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Die Erfindung betrifft einen Heliostaten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine autarke Spiegelanlage mit Regelungsnachführung zur Reflexion von Licht und Infrarotstrahlung auf eine vordefinierbare Fläche.
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Bekannte Heliostaten weisen eine oder mehrere Reflexionsflächen, eine zweiachsige elektromotorische Nachführung und entweder eine Steuerungselektronik, die durch Sonnenstandsberechnung die Spiegelflächen nachführt, oder eine Regelungselektronik mit Photoelementen und einem Getriebe zum Nachführen des Spiegels auf.
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Für die Ausrichtung der Spiegelanlage wurde bereits eine Sensorenanordnung wie die im Patent
DE 691 584 A sowie
GB 440 454 A beschriebene Anordnung der Sensoren, die mittels einer Trennwand/Spiegel zur Sonne ausgerichtet auf einer der sich im festen Winkelverhältnis 1 zur Spiegelfläche beweglichen Ebene montiert sind, vorgeschlagen.
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Die reflektierte Energie kann direkt in z. B. Wohnräume oder auf Objekte erfolgen oder mittels weiterer Spiegel oder Spiegelkaskaden, die beispielsweise in der
US 4,349,245 A beschreiben sind, in Wohnräume verteilt werden oder in Hohlleiter der in der
DE 694 0774 U beschriebenen Art zur weiteren Verteilung geleitet werden.
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Ferner ist es aus der
DE 30 47 724 A1 , der
DE 80 06 740 U1 und der
DE 203 17 666 U1 bekannt, Solarzellen als Energiequelle zum Betreiben eines Heliosta- ten zu nutzen. Herkömmliche Heliostaten mit Steuerelektronik sind aufwendig zu positionieren, durch die Bauartbedingte Notwendigkeit der Steuerungselektronik relativ aufwendig herzustellen und nicht selbstjustierend.
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Heliostaten beider Ansteuerelektronik-Varianten benötigen für die zur Regelung verwendete Elektronik und den Antrieb eine relativ hohe Energiemenge.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine autarke Spiegelanlage mit Regelungsnachführung zu schaffen, die mit einem Bruchteil der bisher verwendeten Energie für die Steuerung/Regelung und Antriebsenergie auskommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Heliostat zu schaffen, der im Ruhebetrieb keinen Energieverbrauch hat, so dass auch Energiespeicher mit geringer Kapazität genutzt werden können.
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Insbesondere soll in dem erfindungsgemäßen Heliostaten der Stromverbrauch auf ein Minimum reduziert werden und eine vollständige Energieversorgung der Spiegelanlage bzw. des Heliostaten mit einer Solarzellenleistung von weniger als 1 Watt soll ermöglicht werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann auf einen Referenzsensor und/oder auf die Selektion von Sensoren, mit gleichen elektrischen Kennlinien, für die Strahlungsquellenausrichtung verzichtet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann durch die vorteilhafte Gestaltung der Gehäuse der Sensoren deren Platzierung auch an für den Strahleneinfall ungünstig gelegenen Orten am Gerät zu ermöglichen.
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Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch einen Heliostaten nach dem Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Heliostaten mit wenigstens einem Spiegel, wenigstens einem Aktuator zum Bewegen des Spiegels, einer Sensoranordnung zum Detektieren eines Sonnenstands und/oder einer Sonnenlichtintensität, einer Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, abhängig von den Signalen der Sensoranordnung den Aktuator derart zu betreiben, dass der Spiegel das Sonnenlicht stets in einer vorgegebene Richtung reflektiert, und einer Energieversorgungsanordnung zum Bereitstellen einer Betriebsenergie der Steuereinheit und des Aktuators.
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Es wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Energieversorgungsanordnung wenigstens eine Solarzelle und wenigstens einen Akkumulator umfasst und dass Steuereinheit dazu ausgelegt ist, zumindest in einem Ruhezustand ihre Betriebsenergie von der Solarzelle zu beziehen und in wenigstens einem aktiven Zustand ihre Betriebsenergie und die zum Betrieb des Aktuators notwendige Energie zumindest teilweise von dem Akkumulator zu beziehen.
