise ein kreisscheibeförmiger Schattenwurfkörper bei schräger Bestrahlung einen ovalen Schatten. Die Steuereinheit ist in diesem Zusammenhang vorzugsweise dazu ausgebildet, die Bewegungseinheit derart anzusteuern, dass die Reflexionseinheit eine mittlere Orientierung bezogen auf die genannte Referenzorientierung und die genannte momentane Orientierung einnimmt.
  • Verfahrensmäßig ist entsprechend vorgesehen, dass die Reflexionseinheit zum Ausrichten derart bewegt wird, dass ein erster Winkel zwischen einer Reflexionsebene der Reflexionseinheit und der Verbindungslinie zwischen Reflexionseinheit und dem Ziel sowie ein zweiter Winkel zwischen der Reflexionsebene und der Verbindungslinie zwischen Reflexionseinheit und Quelle jeweils einen vorbestimmten Wert annimmt, vorzugsweise denselben Wert, so dass höchst vorzugsweise der aus dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel zusammengesetzte Winkel im dreidimensionalen Raum halbiert wird. Dann ist die Reflexionseinheit korrekt auf das Ziel ausgerichtet, so dass nach den Gesetzen der Strahlungsoptik die an der Reflexionseinheit reflektierte elektromagnetische Strahlung mehr oder weniger genau auf das Ziel trifft.
  • Der erste Winkel ist aus den vorbestimmten Positionsdaten bekannt. Der zweite Winkel wird anhand des Schattenwurfs bestimmt. Die genannten Positionsdaten werden vorzugsweise regelmäßig aktualisiert, höchst vorzugsweise immer nachts beim Zurückführen der Vorrichtung in eine Grund- oder Ausgangsstellung. Letztere kann insbesondere mit einer Stellung zur Strahlungsreflexion beim morgendlichen Sonnenaufgang korrespondieren und anhand astronomischer Daten korrigiert bzw. angepasst werden.
  • Die Schattenwurfeinheit der Vorrichtung kann – wie bereits angedeutet – verschiedenartig ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schattenwurfeinheit einen im Wesentlichen senkrecht zur Sensorfläche orientierten, länglichen oder stabförmigen Schattenwurfkörper umfasst. Dieser ist vorzugsweise um ein bekanntes Maß von der Sensorfläche beabstandet und dabei höchst vorzugsweise genau oberhalb des Referenzpunkts angeordnet.
  • Eine andere Ausgestaltung beinhaltet, dass die Schattenwurfeinheit einen im Wesentlichen parallel zur Sensorfläche orientierten, insbesondere kreis- oder ringförmigen Schattenwurfkörper umfasst. Auch dieser kann um ein Maß von der Sensorfläche beabstandet und höchst vorzugsweise mit seinem Mittelpunkt genau oberhalb des Referenzpunkts angeordnet ist.
  • Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Steuereinheit weiterhin zum zeitlich wiederholten Datenempfang von der Sensoreinheit, zur zeitlich wiederholten relativen Lage- und/oder Formbestimmung des Schattenbilds und zum zeitlich wiederholten Ansteuern der Bewegungseinheit ausgebildet ist, um die Reflexionseinheit einer Bewegung der Quelle, insbesondere der Sonne, nachzuführen.
  • Auf diese Weise ist eine Nutzung der reflektierten Strahlung über einen längeren Zeitraum, insbesondere über einen Großteil der Zeit zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, möglich.
  • Wieder eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass diese eine Speichereinheit aufweist, in welcher Steuerdaten für das Ansteuern der Bewegungseinheit gespeichert sind. Die Speichereinheit steht in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit und insbesondere zumindest die gerade aktuellen, vorbestimmten Positionsdaten des Ziels enthalten.
  • Somit ist es im Zuge einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, in der Speichereinheit gespeicherte Steuerdaten in Form astronomischer Daten zum zeitabhängigen Ansteuern der Bewegungseinheit in Abhängigkeit vom Sonnenstand zu verwenden, um beispielsweise die Nachführung auch bei bewölktem Himmel oder anderen Störungseinflüssen (Ausfall der Sensoreinheit oder dergleichen) zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung über einen so genannten Selbstlernmodus, in welchem die Steuereinheit zeitlich aufgelöst Positionsdaten der Quelle in der Speichereinheit speichert, um diese zu einem späteren Zeitpunkt für ein Ansteuern der Bewegungseinheit nutzen zu können. Mit anderen Worten: Die Steuereinheit „lernt”, wie sich die Quelle in Abhängigkeit von der Zeit bewegt, und ist somit zu einem späteren Zeitpunkt in der Lage, die Reflexionseinheit zu bewegen, ohne die Quelle bzw. deren Schattenbild tatsächlich detektiert zu haben, beispielsweise bei bewölktem Himmel. Hierbei kann zu Steuerungszwecken eine Verknüpfung der weiter oben angesprochenen astronomischen Daten mit den „gelernten” Positionsdaten erfolgen, um beispielsweise tägliche oder jahreszeitliche Veränderungen der genannten Positionsdaten mit berücksichtigen zu können.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung einen Positionsdatenbestimmungsmodus der Steuereinheit umfassen, in welchem die Steuereinheit die Positionsdaten des Ziels in Form der vorbestimmten oder vorbekannten Positi onsdaten ermittelt und speichert, vorzugsweise in der bereits erwähnten Speichereinheit. Dies geschieht vorzugsweise zu vorbestimmten Zeiten, höchst vorzugsweise regelmäßig und/oder nachts, um immer über aktuelle Positionsdaten für das Ziel zu verfügen, beispielsweise wenn die Vorrichtung bewegt/angestoßen wird oder aufgrund natürlicher Setzungsprozesse.
