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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit, ein Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils, ein Verfahren zum Überprüfen einer Solarzelleneinheit und auf eine Nachführvorrichtung.
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In der Fotovoltaik können konzentrierende Systeme eingesetzt werden, die sich in ihrer Funktionsweise von gewöhnlicher Fotovoltaik unterscheiden. Im Unterschied zur gewöhnlichen Fotovoltaik wird bei der konzentrierenden Fotovoltaik, im folgenden CPV genannt, zwischen Sonne und Solarzelle eine Linse angebracht, die das eintreffende Sonnenlicht gebündelt auf eine Solarzelle abbildet. Wahlweise kann auch ein gekrümmter Spiegel zum Bündeln verwendet werden.
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Für den praktischen Einsatz bedeutet dies eine möglichst exakte Ausrichtung des fokussierenden Systems in Richtung des aktuellen Sonnenstandes, um dadurch eine höchstmögliche Einstrahlausnutzung zu erzielen. Aus diesem Grund ist eine ein- oder mehrachsige Nachführung zwingend erforderlich, die außerdem aufgrund der hohen Anforderungen auf den Einsatz einer Sonnenstandsensorik nicht verzichten kann.
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Zum Einsatz kommen dabei bei Lösungen mit ein oder mehreren thermischen oder lichtempfindlichen Sensoren oder auch Kamerasysteme mit entsprechender Auswerteeinheit. Alternativ werden noch zusätzlich Zeitinformationen mit verarbeitet. Die Aus- und Bewertung der Sensorsignale erfolgt in einer entsprechenden Auswerteeinheit, meist als Softwarelösung auf einem Mikroprozessor aufbauend.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils, ein verbessertes Verfahren zum Überprüfen einer Solarzelleneinheit und eine verbesserte Nachführvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit gemäß den Ansprüchen 1 und 2, ein Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils gemäß Anspruch 9, ein Verfahren zum Überprüfen einer Solarzelleneinheit gemäß Anspruch 11, eine Nachführvorrichtung gemäß Anspruch 12, eine Solarzellenanlage gemäß Anspruch 13 und einem Verfahren zum Ausrichten eines Lichtstrahls gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Nachführregelverfahren auf Basis der Einstrahlungsintensität bei fokussierenden Solaranlagenlagen. Das Nachführregelverfahren kann bei der Nachführsteuerung in Solaranlagen angewendet werden. Ein Anwendungsbeispiel ist eine direkte Nachführanlage der konzentrierenden Fotovoltaik. Dabei ist eine Nutzung der tatsächlich in den energieerzeugenden Solarzellen gewonnenen Intensitätsinformationen als Vorgaben zur Nachführung der Solarzellen in Bezug auf den aktuellen Sonnenstand möglich. Die gewonnenen Intensitätsinformationen können in einem Intensitätsprofil abgelegt werden, das zur schnellen Ausrichtung genutzt werden kann. Dieses Profil kann ebenfalls zur Erkennung von Ausfall und Verschleiß dienen.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden eine Erhöhung und eine Sicherstellung eines maximalen Nutzungsgrades erreicht. Zusätzlich können Betriebsstatusdaten Auskunft über den Zustand einer Solarzelleneinheit geben.
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Erfindungsgemäß lassen sich Störgrößen, wie z. B. Verschleiß, thermische Verspannung, Verlagerung der Ausrichtungseinheit durch Winddruck, Fertigungs- und Montageungenauigkeit, Absenkung des Fundaments und weitere konstruktive Aspekte, sowie Umwelteinflüsse berücksichtigen. Somit kann ein unzulässig großer Winkelversatz der optischen Achse zur tatsächlichen Sonnenlichteinfallsrichtung vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, trotz der aufgeführten Störeinflüsse, jede Ausrichtungseinheit stets so auszurichten, dass die gegebenenfalls fokussierte Strahlung genau auf die Solarzelle oder den Absorber für die Strahlung trifft. Dabei wird berücksichtigt, dass jedes zusätzliche Bauteil, jede zusätzliche Verbindung neben Kosten auch ein Ausfallrisiko mit sich bringt. Erfindungsgemäß wird eine Nachführung einer Solarzelleneinheit mit geringstmöglichem konstruktiven Aufwand und geringstmöglichem Einsatz an weiteren Bauteilen ermöglicht. Dabei ist eine hohe Zuverlässigkeit gegeben und idealerweise können noch Optionen für einen Zusatznutzen bereitgestellt werden. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass starke Verschmutzungen der Module oder Spiegel sowie Ausfälle erkannt werden und einfach zu lokalisieren sind.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann auf den Einsatz von eigenständigen Sensoren verzichtet werden. Vielmehr können die vorhanden Solarzellen als Sensor dienen. Die Grundverstellung der Anlage kann zeitgesteuert erfolgen, d. h. in Abhängigkeit des Anlagenstandortes kann basierend auf der geografischen Position, sowie des Datums, eine theoretische Laufbahn der Sonne nachgefahren werden. Zur Feinausrichtung wird die in den Zellen erzielte Energieausbeute bewertet. Die Unterschreitung eines vorgegebenen Abweichungslimits, kann basierend auf einer Beurteilung, die beispielsweise Intensitätsgradienten basiert sein kann, zu einer Nachstellung der gesamten Nachführeinheit führen. Eine derartige vom Intensitätsprofil abhängige Beurteilung kann ebenfalls genutzt werden, um beispielsweise Verschmutzungen oder Verschleiß oder eine witterungsbedingte Schädigung der Optik rechtzeitig zu erkennen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, dass eine Einrichtung und Nachführung jedes Moduls oder Gruppen von diesen, beispielsweise Solarzellen, während des Betriebs der Anlage durchgeführt werden können. Die restlichen Module oder Gruppen von diesen können dabei ausgerichtet bleiben. Ferner ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der Nachführung kaum Leistung verloren wird. Bei einem Zeitbedarf von z. B. 10 Sekunden für die Nachführung, gehen bei x Modulen nur (1/x·10/60)% der Leistung verloren. Das wird natürlich durch die hochpräzise Ausrichtung aller Module mehr als ausgeglichen. Desweitern wird vorteilhafterweise eine Erhöhung und eine Sicherstellung eines maximalen Nutzungsgrades, eine Bereitstellung von Betriebsstatusdaten für einen ”condition monitoring”-Prozess und eine Ausfallüberwachung gewährleistet. Indem erfindungsgemäß auf den Einsatz von externen Sensoren verzichtet werden kann, tritt auch nicht das Problem auf, das eine Winkeligkeit und ein Versatz der externen Sensoren gegenüber den energieerzeugenden Zellen zu Ungenauigkeiten und damit zu einer reduzierter Einstrahlungsnutzung führen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit gegenüber einer Einstrahlrichtung, wobei die Solarzelleneinheit unterschiedliche Winkelstellungen einnehmen und einstrahlabhängige Intensitätswerte erzeugen kann, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Schritt des Empfangens eines momentanen ersten Intensitätswertes bei einer ersten Winkelstellung über eine Empfangsschnitstelle; einen Schritt des Bereitstellens einer Verstellinformation zum Verstellen der Solarzelleneinheit um einen vorgegebenen Verstellwinkel in eine zweite Winkelstellung; einen Schritt des Empfangens eines momentanen zweiten Intensitätswertes bei der zweiten Winkelstellung über die Empfangsschnittstelle; einen Schritt des Bereitstellens eines gespeicherten Intensitätsprofils der Solarzelleneinheit, wobei das Intensitätsprofil in Bezug auf eine Referenzeinstrahlung eine Zuordnung zwischen von der Solarzelleneinheit eingenommenen unterschiedlichen Winkelstellungen und bei den unterschiedlichen Winkelstellungen entsprechend erzeugten Intensitätswerten aufweist; einen Schritt des Bestimmens einer Winkelstellungsabweichung basierend auf dem ersten Intensitätswert, dem zweiten Intensitätswert, dem Verstellwinkel und dem Intensitätsprofil, wobei die Winkelstellungsabweichung eine Abweichung der zweiten Winkelstellung von einer in Bezug auf eine momentane Einstrahlrichtung optimale Winkelstellung repräsentiert; und einen Schritt des Bereitstellens einer Nachführinformation zum Nachführen der Solarzelleneinheit entsprechend der Winkelstellungsabweichung.