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Die Steuerelektronik enthält mehrstufige kombinierte Energiesparmechanismen, welche Teile der Steuerelektronik je nach Betriebszustand des Gerätes die entsprechenden Teile der Elektronik ein- oder ausschalten können.
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Die Energieaufnahme kann insbesondere im Ruhebetrieb auf null reduziert werden, und zwar durch ein mehrstufiges Modulkonzept, welches unterschiedliche Energiequellen nutzt, und durch die vorteilhafte Kombination von Elektronischen Schaltern die im Ruhebetrieb keine Energieaufnahme haben und der Kombination einer Kontrollsteuerung für den Umschaltvorgang zwischen den Betriebszuständen.
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So können sehr klein dimensionierte Elektrische Speicher verwendet werden und der Energievorrat über einen langen Zeitraum erhalten werden.
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Eine vorteilhafte Einbeziehung der Solarzelle sowie die Verwendung zweier Differenzverstärker mit entgegengesetzter Eingangsbeschaltung in Kombination mit zwei Hysterese-Schaltungen ersetzten einen Referenzsensor für die Sensoren zur Strahlungsquellenausrichtung. Die Solarzelle ermöglicht es auf eine Selektion der Photosensoren zu verzichten. Die Solarzelle wird ferner zum Einschalten der Schaltung verwendet.
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Eine Auswertung des Solarenergieertrages (Sonnenstrahlintensität) mittels einer Solarzelle ermöglicht den Verzicht auf die aufwendige Selektion von Sensoren.
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Eine besonders vorteilhafte Gestaltung der Gehäuse der Sensoren unter Einbeziehung der Lichtbrechung ermöglicht die Justierung der Sensoren in einem weiten Funktionsbereich zu dem Strahlungseinfallwinkel und der gewünschten Spiegelneigung.
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Zur Realisierung der Energiesparmechanismen regelt und/oder steuert die Steuerelektronik die Ausrichtung des Spiegels über die auf zwei Achsen angebrachten Sensoren. Die Sensoren sind mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:2 mit der jeweiligen Spiegelachse gekoppelt.
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Die Steuerelektronik wird in mehrere Steuerelektronikmodule unterteilt. Die Steuerelektronikmodule sind vorteilhaft so in Gruppen zusammengefasst, dass sie während gleichen Systembetriebszuständen aktiv sind und zugleich von denselben Energiekontrollmodulen gespeist werden können.
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Die für die Energieversorgung der Steuerelektronikmodule verwendete Energiesteuerung wird zudem in mehrere Module, und zwar ein Energiekontrollmodul Primärenergiequelle, ein Energiekontrollmodul Hybrid und ein Energiekontrollmodul Energiespeicher, aufgeteilt. Die Module der Energiesteuerung sind nach Art der Energiequelle und der möglichen System-Betriebszustände gruppiert.
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Weitere vorteilhafte Merkmale von Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Beschreibung und die Figuren enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann auch zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen kann, ohne den durch die Ansprüche bestimmten Schutzbereich zu verlassen.
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Es zeigen:
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1 verschiedene Module der Steuerelektronik eines erfindungsgemäßen Heliostaten und die Gruppierung der Energieversorgungsmodule,
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2 eine schematische Darstellung zur sicheren Abschaltung verschiedener Module und zum sicheren Übergang in den Stromsparmodus,
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3 Doppelt ausgeführte Differenzverstärker der Steuerungselektronik mit entgegengesetzter Eingangsverschaltung,
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4a und 4b ein Kugelförmiges Sensorgehäuse des erfindungsgemäßen Heliostaten aus Vollmaterial mit hohem Brechungsindex und
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5 den erfindungsgemäßen Heliostaten in einer Gesamtansicht.
