DE102011013975B4

DE102011013975B4 - Optoelektronischer Sensor und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102011013975B4
Application number: DE102011013975.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas W. Bett; Gerald Siefer; Armin Bösch; Joachim Jaus; Gerhard Peharz
Original assignee: BLACK PHOTON INSTR GmbH; Black Photon Instruments GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: DE102011013975A1

Abstract

Optoelektronischer Sensor enthaltend mindestens einen Sensorträger (20) und mindestens ein ein Halbleiterbauelement aufweisendes Sensorelement (16), mindestens einen Kollimator (14), durch welchen der Akzeptanzwinkel mit einer Eintrittsapertur (26) eingestellt wird, und der über die Eintrittsapertur (26) im Luftaustausch mit der Umgebung ist sowie eine Schutzscheibe (11) für das Sensorelement (16) zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wobei die Schutzscheibe (11) als erstes Element, das von Strahlen durchquert wird, innerhalb des Kollimators (14) im Strahlengang mit einem geringeren Abstand zum Sensorelement (16) als zur Eintrittsapertur (26) des Kollimators (14) oder im Sensorelement (16) angeordnet ist, und wobei das Sensorelement (16) auf einem Sensorträger angeordnet ist, der einen Abflusskanal (21'') für Wasser und Schmutzpartikel, die durch das Kollimatorrohr (14) auf die Schutzscheibe (11) treffen, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einem Sensorträger, mindestens einem Sensorelement sowie mindestens einem Kollimator zur Einstellung des Akzeptanzwinkels, der eine Eintrittsapertur sowie eine Schutzscheibe für das Sensorelement aufweist. Verwendung findet der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der direkten solaren Strahlung mittels eines Halbleiterbauelements.
In der Solarenergie wird mittels photovoltaischer Zellen oder auch auf solarthermischem Wege Strom oder Nutzwärme erzeugt. Dabei ist es sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch im industriellen Einsatz von Technologie zur Nutzung der Solarstrahlung, z. B. in Solarkraftwerken, von Interesse, die solare Bestrahlungsstärke zu messen.
Je nach Auslegung und Technologie eines Solarkraftwerks kann nur der direkte Anteil des Sonnenlichts (sog. DNI, „Direkt Normal Irradiation”) oder zusätzlich auch die diffuse Strahlung, die durch Streuprozesse in der Atmosphäre entsteht, genutzt werden. Direkt- und Diffusstrahlung zusammen werden als sog. Globalstrahlung bezeichnet.
Beispiele für Solarkraftwerke, die sowohl diffuse als auch direkte Solarstrahlung nutzen, sind Solarmodule basierend auf kristallinem Silizium, wie sie auf Hausdächern oder auch in Großkraftwerken zur Zeit häufig Verwendung finden. Beispiele für Systeme, die nur das direkte Sonnenlicht verwerten können, sind Solarkraftwerke, die auf einer Konzentrierung der Solarstrahlung basieren, wie z. B. Parabolrinnenkraftwerke oder Konzentrator-Photovoltaik-Module, bei denen die Solarstrahlung mittels Linsen oder Spiegeln auf kleine, hocheffiziente Solarzellen konzentriert wird.
Bei Solarkraftwerken, die im Wesentlichen das direkte Sonnenlicht verwerten, aber kein diffuses, werden zur Messung der Solarstrahlung Geräte eingesetzt, die ebenfalls nur das direkte Sonnenlicht messen. Diese werden häufig als Pyrheliometer bezeichnet.
In einem Pyrheliometer ist der eigentliche Sensor hinter einem Kollimatorrohr angeordnet, das dazu dient, den Akzeptanzwinkelbereich auf die direkte Solarstrahlung zu beschränken. Als Akzeptanzwinkel hat sich hierzu ein Winkelbereich von ca. +/–2.5° Halbwinkel (entsprechend ca. 5° Vollwinkel) etabliert. Die Sonnenscheibe selbst erstreckt sich von der Erde aus betrachtet unter einem Winkelbereich von ca. +/–0.26°. Daher wird bei der Verwendung eines DNI-Messgeräts auch die sog. Circumsolarstrahlung (CSR) erfasst. Damit bezeichnet man Strahlung, die aus einem Winkelbereich zwischen +/–0.26° und +/–2.5° auf einen direkt zur Sonne ausgerichteten Empfänger trifft.