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Eine Solarzelleneinheit kann aus einer einzelnen Solarzelle bestehen, die beispielsweise eine fotosensitive Schicht umfasst, um aus Sonnenenergie elektrische Energie zu erzeugen. Zur Steigerung des Solarertrages der Solarzelle kann innerhalb der Solarzelleneinheit eine Optik integriert sein, um das einfallende Sonnenlicht auf die aktive Fläche der fotosensitiven Oberfläche zu konzentrieren. Die Solarzelleneinheit kann eine Anordnung von mehreren Solarzellen aufweisen, die zu einem Solarmodul zusammen gefasst sind. Ferner kann eine Solarzelleneinheit aus mehreren, voneinander unabhängigen nachführbaren Solarmodulen bestehen. Als Nachführen kann ein Prozess der Optimierung bezeichnet werden. Dabei kann eine Ausrichtung des Solarzellenmoduls oder der Solarzelleneinheit in der Weise erfolgen, dass der Ertrag der Solarzellenmodule maximier wird. Die Nachführung kann mittels einer Bewegung der Solarzelleneinheit um eine oder zwei Achsen durchgeführt werden. Ein Nachführen der Vorrichtung zum aktuellen Sonnenstand kann in der Weise erreicht werden, dass beispielsweise die aus der Sonnenenergie erzielte elektrischen Energie durch einen Nachführmechanismus maximiert wird. Aus der Einstrahlrichtung, die durch eine Leuchtquelle beispielsweise der Sonne vorgegeben ist, und der Stellung der Solarzelleneinheit in Bezug auf die Einstrahlrichtung kann ein der momentan eintreffenden Strahlung entsprechender Intensitätswert erfasst werden. Der Intensitätswert ist insbesondere von der relativen Stellung der Solarzelleneinheit zur Einstrahlrichtung abhängig und repräsentiert die momentan eintreffende Sonnenergie beispielsweise in Form einer erfassbaren elektrischen Größe, beispielsweise einer von der Solarzelleneinheit bereitgestellten Leistung, Spannung oder Strom. Abhängig von der Winkelstellung der Solarzelleneinheit kann ein momentaner Intensitätswert erfasst werden. Hierbei kann die Winkelstellung einem Winkelwert entsprechen, der beispielsweise an der Vorrichtung zum Nachführen der Solarzelleneinheit abgelesen wird und sich aus dem Winkel zwischen der Oberfläche der Solarzelleneinheit und beispielsweise der Horizontalen ergibt. Ein Verstellwinkel kann dann von Vorteil sein, wenn eine Entscheidung aus einem Vergleich zwischen zwei Intensitätswerten bei den beiden entsprechenden Winkelstellungen notwendig wird. Der Verstellwinkel entspricht demnach einer Differenz zwischen zwei Winkelstellungen. Um eine Einstellung einer Winkelstellung vorzunehmen oder die Nachführvorrichtung um einen vorgegebenen Verstellwinkel zu verstellen wird eine Verstellinformation benötigt. Die Verstellinformation kann in Form eines elektrischen Signals, beispielsweise ein binärkodierten Winkelwert oder ein dem Winkelwert entsprechendes Taktsignal, übertragen werden. Mit Hilfe einer Empfangsschnittstelle kann die Verstellinformation bereitgestellt werden. Dabei kann die Nachführvorrichtung z. B. mit einem Mikrocontroller verbunden werden, um eine Überwachung einer Solaranlage zu ermöglichen. Ein Intensitätsprofil wird benötigt, um eine Zuordnung zwischen einer Winkelstellung und dem momentan erfassten Intensitätswert zu erhalten. Demnach kann zu einem bekannten Wert der Winkelstellung ein eindeutig zugeordneter Intensitätswert aus dem Intensitätsprofil entnommen werden. Die in dem Intensitätsprofil hinterlegten und einem Wert der Winkelstellung entsprechenden Intensitätswert können beispielsweise berechnete Werte darstellen oder können durch ein Verfahren zur Ermittlung von momentanen Intensitätswerten in Abhängigkeit der eingestellten Werte für die Winkelstellung erfasst werden. Innerhalb des Verfahrens kann der momentane Intensitätswert dem Wert einer Referenzeinstrahlung entsprechen. Die Referenzeinstrahlung kann beispielsweise die Sonneneinstrahlung bei einer bestimmten Tageszeit oder bei einer bestimmten Jahreszeit sein, um ein aktuelles Intensitätsprofil zu erhalten. Ein Nachführen der Solarzelleneinheit kann dann notwendig sein, wenn sich der Solarertrag aufgrund des veränderten Sonnenstandes verringert. Insbesondere im Fall einer Konzentratorsolarzelle, bei der eine Optik integriert ist, ist ein Nachführen der Solarzelleneinheit obligatorisch. Dabei stellt sich aufgrund des veränderten Sonnenstandes eine Winkelstellungsabweichung zwischen der momentanen Winkelstellung und der optimalen Winkelstellung ein. Diese Winkelstellungsabweichung ist ein Maß dafür, um die Solarzelleneinheit in eine optimale Position zu verstellen. Über ein Bereitstellen einer Nachführinformation kann die Solarzelleneinheit dem momentanen Sonnenstand nachgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Durchführens eines Vergleichs zwischen dem ersten Intensitätswert und einem vorbestimmten Referenzwert umfassen. Dabei kann die Verstellinformation abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs bereitgestellt werden. Als Referenzwert kann ein Wert, z. B. eine Nachstellgrenze, zugrunde liegen, bei der ein Nachstellen erforderlich wird. Dadurch wird ein Schritt des Nachstellens erst dann ausgeführt, wenn der Wert der Nachstellgrenze beispielsweise unterschritten wird. Je näher der Wert der Nachstellgrenze an dem maximalen Referenzwert liegt, desto häufiger wird das Verfahren des Nachführens einer Solarzelleneinheit ausgeführt Die Verstellinformation kann ausgebildet sein, um die Solarzelleneinheit entsprechend dem Verstellwinkel