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Die
Erfindung betrifft ein System zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Vorrichtungen
zur Gewinnung von Energie aus der Sonneneinstrahlung sind hinreichend
bekannt. Insbesondere sind Solarkollektoren bekannt, die die Sonnenenergie
zum Aufheizen eines Mediums, beispielsweise Wasser, verwenden. Ferner
sind Solarmodule, auch als Photovoltaikmodule bezeichnet, bekannt,
die die von der Sonne bereitgestellte Energie in elektrische Energie
umwandeln.
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Des
Weiteren ist bekannt, dass der Wirkungsgrad derartiger Vorrichtungen
zur Gewinnung von Energie aus der Sonneneinstrahlung entscheidend
dadurch erhöht werden kann, dass die Solarmodule bzw. Solarkollektoren
dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt werden. Besonders
vorteilhaft werden die Solarmodule bzw. Solarkollektoren um zwei
Raumachsen mittels Stelleinheiten dreh- bzw. schwenkbar auf Nachführeinheiten
angeordnet, so dass eine Sonnenstandsnachführung sowohl
im Azimut, d. h. um eine Vertikalachse drehbar, als auch in der
Elevation, d. h. um eine Horizontalachse schwenkbar, erfolgen kann.
Dadurch sind Steigerungen des Wirkungsgrades gegenüber
einer stationär ausgerichteten Vorrichtung um bis zu 40%
möglich.
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Ausgehend
vom dargelegten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein System zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
anzugeben, das beliebig skalierbar ist und das eine individuelle
Steuerung der einzelnen Nachführungseinheiten ermöglicht.
Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1
durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Der
wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Systems
zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung ist darin zu
sehen, dass jeder Nachführeinheit jeweils eine erste Steuereinheit
zugeordnet ist, die die ihr zugehörigen Stelleinheiten
steuert, dass zumindest eine zweite Steuereinheit vorgesehen ist,
an die mehrere erste Steuereinheiten über einen Datenbus
angeschlossen sind und dass die zumindest eine zweite Steuereinheit
zur Abgabe von an jeweils ein erstes Steuergerät adressierten
Befehlen und/oder Steuerungsinformationen über den Datenbus
ausgebildet ist. Durch die zumindest zweistufige Hierarchie von
Steuerungseinheiten ist es möglich, dass die ersten Steuerungseinheiten
jeweils die einer Nachführeinheit zugeordneten Stelleinheiten
ansteuert, auf eine sonnenstandsabhängige Position nachführt
und bei Abweichungen der Istposition von der Sollposition eine Nachregelung
durchführt. Damit werden die Steuerungs- und Regelaufgaben
direkt an der Nachführeinheit durchgeführt, so
dass die Übertragung von Nachregelungsbefehlen über
den Datenbus entfällt und somit auf dem Datenbus lediglich
Befehle, Steuerungsinformationen sowie Statusmeldungen o. ä. übertragen
werden müssen. Dies hat ein erheblich reduziertes Datenaufkommen
auf dem Datenbus zur Folge.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Steuereinheiten
in Serie an den Datenbus angeschlossen. Diese Anschlussart ist auch als
sog. „Daisy chain” bekannt. Vorzugsweise ist der Datenbus
zudem als Zweidraht-Datenbus ausgebildet, wobei an jeweils eine
zweite Steuereinheit bis zu 255 erste Steuereinheiten in Serie anschließbar
sind. Durch die Verwendung eines seriellen Datenbus, der insbesondere
lediglich aus zwei Steuerleitungen besteht, ist eine sehr einfache
und kostengünstige Verbindung zwischen den einzelnen ersten
Steuereinheiten und der zumindest einen zweiten Steuereinheit möglich.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform überträgt
die zweite Steuereinheit in den adressierten Befehlen und/oder Steuerungsinformationen
Sonnenstandsdaten an die einzelnen ersten Steuergeräte.
Die ersten Steuereinheiten sind zum Empfang, zur Speicherung und
zur Auswertung einer auf dem Datenbus übertragenen Sonnenstandsinformation
ausgebildet. Die Adressierung der Befehle und/oder Steuerungsinformationen
ermöglicht eine individuelle Steuerung der einzelnen Nachführeinheiten,
beispielsweise eine Ansteuerung derart, dass auch Abschattungseffekte
zwischen einzelnen Nachführeinheiten bei der Sonnenstandsnachführung
berücksichtigt werden können.