Kommerziell erhältliche DNI-Messgeräte sind u. a. die Pyrheliometer der Firmen Kipp & Zonen mit Sitz in Delft, Niederlande, (Modell CHP-1), Eppley mit Sitz in Newport, RI, USA, (Modell NIP) oder Huksefluk Thermal Sensors mit Sitz in Delft, Niederlande, (DR01 und DR02). Diese Geräte sind seit vielen Jahren bewährt und werden teilweise als sog. „First Class Pyrheliometer” der World Meteorological Organisation (WMO) als nationale und internationale Referenz-Messgeräte für die Messung der DNI verwendet.
Diesen Geräten gemeinsam ist die Verwendung eines thermischen Sensors, der für Solarstrahlung aus einem sehr breiten Wellenlängenbereich empfindlich ist, typischerweise 280 nm bis 4000 nm.
Eine weitere gemeinsame Eigenschaft ist die Verwendung eines Fensters an der Eintrittsapertur des Kollimatorrohrs. Durch das Fenster ist das Innere des Instruments vor Regen und Feuchtigkeit geschützt. Allerdings ergibt sich durch diese Bauweise ein gravierender Nachteil. Das Schutzfenster ist direkt der Witterung ausgesetzt. Im praktischen Einsatz wird beobachtet, dass das Fenster schnell mit Partikeln aus der Luft belegt wird. Dadurch verändern sich die gemessenen Werte massiv. Eine regelmäßige Reinigung ist notwendig, allerdings sinkt auch zwischen zwei Reinigungen die gemessene Strahlungsleistung stark. Ein Strahlungssensor, der möglichst unempfindlich ist gegen Verschmutzung ist daher sowohl aus Gründen der Messgenauigkeit als auch des wartungsarmen und daher kostengünstigen Kraftwerksbetriebs erstrebenswert.
Weiter geht mit der Bauweise der erwähnten Pyrheliometer nach bisheriger Bauart einher, dass ein Hohlraum zwischen Schutzglas an der Eingangsapertur und dem eigentlichen Sensor entsteht. In diesen Hohlraum dringt auch bei guter Abdichtung aufgrund der immer nicht unendlich kleinen Gaspermeationseigenschaften von Dichtungsmaterialien Feuchtigkeit ein. Zum Schutz des Sensors und der sonstigen Elemente muss daher ein Trocknungsmittel zum Einsatz kommen, das periodisch ausgetauscht werden muss. Bei Unterbleiben des Austausches droht das Messgerät Schaden zu nehmen.
Die in photovoltaischen Kraftwerken verwendeten Solarzellen können bestimmte Wellenlängenbereiche der solaren Strahlung sehr gut in elektrische Energie umwandeln, andere Wellenlängen hingegen schlecht oder gar nicht. Ein Maß für die Umwandlungseffizienz von Solarzellen in Abhängigkeit von der spektralen Bestrahlungsstärke ist die sog. spektrale Empfindlichkeit (SR).
In monolithischen Mehrfachsolarzellen werden mehrere Halbleiterschichten übereinander abgeschieden und so Solarzellen mit sich ergänzenden spektralen Empfindlichkeiten miteinander kombiniert. Dadurch lässt sich ein breiterer Bereich des solaren Spektrums mit höherer Effizienz umwandeln. Allerdings sind alle Teilzellen durch den Abscheidungsprozess inhärent serienverschaltet. Dadurch bestimmt die Solarzelle mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom der Mehrfachsolarzelle. Dadurch reagiert dieser Typ von Solarzelle aber auch besonders empfindlich auf Änderungen im Spektrum.
Bei der Entwicklung und dem Betrieb von photovoltaischen Kraftwerken ist die Kenntnis der spektralen Verteilung der Solarstrahlung (spektrale Bestrahlungsstärke, im Folgenden als Spektrum bezeichnet) des eingestrahlten Sonnenlichts von großem Interesse.
Die Variationen im Spektrum des Sonnenlichts auf der Erde werden durch atmosphärische Vorgänge, insbesondere dem Gehalt an Aerosolen, wie z. B. Wasserdampf, verursacht. An den Aerosolen wird das Sonnenlicht absorbiert oder gestreut. Da die Absorption und Streuung des Lichts von der Wellenlänge abhängt, führt dies zu unterschiedlichen Direktstrahlungsspektren je nach Aerosolgehalt der Atmosphäre.