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1 illustriert verschiedene Steuerelektronikmodulgruppen 2a, 2b, 2c deren Energieversorgungen 3a, 3b in den jeweiligen Betriebszuständen des Heliostaten. Als primäre Energiequelle 3a kann zum Beispiel eine Solarzelle und als Energiespeicher 3b ein Lithium-Ionen-Akku Verwendung finden. Die Betriebszustände sind: ein Ruhezustand 1a, ein Stromsparzustand 1b und ein aktiver Zustand 1c sowie ein Rückstellwartezustand 1d und ein aktiver Rückstellzustand 1e. Beispielsweise beinhaltet die Steuerelektronikmodulgruppe 2a die in den jeweiligen Betriebszuständen 1a, 1b und 1c aktiven Steuerelektronikmodule 5a und die Energiespeicherladesteuerung 6, deren Energieversorgung über das Energiekontrollmodul 4a gesteuert wird.
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Im Ruhezustand wird das Energiekontrollmodul 4a nur von der Solarzelle 3a gespeist. Bei ausreichend hoher Strahlung wird die Aktivierung der Elektronik, der Übergang vom Ruhezustand in den Stromsparzustand ausgeführt. Es werden das Energiekontrollmodul 4a und das Steuerelektronikmodul 5a aktiviert.
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In vorteilhafter Weise kann die Dimensionierung der Primärenergiequelle bzw. der Solarzelle 3a so gestaltet werden, dass die für die Aktivierung aus dem Ruhezustand in den Stromsparzustand notwendige Energie von der Solarzelle 3a erzeugt werden kann. Das Energiekontrollmodul 4b Hybrid ist im Ruhezustand deaktiviert. Das Energiekontrollmodul 4c Energiespeicher ist ebenfalls deaktiviert.
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Im Stromsparzustand wird das Steuerelektronikmodul 5a über das Energiekontrollmodul 4a gespeist, welches die Energie nur von der Energiequelle 3a bezieht. Das Steuerelektronikmodul 5b bezieht die Energie vom Energiekontrollmodul Hybrid 4b, welches bei ausreichender Energiebereitstellung die Energie der Primären Energiequelle bzw. Solarzelle 3a oder alternativ aus dem Energiespeicher 3b verwendet. Das Energiekontrollmodul 4c ist im Stromsparzustand deaktiviert.
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Das Steuerelektronikmodul 5c (1) wird über das Energiekontrollmodul gespeist 4c, welches von dem Energiespeicher 3b bzw. dem Akkumulator die notwendige Energie bezieht.
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Dadurch wird erreicht, dass nur die notwendigen Teile der Steuerung nur im jeweiligen definierten Betriebszustand mit Energie versorgt werden. Alle nicht benötigten Teile der Elektronikschaltung werden entsprechend der zugehörigen Gruppe und dem Betriebszustand der Elektronik deaktiviert.
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Im Ruhezustand wird ein Betrieb ohne Energiebedarf aus dem Energiespeicher bzw. dem Akkumulator ermöglicht. Dazu werden die für den Übergang aus dem Ruhezustand in den Stromsparmodus verantwortlichen Steuerungsteile (Module) nur durch eine Primärenergiequelle, z. B. die Solarzelle 3a (1) gespeist. Diese Kombination von Primärenergiequelle und dem für den Aktivierungsfall verantwortlichem Energiekontrollmodul ist besonders vorteilhaft in dieser Anwendung mit einer Heliostatensteuerung, da der Heliostat bei Tageslicht betrieben und nachjustiert wird.
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Damit wird keine Energie im Ruhezustand oder für die Aktivierung vom Ruhezustand in den Stromsparmodus aus dem Energiespeicher 3b (2) benötigt.