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Vorzugsweise
ist die erste Steuereinheit zur Ansteuerung der ihr zugeordneten
Stelleinheiten gemäß der übertragenen
Sonnenstandsinformation ausgebildet. Hierbei sind die Sonnenstandsinformationen
beispielsweise jeweils ein Absolutwert des Azimuth- und Elevationswinkels,
die in den ersten Steuereinheiten selbst in Ansteuerungsdaten für
die Stelleinheiten umgesetzt werden. In der ersten Steuereinheit
werden des Weiteren durch Positionssensoren bereitgestellte Positionsinformationen
erfasst und ausgewertet. Aus einem Vergleich der Positions- und
Sonnenstandsinformationen werden die bestehenden Abweichungen ermittelt
und die Stelleinheiten derart angesteuert, dass die Nachführeinheiten auf
die gewünschte Sollposition ausgerichtet werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Steuereinheit
zur Abgabe von adressierten Diagnose- und/oder zur Statusabfragen
an die jeweiligen ersten Steuereinheiten über den Datenbus
ausgebildet. Dadurch ist es möglich, dass die zweite Steuereinheit
den ersten Steuereinheiten hierarchisch übergeordnete Kontroll-
bzw. Steuerungsaufgaben übernimmt.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind
mehrere zweite Steuereinheiten vorgesehen, denen jeweils eine Gruppe
von ersten Steuereinheiten zugeordnet ist. Hierbei bildet jeweils
eine zweite Steuereinheit mit den an ihr angeschlossenen ersten
Steuereinheiten ein unabhängig vom restlichen System funktionsfähiges
Teilsystem. Durch die derartige Strukturierung mehrerer Nachführeinheiten
in voneinander autark funktionsfähige Gruppen ist es möglich,
dass auch beim Ausfall einer zweiten Steuereinheit die übrigen,
jeweils aus einer zweiten Steuereinheit mit mehreren ersten Steuereinheiten
gebildeten Einheiten funktionsfähig bleiben.
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Vorzugsweise
ist jeweils in der zweiten Steuereinheit ein Datensatz mit Sonnenstandsinformationen
abgelegt. Dieser Datensatz kann beispielsweise als Rechnertabelle
in einem Speicherbereich der zweiten Steuereinheit abgelegt sein
und die tages- bzw. jahreszeitabhängigen Sonnenstandsdaten
beispielsweise als Wertepaar von Azimut- und Elevationswinkel enthalten.
Dieser Datensatz dient somit als Datenbasis für die Steuerung
der Nachführeinheiten.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die
zumindest eine zweite Steuereinheit in ein Rechnernetzwerk, beispielsweise
ein TCP/IP-Ethernet-Netzwerk, eingebunden. Abhängig von
der Anzahl von zweiten Steuereinheiten und deren räumlicher
Distanz kann das Netzwerk aus Kupfernetzwerkkabeln oder aus Lichtwellenleitern gebildet
sein. Dadurch wird eine einfache und kostengünstige Vernetzung
der zweiten Steuereinheiten ermöglicht. Zudem können
durch die Verwendung einer Standard-TCP/IP-Ethernet-Schnittstelle
beliebig viele weitere Standard-Komponenten, beispielsweise Router
oder Switches, Teil des Rechnernetzwerks werden.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist
die zumindest eine zweite Steuereinheit eine modular aufgebaute
SPS-Steuereinheit mit Prozessor und Speichereinheit. Diese ist vorzugsweise
zum einen in das Rechnernetzwerk eingebunden, zum anderen enthält
es eine weitere vorzugsweise differentielle serielle Schnittstelle,
insbesondere eine RS-485-Standardschnittstelle zur
Ansteuerung der am Datenbus angeschlossenen ersten Steuereinheiten.
D. h. die zweite Steuereinheit bildet eine Schnittstelle zwischen
dem Rechnernetzwerk und dem Datenbus. Durch die Ausstattung der
zweiten Steuereinheit mit zumindest einem Prozessor und einer Speichereinheit
ist es möglich, auch rechen- und speicherintensive Aufgaben,
beispielsweise die Betriebsdatenerfassung zu bewerkstelligen. Durch
die mittels SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) programmierbare
Steuereinheit ist eine individuelle Anpassung auf die jeweiligen
Steuerungsaufgaben möglich.
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Weiterhin
weist die zumindest eine zweite Steuereinheit einen WEB-Server und
einen FTP-Server zum Datenaustausch auf. Der WEB-Server dient hierbei
beispielsweise zur Visualisierung, Konfiguration und/oder Diagnose über
einen Web-Browser eines Rechners, der im lokalen Rechnernetzwerk
oder aber auch in einem beispielsweise über das Internet verbundenen
Fernnetzwerk (remote) betrieben wird. Über den FTP-Server
ist es möglich, auf in der Speichereinheit der zweiten
Steuereinheit gespeicherte Daten zuzugreifen.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Rechnernetzwerk eine dritte Steuereinheit, die zum Datenaustausch mit
den an ihr angeschlossenen, vorzugsweise mehreren zweiten Steuereinheiten
und zur menügesteuerten Bedienung und/oder Diagnose des
gesamten Systems ausgebildet ist. Die dritte Steuereinheit bildet
hierbei die oberste Hierarchieebene der Steuereinheiten und ermöglicht
somit eine weitere Abstrahierung der Aufgabenverteilung. Diese ist
insbesondere dann von Nöten, wenn ein großes System
mit mehreren zweiten Steuereinheiten betrieben wird. So lassen sich
beispielsweise die Betriebsdatenerfassung, die Bedienung und Steuerung,
sowie andere das gesamte System betreffende Dienste bzw. Schnittstellen
in dieser dritten Steuereinheit vereinheitlichen.
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Vorzugsweise
ist die zweite und/oder dritte Steuereinheit zur Bereitstellung
von Sonnenstandsdaten aus einem in einem Speicher abgelegten Datensatz
oder zum Beziehen der Sonnenstandsdaten aus einem Datennetz, beispielsweise
dem Internet ausgebildet. In Kombination oder alternativ hierzu weist
die zweite oder dritte Steuereinheit satellitengestützte
Mittel zur Bestimmung des Standorts und/oder der an diesem Standort
vorliegenden zeitabhängigen Sonnenstandsinformationen auf.