  • Das Ziels wird vorzugsweise aus den empfangenen Sensordaten durch die Steuereinheit erkannt. Dazu sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die empfangenen Sensordaten entsprechend im Hinblick auf die Bestimmung der Ziel-Positionsdaten auszuwerten. Höchst vorzugsweise sendet das Ziel bzw. eine entsprechende Ziel- oder Receiver-Vorrichtung zum diesem Zweck Signale beispielsweise in Form von Lichtblitzen aus, vorzugsweise nachts, aus deren Lage auf der Sensorfläche die Steuereinheit Rückschlüsse auf die relative Position des Ziels ziehen kann. Diese wird gespeichert und steht anschließend zur Ansteuerung der Bewegungseinheit erfindungsgemäß zur Verfügung.
  • Die mögliche zeitliche Decodierung von Sensorsignalen erfordert das Vorliegen eines entsprechenden Codes in den Sensordaten, welcher von einer als Ziel fungierenden Absorptionsvorrichtung des Systems erzeugt werden muss, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
  • Wenn eine als Ziel fungierende Absorptionsvorrichtung ein entsprechend codiertes Signal erzeugt und aussendet, kann das Erkennen des Ziels und dessen Position – wie bereits ausgeführt – einerseits direkt anhand der Sensordaten erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann jedoch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung wenigstens eine separate Empfängereinheit in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit aufweist, wobei die Empfängereinheit zum Empfangen von durch das Ziel ausgesandten Identifikationssignalen dient, welche ein Erkennen des Ziels durch die Steuereinheit unabhängig von den Sensordaten ermöglichen. Die genannten Identifikationssignale können insbesondere aus codierten elektromagnetischen Signalen bestehen, wobei es sich vorzugsweise um Licht-, Infrarot-, Mikrowellen- oder insbesondere gerichtete Funksignale handelt. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung insbeson dere gerichteter akustischer Signale oder dergleichen möglich, insbesondere Ultraschallsignale.
  • Alternativ oder zusätzlich kann – wie bereits angemerkt – auch die Sensoreinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Empfänger für die durch das Ziel ausgesandten Identifikationssignalen dienen.
  • Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung tatsächlich autark auch an unzulänglichen Orten operieren kann, sieht eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass diese eine Energieversorgungseinheit zumindest für die Bewegungseinheit, die Steuereinheit, die Sensoreinheit und/oder die Empfängereinheit aufweist. Die Energieversorgungseinheit kann als Batterie, insbesondere als Akkumulator, ausgebildet sein und umfasst gegebenenfalls eine Ladeeinheit für die Batterie, welche eine entsprechende Ladespannung insbesondere unter Verwendung wenigstens einer Solarzelle erzeugt.
  • Wie weiter oben bereits angesprochen, weist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems die als Ziel fungierende Absorptionsvorrichtung wenigstens eine Sendereinheit auf, die zum Aussenden der bereits erwähnten Identifikationssignale ausgebildet ist.
  • Damit das Gesamtsystem autark operieren kann, ist im Zuge einer anderen Weiterbildung auch für die Absorptionsvorrichtung eine Energieversorgungseinheit vorgesehen, welche als Batterie, insbesondere als Akkumulator ausgebildet ist und weitergehende gegebenenfalls eine Ladeeinheit für die Batterie umfasst, insbesondere unter Verwendung wenigstens einer Solarzelle. Dabei dient die Energieversorgungseinheit zumindest zum Versorgen der genannten Sendereinheit. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgung der Absorptionsvorrichtung auch direkt unter Nutzung der reflektierten Strahlung erfolgen, welche an der als Ziel fungierenden Absorptionsvorrichtung eintrifft.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
  • 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht;
  • 2 zeigt eine Ausgestaltung der Absorptionsvorrichtung, welche zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere gemäß 1, ein erfindungsgemäßes System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung bildet, und dient weiterhin zur Erläuterung der Funktion des genannten Systems, insbesondere der Schattenwurfeinheit; und
  • 3 zeigt eine bezüglich 2 alternative Ausgestaltung der Schattenwurfeinheit.
  • 1 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung S, insbesondere Sonnenlicht. Die Vorrichtung ist in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Sie umfasst zunächst eine Reflexionseinheit 2 für die elektromagnetische Strahlung, wobei die Reflexionseinheit 2 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ebener (planarer) optischer Spiegel ausgebildet ist. Die Reflexionseinheit 2 ist um eine Mehrzahl von Achsen A1, A2 beweglich auf einer Tragstruktur 3 angeordnet, welche gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Art eines Pfahls oder einer Stange ausgebildet ist. Dabei sitzt die Reflexionseinheit 2 an einem ersten (oberen) Ende 3a der Tragstruktur 3, während das andere (untere) Ende 3b der Tragstruktur 3 zum Aufstellen der Vorrichtung 1 durch Verankerung im Untergrund 4, beispielsweise im Erdboden oder dergleichen, ausgebildet ist und zu diesem Zweck vorzugsweise mit einer Einstech-/Verankerungsstruktur 3c ausgestattet ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung der Tragstruktur 3 beschränkt. Diese kann beispielsweise auch als Stativ oder in sonstiger Weise geeignet ausgebildet sein, um die Vorrichtung 1 im bzw. auf dem Untergrund 4 sicher zu positionieren. Je nach Art des Unteranspruchs 4 können unterschiedliche Tragstrukturen vorgesehen sein.
  • Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Bewegungseinheit 5 zum Bewegen der Reflexionseinheit 2 durch Dreh- bzw. Schwenkbewegungen um die Achsen A1, A2, was in 1 durch entsprechende Doppelpfeile symbolisiert ist. Bei der Bewegungseinheit 5 handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, der auf die Achsen A1, A2 bzw. entsprechende Wellen (nicht gezeigt) einwirkt, ohne dass die Erfindung jedoch auf eine derartige Ausgestaltung der Bewegungseinheit 5 beschränkt wäre.
  • Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine flächige Sensoreinheit 6, welche für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für die zu reflektierende elektromagnetische Strahlung, empfindlich ist. Der Begriff „flächige Sensoreinheit” bedeutet, dass die Sensoreinheit 6 eine ebene, ausgedehnte Sensorfläche 6a aufweist, welche für die genannte elektromagnetische Strahlung empfindlich ist. Die Sensoreinheit 6 bzw. die Sensorfläche 6a befindet sich in einer bekannten und vorzugsweise festen geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit 2, was bedeutet, dass insbesondere die relative Lage oder Orientierung der Sensorfläche 6a und der Spiegelfläche der Reflexionseinheit 2 bekannt ist.
  • Auf der Sensorfläche 6a der Sensoreinheit 6 ist ein Referenzpunkt definiert, welcher in 1 mit dem Bezugszeichen R bezeichnet ist. Auf die Bedeutung des Referenzpunkts R wird weiter unten anhand von 2 noch genauer eingegangen.
  • An der Sensoreinheit 6 ist weiterhin eine Schattenwurfeinheit 6c vorgesehen, die geometrisch so angeordnet bzw. ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von einem Ort der Quelle zumindest ein Teil der Sensorfläche 6a gegenüber der elektromagnetischen Strahlung S abgeschattet wird. Dazu weist die Schattenwurfeinheit 6c einen in 1 nur symbolisch angedeuteten Schattenwurfkörper 6d auf, der an einem Haltearm 6e angeordnet ist.
  • Weiterhin steht die Sensoreinheit 6 in signaltechnischer Wirkverbindung mit einer Steuereinheit 7 der Vorrichtung 1. Die Steuereinheit 7 selbst, welche als Mikroprozessor ausgebildet sein kann, steht darüber hinaus in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Bewegungseinheit 5. Der Begriff „signaltechni sche Wirkverbindung” bedeutet, dass die Steuereinheit 7 in der Lage ist, (Daten-)Signale von der Bewegungseinheit 5 bzw. der Sensoreinheit 6 zu empfangen und (Steuer-)Signale an die genannten Einheiten 5, 6 zu senden. Dies ist in 1 durch entsprechende Verbindungslinien (Signalleitungen) symbolisiert, wobei grundsätzlich jedoch auch eine entsprechende drahtlose Kommunikation zwischen den genannten Einheiten 57 vorgesehen sein kann. Die Sensorfläche 6a der Sensoreinheit 6 ist vorzugsweise durch wenigstens einen CCD-Sensor gebildet.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 7 zusammen mit einer Energieversorgungseinheit 8, einer Speichereinheit 9 u. a. für die vorbestimmten Positionsdaten des Ziels (vgl. 2) sowie sonstige Steuerdaten und einer Empfängereinheit 10 in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet, welches ohne Beschränkung an der Tragstruktur 3 befestigt ist. Die Energieversorgungseinheit 8 umfasst einen Akkumulator 8a sowie eine Ladeeinheit 8b für den Akkumulator 8a, wobei die Ladeeinheit 8b vorzugsweise wenigstens eine (nicht explizit gezeigte) Solarzelle beinhaltet.
  • Die Funktion der Vorrichtung 1 gemäß 1 wird weiter unten im Anschluss an die Beschreibung der 2 und 3 näher erläutert.
  • 2 zeigt in perspektivisch nicht exakter Weise zunächst bei Bezugszeichen 12 eine Absorptionsvorrichtung für die reflektierte elektromagnetische Strahlung S, welche nach dem Wortlaut der beigefügten Patentansprüche als Ziel für die reflektierte magnetische Strahlung S fungiert. Dies bedeutet, dass die elektromagnetische Strahlung S mit Hilfe der Vorrichtung 1 (vgl. 1), von der in 2 zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die Sensoreinheit 6 bzw. Sensorfläche 6a dargestellt ist, in Richtung der Absorptionsvorrichtung 12 gelenkt wird, um dort insbesondere zur thermischen und/oder elektrischen und/oder chemischen Energiegewinnung genutzt zu werden.
  • Darüber hinaus ist in 2 noch die Quelle Q der elektromagnetischen Strahlung S dargestellt. Wie gezeigt, handelt es sich bei der Quelle Q vorzugsweise um die Sonne, so dass es sich bei der elektromagnetischen Strahlung S vorzugsweise um Sonnenstrahlung bzw. Sonnenlicht handelt, welches mit Hilfe der Vorrichtung 1 (vgl. 1) in Richtung der Absorptionsvorrichtung 12 gelenkt wird.