um eine vorbestimmte Achse zu kippen. Die vorbestimmte Achse kann einer tatsächlichen Drehachse einer Vorrichtung zum Nachführen der Solarzelleneinheit entsprechen. Dadurch kann der Verstellwinkel in einen direkten Zusammenhang mit dem im Intensitätsprofil hinterlegten Winkelwert gebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann zusätzlich zum Bestimmen der Winkelstellungsabweichung basierend auf dem ersten Intensitätswert, dem zweiten Intensitätswert, dem Verstellwinkel und dem Intensitätsprofil eine dem ersten Intensitätswert zugeordnete erste Winkelstellung und eine dem zweiten Intensitätswert zugeordnete zweite Winkelstellung ermittelt werden. Dadurch wird erreicht, dass eine exakte momentane Position der Solarzelleneinheit in Bezug auf den momentanen Sonnenstand festgelegt werden kann. Mit Hilfe der Winkelstellungsabweichung und der momentanen Position der Solarzelleneinheit kann eine neue Position errechnet werden, die einer optimalen Position entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Empfangens eines momentanen maximalen Intensitätswertes, nach einem durchgeführten Nachführen der Solarzelleneinheit entsprechend der Winkelstellungsabweichung über die Empfangsschnittstelle umfassen. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Durchführens eines Vergleichs zwischen dem maximalen Intensitätswert und einem gespeicherten Referenzmaximum und einen Schritt des Bereitstellens einer auf dem Vergleich basierenden Zustandsinformation der Solarzelleneinheit umfassen. Über die Zustandsinformation kann beispielsweise festgestellt werden, dass der maximale Intensitätswert, beispielsweise durch eine Verschmutzung der Solarzelleneinheit, reduziert wurde. Das im Intensitätsprofil hinterlegte Intensitätsmaximum kann somit als Referenzmaximum verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann die Solarzelleneinheit eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen umfassen. Der erste und der zweite Intensitätswert können jeweils Werte eines der Solarzellenmodule, mehrerer der Solarzellenmodule oder aller Solarzellenmodule umfassen. Besteht die Solarzelleneinheit aus mehreren voneinander unabhängig nachführbaren Solarmodulen, so können die erhaltenen Intensitätswerte parallel verarbeitet und eine Nachstellinformation für jedes einzelne Solarmodul bereitgestellt werden. Zusätzlich können für jedes einzelne Solarmodul Zustandsinformationen abgerufen werden. Aus den Zustandsinformationen können beispielsweise Solarmodule, die bedingt durch einen Alterungsprozess verringerte Intensitätswerte aufweisen, selektiert und ausgetauscht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer gespeicherten Ausrichtungsinformation zum Durchführen einer Grobausrichtung der Solarzelleneinheit umfassen. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit können für eine Feinausrichtung der Solarzelleneinheit ausgeführt werden, nachdem die Grobausrichtung durchgeführt wurde. Dadurch kann das Positionieren der Solarzelleneinheit aus einer Initialposition in eine der optimalen Position entsprechende Umgebung durchgeführt werden, um damit das Verfahren der Feinausrichtung zu starten. Die Initialposition der Solarzelleneinheit kann dabei z. B. das Ausrichten der Oberfläche der Solarzelleneinheit entlang einer Vertikalen sein. Das Verfahren der Feinausrichtung kann dann dem eigentlichen Verfahren des Nachführens entsprechen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Ermittlung, eines Intensitätsprofils einer Solarzelleneinheit, die unterschiedliche Winkelstellungen einnehmen und einstrahlabhängige Intensitätswerte erzeugen kann, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Schritt des Ansteuerns der Solarzelleneinheit, so dass die Solarzelleneinheit eine Mehrzahl von Referenzstellungen einnimmt; einen Schritt des Empfangens einer Mehrzahl von Intensitätswerten über eine Empfangsschnittstelle; einen Schritt des Bestimmens eines Intensitätsprofils der Solarzelleneinheit aus der Mehrzahl von Intensitätswerten und der Mehrzahl von Referenzstellungen, wobei das Intensitätsprofil eine Zuordnung zwischen den von der Solarzelleneinheit eingenommenen Referenzstellungen und bei den Referenzstellungen entsprechend erzeugten Intensitätswerten aufweist; und einen Schritt des Bereitstellens des Intensitätsprofils. Die Bereitstellung des Intensitätsprofils kann in der Weise erfolgen, dass die Intensitäts- und Winkelwerte als Daten in gespeicherter Form vorliegen und abgerufen werden können beispielsweise über eine Schnittstelle. Das Intensitätsprofil kann von dem Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit eingesetzt werden.
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Das Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils kann einen Schritt des Bereitstellens eines in zeitlich regelmäßigen Abständen erzeugten Steuerungssignals umfassen. Das Intensitätsprofil kann ansprechend auf das Steuerungssignal ermittelt werden. Als Steuerungssignal kann ein elektrisches Signal verwendet werden, um das Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils zu starten. Wird das Steuerungssignal in zeitlich regelmäßigen Abständen ausgegeben, so kann eine fortlaufende Aktualisierung des Intensitätsprofils erfolgen. Dadurch wird eine automatische Erneuerungsfunktion realisiert, um das Intensitätsprofil auf einen aktuellen Stand zu halten. Ferner lässt sich die Aktualisierung unabhängig vom Anwender durchführen.