Dadurch ist es insbesondere in Verbindung mit einem den Aufstellungsort
bestimmbaren System, beispielsweise einem GPS-System möglich,
dass die zweite und/oder dritte Steuereinheit selbstständig aufgrund
des bestimmten Standorts die an diesem vorherrschenden tages- und
jahreszeitabhängigen Daten zu erfassen, diese in einem
Speicher abzulegen und mit diesen ermittelten zeitabhängigen
Sonnenstandsinformationen die Nachführung zu bewerkstelligen.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind Mittel
zur leitungsgebundenen und/oder drahtlosen Verbindung mit dem Internet
vorgesehen, beispielsweise mittels einer GSM-, GPRS-, UMTS- oder
WLAN-Schnittstelleneinheit. Über diese Schnittstellen kann
ein gesicherter Zugriff über das Internet auf das Gesamtsystem
erfolgen und auch über Fernzugriff ein Systemeingriff vorgenommen
werden. Zudem kann ein Monitoring des Gesamtsystems, beispielsweise über
ein SNMP-Protokoll (simple network management protocol) realisiert
werden, das über Email, SMS oder andere Kommunikationsmöglichkeiten
den Betreiber über eventuell auftretende Störungen
informiert.
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Zum
Schutz des Systems vor Windschäden können vorzugsweise
mehrere Windsensoren örtlich getrennt voneinander vorgesehen
sein, die jeweils einer Gruppe von zu einer zweiten Steuereinheit
gehörenden ersten Steuereinheiten zugeordnet sind. Abweichend
hiervon kann für die Gesamtanlage lediglich ein zentraler
Windsensor vorgesehen sein. Die durch diese Sensoren ermittelten
Messwerte, die insbesondere die Windstärke und die Windrichtung
umfassen, können dann mittels einer von der zweiten Steuereinheit
generierten, auf dem Datenbus übertragenden Steuerungsinformation
den ersten Steuereinheiten zur Verfügung gestellt werden,
so dass diese, vorzugsweise innerhalb weniger Millisekunden, die
Nachführeinheiten aus dem Wind drehen bzw. schwenken.
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Zudem
ergeben sich Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich
Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch
wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der
Beschreibung gemacht. Es zeigen:
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1 beispielhaft
ein System zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung mit
aus drei Hierarchiestufen bestehenden Steuereinheiten in einer Systemdarstellung;
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2 beispielhaft
ein System zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung mit
aus zwei Hierarchiestufen bestehenden Steuereinheiten in einer Systemdarstellung;
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3 beispielhaft
ein Blockschaltbild des Systems zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
nach 1;
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4 beispielhaft
die Struktur der Befehle und/oder Steuerungsinformationen und
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5 beispielhaft
die Struktur der Statusinformationen.
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1 zeigt
beispielhaft ein System 1 zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
mit einer Vielzahl von nachzuführenden Einheiten oder Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n,
die jeweils um zumindest eine Raumachse mittels zumindest einer Stelleinheit
M1, M2 dreh- bzw. schwenkbar angeordnet sind. Jeder Nachführeinheit 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n ist
jeweils eine erste Steuereinheit SG1–SGn zugeordnet, die
zur Steuerung der Stelleinheiten M1, M2 der jeweiligen Nachführeinheit 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n ausgebildet
ist. Die Nachführeinheiten 2.1.1.–2.1.n bilden
hierbei eine erste Gruppe von Nachführeinheiten, zu deren übergeordneten
Steuerung eine zweite Steuereinheit SE1 vorgesehen ist. Die Nachführeinheiten 2.2.1–2.2.n bilden
eine zweite Gruppe von Nachführeinheiten, zu deren übergeordnete
Steuerung eine weitere zweite Steuereinheit SE2 vorgesehen ist.
Je nach Größe des Systems 1 können
weitere derartige Gruppen aus jeweils einer zweiten Steuereinheit
SE1–SEn und mehreren dieser zweiten Steuereinheit SE1–SEn
zugeordneten ersten Steuereinheiten SG1–SGn vorgesehen
werden. Die Steuergeräte SG1–SGn jeweils einer
Gruppe von Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n sind
jeweils in Serie über einen Datenbus DB an die jeweiligen
zweiten Steuereinheiten SE1–SEn angebunden.
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Die
zweiten Steuereinheiten SE1–SEn sind Bestandteil eines
Rechnernetzwerks NW, insbesondere eines TCP/IP-Ethernet Netzwerks
und stehen über dieses Netzwerk miteinander in Verbindung. Des
Weiteren umfasst das Rechnernetzwerk NW vorzugsweise eine dritte
Steuereinheit ZSE, die eine zentrale Steuereinheit bildet. Die zweiten
Steuereinheiten SE1–SEn tauschen mit der dritten Steuereinheit
ZSE über das Rechnernetzwerk NW Daten, insbesondere Betriebs-
und Positionsdaten der einzelnen Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n aus. Darüber
hinaus dient die dritte Steuereinheit ZSE zur menügesteuerten
Bedienung und Diagnose des Gesamtsystems.