Da die Streu- und Absorptionsprozesse von Aerosolen an spezifischen Wellenlängen besonders stark sind, lässt sich eine Messung der Bestrahlungsstärke an diesen Stellen dazu verwenden, Rückschlüsse auf den Aerosolgehalt (engl. Aerosol Optical Depth, AOD) zu erhalten.
Durch die Streuprozesse wird Solarstrahlung von seinem direkten Weg von der Sonne zur Erde abgelenkt. Von der Erde aus der Perspektive eines solaren Kraftwerks betrachtet bedeutet dies, dass nur ein Teil der solaren Strahlung von der Sonnenscheibe direkt kommt, ein Teil aber auch als Circumsolarstrahlung aus dem Bereich direkt um die Sonne oder auch als diffuse Strahlung aus dem übrigen Bereich des Himmels.
Bei solaren Kraftwerken, die die Solarstrahlung mittels Spiegel oder Linsensystemen sehr stark konzentrieren, kann nur Strahlung aus einem kleinen Winkelbereich, dem sog. Akzeptanzwinkel oder auch Gesichtsfeld der Optik, auf den Empfänger (thermischer Absorber oder Solarzelle) gelenkt werden. Je nach Auslegung der Konzentratoroptik kann also nur die Energie direkt von der Sonnenscheibe sowie ein Teil der Circumsolarstrahlung verwendet werden.
Durch die ständige Schwankung des Aerosolgehalts in der Atmosphäre ist auch der Anteil der Circumsolarstrahlung Schwankungen unterworfen. Auch das Spektrum ändert sich im Laufe eines Jahres und je nach Standort und beeinflusst die Stromerzeugung von photovoltaischen Modulen. Eine messtechnische Erfassung dieser beiden Eigenschaften der Solarstrahlung zusätzlich zur reinen Bestrahlungsstärke ist daher für die Entwicklung und den Betrieb von Solarkraftwerken erstrebenswert.
Eine häufig verwendete Methode zur Messung der solaren Strahlung ist die Verwendung von Spektrophotometern, wie sie z. B. in B. L. Diffey, Sources and measurement of ultraviolet radiation, Methods 28 (2002), S. 4–13 und C. A. Gueymard, Prediction and validation of cloudless shortwave solar spectra incident on horizontal, tilted, or tracking surfaces, Solar Energy 82 (2008), S. 260–271 beschrieben sind. Dabei handelt es sich um eine Messung, die sehr detailreiche Ergebnisse liefert, aber dafür einen hohen experimentellen und derartigen Aufwand erfordert. Insbesondere ist die Genauigkeit der Messung mittels Spektrometer nur bei präzisen optischen Aufbauten, die einen sehr hohen Gerätepreis nach sich ziehen, hinreichend genau. Weiter hängt die Genauigkeit der Messung wesentlich von der regelmäßigen Kalibrierung des Spektrophotometers ab. Als weiterer Nachteil ist zu nennen, dass die Messgenauigkeit wesentlich von der Betriebstemperatur des Spektrophotometers abhängt. Da die Messungen der solaren Strahlung im Freien unter allen möglichen Klimabedingungen stattfinden müssen, stellt die geeignete Kalibrierung des Spektrophotometers eine große Herausforderung dar. Da sich bei einer Temperaturänderung der gesamte mechanische Aufbau des Spektrophotometers ändert, z. B. die Lage des Beugungsgitters relativ zum Detektor, lässt sich eine Kompensation der Temperatureffekte nicht durch einen einfachen Korrekturfaktor erzielen.
Die DE 845 716 B betrifft einen kalorischen Strahlungsmesser für Sonne und andere Wärmestrahlung, bei dem ein Strahlungsstrom von bestimmten Querschnitt senkrecht auf die geschwärzte Fläche eines Messkörpers auftreffend absorbiert wird, woraus sich die Energie des Strahlungsstroms im absoluten Maß durch die Erwärmung dieses Messkörpers ergibt.
Die EP 1 363 113 A2 betrifft eine Vorrichtung zur faseroptischen Temperaturmessung mit einer Lichtleitfaser, welche einen Strahlungs-Einkoppelbereich und einen einem Detektor zugeordneten Strahlungs-Auskoppelbereich aufweist.
Die DE 2 073 280 A1 betrifft eine reflektive oder refraktive Sekundäroptik zur Fokussierung auf Sonnenlicht auf Halbleiterbauelemente, wobei die Sekundäroptik eine Auskragung aufweist, die um den die Sekundäroptik bildenden Grundkörper herum angeordnet ist.