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Desweiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überprüfen einer Solarzelleneinheit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Schritt des Ermittelns eines ersten Intensitätsprofils einer ersten Solarzelleneinheit; eine Schritt des Ermittelns eines zweiten Intensitätsprofils einer zweiten Solarzelleneinheit; eine Schritt des Auswählens eines ersten Intensitätswertes des ersten Intensitätsprofils und eines zweiten Intensitätswertes des zweiten Intensitätsprofils, wobei der erste Intensitätswert einer ersten Referenzstellung der ersten Solarzelleneinheit zugeordnet ist und der zweite Intensitätswert einer der ersten Referenzstellung entsprechenden zweiten Referenzstellung der zweiten Solarzelleneinheit zugeordnet ist; einen Schritt des Durchführens eines Vergleichs zwischen dem ersten Intensitätswert und dem zweiten Intensitätswert; und einen Schritt des Bereitstellens eines auf dem Vergleich basierenden Überprüfungssignals. Mittels dieses Verfahrens können zwei unterschiedliche Intensitätsprofile beispielsweise von einer neuen und von einer im Betrieb befindlichen baugleichen Solarzelleinheiten bei Ausführung des Verfahrens zur Ermittlung eines Intensitätsprofils einer Solarzelleneinheit erstellt werden. Aus dem Vergleich der entsprechenden Intensitätswerte kann ein Rückschluss auf den Zustand der sich im Betrieb befindlichen Solarzelleneinheit erfolgen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Nachführvorrichtung, die ausgebildet ist, um ein in den unterschiedlichen Ausführungsformen dargestelltes Verfahren auszuführen.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Solarzellenanlage, mit folgenden Merkmalen: einer Solarzelleneinheit mit mindestens einer Licht bündelnden Einrichtung, beispielsweise einer Sammellinse, und mindestens einer Solarzelle, wobei die mindestens eine Licht bündelnden Einrichtung ausgebildet ist, um einen einfallenden Lichtstrahl zu bündeln und als gebündelten Lichtstrahl auf die mindestens eine Solarzelle zu leiten und wobei die mindestens eine Solarzelle ausgebildet ist, um einen dem gebündelten Lichtstahl entsprechenden Intensitätswert bereitzustellen; und einer erfindungsgemäßen Nachführvorrichtung zum Nachführen der Solarzelleneinheit basierend auf dem von der mindestens einen Solarzelle bereitgestellten Intensitätswert. Die Nachführvorrichtung kann in einem Gehäuse der Solarzellenanlage integriert sein.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Ausrichten eines von einem Spiegel ausgehenden Lichtstrahls auf einen Absorber, unter Einsatz eines von dem Absorber beabstandet angeordneten Sensors, das die folgenden Schritte umfasst: Bewegen des Spiegels in einer ersten Bewegungsrichtung, so dass sich der Lichtstrahl über den Sensor hinweg bewegt; Auswerten eines Sensorsignals des Sensors, um in Bezug auf die erste Bewegungsrichtung eine erste Stellung des Spiegels zu bestimmen, bei der Lichtstrahl in Bezug auf die erste Bewegungsrichtung auf den Sensor ausgerichtet ist Bewegen des Spiegels in einer zweiten Bewegungsrichtung, so dass sich der Lichtstrahl über den Sensor hinweg bewegt; Auswerten des Sensorsignals, um in Bezug auf die zweite Bewegungsrichtung eine zweite Stellung des Spiegels zu bestimmen, bei der Lichtstrahl in Bezug auf die zweite Bewegungsrichtung auf den Sensor ausgerichtet ist; und Ermitteln einer optimalen Stellung des Spiegels, bei der der Lichtstrahl auf den Absorber ausgerichtet ist, basierend auf der ersten Stellung, der zweiten Stellung und einer Information über eine Lage des Sensors in Bezug auf den Absorber.
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Das Verfahren kann beispielsweise bei einem Solarturmkraftwerk eingesetzt werden. Der Spiegel kann als Heliostat ausgebildet sein und einfallendes Licht gebündelt oder ungebündelt reflektieren. Die durch die Ausrichtung des Spiegels kann der Lichtstahl so ausgerichtet werden, dass eine maximale Intensität des Lichtstrahls auf eine Absorptionsfläche des Absorbers trifft. Die erste Bewegungsrichtung kann durch ein Kippen des Spiegels um eine erste Kippachse des Spiegels definiert sein. Entsprechend dazu kann die zweite Bewegungsrichtung durch ein Kippen um eine, sich von der ersten Kippachse unterscheidende, zweite Kippachse definiert sein. Bei dem Sensor kann es sich um einen Lichtsensor oder Strahlungssensor handeln der das Sensorsignal bereitstellen kann. Aus dem Sensorsignal kann bestimmt werden, wie stark der Sensor von dem Lichtstrahl bestrahlt wird. Der Sensor kann benachbart zu dem Absorber, beispielsweise auf einer Halteeinrichtung des Absorbers, angeordnet sein. Alternativ kann der Sensor auf dem Spiegel angeordnet sein. Erfindungsgemäß können mehrere Sensoren eingesetzt werden. Können mehrere Spiegel und somit mehrere Lichtstrahlen auf den Absorber gerichte werden, so können die mehreren Spiegel gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nacheinander oder zeitliche parallel oder überlappend ausgereichtet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 Darstellungen einer Funktionsweise einer konzentrierenden Fotovoltaik;
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3 eine Darstellung eines Intensitätsprofils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine weitere Darstellung eines Intensitätsprofils, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Nachführen einer Solarzelleneinheit, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung eines Intensitätsprofils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung eines weiteren Intensitätsprofils, gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
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8 bis 10 Darstellungen von Intensitätsverläufen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Solarzelleneinheit, bei der eine Optik integriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Strahl einfallenden Lichts 102, das durch eine Sammellinse 104 gebündelt und auf eine Solarzelle 106 geleitet wird. Ferner ist eine Fokussierebene 108, eine wirksame Lichtfläche 110 mit Flächeninhalt A1, eine optische Achse 112, eine Beleuchtungsrichtung 114 und eine erste Oberfläche 116 und. eine zweite Oberfläche 118 der Sammellinse 104 gezeigt.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Optik lediglich die einzelne Sammellinse 104 auf. Durch den einfallenden parallelen Lichtstrahl 102, dessen Beleuchtungsrichtung 114 mit der optischen Achse 112 zusammenfällt, wird die erste Oberfläche 116 der Sammellinse 104 beleuchtet. Die optische Achse 112 ist eine Symmetrieachse der Sammellinse 104. Ausgehend von der zweiten Oberfläche 118 der Sammellinse 104, die der ersten Oberfläche 116 gegenüberliegend angeordnet ist wird der einfallende Lichtstrahl 102 gebündelt. Der gebündelte Lichtstrahl trifft auf eine in einem ersten Abstand zur zweiten Oberfläche 118 der Sammellinse 104 angeordnete Solarzelle 106, wobei eine senkrecht auf einer fotosensitiven Oberfläche der Solarzelle 106 stehende Symmetrieachse mit der optischen Achse 112 zusammenfällt. Dabei ist der erste Abstand so gewählt, dass die photosensitive Oberfläche der Solarzelle 106 optimal ausgeleuchtet wird. Durch die Beleuchtung der Solarzelle 106 wird die wirksame Lichtfläche 110 mit dem Flächeninhalt A1 definiert. In einem zweiten Abstand zur zweiten Oberfläche der Sammelline 104 ist eine Fokussierebene 108 senkrecht zur optischen Achse angeordnet, wobei ein von der Sammellinse 104 und zusammen mit dem einfallenden Lichtstrahl 102 erzeugter Fokuspunkt in der Fokussierebene 108 abgebildet wird.