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Die
dritte Steuereinheit ZSE weist zudem satellitengestützte
Mittel zur Bestimmung des Standorts und/oder der an diesem Standort
vorliegenden zeitabhängigen Sonnenstandsinformationen auf.
Diese Mittel werden beispielsweise über eine Satellitenschnittstelleneinheit
SAT, die vorzugsweise einen GPS-Dongle aufweist, gebildet, der über
ein satellitengestütztes Verfahren, beispielsweise GPS
(Global Positioning System) den aktuellen Aufstellort des Systems 1 ermittelt.
Zudem wird von Satelliten auch der ortsabhängige Sonnenstand übertragen.
Die Satellitenschnittstelleneinheit SAT berechnet anhand des mittels
des satellitengestützten Verfahrens ermittelten Aufstellungsorts
und dem vom Satelliten übertragenen orts- und zeitabhängigen
Sonnenstand die tages- und jahreszeitabhängigen Sonnenstandsdaten
am Aufstellort, anhand derer die einzelnen Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n dem
Sonnenstand nachgeführt werden.
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Außerdem
ist die Anbindung des Systems 1 zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
an das Internet vorgesehen. Diese Anbindung kann für den Fall,
dass am Aufstellort ein leitungsgebundener Internetanschluss zur
Verfügung steht über ein Netzkoppelelement 3,
vorzugsweise einen Router, erfolgen. Dieses Netzkoppelelement 3 kann
vorzugsweise auch eine Firewall zum Schutz des Rechnernetzwerks
NW vor unautorisierten Zugriffen aufweisen.
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Für
den Fall, dass kein leitungsgebundener Internetanschluss zur Verfügung
steht oder zur Bildung einer Redundanz zum leitungsgebundenen Internetanschluss
kann das System 1 eine drahtlose Schnittstelleneinheit 4 aufweisen,
die zum Aufbau einer Funkverbindung, beispielsweise einer GSM, GPRS,
UMTS oder WLAN-Verbindung ausgebildet ist. Mittels dieser Funkverbindung
wird die Einwahl in das Internet beim Fehlen eines leitungsgebundenen Internetanschlusses
oder bei temporär fehlender Verfügbarkeit einer
derartigen Internetverbindung ermöglicht.
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Mittels
des Internetzugangs ist das System 1 fernadministrier-
bzw. fernwartbar, d. h. von einem beliebigen Aufstellort aus lässt
sich mittels eines Rechners 5, einen PDA oder Handy 6 über
das Internet der Betriebszustand aller Systemkomponenten überprüfen
und es kann eine Bedienung und Diagnose des Gesamtsystems vorgenommen
werden. Zudem ist es möglich, die Sonnenstandsdaten alternativ
zum Satelliten aus einem Datennetz, beispielsweise aus dem Internet
selbst, zu beziehen. Des Weiteren können bei eventuell
auftretenden Fehlern oder Störungen über ein SNMP-Protokoll
Meldungen an definierte Stellen abgesetzt werden, beispielsweise über
Email oder SMS.
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2 zeigt
beispielhaft ein System 1 zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung,
das im Unterschied zum System aus 1 lediglich
eine einzige zweite Steuereinheit SE1 aufweist. Eine derartige Systemarchitektur
wird beispielsweise bei einer geringen Anzahl von nach dem Sonnenstand auszurichtenden
Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n gewählt.
Aufgrund der Tatsache, dass lediglich eine einzige zweite Steuereinheit
SE1 vorgesehen ist, kann die Implementierung einer dritten Steuereinheit
ZSE unterbleiben, so dass lediglich zwei Hierarchiestufen von Steuereinheiten
SE1, SG1–SGn vorgesehen sind. Die vorher beschriebenen
Aufgaben der dritten Steuereinheit ZSE werden vollständig
von der zweiten Steuereinheit SE1 übernommen. Zudem weist bei
dieser Systemarchitektur die zweite Steuereinheit SE1 die satellitengestützten
Mittel zur Bestimmung des Standorts und/oder der an diesem Standort
vorliegenden zeitabhängigen Sonnenstandsinformationen auf.
Diese Mittel können beispielsweise von einer Satellitenschnittstelleneinheit
SAT gebildet sein. Der übrige Aufbau ist äquivalent
zum bereits vorher beschriebenen, so dass die obigen Ausführungen auch
hier Gültigkeit besitzen.
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3 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild des in 1 gezeigten
Systems 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind
den ersten Steuereinheiten SG1–SGn jeweils zwei Stelleinheiten
M1, M2 zur Sonnenstandsnachführung der Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n im
Azimut und in der Elevation zugewiesen. Des Weiteren sind den ersten
Steuereinheiten SG1–SGn jeweils zwei Positionssensoren
P1, P2 zugeordnet, mittels denen jeweils der Azimut- und Elevationswinkel
der der jeweiligen ersten Steuereinheit SG1–SGn zugeordneten
Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n bestimmbar
ist. Die Positionssensoren P1, P2 können beispielsweise durch
Drehimpulsgeber oder durch Linearpotentiometer gebildet sein.