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Für den Übergang vom Aktiven Zustand in den Stromsparzustand ist eine besonders vorteilhafte Verlagerung der Abschaltelektronik 10 zum Energiekontrollmodul Solar 4a (2) realisiert. Zudem werden bei einer Abschaltung der Energiekontrollmodule 4b und 4c durch die Abschaltsteuerung 11 im Energiekontrollmodul 4a in den Ruhezustand Elektronische Schalter verwendet, die keine Energieaufnahme im abgeschalteten Zustand benötigen. Dadurch können alle nicht benötigten Steuerungsmodule im aktiven Bereich der Schaltung deaktiviert werden um den Energieverbrauch stark zu reduzierten. Die Schaltungen werden in vorteilhafter Weise mit Zeitgesteuerten Abschaltüberwachungssteuerungen ergänzt, die einen korrekten Betriebszustandsübergang sicherstellen und ein Schwingen der Schaltungselektronik (schnelles ein-aus-einschalten) verhindert. Diese Abschaltmodule können über Timerschaltungen und RC-Glieder realisiert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, zur Auswertung der Sensorsignale Differenzverstärker mit Entgegengesetzter Eingangsbeschaltung vorzusehen. Die Auswertung der Sensoren erfolgt nach dem Stand der Technik mit Hilfe eines Differenzverstärkers, der die unterschiedlichen Spannungsabfälle an den Sensoren gegen eine Referenzdiode vergleicht.
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Die Erfindung ermöglicht es, auf den Referenzsensor zu verzichten indem durch die Verwendung einer Solarzelle ein vordefinierter Strahlungsintensitätsbereich für die Auswertung verwendet wird. Dadurch wird nur innerhalb eines definierten Strahlungsstärkebereiches die Schaltung aktiviert. Ferner wird die Auswertung der Differenzverstärker 35a und 35b (3) nicht gegen eine Referenzdiode sondern gegenüber der zweiten Sensordiode 31a, 31b (3) mit einer jeweils definierten Hysterese durchgeführt.
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Die Hysterese des Differenzverstärkers 35b rechts (3) wird durch die Widerstände 33b, 32b definiert. Die Auswertung erfolg parallel durch einen zweiten Differenzverstärker 35a links mit entgegengesetzter Eingangsbeschaltung und einer zweiten Hystereseschaltung. Die Hysterese des Differenzverstärkers 35a links (3) wird durch die Widerstände 33a, 32a definiert. Wird die Hysterese bei beiden Differenzverstärkern 35a, 35b kleiner als die Spannungsschwankungen 16, die bei Verschattung eines der beiden Sensoren auftreten, festgelegt, so stellt sich die Ausgangsschaltung bei gleichmäßiger Beleuchtung der Sensoren 31a, 31b auf einen Logik-Ausgangswert von 1; 1 oder 0; 0 ein, bei dem der Antrieb 37 bzw. Aktuator nicht aktiv ist. Wird nur ein Sensor bestrahlt so stellt sich ein Logik-Ausgangswert von 0; 1 oder 1; 0 ein und der Antrieb 37 bzw. Motor oder Aktuator wird eingeschaltet und der Spiegel gedreht.
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Im Folgenden wird anhand der 3 als Beispiel die Verschattung des linken Sensors 31a beschrieben. Die Hysterese des Differenzverstärkers 35b rechts ist kleiner als des Differenzverstärkers 35a links eingestellt. Der Sensor 31b rechts wird bestrahlt und der Sensor 31a links wird verschattet, so dass sich eine positive Differenzspannung 39 einstellt. Wenn die Hystereseschwellen der beiden Differenzverstärker 35a, 35b kleiner als die Spannung 39 sind, schaltet der Differenzverstärker 35b den Ausgang 34b auf den Wert des positiven Pols der angeschlossenen Spannungsquelle 30 und der Differenzverstärker 35a schaltet den Ausgang 34a auf den Wert des negativen Pols der angeschlossenen Spannungsquelle 30. Die Spannung 38 am Antriebsmotor 37 ist dann positiv und der Antrieb bewegt. den Spiegel nach rechts bis der Sensor links 31a wieder bestrahlt wird und die Spannung 39 soweit sinkt bis die Hystereseausschaltschwelle von Differenzverstärker 35b rechts erreicht wird. Der Ausgang 34b des Differenzverstärkers 35b rechts springt auf den Spannungswert des negativen Pols des Akkumulators, die Spannung 38 am Motor 37 wird Null. Der Motor stoppt. Der Motor ist demnach bei den Logikpegeln 0; 0 innerhalb der Hystereseschleife der Hystereseschaltung ausgeschaltet.