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Im Unterschied zu 1 zeigt 2 eine Solarzelleneinheit, bei der der einfallende Lichtstrahl 102 schräg auf die erste Oberfläche 116 der Sammellinse 104 trifft. Dabei entsteht ein Winkel zwischen der optischen Achse 112 und der Beleuchtungsrichtung 114. Ein von der zweiten Oberfläche 118 der Sammellinse 104 ausgehender gebündelter und gleichfalls unter dem Winkel austretender Lichtstrahl beleuchtet dadurch eine geringere Fläche der in dem ersten Abstand angeordneten Solarzelle 106. Eine wirksame Lichtfläche 210 wird durch die schräg angeordnete Beleuchtungsrichtung 114 somit auf einen Flächeninhalt A2 reduziert, der geringer ist als der in 1 genannte Flächeninhalt A1.
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In der konzentrierenden Fotovoltaik bündelt die Sammellinse 104 das Sonnenlicht 102, auf die Solarzelle 106. Die führt einerseits zu einer intensiveren Ausnutzung des Sonnenlichtes 102, auf der anderen Seite bedeutet aber auch eine geringfügige Abweichung des Lichteinfalls 114 von der idealen Senkrechten 112, dass die Lichtbündelung nicht mehr das Maximum erreicht. Dies bedeutet eine geringere Ausnutzung des Sonnenlichtes 102 und somit einen geringeren Wirkungsgrad. Aus diesem Grund ist insbesondere bei fokussierenden Systemen eine möglichst genaue Ausrichtung unerlässlich.
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Das Maximum an Energieertrag kann genau dann erzielt werden, wenn die Lichteinfallsachse 114 mit der optischen Achse 112 der konzentrierenden Solarzelle identisch ist. Stehen die Achsen 112, 114 winklig zueinander, wie es in 2 gezeigt ist, so bedeutet dies eine geringere Ausnutzung, da das Sonnenlicht 102 nicht zu 100% auf die Solarzelle 106 fällt. Um den Energieertrag zu erhöhen, kann die Solarzelleneinheit nachgeführt werden. Beispielweise kann die in der 2 gezeigte Solarzelleneinheit als gesamte Einheit soweit gekippt werden, das die Achsen 112, 114 wieder zusammenfallen. Das Nachführen kann basierend auf einem Intensitätsprofil der Solarzelleneinheit und von der Solarzelleneinheit während des Nachführvorgangs bereitgestellten Intensitätswerten basieren. Die Intensitätswerte können direkt von der Solarzelle 106 bereitgestellt werden, so dass keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind. Beispielweise kann ein Intensitätswert eine Gesamtleistung oder Gesamtspannung repräsentieren, die von der Solarzelleneinheit aufgrund des Lichteinfalls 112 erzeugt wird.
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3 zeigt eine grafische Darstellung eines winkelabhängigen Intensitätsprofils einer Solarzelleneinhit, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei repräsentiert eine horizontale Achse 302 eine Winkelabweichung, wobei die Winkelabweichung einem Differenzwinkel zwischen einer optimalen Winkelstellung und einer momentanen Winkelstellung der Solarzelleneinheit in Bezug auf eine Beleuchtungsrichtung einer Leuchtquelle entspricht. Die vertikale Achse 304 repräsentiert eine von der Solarzelleneinheit erzeugte Intensität. Dieser Intensität können von der Winkelabeweichung abhängige Intensitätswerte zugeordnet werden, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch einen um die vertikale Achse 304 symmetrisch angeordneten glockenförmigen Intensitätsverlauf 306 repräsentiert werden. Die Winkelabweichung kann der in 2 gezeigten Abweichung zwischen der optischen Achse 112 und der Beleuchtungsrichtung 114 entsprechen. Die Intensitätswerte können einer von der Solarzelle 106 aufgrund des Lichteinfalls 102 bereitgestellten Leistung oder Spannung entsprechen.
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Wird die erzielbare Ausnutzung 304, die der erzeugten Intensität der Solarzelleneinheit entspricht, in dem in 3 gezeigten Diagramm als Funktion über die Winkelabweichungen 302 aufgetragen, so ergibt sich eine glockenförmige Kurve 306. Dabei sind die Werte der Intensität symmetrisch um die horizontale Achse 304 verteilt und der Intensitätsverlauf 306 ist identisch bei einer positiven oder negativen Winkelabweichung 302. Somit spielt es keine Rolle, in welche Richtung diese Abweichung verläuft.
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4 zeigt eine grafische Darstellung eines winkelabhängigen Intensitätsprofils einer Solarzelleneinheit, wobei das Intensitätsprofil von zwei Winkeln abhängig ist. Dabei repräsentieren eine horizontale Achse 402 eine Winkelabweichung bezüglich einer ersten Drehachse und eine vertikale Achse 403 eine Winkelabweichung bezüglich einer zweiten Drehachse. Die Winkelabweichung 402 kann der anhand von 3 beschriebenen Winkelabweichung 302 entsprechen. Die Drehachsen entsprechen beispielsweise den Kippachsen einer Vorrichtung zum Nachführen einer Solarzelleneinheit. Gezeigt sind eine Mehrzahl von Konturlinien 404, 406, von denen der Übersichtlichikeit halben lediglich zwei mit Bezugszeichen versehen sind. Jede der Mehrzahl von Konturlinien 404, 406 kennzeichnet Intensitätswerte mit gleichem Wert jedoch unterschiedlicher Winkelabweichung. Beispielsweise ergibt sich die kreisförmige Kontourlinie 406 zu einem konstanten Intensitätswert I1. Analog kann die kreisförmige Kontourlinie 408 einem konstanten Intensitätswert I2 zugeordnet werden, wobei der Intensitätswert I2 größer ist als der Intensitätswert I1. Der größte Intensitätswert liegt im Schnittpunkt der Achsen 402, 403.
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Die in 4 gezeigte Darstellung ergibt sich, wenn die in 3 gezeigte Kurve als Gradientendiagramm oder als Konturliniendiagramm über die zwei Verstellachsen 402, 403 aufgetragen wird, die beispielsweise als senkrecht zueinander angeordnete Drehungen um eine x- und eine y-Achse interpretiert werden können. Insbesondere ergibt sich ein Bild mit mehreren kreisförmigen Verläufen 406, 408. Eine solche Gradientenabbildung oder Kontourlinien kann nun als Grundlage für eine Ausrichtungskorrektur genutzt werden. Selbst wenn eine Abschattung oder Verschmutzung der Anlage vorliegt, kann dieses Verfahren prinzipiell Anwendung finden, da sich dadurch lediglich die absolute Höhe, nicht jedoch die relativen Verhältnisse ändern. Allerdings kann genau dieser Umstand mit Hilfe einer gezielten Auswertung genutzt werden um optische Beeinträchtigungen, wie eben beispielsweise Schmutz erkennen zu können.