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Die
ersten Steuereinheiten SG1–SGn sind über einen
Datenbus DB, der insbesondere ein Zweidraht-Datenbus ist, an eine
zweite Steuereinheit SE1–SEn angeschlossen und zwar derart,
dass einer zweiten Steuereinheit SE1–SEn jeweils mehrere
erste Steuereinheiten SG1–SGn zugeordnet sind. Es können
beispielsweise bis zu 255 erste Steuereinheiten SG1–SGn über
einen Datenbus DB in Serie an eine zweite Steuereinheit SE1–SEn
angeschlossen werden. Der Datenbus DB ist hierbei beispielsweise ein
serieller Datenbus mit RS485-Standard, der sich aufgrund
seiner symmetrischen Signalübertragung durch eine hohe
Toleranz gegenüber elektromagnetischen Störungen
auszeichnet. Über den Datenbus DB werden hierbei von den
zweiten Steuereinheiten SE1–SEn an die jeweiligen ersten
Steuereinheiten SG1–SGn adressierte Befehle und/oder Steuerungsinformationen übertragen.
Die ersten Steuereinheiten SG1–SGn, die einer zweiten Steuereinheit SE1–SEn
zugeordnet sind, bilden jeweils eine Gruppe von ersten Steuereinheiten,
wobei jeder ersten Steuereinheit SE1–SEn der Gruppe eine
eindeutige Adresse zugewiesen ist. Diese ist beispielsweise über
Schalter an der jeweiligen ersten Steuereinheit SG1–SGn
einstellbar. Mittels dieser Adresse ist jede erste Steuereinheit
SG1–SGn einer Gruppe eindeutig identifiziert, so dass die
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn abgesetzten, adressierten
Befehle genau einer ersten Steuereinheit SG1–SGn zuweisbar
sind.
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Der
Datenbus ist hierbei zudem bidirektional ausgebildet, so dass sowohl
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn Befehle und/oder
Steuerungsinformationen an die ersten Steuereinheiten SG1–SGn und
umgekehrt von den ersten Steuereinheiten SG1–SGn beispielsweise
Statusinformationen an die jeweilige zweite Steuereinheit SE1–SEn übertragen werden
können. Mittels derartiger adressierter Befehle und/oder
Steuerungsinformationen werden insbesondere die für die
Sonnenstandsnachführung notwendigen Sonnenstandsdaten von
den jeweiligen zweiten Steuereinheiten SE1–SEn an die ersten Steuereinheiten
SG1–SGn übertragen. Des Weiteren können
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn adressierte Diagnose-
bzw. Statusabfragen über den Datenbus DB an die ersten
Steuereinheiten SG1–SGn übermittelt werden. Diese
Diagnose- bzw. Statusabfragen werden von der ersten Steuereinheit SG1–SGn,
an die die Diagnose- bzw. Statusabfrage adressiert war, mit Statusinformationen
beantwortet, die die zweiten Steuereinheiten SE1–SEn über
den abgefragten Status in Kenntnis setzen. Dadurch ist es beispielsweise
möglich, die aktuelle Ausrichtung der Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.n,
die Spannungen an den Stelleinheiten, bestimmte Zustände
in den ersten Steuereinheiten SG1–SGn, insbesondere Fehlerzustände,
abzufragen.
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4 zeigt
beispielhaft die auf dem Datenbus DB übertragene Struktur
der Befehle und/oder Steuerungsinformationen zwischen der zweiten Steuereinheit
SE1–SEn und den ersten Steuereinheiten SG1–SGn.
Des Weiteren zeigt 5 die Struktur der Statusinformationen,
die zwischen den ersten Steuereinheiten SG1–SGn und der
Ihnen zugeordneten zweiten Steuereinheit SE1–SEn übertragen
werden. Vorzugsweise werden auf jeden von der zweiten Steuereinheit
SE1–SEn abgegebenen adressierten Befehl und/oder Steuerungsinformation von
der ersten Steuereinheit SG1–SGn, an die der Befehl und/oder
die Steuerungsinformation adressiert ist, eine Statusinformation
rückübermittelt.
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Ein
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn an eine erste Steuereinheit
SG1–SGn übertragener Befehl und/oder Steuerungsinformationen
weist zunächst ein Datenfeld für die Länge
des Befehls und/oder der Steuerungsinformation auf. Anschließend
wird eine Adresse übertragen, die eindeutig eine erste
Steuereinheit SG1–SGn definiert, an die der Befehl und/oder
die Steuerungsinformation adressiert sind. Das darauffolgende Feld
definiert die Art des Befehls und/oder der Steuerungsinformation, der
in der adressierten ersten Steuereinheit SG1–SGn ausgeführt
werden muss. Hierzu sind eine Reihe von Befehlen und/oder Statusinformationen vordefiniert
und mit einer eindeutigen Kennung versehen, wobei diese Kennung
zur Angabe der Art des Befehls und/oder der Steuerungsinformation übertragen
wird. Anschließend folgen mehrere Felder, in denen binäre
Werte von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn an die jeweilige
erste Steuereinheit SG1–SGn übertragen werden
können. Diese Werte können beispielsweise den
Sonnenstand mittels eines Azimut- und/oder Elevationswinkels angeben.