  • Die Absorptionsvorrichtung 12 umfasst gemäß der Darstellung in 2 einen Absorptionskörper 12a für die auftreffende elektromagnetische Strahlung S, welcher beispielsweise wenigstens eine Solarzelle zur elektrischen Energiegewinnung und/oder Mittel zur chemischen Energiegewinnung und/oder ein Wärmespeicher- oder Wärmeüberträgermedium zur thermischen Energiegewinnung aufweisen kann (in 2 nicht explizit dargestellt).
  • Darüber hinaus weist die Absorptionsvorrichtung 12 bei Bezugszeichen 12b eine Sendereinheit sowie bei Bezugszeichen 12c eine Energieversorgungseinheit zumindest für die Sendereinheit 12b auf, auf deren jeweilige Funktion weiter unten noch genauer eingegangen wird. Die Energieversorgungseinheit 12c der Absorptionsvorrichtung 12 kann analog zu der Energieversorgungseinheit 8 der Vorrichtung 1 gemäß 1 ausgebildet sein.
  • Die Reflexionsvorrichtung 1 gemäß 1 und die Absorptionsvorrichtung 12 gemäß 2 bilden gemeinsam ein System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung S, insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle Q ausgesandt wird. Zweck der Vorrichtung 1 gemäß 1 ist es in diesem Zusammenhang, die Strahlung S kontinuierlich zu der Absorptionsvorrichtung 12 zu lenken, auch wenn sich die Quelle Q bewegt, was ist insbesondere bei der Nutzung von Sonnenstrahlen naturgemäß der Fall ist. Deshalb wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Reflexionseinheit 2 durch die Bewegungseinheit 5 derart durch Bewegungen um die Achsen A1, A2 ausgerichtet (nachgeführt), dass die Strahlung S über einen möglichst langen Zeitraum zu der Absorptionsvorrichtung 12 gelangt.
  • Die Bewegungseinheit 5 wird zu diesem Zweck durch die Steuereinheit 7 der Vorrichtung 1 gesteuert, wobei letztere entsprechende Bewegungssteuersignale BS an die Bewegungseinheit 5 sendet. Die Steuereinheit 7 ermittelt diese Steuersignale auf der Grundlage von Sensordaten SD, welche sie von der Sensoreinheit 6 empfängt. Die Sensoreinheit 6 ist in 2 in ihrem ausgerichteten Zustand dargestellt, worauf nachfolgend noch genauer eingegangen wird.
  • Die Schattenwurfeinheit 6c weist gemäß 2 einen stabförmigen Schattenwurfkörper 6d auf, dessen Längsachse parallel zur Flächennormalen der Sensorfläche 6a angeordnet ist. Das untere Ende des Stabs 6d befindet sich im Abstand A von der Sensorfläche 6a. Der Stab 6d ist in dieser Stellung durch Haltearme 6e gehalten. Der Lotpunkt des Stabs 6d auf die Sensorfläche 6a fungiert als der bereits erwähnte Referenzpunkt R.
  • Für die nachfolgende Beschreibung sei angenommen, dass die Vorrichtung 1 gemäß 1 an einem quasi beliebigen Ort in Sichtverbindung mit der Absorptionsvorrichtung 12 positioniert ist. Darüber hinaus muss selbstverständlich zumindest zeitweise Sichtverbindung zur Quelle Q gegeben sein, wie exemplarisch in 2 dargestellt. Auf der Sensorfläche 6a entsteht auf diese Weise ein Schattenbild des Stabs 6d, von dem in 2 nur der dem unteren Stabende entsprechende Punkt 6D explizit dargestellt ist. Aufgrund des schrägen Einfalls der Strahlung S liegt der Punkt 6D in an eine gewissen relativen Ort bezüglich des Referenzpunkts R auf der Sensorfläche. Aus dieser Abweichung oder alternativ aus der Länge des Schattens des Stabes 6d, d. h. der Schattenform ist der Winkel α zwischen der Flächennormalen der Sensorfläche 6a (in 2 strichpunktiert dargestellt) und entsprechend der Reflexionseinheit 2 durch die Steuereinheit 7 bestimmbar. Aufgrund der weiter oben beschriebenen bekannten relativen Anordnung der Sensoreinheit 6 und der Reflexionseinheit 2 besteht eine feste geometrische Beziehung zwischen dem optischen Zentrum der Sensoreinheit 6 als Referenzpunkt R und einem entsprechenden Referenzpunkt der Reflexionseinheit, beispielsweise dem Durchstoßpunkt der Achse A1 durch die Spiegelebene der Reflexionseinheit 2.
  • Die vorstehend genannte feste geometrische Beziehung zwischen der Sensoreinheit 6 und der Reflexionseinheit 2 sorgt dafür, dass durch die Bewegungseinheit 5 (1) bewirkte Bewegungen der Reflexionseinheit 2 mit entsprechenden Bewegungen der Sensoreinheit 6 korrespondieren.