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5 zeigt ein Verfahren 500 zur Ermittlung eines Intensitätsprofils einer Solarzelleneinheit, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Intensitätsprofil kann es sich um das in 4 gezeigte Intensitätsprofil handeln. In einem Schritt 502 wird die Solarzelleneinheit so angesteuert, dass die Solarzelleneinheit eine Mehrzahl von Referenzstellungen einnimmt. Parallel dazu werden in einem Schritt 504 eine Mehrzahl von Intensitätswerten empfangen. Dabei kann zu jeder Referenzstellung ein Intensitätswert empfangen werden. Somit können die Schritte 502, 504 abwechseln wiederholt ausgeführt werden. In einem weiteren Schritt 506 wird das Intensitätsprofil der Solarzelleneinheit bestimmt, indem jeder Referenzstellung der zugehörige Intensitätswert zugeordnet wird. In einem Schritt 508 kann das Intensitätsprofil ausgegeben oder gespeichert werden.
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6 zeigt ein Verfahren 600 zum Nachführen einer Solarzelleneinheit gegenüber einer Einstrahlrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Solarzelleneinheit kann es sich um die in den 1 und 2 gezeigte Anordnung handeln. Indem die Solarzelleneinheit unterschiedliche Winkelstellungen einnehmen kann, kann sie gegenüber einer Einstrahlrichtung eines Lichtstrahls ausgerichtet werden. In einem Schritt 602 wird ein erster Intensitätswert erfasst. Der erste Intensitätswert ist einer ersten Winkelstellung der Solarzelleneinheit zugeordnet. In einem weiteren Schritt 604 wird die Solarzelleneinheit um einen vorgegebenen Verstellwinkel verstellt. Dazu kann eine entsprechende Verstellinformation an eine Verstelleinrichtung bereitgestellt werden. Nach dem Verstellen nimmt die Solarzelleneinheit eine zweite Winkelstellung ein. Anschließend wird in einem Schritt 606 ein zweiter Intensitätswert bei der zweiten Winkelstellung erfasst. In einem Schritt 608 wird ein Intensitätsprofil der Solarzelleneinheit bereitgestellt. Das Intensitätsprofil kamen im Vorfeld gemäß dem anhand von 5 beschriebenen Verfahren erstellt worden sein und aus einer Speichereinrichtung ausgelesen werden. In einem nächsten Schritt 610 wird basierend auf dem ersten Intensitätswert, dem zweiten Intensitätswert, dem Verstellwinkel und dem Intensitätsprofil eine Winkelstellungsabweichung bestimmt. Dabei stellt die Winkelstellungsabweichung eine Abweichung der zweiten Winkelstellung von einer in Bezug auf eine momentane Einstrahlrichtung optimale Winkelstellung dar. Entsprechend der Winkelstellungsabweichung kann in einem Schritt 612 eine entsprechend Nachführinformation zum Nachführen der Solarzelleneinheit ausgegeben werden.
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7 zeigt einen Ausschnitt aus dem in 4 dargestellten Diagramm und erläutert anschaulich das anhand von 6 beschriebene Verfahren zum Nachführen der Solarzelleneinheit. Dabei liegt der Beschreibung das Diagramm aus 4 zugrunde, wobei eine Situation betrachtet wird, bei der die Solarzelleneinheit im Vergleich zu einem maximal möglichen Intensitätswert einen reduziert Intensitätswert erzeugt. Beispielsweise kann sich der reduzierte Intensitätswert durch eine Veränderung des Sonnenstandes ergeben. Ein in 7 gezeigter Intensitätswert A entspricht einem ersten erfassten Intensitätswert. Der Intensitätswert A weist eine Intensität auf, die geringer als die im Intensitätsprofil gespeicherte maximale Intensität ist. Von daher ist der Intensitätswert A nicht im Zentrum sondern auf einer Konturlinie 702. Durch ein Kippen der Solarzelleneinheit um einen vorbestimmten Verstellwinkel um die horizontale Achse 402 verschiebt sich der Intensitätswert A, um eine im Diagramm dargestellte Strecke s, in Richtung der weiter außen gelegenen Konturlinie 408. Die Strecke s kann somit den vorbestimmten Verstellwinkel repräsentieren. Es ergabt sich ein zweiter Intensitätswert B, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine geringere Intensität aufweist als der ursprüngliche Intensitätswert A. Die Intensitätswerte A, B können zusammen mit dem Verstellwinkel, der Strecke s und dem Intensitätsprofil der Solarzelleneinheit verwendet werden, um die Positionen A und B absolut zu bestimmen. Mittels der Position B kann ein Nachführwinkel zur Optimierung einer Einstrahlleistung berechnet und der notwendige Nachführschritt ausgeführt werden.
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Die Kontourlinie 702 kann eine Nachstellgrenze definieren. Fällt der ein momentaner Intensitätswert so weit ab, dass die Nachstellgrenze unterschritten wird, dann kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachführen der Solarzelleneinheit gestartet werden.
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Anhand der 7 wird die erfindungsgemäße Ausrichtungskorrektur dargestellt. Aufgrund der Sonnenbewegung sinkt die Intensität ab. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der dritte Kreis 702 die ”Nachstellgrenze”, also die größte zugelassene Abweichung darstellt. Dann wird bei Erreichen dieses Grenzwertes 702 das Nachstellen ausgelöst.
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Dies geschieht dadurch, dass genau eine Achse, in diesem Fall die Achse 402, um einen definierten Weg bewegt wird. Daraus resultiert eine definierte Bewegung von einem beliebigen Ort des Punktes A zu einem zunächst ebenfalls unbekannten Ort des Punktes B. Aufgrund dessen, dass der Weg s, wie auch die Winkelbewegung bekannt sind, kann aufgrund des Gradientenverlaufs der tatsächliche Ort der Punkte A und B berechnet und daraus wiederum die notwendige Rückstellung ermittelt werden, um die optische und die Sonneneinfallsachse wieder in Deckung zu bringen.
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Da jede einzelne Zelle unterschiedlich ausfällt, kann kein fest vorgegebenes Gradientendiagramm benutzt werden. Diese muss zu Beginn des Betriebes ermittelt werden. Dazu dient eine Referenzfahrt, bei der die tatsächlichen Werte aufgenommen werden.
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Eine solche Referenzfahrt kann in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, um jeweils die maximalen Werte absolut zu erfassen. Durch dieses Verfahren können auch jahreszeitliche Änderungen der Maximas erfasst werden.
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Liegen die Maximas nach einiger Betriebszeit dauerhaft außerhalb definierter Grenzen, kann eine Beschädigung oder eine Verschmutzung vorliegen. Dies kann durch die Auswertung erkannt und entsprechende Maßnahmen veranlasst werden.
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Die Bezeichnung Gradientenabbildung oder -darstellung steht hier stellvertretend für ein beliebiges Verfahren zur Repräsentation der Daten. Andere Repräsentationsformen, wie z. B. Absolutwertkoeffizienten oder -tabellen, sind ebenfalls denkbar.