Im vorletzten Feld werden Kontrollbits übertragen, deren Wert
sich vorzugsweise durch eine logische Verknüpfung der vorgenannten
Felder ergibt. Sie dienen zur Kontrolle einer fehlerlosen Übertragung
auf dem Datenbus DB. Am Ende eines jeden Befehls steht ein Stopbit,
das das Ende eines Befehls kennzeichnet.
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Der
Aufbau der in 5 gezeigten Statusmeldungen,
die von der jeweiligen ersten Steuereinheit SG1–SGn, an
die ein Befehl und/oder eine Steuerungsinformation gerichtet war,
an die zweite Steuereinheit SE1–SEn rückübertragen
wird, zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die in 4 dargestellte
Struktur eines Befehls und/oder einer Steuerungsinformation. In
einem ersten Feld wird die Länge der Statusinformation
angegeben, das darauffolgende Feld kennzeichnet die Adresse der
ersten Steuereinheit SG1–SGn, die die Statusinformation
abgesandt hat, um eine eindeutige Zuweisung der Statusinformation zu
einer ersten Steuereinheit SG1–SGn in der zweiten Steuereinheit SE1–SEn
zu gewährleisten. Darauf folgt eine Statusinformation,
wobei auch hier Arten von Statusmeldungen vordefiniert und mit einer
definierten Kennung versehen sind. Es folgen mehrere Wertefelder,
die in binärer Form einen Zahlenwert repräsentieren.
Dieser Zahlenwert kann beispielsweise die Ist-Werte des Azimut-
bzw. Elevationswinkels oder andere für den Betrieb des
Systems notwendige Statusinformationen repräsentieren.
Das vorletzte Feld bildet eine Reihe von Kontrollbits, die eine
logische Verknüpfung der vorher genannten Felder der Statusinformation
ist und eine Prüfung auf eventuell aufgetretene Übertragungsfehler
ermöglicht. Das Ende bildet wiederum ein Stopbit, das den
Abschluss der Statusinformationsübertragung signalisiert.
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Durch
die derartige Struktur der Befehls- und/oder Steuerungsinformationen,
insbesondere durch deren eindeutige Zuweisung zu ersten Steuereinheiten
SG1–SGn können die Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n jeweils
getrennt voneinander ausgerichtet werden, so dass auch beispielsweise
bei Abschattungsproblemen einzelner Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n untereinander ein
optimierter Betrieb des Systems 1 gewährleistet ist.
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Im
Folgenden wird die Sonnenstandsnachführung mittels einzelner
an die jeweiligen ersten Steuereinheiten SG1–SGn adressierter
Befehle beschrieben. Die Bereitstellung der tages- und jahreszeitabhängigen
Sonnenstandsdaten erfolgt bei einem System gemäß 1 durch
die dritte Steuereinheit ZSE oder bei einem System gemäß 2 durch die
zweite Steuereinheit SE1. Für ersteren Fall werden die
Sonnenstandsdaten über das Rechnernetzwerk NW an die zweiten
Steuereinheit SE1–SEn übermittelt. Diese Sonnenstandsdaten
werden von den zweiten Steuereinheiten SE1–SEn einzeln
mittels oben beschriebener Befehle und/oder Steuerungsinformationen
an die ersten Steuereinheiten SG1–SGn übermittelt.
Diese ersten Steuereinheiten SG1–SGn sind zum Empfang,
zur Speicherung und zur Auswertung der auf dem Datenbus DB übertragenen
Sonnenstandsinformationen ausgebildet. Dies bedeutet, dass die im
Befehl und/oder Steuerungsinformation übermittelten Sonnenstandsinformationen beispielsweise
Winkelwerte repräsentieren, die in der ersten Steuereinheit
SG1–SGn empfangen, gespeichert und ausgewertet werden.
Diese Winkelwerte bilden die aktuell gültigen Soll-Werte,
auf die die jeweilige Nachführeinheit 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n ausgerichtet
werden soll. Die Sonnenstandsnachführung erfolgt hierbei
unter Berücksichtigung der aktuellen Ist-Position der Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n.
Diese wird mittels der Positionssensoren P1, P2 ermittelt. Nach
dem Empfang des Befehls zur Sonnenstandsnachführung durch
die erste Steuereinheit SG1–SGn werden die Ihr zugeordneten
Stelleinheiten M1, M2 derart angesteuert, dass die Ist-Position
der Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n gleich
der Soll-Position ist.
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Für
den Fall, dass die tages- bzw. jahreszeitabhängigen Sonnenstandsdaten
nicht, wie vorher beschrieben, durch die Satellitenschnittstelleneinheit SAT
berechnet oder aus einem Datennetz, beispielsweise dem Internet
bezogen werden kann, wird in den zweiten Steuereinheiten SE1–SEn
ein Datensatz mit diesen Sonnenstandsdaten bereitgehalten. So kann
beispielsweise bei einer Unterbrechung des Satellitensignals oder
einer Unterbrechung der Verbindung zum Datennetz oder zur dritten
Steuereinheit ZSE die Sonnenstandsnachführung der Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n über
diesen Datensatz erfolgen. Zudem ist es in der zweiten Steuereinheit
SE1–SEn möglich, bei Fehlen der Verbindung zur
dritten Steuereinheit ZSE die Betriebsdaten, die zur Erstellung
des Betriebsdatenprotokolls notwendig sind, in der Speichereinheit
SP abzulegen und bei Wiederherstellung der Verbindung zur dritten
Steuereinheit ZSE die Betriebsdaten an diese zu übermitteln.