Die DE 197 33 188 C1 betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von solaren koronalen Massenausbrüchen mit einer auf die Sonne ausrichtbaren Sonnenstrahlungsdetektionseinheit, mit der im zum Erdsystem gerichteten interplanetaren Raum solare, koronale Massenausbrüche erfassbar sind. Diese sind als Sonnenteleskope mit nachgeschalteten Strahlungsdetektoren ausgebildet.
Die DE 10 2005 016 414 B3 betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperaturstrahlung einer Messfläche eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung, wobei eine Lichtzielvorrichtung auf dem Messopjekt einen Lichtfleck erzeugt, welcher der Messfläche entspricht, deren durch eine Optik hindurchgehende Temperaturstrahlung von einem hinter einer Messfeldblende befindlichen Strahlungsempfänger gemessen wird.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungssensor bereitzustellen, der mit Hilfe einer geeigneten Verkapselungstechnik gut für den Einsatz im Freien und die damit verbundenen Umwelteinflüsse geeignet ist und ein Messsignal liefert, das möglichst wenig durch Verschmutzung aufgrund von Umwelteinflüssen im Bereich der Lichteintrittsöffnung beeinflusst wird.
Diese Aufgabe wird durch den optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 14 werden Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Sensors angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein optoelektronischer Sensor bereitgestellt, der mindestens einen Sensorträger und mindestens ein ein Halbleiterbauelement aufweisendes Sensorelement, mindestens einen Kollimator zur Einstellung des Akzeptanzwinkels mit einer Eintrittsapertur sowie eine Schutzscheibe für das Sensorelement zum Schutz vor Umwelteinflüssen aufweist. Die Schutzscheibe ist dabei innerhalb des Kollimators im Strahlengang mit einem geringeren Abstand zum Sensorelement als zur Eintrittsapertur des Kollimators oder im Sensorelement angeordnet. Zusätzlich weist der Sensorträger einen Abflusskanal für Wasser und Schmutzpartikel, die durch das Kollimatorrohr auf die Schutzscheibe treffen, auf.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der Formulierung „unmittelbar vor” ebenso ein direkter Kontakt zwischen Schutzscheibe und Sensorelement als auch eine Beabstandung von bis zu 25 mm zwischen beiden Elementen zu verstehen. Entscheidender Aspekt ist es hier, dass das Schutzelement innerhalb des Kollimators mit einem geringeren Abstand zum Sensorelement als zur Eintrittsapertur des Kollimators angeordnet ist.
Der mindestens eine Kollimator steht dabei über die Eintrittsapertur, die vorzugsweise eine runde Form aufweist, im Luftaustausch mit der Umgebung.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass das eigentliche Halbleiterelement, das zur Messung der solaren Strahlung und ihrer Eigenschaften herangezogen wird, gut geschützt in einem Sensorträger eingebettet ist. Durch die Gestaltung des Kollimatorrohrs mit offener Apertur entsteht kein größerer Hohlraum, daher muss auch kein Trocknungsmittel, das periodisch getauscht werden müsste, zum Einsatz kommen.
Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht es, dass das erste Element, welches von den Strahlen durchquert werden muss (das Schutzfenster), in unmittelbarer Nähe zum Sensorelement angeordnet ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Verunreinigungen, die sich auf dem Schutzfenster von außen anlagern, aufgrund des kurzen Abstands zum Sensor geringeren Einfluss haben als wenn das Schutzfenster bereits an der Eintrittsapertur angebracht ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Sensorfläche von der Position des Schutzfensters aus unter einem größeren Winkel erscheint und so eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, dass auch gestreutes Licht noch auf den Sensor fällt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Staub aus der Umgebungsluft, welcher durch die Atmosphäre tritt, nur zu einem Teil durch die erste Blende tritt. Von diesem Teil wiederum schlägt sich ein Teil des Staubs an der Kollimatorwand oder auf dem Sensorträger nieder. Nur ein kleiner Teil setzt sich auf dem Schutzfenster in dem Bereich nieder, in dem er für die Messung eine Auswirkung haben kann.
Das Sensorelement weist ein Halbleiter-Bauelement als aktives Sensorbauelement auf.