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8 zeigt eine grafische Darstellung eines Intensitätsverlaufs einer Solarzelleneinheit über der Zeit t. Auf der horizontalen Achse 802 ist die Zeit und auf der vertikalen Achse 804 erfasste Intensitätswerte der Solarzelleneinheit aufgetragen. In dem Diagramm ist ein Intensitätsverlauf 806 der Solarzelleneinheit gezeigt.
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Der Intensitätsverlauf 806 kann eine Referenzierfahrt darstellen. Eine Referenzierfahrt bedeutet eine Lageänderung des Moduls über ein oder mehrere Achsen. Hierzu wird die Lage der Module zunächst in einer Richtung verändert und dabei die Intensität der auf der energieerzeugenden Einheit auftreffenden Strahlung bestimmt. Dies geschieht bei beispielsweise zweiachsiger Nachführung danach in einer zweiten Richtung, die möglichst senkrecht zu der ersten Bewegung steht. Aus den Intensitätsverläufen des Signals bei einachsiger Fokussierung bzw. den Signalen bei beispielsweise zweiachsiger Nachführung, lässt sich dann die optimale Ausrichtung bestimmen.
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Dabei wird das Modul zunächst um einen gewissen Winkel in die eine Richtung und dann wieder in die entgegengesetzte Richtung gedreht. Die zu verschiedenen Winkelstellungen gemessenen Intensitätswerte und der daraus resultierende Intensitätsverlauf 806 sind in 8 gezeigt.
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Wird die Solarzelleneinheit ausgehend von einer ersten Endstellung in eine zweite Endstellung gekippt, so Durchlaufen die Intensitätswerte ein erstes Maximum. Wird die Solarzelleneinheit ausgehend von der zweiten Endstellung wieder in die erste Endstellung zurückgekippt, so Durchlaufen die Intensitätswerte ein zweites Maximum.
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Im Unterschied zu 8 zeigt 9 eine grafische Darstellung eines winkelabhängigen Intensitätsverlaufs der Solarzelleneinheit. Auf der horizontalen Achse 902 ist eine Winkelstellung oder Position in Grad und auf der vertikalen Achse 904 eine Intensität aufgetragen. Gezeigt ist ein erster Intensitätsverlauf 906, der einem Hinweg entspricht, also beispielsweise eine Verstellung der Solarzelleneinheit von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung. Ferner ist ein zweiter Intensitätsverlauf 908 gezeigt, der einem Rückweg entspricht.
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10 zeigt eine grafisch Darstellung des Intensitätsverlaufs 806 über die Zeit t. Dabei ist noch ein Abfallen des Intensitätsverlaufs 806 auf einem Endabschnitt des Hinwegs und, nach einem Minimalwert, daran anschließend der Intensitätsverlaufs 806 entlang des Rückwegs gezeigt.
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Wird das Modul in Richtung schlechterer Ausrichtung verfahren, dann sinkt der Pegel bzw. Energiewert der energieerzeugenden Einheit ab bis irgendwann keine bzw. kaum Strahlung mehr auf die energieerzeugende Einheit kommt. Danach wird genau in entgegen gesetzter Richtung das Modul verfahren und des Sensorsignal aufgenommen. Dieses kann wie in 10 gezeigt aussehen.
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Zu Beginn ist der Energiewert oder Intensitätswert gleich Null oder sehr klein. Wenn der Lichtstrahl wieder auf die energieerzeugende Einheit fällt, dann steigt der Energiewert an und erreicht irgendwann ein Maximum, dann fällt er wieder ab und hat nach einem bestimmten Verfahrwinkel den Wert Null oder einen sehr kleinen Wert. Ausgehend von dieser Referenzierfahrt kann jetzt die optimale Ausrichtung des Moduls gefunden werden. Dies kann dadurch geschehen, dass zu dem Winkelwert zurückgefahren wird, an dem die energieerzeugende Einheit den maximalen Wert hatte. Eine weitere Möglichkeit ist, den Signalverlauf zu betrachten und in dem Bereich, in dem die energieerzeugende Einheit bestrahlt wird über eine Berechnungsvorschrift, z. B. basierend auf einer Flächenberechnung oder Anstiegsflanken, genau die optimale Position zu ermitteln. Damit kann dann die optimale Ausrichtung bezüglich einer Achse durchgeführt werden. Die gleiche Prozedur wird dann in einer anderen Richtung, bei zweidimensionaler Nachführung möglichst senkrecht zu der ersten Referenzierfahrt durchgeführt, um die optimale Ausrichtung der Anlage bestimmen zu können. Nach diesen beiden Referenzierfahrten ist dann die optimale Lage der Ebene eindeutig bestimmt.
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Zusätzlich können anhand der bei der Referenzierung gemessenen Licht- bzw. Temperaturintensität und -verteilung Rückschlüsse über einen Verschmutzungsgrad der Module oder der Spiegel bzw. über die Funktionsfähigkeit der Solarzelleneinheiten gezogen werden. Ist beispielsweise die gemessene Lichtintensität bei gleicher Sonneneinstrahlung sehr unterschiedlich, so können einige der Module verschmutzt sein. Damit ist es möglich, ohne zusätzliche Kontrolle der Module, direkt den Verschmutzungsgrad abzuleiten und daraus eine Aussage über eine durchzuführende Reinigung zu treffen. Wird bei einem Modul kein Wert erkannt, so kann davon ausgegangen werden, dass dieses nicht mehr funktionsfähig ist.
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Zusätzlich lassen sich mit der Kombination der Module und dem Nachführsystem Beschädigungen Mängel an den einzelnen Anlageteilen wie Antrieb oder, Aufstellung zuverlässig erkennen, indem die Signale der einzelnen Module miteinander verglichen werden. Ist bei einem oder mehreren Modulen keine Referenzierung möglich, so kann daraus ein Fehler abgeleitet und der genaue Ort des Moduls in dem gesamten System gefunden werden. Damit kann eine sehr schnelle Beseitigung des Fehlers möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur selbsttätigen Erkennung einer Intensitäts- und/oder Helligkeitsverteilung auf Basis einer mindestens einachsigen Ausrichtmöglichkeit geschaffen.
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Ferner wird eine Einrichtung geschaffen, die das Verfahren mittels geeigneter Sensoren, z. B. eigenständiger Helligkeitssensoren, Temperatursensoren u. a., nutzt. Die Einrichtung kann das Verfahren im Bereich der Energieerzeugung, beispielsweise der Sonnenenergie, bei mindestens einer der energieerzeugenden Einheiten, z. B. der Solarzelle, nutzten.