Somit bildet eine zweite Steuereinheit SE1–SEn mit den
an ihr angeschlossenen ersten Steuereinheiten SG1–SGn ein
unabhängig vom restlichen System funktionsfähiges
Teilsystem.
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Die
erste Steuereinheit SG1–SGn ist zudem als intelligente
Einheit ausgebildet, so dass ein von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn übermittelter Soll-Wert
in der ersten Steuereinheit SG1–SGn vorzugsweise gespeichert
wird. Nach dem Einnehmen einer Soll-Position wird mittels der Positionssensoren P1,
P2 überwacht, ob sich der Azimut- und/oder der Elevationswinkel
beispielsweise durch Windeinflüsse verändern.
Bei auftretenden Veränderungen wird mittels der Stelleinheiten
M1, M2 die Ist-Position auf die Soll-Position nachgeregelt. Die
derartige Nachregelung erfolgt hierbei vorzugsweise ohne jeglichen
Datenverkehr auf dem Datenbus DB, was besonders vorteilhaft hinsichtlich
des Datenaufkommens auf dem Datenbus DB, insbesondere bei böigem
Wind, ist.
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Mit
Verweis auf die obigen Ausführungen wird vorzugsweise jeder
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn abgesetzte, über
den Datenbus DB übertragene Befehl bzw. Steuerungsinformation
mit einer Statusinformation der ersten Steuereinheit SG1–SGn
an die zweite Steuereinheit SE1–SEn bestätigt.
Im Falle der Übertragung einer Sonnenstandsinformation
von der zweiten Steuereinheit SE1–SEn an die erste Steuereinheit
SG1–SGn wird beispielsweise eine Statusinformation rückübermittelt,
die die aktuelle Istposition der jeweiligen Nachführeinheit 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n nach
der Neupositionierung repräsentiert. Damit erhält
die zweite Steuereinheit SE1–SEn eine Vielzahl von Informationen,
die insbesondere zur Anfertigung eines Betriebsdatenprotokolls geeignet
sind. Hierzu weist die zweite Steuereinheit zumindest einen Prozessor
CPU und eine Speichereinheit SP zur Verarbeitung und Abspeicherung
dieser Betriebsdaten auf.
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Besonders
vorteilhaft ist die zweite Steuereinheit SE1–SEn als speicherprogrammierbare
Steuereinheit (SPS) modular aufgebaut, so dass je nach Anforderung
an die zweite Steuereinheit SE1–SEn die Ausstattung beispielsweise
um weitere Speichereinheiten SP erweitert werden kann.
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Weiterhin
ist jeweils in der zweiten Steuereinheit SE1–SEn ein WEB-Server 7 und
ein FTP-Server 8 implementiert. Mittels des WEB-Servers 7 kann über
einen WEB-Browser auf die zweite Steuereinheit SE1–SEn
zugegriffen werden und zwar vorzugsweise über das Rechnernetzwerk
NW, so dass dem Benutzer die Konfiguration und Diagnose über
eine Benutzeroberfläche möglich ist. Mittels FTP-Servers ist
es zudem möglich, auf das in der Speichereinheit SP vorhandene
Dateisystem zuzugreifen und einen Austausch der Dateien zwischen
den Steuereinheiten SE1–SEn, insbesondere auch mit der übergeordneten
dritten Steuereinheit ZSE zu ermöglichen.
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Zur
Einbindung der zweiten Steuereinheit SE1–SEn in das in 1 und 2 gezeigte
System weist diese mehrere standardisierte Schnittstellen 9, 10 auf.
Zur Anbindung an den Datenbus DB ist eine serielle Schnittstelle 9 vorgesehen,
vorzugsweise eine Schnittstelle nach dem Standard RS485.
Des Weiteren weist die zweite Steuereinheit SE1–SEn zumindest
eine standardisierte Rechnernetzwerkschnittstelle 10, beispielsweise
eine Ethernet-Schnittstelle auf, mittels derer die zweite Steuereinheit
SE1–SEn an ein standardisiertes Rechnernetzwerk NW, beispielsweise
ein TCP/IP-Ethernet-Netzwerk anschließbar ist. Mittels
dieser beiden Schnittstellen 9, 10 ist es durch
die zweite Steuereinheit SE1–SEn möglich, dass
sie zum einen in ein hierarchisch übergeordnetes Rechnernetzwerk
NW eingebunden ist, zum anderen über die serielle Schnittstelle 9 einen
Datenbus DB bedienen kann. Die zweite Steuereinheit SE1–SEn
bildet damit eine Schnittstelle zwischen dem jeweiligen Datenbus
DB, an dem eine Vielzahl von ersten Steuereinheiten SG1–SGn angeschlossen
sind, und dem Rechnernetzwerk NW.