Das Schutzelement ist eine Schutzscheibe, die innerhalb des Kollimators im Strahlengang unmittelbar vor dem Sensorelement angeordnet ist. Die Schutzscheibe ist dabei im Bereich des Strahlengangs der auf das Sensorelement auftreffenden Strahlung für die Wellenlängen des Sensormessbereichs im Wesentlichen transparent.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sieht vor, dass das Sensorelement ein Halbleiter-Bauelement aufweist, das in einer Hülse oder einem Gehäuse angeordnet ist, die als Schutzelement fungieren. Die Hülse oder das Gehäuse sind dabei im Bereich des Strahlengangs der auf das Sensorelement auftreffenden Strahlung für die Wellenlängen des Sensormessbereichs im Wesentlichen transparent.
Für besonders feuchtigkeitsempfindliche Halbleitermaterialien ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement, das den Halbleiter beinhaltet, als geschlossenes Metallgehäuse mit einer Leckrate < 5 × 10–8 mbar sec–1 ausgebildet ist, das eine transparente eingeschmolzene, eingeschweißte oder eingelötete transparente Fensterschicht aufweist. Das Metallgehäuse ist vorteilhafterweise mit einem Schutzgas, hauptsächlich aus den Elementen N, Ar und He, gefüllt.
Vorzugsweise ist das Sensorelement unmittelbar auf dem Sensorträger angeordnet, wobei der Sensorträger als Wärmesenke dienen kann. Weiter ist es vorteilhaft, dass das Sensorelement auf einem thermisch gut leitenden Trägersubstrat montiert ist. Dieses Trägersubstrat steht als Wärmesenke in gutem thermischem Kontakt mit dem Sensorträger durch eine großflächige Kontaktstelle.
Der Sensorträger hat vorzugsweise eine plane Grundfläche, um während der Kalibrierung eine gute Temperaturanbindung zum thermostatierten Messtisch zu gewährleisten.
Es ist weiter bevorzugt, dass das Sensorelement zumindest bereichsweise in ein Polymer eingebettet ist, das für die Wellenlängen des Sensormessbereichs im Wesentlichen transparent ist, so dass der Raum zwischen dem mindestens eine Sensorelement und der Schutzscheibe mit dem Polymer ausgefüllt ist. Durch die Verwendung eines transparenten Polymers kann eine Absorption von Strahlung in diesem Bereich weitestgehend vermieden werden. Dadurch lassen sich Probleme mit Feuchtigkeit im Sensor von vorneherein vermeiden. Besonders bevorzugt lässt sich das Sensorelement so vollständig von allen Seiten in eine Polymerschicht einbetten und ist so optimal vor Korrosion geschützt.
Das transparente Polymer ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikonen, Polymeren wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol, Polyphenoloxid oder Polyethylen sowie deren silanisierte Derivate sowie Copolymere, Blends und Polymerlegierungen hiervon.
Sind Bereiche innerhalb des Sensorträgers nicht durch das transparente Polymer vergossen, können diese miteinander verbunden sein und einen Gasaustausch mit der Umgebungsluft durch eine wasserundurchlässige Membran ermöglichen.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Messung der spektralen Eigenschaften des Sonnenlichts in Zusammenhang mit Solarkraftwerken mit Mehrfachsolarzellen ist die Verwendung von sog. Komponentenzellsensoren. Bei diesen Sensoren werden Halbleiter verwendet, die den gleichen monolithischen Halbleiter-Schichtaufbau haben wie die Mehrfachsolarzellen, die in Zusammenhang mit der Messung erforscht oder überwacht werden sollen. Bei den Komponentenzellen ist jedoch nur ein pn-Übergang vorhanden. Alle Schichten darüber und darunter sind in derselben elektrischen Polarität dotiert wie die jeweils nächstliegende Schicht des pn-Übergangs. Dadurch ist gewährleistet, dass die spektrale Empfindlichkeit der Sensoren denen der Solarzellen im Kraftwerk entsprechend ist und so besonders aussagekräftige Messungen durchgeführt werden können.
Um die spektralen Parameter mit Komponentenzellen zu ermitteln, sind mindestens zwei verschiedene Komponentenzellen notwendig. Hierbei werden vorteilhafterweise die Teilzellen verwendet, die im Betrieb eines Mehrfachsolarzellenverbundes am ehesten den Strom limitieren würden.