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Das Verfahren kann in Verbindung mit der Einrichtung eingesetzt werden, wobei die erfassten Daten für eine spätere Nutzung vorrätig gehalten werden. Auf Basis vorgehaltener Daten und einer definierten Achsbewegung, kann eine exakte Ausrichtung errechnet und hergestellt werden. Bei dem Verfahren kann mehr als eine Signalquelle Berücksichtigung finden. Die jeweiligen Daten können dabei zusammengefasst oder auch individuell vorrätig gehalten werden. Dabei kann eine individuelle Veränderung der Daten in Relation zu anderen, z. B. gemeinsamen Veränderungen gebracht, einen Rückschluss auf den Modulzustand, z. B. den Grad der Verschmutzung oder den Ausfall einer oder mehrerer Signalgeber, zulassen.
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Demgemäß kann eine Einrichtung, die ein solches Verfahren ausführt, die genaue Auskunft über den Anlagenzustand, sowie Art und Ort eines Fehlers aufzeigen.
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Eine technische Einrichtung kann auf den erfindungsgemäßen Verfahren basieren und diese zur Ausrichtung und Nachführung auf eine geeignete signalemittierende Quelle, beispielsweise den Sonnenstand, nutzen.
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Eine entsprechende Vorrichtung kann selbständig die notwendigen Abläufe einer erforderlichen Referenzierung während des laufenden Betriebes durchführen, um damit das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Voraussetzungen zu schaffen.
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Bei Solarenergieanlagen, die das Sonnenlicht auf einen Punkt, einer Linie oder eine Fläche fokussieren ist das erfindungsgemäße Verfahren in leicht veränderter Form anwendbar.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorkonzept für Kraftwerke eingesetzt werden, bei denen das Sonnenlicht auf eine Fläche fokussiert wird, z. B. für Solarturmkraftwerke mit Heliostaten. Hier sind grundsätzlich zwei verschiedene Konzepte denkbar.
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Gemäß einem ersten Konzept dieses Ausführungsbeispiels sind Licht- bzw. Strahlungssensoren in relativer Nähe zum Absorber untergebracht. Zunächst sei angenommen, dass alle Spiegel bzw. Heliostaten auf den Absorber fokussiert sind. Es werden die Referenzierfahrten mit den Heliostaten nacheinander durchgeführt, damit das Sensorsignal eindeutig einem der Spiegel oder Heliostaten zuzuordnen ist, der auch die Referenzierfahrt durchgeführt hat. Hier wird der Spiegel oder Heliostat von dem Absorber weg solange in Richtung Sensor gedreht, bis dieser zunächst voll und anschließend nicht mehr bestrahlt wird. Danach wird die optimale Ausrichtung auf den Sensor in einer Achse bestimmt, und der Heliostat oder Spiegel auch dementsprechend verfahren. Danach muss der Heliostat noch in einer anderen Richtung verfahren werden, um die optimale horizontale Positionierung finden zu können. Ist dies erfolgt, so kann die Ebene des Heliostaten unter Berücksichtigung der Sonnenwinkel, wenn dieser den Sensor genau bestrahlt bestimmt werden. Anschließend wird anhand der Lage des Sensors zu dem Absorber dieser wieder optimal auf den Absorber ausgerichtet. Diese Prozedur kann dann mit dem nächsten Heliostaten durchgeführt werden. Für die Optimierung des Verfahrens ist es sinnvoll, mehrere Sensoren in der Nähe des Absorbers unterzubringen.
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Gemäß einem zweiten Konzept dieses Ausführungsbeispiels sind Licht- bzw. Strahlungssensoren am Spiegel bzw. Heliostaten angebracht und ausgerichtet. Zunächst sei angenommen, dass alle Spiegel bzw. Heliostaten auf den Absorber eines mögliche Solarturmkraftwerkes fokussiert sind. Es können alle Referenzierfahrten mit den Heliostaten simultan durchgeführt werden. Hier wird der Spiegel oder Heliostat von dem Absorber weg in Richtung Sensor gedreht bis das ein- oder ausfallende Licht den Sensor voll und anschließend nicht mehr bestrahlt. Die Position des Sensors und seine Ausrichtung ist bekannt, so kann die optimale Ausrichtung auf den Sensor bestimmt werden. Danach muss der Heliostat noch in einer anderen Richtung verfahren werden, um die optimale Positionierung, möglichst senkrecht zur ersten, finden zu können. Ist dies erfolgt, so kann die Ebene des Heliostaten unter Berücksichtigung der Sonnenwinkel, wenn dieser den Sensor genau bestrahlt, bestimmt werden. Anschließend wird anhand der Lage des Sensors zum Heliostaten dieser wieder optimal auf den Absorber ausgerichtet.
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Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- einfallendes Licht
- 104
- Sammellinse
- 106
- Solarzelle
- 108
- Fokussierebene
- 110
- wirksame Lichtfläche mit Flächeninhalt A1
- 112
- optisch Achse
- 114
- Beleuchtungsrichtung
- 116
- erste Oberfläche
- 118
- zweite Oberfläche
- 210
- wirksame Lichtfläche mit Flächeninhalt A2
- 302
- horizontale Achse = Winkelabweichung
- 304
- vertikale Achse = Intensität
- 306
- Glockenförmiger Intensitätsverlauf
- 400
- Intensitätsprofil
- 402
- horizontale Achse = Winkelabweichung entlang einer x-Achse
- 403
- vertikal Achse = Winkelabweichung entlang einer y-Achse
- 406
- Kontourlinie mit konstantem Intensitätswert I1
- 408
- Kontourlinie mit konstantem Intensitätswert I2, wobei I2 > I1
- 500
- Verfahren zur Ermittlung eines Intensitätsprofils einer Solarzelleneinheit
- 502
- Schritt des Ansteuerns der Solarzelleneinheit
- 504
- Schritt des Empfangens
- 506
- Schritt des Bestimmens eines Intensitätsprofils
- 508
- Schritt des Bereitstellens des Intensitätsprofils.
- 600
- Verfahren zum Nachführen einer Solarzelleneinheit
- 602
- Schritt des Empfangens eines momentanen ersten Intensitätswertes
- 604
- Schritt des Bereitstellens einer Verstellinformation
- 606
- Schritt des Empfangens eines momentanen zweiten Intensitätswertes
- 608
- Schritt des Bereitstellens eines gespeicherten Intensitätsprofils
- 610
- Schritt des Bestimmens einer Winkelstellungsabweichung
- 612
- Schritt des Bereitstellens einer Nachführinformation
- A
- erster momentaner Intensitätswert
- B
- zweiter momentaner Intensitätswert
- s
- Verstellwinkel
- 702
- Nachstellgrenze
- 802
- horizontale Achse = Zeit t
- 804
- vertikale Achse = Intensität
- 806
- zeitabhängiger Intensitätsverlauf
- 902
- Winkelabweichung in in Grad
- 904
- winkelabhängige Intensität
- 906
- Intensitätsverlauf beim Hinweg
- 908
- Intensitätsverlauf beim Rückweg