  • In dem Zustand gemäß 2 ist die Reflexionseinheit 2 und damit gemäß 1 auch die Sensoreinheit 6 richtig ausgerichtet, um die Strahlung S und der Quelle Q auf die Absorptionsvorrichtung 12 zu lenken. Diesen Umstand erkennt man in 2 daran, dass der anhand von gespeicherten, vorbestimmten Positionsdaten der Absorptionsvorrichtung 12, d. h. des Zieles durch die Steuereinheit 7 bestimmbare Winkel β zwischen der Flächennormalen der Sensorfläche 6a betragsmäßig dem Winkel α entspricht. Die Steuereinheit 7 ist dazu ausgebildet, eine Abweichung der Winkelbeträge α, β zu erkennen und entsprechend Steuersignale BS an die Bewegungseinheit 5 zu senden, welche anschließend die Reflexionseinheit 2 und damit die Sensoreinheit 6 derart bewegt, dass der gezeigte Zustand erreicht wird, in welchem die Flächennormale gerade den Gesamtwinkel α + β halbiert. Dann treffen die von der Vorrichtung 1 (1) reflektierten Strahlen S genau auf die Absorptionsvorrichtung 12 und können dort zur Energiegewinnung genutzt werden.
  • Wie der Fachmann erkennt, kommt es dabei jedoch nicht allein darauf an, die Winkel α, β betragsmäßig anzugleichen. Darüber hinaus muss sich die Absorptionsvorrichtung 12 auch in der Ebene des in 2 exemplarisch gezeigten Strahlverlaufs S befinden, welche beispielsweise durch die bereits erwähnte Flächennormale und den Vektor von R nach 6D aufgespannt wird. Anders ausgedrückt: Der Betrag des genannten Vektors ist ein Maß für den Betrag des Winkels α, seine Richtung legt zusammen mit der Flächennormale die Strahlungsebene fest. Diese Zusammenhänge lassen sich ohne weiteres in der Steuereinheit 7 steuerungstechnisch ausnutzen, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt.
  • Wie der Fachmann weiterhin erkennt, funktioniert das vorstehend beschriebene spezielle Verfahren zum Bestimmen einer erforderlichen Bewegung der Reflexionseinheit 2 nur für bestimmte relative Anordnungen von Reflexionseinheit 2 und Sensoreinheit 6, insbesondere für die in 1 gezeigte parallel-fluchtende Anordnung von Reflexionsebene und Sensorfläche 6a. Andere relative Anordnungen von Reflexionseinheit 2 und Sensoreinheit 6 bzw. Sensorfläche 6a erfordern entsprechend geometrisch angepasste Strategien zum Ermitteln einer erforderlichen Bewegung der Reflexionseinheit 2 durch die Bewegungseinheit 5 nach Maßgabe der Steuereinheit 7.
  • Vorzugsweise bestimmt die Sensoreinheit 7 regelmäßig nach Maßgabe einer bestimmten Taktung anhand der Sensordaten SD der Sensoreinheit 6, ob die Ausrichtung der Reflexionseinheit 2 bzw. der Sensoreinheit 6 noch im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Zustand mit |α| = |β| unter Berücksichtigung der Position des Ziels 12 entspricht, und führt die Reflexionseinheit 2 bei Überschreiten einer gewissen Abweichungsschwelle geeignet nach.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinheit 7 zum Durchführen einer Auswertung der von der Sensoreinheit 6 gelieferten Sensordaten SD ausgebildet, um nach ihrer Aktivierung die Absorptionsvorrichtung 12 zur Speicherung der vorbestimmten Ziel-Positionsdaten quasi selbständig auffinden zu können. Dies geschieht – wie bereits wiederholt ausgeführt – bevorzugt nachts, indem von der Absorptionsvorrichtung 12, beispielsweise von deren geeignet ausgebildeter Sendereinheit 12b, ein (Licht-)Signal insbesondere wiederholt ausgesandt wird, dessen Lage auf der Sensorfläche 6a bestimmt und zum Ermitteln der Zielposition bzw. der entsprechenden Positionsdaten verwendet wird. Auf diese Weise liegen zur Bewegungssteuerung immer im Wesentlichen aktuelle Positionsdaten des Ziels 12 vor.
  • Allgemeiner ausgedrückt kann die Vorrichtung 1 die Absorptionsvorrichtung 12 anhand der gespeicherten Positionsdaten jederzeit dadurch „erkennen” bzw. „finden”, dass die Absorptionsvorrichtung 12 zuvor entsprechende Identifikationssignale ausgesendet hat, welche in 2 mit dem Bezugszeichen IS bezeichnet sind. Bei den Identifikationssignalen IS kann es sich neben der explizit genannten Lichtsignalen auch um Funk-, Mikrowellen-, (Ultra-)Schall-Signale oder andere geeignete Signale handeln, welche entweder gerichtet oder ungerichtet von der Absorptionsvorrichtung 12 bzw. deren Sendereinheit 12b ausgesandt werden. Die Identifikationssignale IS können codiert sein, um die Absorptionsvorrichtung 12 eindeutig identifizieren zu können. Die Energieversorgung der Sendereinheit 12b erfolgt vorzugsweise mittels der Energieversorgungseinheit 12c.
  • Ein Erkennen der Quelle Q kann dagegen im laufenden Tagesbetrieb der Vorrichtung beispielsweise anhand von Intensitätskriterien erfolgen, welche auf die Sensordaten SD der Sensoreinheit 6 durch die Steuereinheit 7 angewandt werden, wobei beispielsweise ein Intensitätsminimum in den Sensordaten SD dem Schattenbild der Quelle Q zugeordnet werden kann.