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Die Schaltung funktioniert der entgegengesetzte Richtung entsprechend in der umgekehrten Weise.
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Führt eine starke Verschattung eines Sensors jedoch zu einer höheren Differenzspannung 39 als die Hysteresespannung des Differenzverstärkers 35a links so wird damit die Motorabschaltlogik des Differenzverstärker 35b rechts bis zur entgegengesetzten Hystereseschwellenüberschreitung des Differenzverstärkers 35a links negiert. Beispielsweise wird dann bei einer dem Positiven Pol des Akkumulators entsprechenden Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 35b rechts der Motor 37 abgeschaltet. Der Motor 37 ist demnach auch bei den Logikpegeln 1; 1 ausgeschaltet.
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Bei einer Ausgangsspannung des Differenzverstärker 35b rechts von –U Batterie wird der Motor 37 eingeschaltet und der Spiegel wird nach links bewegt. Die Empfindlichkeit der Schaltung kann anhand der Dimensionierung der beiden Hystereseschaltungen eingestellt werden. Dazu können die Widerstände der Hystereseschaltung einstellbar gestaltet werden.
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Für die Arbeitsbereichsteuerung kann mit Hilfe der vorhandenen Solarzelle 3a (5) die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle gemessen werden. Durch eine vorteilhafte Schaltungsanordnung der Energiesteuerungsmodule 4a (1, Energiekontrollmodul Primärenergiequelle) wird die Steuerelektronik die die Sensorenauswertung übernimmt nur innerhalb eines definierten Mindest- und Maximalwertes der Strahlungsintensität aktiviert und eine Auswertung der Differenzspannung U Sensor 39 vorgenommen. Dies erlaubt es, dass die Kennlinien der Sensoren nur diesem definierten Bereich einen gleichförmigen Verlauf benötigen. Eine Selektion der Sensoren hinsichtlich der Widerstandsverlaufskennlinie über der Strahlungsintensität kann somit entfallen.
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3 illustriert die doppelt ausgeführte Differenzverstärkerschaltung mit dem angeschlossenen Antriebsmotor 37 und den beiden Photosensoren 31a und 31b die über die Spannungsquelle 30 versorgt werden. Die beiden Differenzverstärker 35a und 35b werten die Brückenspannung 39 aus, die sich zwischen den Brückensträngen 31a, 36a und 31b, 36b einstellt. Die Hysterese des linken Differenzverstärkers 35a wird über den Rückkoppelwiderstand 33a und den Auskoppelwiderstand 32a bestimmt. Die resultierende Antriebsspannung 38 am Antriebsmotor 37 ergibt sich aus der Differenz der Spannungen der Differenzverstärkerausgänge 34b zu 34a. Eine Schaltung steuert je einen Antriebsmotor (53a und 53b) der Achse 1 und Achse 2 im Heliostaten der hier in 3 beispielhaft mit 37 gekennzeichnet ist.
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Die 4a und 4b illustrieren die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorgehäuses für die Erweiterung des nutzbaren Lichteinfallswinkels.
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4a illustriert die Wirkung der Trennwand 45 auf den Strahlenverlauf der Sonnenstrahlen 41 und die Photosensoren 31a und 31b sowie die Drehrichtung 43 des Sensorgehäuses. In diesem Beispiel wird der Sensor 31a durch die Trennwand 45 verschattet. Der Sensor 31b nicht.