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Die
Verwendung eines Rechnernetzwerks NW, beispielsweise eines TCP/IP-Ethernet-Netzwerks
zur Verknüpfung der zweiten Steuereinheiten SE1–SEn
mit der dritten Steuereinheit ZSE und optional mit der drahtlosen
Schnittstelleneinheit 4 bietet den Vorteil, dass marktgängige
Komponenten beispielsweise Standard-PCs oder Netzwerkkomponenten
wie Switches oder Router Teil dieses Netzwerks sein können.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass das System beliebig skaliert
werden kann. So sind z. B. beliebig viele zweite Steuereinheiten
SE1–SEn über Mittel zur Netzkopplung, beispielsweise
Switches miteinander verbindbar. Zudem können beispielsweise über
ein Glasfasernetzwerk große Distanzen überbrückt
werden, so dass auch dadurch das System über eine große
Fläche verteilbar ist.
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Die
die oberste Hierarchieebene der Steuereinheiten bildende dritte
Steuereinheit ZSE weist ihrerseits ebenfalls zumindest einen Prozessor
CPU und zumindest eine Speichereinheit SP auf. Sie ist zur Überwachung,
Steuerung und Diagnose des Gesamtsystems durch einen Administrator
und zur Zusammenführung der von den zweiten Steuereinheiten
SE1–SEn bereitgestellten Betriebsdaten zu Betriebsdatenprotokollen
ausgebildet. Über das Rechnernetzwerk NW werden Daten von
den zweiten Steuereinheiten SE1–SEn an die dritte Steuereinheit ZSE übermittelt
und dort in der Speichereinheit SP abgelegt. Der Datenaustausch
erfolgt hierbei zwischen den FTP-Servern 8 der zweiten
Steuereinheiten SE1–SEn und der dritten Steuereinheit ZSE über ein
FTP-Datenprotokoll. Des Weiteren ist ein WEB-Server 7 vorgesehen,
der über ein http-Protokoll eine vorzugsweise menügesteuerte
Bedienung des Systems von einem Rechner 5 aus ermöglicht. Dieser
Rechner kann Teil des lokalen Rechnernetzwerks NW sein, aber auch über
ein Datennetz, beispielsweise das Internet auf dieses Rechnernetzwerks
NW zugreifen. Zudem weist die dritte Steuereinheit ZSE eine Satellitenschnittstelleneinheit
SAT zur Bestimmung der tages- und jahreszeitabhängigen
Sonnenstandsdaten am jeweiligen Aufstellort auf.
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Die
Ermittlung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung erfolgt vorzugsweise örtlich
verteilt über das Gesamtsystem. Dazu weisen die zweiten Steuereinheiten
SE1–SEn jeweils einen Windsensor WS auf. Die von den Windsensoren
WS ermittelten Daten werden von der jeweiligen zweiten Steuereinheit
SE1–SEn erfasst und in Befehle, Steuerung- und/oder Statusinformationen
umgesetzt und über den Datenbus DB an die ersten Steuereinheiten SG1–SGn übertragen.
Dadurch ist eine sehr reaktionsschnelle Reaktion der ersten Steuereinheiten SG1–SGn
auf beliebige Windsituationen möglich. Beispielsweise können
bei Überschreiten eine bestimmten Windstärke bzw.
Windgeschwindigkeit die Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n, 2.2.1–2.2.n über
die Stelleinheiten M1, M2 derart positioniert werden, dass sie dem
Wind eine möglichst geringe Angriffsfläche bieten
und somit vor Beschädigungen geschützt werden.
Durch die jeweilige Zuordnung eines Windsensors WS zu einer zweiten
Steuereinheit SE1–SEn können örtlich
unterschiedliche Windverhältnisse berücksichtigt
werden, sodass beispielsweise eine erste Gruppe von Nachführeinheiten 2.1.1–2.1.n,
die an einem windgeschützten Ort aufgestellt sind, bei
gegebenen Windverhältnissen gemäß dem
Sonnenstand ausgerichtet bleiben, wohingegen eine zweite Gruppe
von Nachführeinheiten 2.2.1–2.2.n,
die stark dem Wind ausgesetzt sind, in eine Position gebracht werden,
in der sie vor Wind geschützt sind.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen
der Erfindung möglich sind, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke
verlassen wird.
-
- 1
- System
zur Steuerung der Sonnenstandsnachführung
- 2.1.1–2.1.n
- Nachführeinheit
- 2.2.1–2.2.n
- Nachführeinheit
- 3
- Netzkoppelelement
- 4
- drahtlose
Schnittstelleneinheit
- 5
- Rechner
- 6
- Handy/PDA
- 7
- WEB-Server
- 8
- FTP-Server
- 9
- serielle
Schnittstelle
- 10
- Rechnernetzwerkschnittstelle
- CPU
- Prozessor
- DB
- Datenbus
- FTP
- FTP-Server
- M1,
M2
- Stelleinheiten
- NW
- Rechnernetzwerk
- P1,
P2
- Positionssensor
- SAT
- Satellitenschnittstelleneinheit
- SG1–SGn
- erste
Steuereinheit
- SE1–SEn
- zweite
Steuereinheit
- SP
- Speichereinheit
- WEB
- Webserver
- WS
- Windsensor
- ZSE
- dritte
Steuereinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - RS-485-Standardschnittstelle [0013]
- - RS485-Standard [0033]
- - Standard RS485 [0045]