  • Die Energieversorgung der Vorrichtung 1 gemäß 1 wird durch die Energieversorgungseinheit 8 gewährleistet, wobei die Ladeeinheit 8b den Akkumulator 8a lädt, vorzugsweise photovoltaisch, so dass die Vorrichtung 1 und in dieser insbesondere die Steuereinheit 7, die Bewegungseinheit 5 und die Sensoreinheit 6 autark mit (elektrischer) Energie versorgt ist.
  • Die Energieversorgungseinheit 12c der Absorptionsvorrichtung 12 entspricht auch hinsichtlich ihrer Funktion der Energieversorgungseinheit 8 der Vorrichtung 1, worauf weiter oben schon detailliert eingegangen wurde.
  • Die Speichereinheit 9 der Vorrichtung 1 dient neben dem Abspeichern der Ziel-Positionsdaten auch zum Abspeichern von weiteren Steuerdaten für das Ansteuern der Bewegungseinheit 5 durch die Steuereinheit 7. Die genannten Steuerdaten können beispielsweise astronomische Daten beinhalten, welche zum zeitabhängigen Ansteuern der Bewegungseinheit 5 in Abhängigkeit vom Sonnenstand, das heißt einer Position der Quelle Q gemäß 2 dienen. Damit ist es möglich, die Nachführung der Reflektoreinheit 2 auch dann vorzunehmen, wenn das Schattenbild der Quelle Q nicht hinreichend genau detektierbar ist, beispielsweise an bewölkten Tagen. Im Zuge einer derartigen Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 1 weiterhin zusätzlich eine Zeitbestimmungseinheit, wie eine Uhr, und/oder eine Einheit zum Bestimmen oder Eingeben einer terrestrischen Position (jeweils nicht dargestellt), um dann anhand der genannten astronomischen Daten die Bewegungseinheit 5 ansteuern zu können.
  • Weiterhin kann die Speichereinheit 9 auch dazu dienen, zeitlich aufgelöst Positionsdaten der Quelle Q zum späteren zeitabhängigen Ansteuern der Bewegungseinheit 5 durch die Steuereinheit 7 in Abhängigkeit von den genannten Quellenpositionsdaten als Steuerdaten zu speichern. Mit anderen Worten: Beim Nachführen der Reflexionseinheit 2 werden Positionsdaten der Quelle Q bzw. deren Schattenbilds in der Speichereinheit 9 gespeichert, um gegebenenfalls der Reflexionseinheit 2 unter Verwendung dieser gespeicherten Daten nachführen zu können, wenn keine entsprechenden Daten in Echtzeit von der Sensoreinheit 6 verfügbar sind.
  • Gemäß der anhand der 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform weist das System neben der bereits erwähnten Sendereinheit 12b an der Vorrichtung 1 noch die ebenfalls bereits erwähnte Empfängereinheit 10 auf, auf deren Funktion nun noch genauer eingegangen werden soll.
  • Die Vorrichtung 1 empfängt alternativ oder zusätzlich zu der oben ausführlich erläuterten Bewegungsführung unter Verwendung der Sensoreinheit 6 bzw. der damit bestimmten Positionsdaten die Identifikationssignale IS von der Absorptionsvorrichtung 12 mittels der dezidierten Empfängereinheit 10, welche in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit 7 steht. Letztere ist dazu ausgebildet, die Absorptionsvorrichtung 12 und vorzugsweise deren Position relativ zur Vorrichtung 1 anhand der bei 10 empfangenen Signale IS zu erkennen, um die Ziel-Positionsdaten zu ermitteln und speichern zu können.
  • Wie der Fachmann erkennt, wäre insbesondere bei Verwendung der Sender- bzw. Empfängereinheit 12b bzw. 10 zur Zielpositionsbestimmung grundsätzlich auch eine Positionsbestimmung während des laufenden Betriebs, also ohne Rückgriff auf vorgespeicherte Positionsdaten, möglich.
  • 3 zeigt abschließend eine alternative Ausgestaltung der Schattenwurfeinheit 6c. Letztere weist vorliegend lediglich einen Haltearm 6e auf, an dessen freiem Ende ein kreisringförmiger Schattenwurfkörper 6d parallel zur Sensorfläche 6a angeordnet ist, wobei der Schattenwurfkörper 6d vorzugsweise um ein Maß A von der Sensorfläche 6a beabstandet und mit seinem Mittelpunkt M genau oberhalb des Referenzpunkts R angeordnet ist. Wiederum erlaubt die Lage und Form des entstehenden Schattens (nicht gezeigt) Rückschlüsse auf den Einfallswinkel der Strahlung und die Strahlebene. Bei schrägem Strahlungseinfall wird die Schattenform insbesondere oval, was sich durch Vergleich mit einer kreisförmigen Referenzform (vorzugsweise in der Speichereinheit 9 abgelegt) nachweisen lässt. Gleiches gilt bezüglich der Stablänge gemäß 2. Vielfältige andere Ausformungen der Schattenwurfeinheit 6c sind möglich.
  • Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße System eine Mehrzahl von Vorrichtungen 1, welche die Strahlung S auf eine gemeinsame Absorptionsvor richtung 12 lenken. Alternativ kann das System jedoch jeweils eine Mehrzahl an Reflexionsvorrichtungen 1 und Absorptionsvorrichtungen 12 umfassen.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass keinerlei aufwändige Verkabelungen der Reflexionsvorrichtung(en) 1 mit einem zentralen Steuerrechner für die Bewegungsnachführung und/oder kosten- und zeitintensive Vermessungen bei der Ausbringung von Reflexionseinheiten entsprechend der Reflexionseinheit 2 erforderlich sind. Vielmehr können die Absorptionsvorrichtung 12 und die Reflexionsvorrichtung 1 in einfacher Weise relativ zueinander positioniert werden, wie weiter oben beschrieben, und die Reflexionsvorrichtung 1 bestimmt anschließend autark und selbständig die jeweils erforderlich Ausrichtung der Reflexionseinheit 2 und führt diese gemäß der Quellenbewegung nach.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2008/058866 A1 [0005]

Claims (24)

  1. Vorrichtung (1) zur gerichteten Reflexion elektromagnetischer Strahlung (S), insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle (Q) ausgesandt wird, mit einer Reflexionseinheit (2) für die elektromagnetische Strahlung (S), aufweisend: – eine Bewegungseinheit (5) zum Bewegen der Reflexionseinheit (2), – eine Steuereinheit (7) in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Bewegungseinheit (5), – eine für elektromagnetische Strahlung empfindliche Sensoreinheit (6) mit einer Sensorfläche (6a), die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit (2) angeordnet ist, in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit (7), und – eine Schattenwurfeinheit (6c), die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Sensoreinheit (6) angeordnet ist, um in Abhängigkeit von einem Ort der Quelle (Q) zumindest einen Teil der Sensorfläche (6a) gegenüber der elektromagnetischen Strahlung abzuschatten, wobei die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet ist: – Daten von der Sensoreinheit (6) zu empfangen, – anhand der von der Sensoreinheit (6) empfangenen Daten die relative Lage eines Schattenbilds (6D) der Schattenwurfeinheit (6c) bezogen auf einen Referenzpunkt (R) der Vorrichtung (1) und/oder die relative Form des Schattenbilds (6D) bezogen auf eine Referenzform () zu bestimmen, und – die Bewegungseinheit (5) in Abhängigkeit von vorbestimmten Positionsdaten eines Ziels (12) für die reflektierte elektromagnetische Strahlung (S) und der relativen Lage und/oder Form des Schattenbilds (6D) derart anzusteuern, dass die Reflexionseinheit (2) zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung (S) zu dem Ziel (12) ausgerichtet ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Positionsdaten des Ziels (12) in der Steuereinheit (7) oder in einer mit dieser in Wirkverbindung stehen Speichereinheit (9) gespeichert sind und insbesondere relative Positionsdaten des Ziels (12) bezogen auf die Vorrichtung (1) umfassen.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Positionsdaten des Ziels (12) eine Referenzorientierung der Reflexionseinheit (2) bezogen auf das Ziel angeben, dass die relative Lage und/oder Form des Schattenbildes (6D) die momentane Orientierung der Reflexionseinheit bezogen auf den Ort der Quelle (Q) angibt und dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet ist, die Bewegungseinheit (5) derart anzusteuern, dass die Reflexionseinheit (2) eine mittlere Orientierung bezogen auf die genannte Referenzorientierung und die genannte momentane Orientierung einnimmt.
  4. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit (2) wenigstens einen optischen Spiegel umfasst.
  5. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit (2) im Wesentlichen planar ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfläche (6a) der Sensoreinheit (6) und die Ebene der Reflexionseinheit (2) parallel oder fluchtend angeordnet sind.
  7. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (6) wenigstens einen CCD-Sensor umfasst.
  8. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzpunkt (R) dem Zentrum der Sensorfläche (6a) entspricht.
  9. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenwurfeinheit (6c) einen im Wesentlichen senkrecht zur Sensorfläche (6a) orientierten, länglichen Schattenwurfkörper (6d) umfasst, der vorzugsweise um ein Maß (A) von der Sensorfläche (6a) beabstandet und höchst vorzugsweise genau oberhalb des Referenzpunkts (R) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenwurfeinheit (6c) einen im Wesentlichen parallel zur Sensorfläche (6a) orientierten, insbesondere kreis- oder ringförmigen Schattenwurfkörper (6d) umfasst, der vorzugsweise um ein Maß (A) von der Sensorfläche (6a) beabstandet und höchst vorzugsweise mit seinem Mittelpunkt (M) genau oberhalb des Referenzpunkts (R) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) weiterhin zum zeitlich wiederholten Datenempfang von der Sensoreinheit (6), zur zeitlich wiederholten relativen Lage- und/oder Formbestimmung des Schattenbilds (6D) und zum zeitlich wiederholten Ansteuern der Bewegungseinheit (5) ausgebildet ist, um die Reflexionseinheit (2) einer Bewegung der Quelle (Q) nachzuführen.
  12. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Falle der Reflexion von Sonnenlicht in einer Speichereinheit (9), insbesondere gemäß Anspruch 2, Steuerdaten für das Ansteuern der Bewegungseinheit (5) gespeichert sind, wobei die Steuerdaten astronomische Daten zum zeitabhängigen Ansteuern der Bewegungseinheit (5) in Abhängigkeit vom Sonnenstand umfassen.