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4b illustriert die Brechungswirkung 47 des Sensorgehäuses 46 auf den Strahlenverlauf der Sonnenstrahlen 41. Die Photosensoren 31a, 31b beidseitig der Trennwand 45, hier beispielsweise der Sensor 31b dargestellt wird von der Sonne in einem zum Lot des Sensors 31b hin veränderten Winkel beleuchtet. Der Sensor 31b kann über einen erweiterten Winkelbereich die Sonnenstrahlung 41 auswerten.
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Die besonders vorteilhafte Einbeziehung der Lichtbrechung bei der Gestaltung des Gehäuses 46 der Sensoren ermöglicht es, die Justierung der Sensoren 31a, 31b in einem weiten Funktionsbereich zu dem Strahlungseinfallwinkel und der gewünschten Spiegelneigung vorzunehmen.
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Durch die Verwendung von Glas oder Acrylglaskugeln als transparentes Material und unter Nutzung des Brechungsverhaltens von Lichtstrahlen zum Lot beim Übergang in Materialen 47 mit höherer Dichte kann ein in der Kugel angebrachter Sensor 31b somit einen erweiterten Lichteinfallswinkel abdecken. Die innerhalb der Kugel angebrachten Sensoren 31a und 31b befinden sich auf einer Ebene, die senkrecht zur Richtung der Strahlungsquelle ausgerichtet ist und über eine Drehachse 44 in Richtung 43 drehbar gelagert ist. Die Sensoren sind beidseitig einer senkrecht zu dieser Ebene eingebrachte Trennwand 45 platziert.
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Somit ist es möglich, die Azimut und Elevations-Sensoren nicht zwingend zusammen auf einer Ebene der Strahlungsquelle hin auszurichten. Der Reflexionsspiegelebene kann beispielsweise die Azimut-Ebene der Elevation-Sensoren fest zugeordnet werden. Somit kann Beispielsweise die Welle 55b des Gehäuses 46b der Photosensoren welche für die Ausrichtung der Achse 2 verwendet werden auf der drehbaren Halterung 57a angebracht werden, die sich um Achse 1 dreht. Damit kann die Justierung der Spiegelanlage und auch die Designgestaltung des Heliostaten einfacher umgesetzt werden.
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2 illustriert die Kombination der Abschaltüberwachung 10 und Abschaltsteuerung 11 im Energiekontrollmodul 4a. Die Energiekontrollmodule 4a, 4b und 4c regeln die Energieversorgung der Steuerelektronikmodule 5a, 5b und 5c. Die Abschaltüberwachung wird über die Steuerelektronikmodule 5a, 5b und 5c getriggert. Das Energiekontrollmodul Solar 4a wird von der primären Energiequelle Solarzellen 3a gespeist. Das Energiekontrollmodul Energiespeicher 4c wird von dem Energiespeicher 3b gespeist. Das Energiekontrollmodul Hybrid 4b wird von beiden Energiespeichern 3a und oder 3b gespeist.
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5 illustriert die Gesamtansicht des Heliostaten. Die Solarzelle 3a dient als primäre Energiequelle. Der Spiegel 60 ist über die Achse 51b mit der drehbaren Halterung 57a verbunden. Diese ist über die Achse 51a drehbar mit dem Gehäusefuß 58 verbunden. Das Sensorengehäuse 46a mit zwei Photosensoren ist der Achse 51a im Verhältnis 2:1 über die Welle 55a und das Getriebe 56a in gleicher Achsenlage zugeordnet. Das Sensorengehäuse 46b mit zwei Photosensoren ist auf der drehbaren Welle 55b über das Getriebe 56b im Verhältnis 2:1 mit der Achse 51b gekuppelt. Die Achsenjustage des Spiegels der Achse 51a wird über den Antriebsmotor 53a der mit dem Gehäusefuß 58 fest verbunden ist und die Spindelantriebswelle 52a, die die Spindelmutter in dem Achsenausleger 59a realisiert. Der Achsausleger 59a ist mit der Halterung 57a fest verbunden.
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Die Achsenjustage des Spiegels der Achse 51b erfolgt entsprechend über den Antriebsmotor 53b, die Spindel 52b und den Achsenausleger 59b.