  13. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Selbstlernmodus der Steuereinheit (7), in welchem die Steuereinheit (7) zeitlich aufgelöst Positionsdaten der Quelle (Q) zum späteren zeitabhängigen Ansteuern der Bewegungseinheit (5) als Steuerdaten in einer Speichereinheit (9), insbesondere gemäß Anspruch 2, speichert.
  14. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen Positionsdatenbestimmungsmodus der Steuereinheit (7), in welchem die Steuereinheit (7) die Positionsdaten des Ziels (12) ermittelt und speichert, vorzugsweise in der Speichereinheit (9) gemäß Anspruch 2 und vorzugsweise zu vorbestimmten Zeiten, höchst vorzugsweise regelmäßig und/oder nachts.
  15. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zum Erkennen des Ziels (12) und dessen Position aus von der Sensoreinheit (6) empfangenen Sensordaten ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch wenigstens eine Empfängereinheit (10) in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Steuereinheit (7) zum Empfangen von durch das Ziel (12) ausgesandten Identifikationssignalen (IS), welche ein Erkennen des Ziels (12) und dessen Position durch die Steuereinheit (7) ermöglichen, insbesondere codierten elektromagnetischen Signalen, vorzugsweise Licht-, Infrarot-, Mikrowellen- oder Funksignalen, oder vorzugsweise gerichteten akustischen Signalen.
  17. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Energieversorgungseinheit (8) zumindest für die Bewegungseinheit (5), die Steuereinheit (7), die Sensoreinheit (6) und/oder die Empfängereinheit (10) gemäß Anspruch 14, wobei die Energieversorgungseinheit (8) als Batterie (8a), insbesondere als Akkumulator, ausgebildet ist und ggf. eine Ladeeinheit (8b) für die Batterie (8a) umfasst, insbesondere unter Verwendung wenigstens einer Solarzelle.
  18. System zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung (S), insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle (Q) ausgesandt wird, mit wenigstens einer Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur gerichteten Reflexion der elektromagnetischen Strahlung (S) auf ein Ziel (12) und mit wenigstens einer als das Ziel fungierenden Absorptionsvorrichtung (12) für die reflektierte elektromagnetische Strahlung (S), insbesondere zur thermischen und/oder chemischen und/oder elektrischen Energiegewinnung.
  19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die als das Ziel fungierende Absorptionsvorrichtung (12) wenigstens eine Sendereinheit (12b) aufweist, die zum Aussenden der Identifikationssignale (IS) gemäß Anspruch 16 ausgebildet ist.
  20. System nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Energieversorgungseinheit (12c) zumindest für die Sendereinheit (12b), wobei die Energieversorgungseinheit (12c) als Batterie, insbesondere als Akkumulator, ausgebildet ist und ggf. eine Ladeeinheit für die Batterie umfasst, insbesondere unter Verwendung wenigstens einer Solarzelle.
  21. Verfahren zum gerichteten Reflektieren elektromagnetischer Strahlung (S), insbesondere Sonnenlicht, die von einer Quelle (Q) ausgesandt wird, mittels einer Reflexionseinheit (2) für die elektromagnetische Strahlung (S) auf ein Ziel (12), beinhaltend die Schritte: – Empfangen von Daten (SD) von einer für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Sensoreinheit (6) mit einer Sensorfläche (6a), die in einer bekannten geometrischen Stellung relativ zu der Reflexionseinheit (2) angeordnet ist, – anhand der von der Sensoreinheit (6) empfangenen Daten (SD), Bestimmen der relativen Lage des Schattenbilds (6D) einer die Sensorfläche (6a) gegenüber der Quelle (Q) zumindest bereichsweise abschattenden Schat tenwurfeinheit (6c) bezogen auf einen Referenzpunkt (R) der Sensorfläche (6a) und/oder der relativen Form des Schattenbilds (6D) bezogen auf eine Referenzform, und – Bewegen der Reflexionseinheit (2) in Abhängigkeit von vorbestimmten Positionsdaten des Ziels (12) für die reflektierte elektromagnetische Strahlung (S) und der relativen Lage und/oder Form des Schattenbilds (6D) derart, dass die Reflexionseinheit (2) zum Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung (S) zu dem Ziel (12) ausgerichtet wird, insbesondere unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 18.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsdaten des Ziels (12) während einer Rückbewegung der Reflexionseinheit (2) in eine Ausgangsstellung vorzugsweise nachts bestimmt werden, höchst vorzugsweise durch Empfang von Lichtsignalen, die von dem Ziel (12) ausgesendet werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der Ausgangsstellung der Reflexionseinheit (2) eine Reflexionsebene derselben in eine bestimmte, vorzugsweise senkrechte Orientierung bezüglich des Ziels (12) bewegt wird.
  24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit (2) zum Ausrichten derart bewegt wird, dass ein erster Winkel (β) zwischen einer Reflexionsebene der Reflexionseinheit (2) und der Verbindungslinie zwischen Reflexionseinheit (2) und dem Ziel sowie ein zweiter Winkel (α) zwischen der Reflexionsebene und der Verbindungslinie zwischen Reflexionseinheit (2) und Quelle (Q) jeweils einen vorbestimmten Wert annimmt, vorzugsweise denselben Wert, so dass höchst vorzugsweise der aus dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel zusammengesetzte Winkel halbiert wird.
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