Zur Erfassung der spektralen Eigenschafen können auch Einfachsolarzellen verwendet werden, die durch unterschiedliche Halbleitereigenschaften oder durch Filterelemente unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen und so die Kombination der Messwerte von mehreren unterschiedlichen Sensoren Rückschlüsse auf die spektrale Verteilung ermöglicht.
Vorzugsweise kann der Sensor im Bereich des Sensorelements und/oder im Bereich des Kollimators mindestens eine Blende zur Reduktion des Streulichts und/oder mindestens einen optischen Filter aufweisen.
Für empfindliche Halbleiterbauelemente mit geringem Füllfaktor ist es wichtig, dass das gesamte Halbleiterbauelement stets voll bestrahlt ist (Erzwingung einer Überstrahlung). Da allerdings Licht, das neben dem Halbleiter auf das Trägersubstrat trifft, dort reflektiert wird und unerwünschtes Streulicht verursacht, verfügt der Sensor vorteilhafterweise über eine absorbierende Blende in unmittelbarer Nähe des Halbleiter-Bauelements, die durch eine Öffnung eine sichere Überstrahlung des Halbleiter-Bauelements gewährleistet, aber die übrigen Bereiche des Substrats abschattet.
Desweiteren ist bei Halbleiter-Bauelementen mit hohem Füllfaktor eine Verringerung des bestrahlten Bereichs auf einen Bereich, der kleiner ist als die Halbleiter-Bauelementfläche selbst, möglich. Dies ist vorteilhaft, wenn ein besonders gut definierter Abfall der Empfindlichkeit des Detektors am Rand seines Akzeptanzwinkelbereichs erforderlich ist. Hierzu verfügt der Sensor vorteilhafterweise über eine Blende in unmittelbarer Nähe des Halbleiter-Bauelements, die die Bestrahlung auf einen Teilbereich des Halbleiter-Bauelements reduziert (Unterstrahlung). Diese Blende weist zur Erzielung gleichartiger Akzeptanzwinkel in allen Raumrichtungen eine kreisförmige Form auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass an der Eintrittsapertur eine zusätzliche Blende angeordnet ist, die einen kreisförmigen inneren Bereich sowie einen ringförmigen äußeren Bereich aufweist, wobei der kreisförmige innere Bereich konzentrisch zum ringförmigen äußeren Bereich angeordnet ist und der innere Bereich über Stege mit dem äußeren Bereich verbunden ist. Dabei ist der innere kreisförmige Bereich derart dimensioniert, dass bei senkrechter Ausrichtung des Kollimators das direkt von der Sonnenscheibe kommende Licht das Sensorelement nicht erreichen kann.
Der Einsatz von Blenden führt zur Reduktion des Streulichts und zur weiteren Verringerung der auf das Schutzelement auftreffenden Verunreinigungen, z. B. Staub.
Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist es in Zusammenhang mit der Verwendung von Filterelementen, dass die Filter gleichzeitig die Funktion des Schutzglases übernehmen und der Bereich zwischen Filter und Sensorelement mit einem transparenten Polymer gefüllt ist oder dass die Filter hinter dem Schutzfenster angeordnet sind und der Bereich zischen Filter und Schutzglas mit einem transparenten Polymer gefüllt ist.
So ist es beispielsweise möglich, dass im Strahlengang ein Bandpassfilter angeordnet ist, der überwiegend Strahlung aus einem Spektralbereich mit hoher Wasserdampfabsorption transmittiert.
Wird der Sensor zur Messung von Solarstrahlung in Zusammenhang mit einem Solarkraftwerk verwendet, wird vorzugsweise im Strahlengang ein Filterelement angeordnet, das die spektrale Empfindlichkeit des Sensors in den Bereichen, in denen die spektrale Empfindlichkeit des Sensors höher ist als die der im Solarkraftwerk verwendeten Solarzellen, verringert.
Zur Messung der Circumsolarstrahlung wird die direkte Sonnenstrahlung vorteilhafterweise ausgeblendet. Hierzu verfügt das Kollimatorrohr an der Eintrittsaperturseite über eine zusätzliche Blende, wobei die Blende einen kreisförmigen inneren Bereich aufweist, sowie einen ringförmigen äußeren Bereich, wobei der kreisförmige Bereich konzentrisch zum äußeren ringförmigen Bereich angeordnet ist und der innere Bereich über Stege mit dem äußeren Bereich verbunden ist, wobei der innere Bereich derart dimensioniert ist, dass bei senkrechter Ausrichtung des Kollimatorrohrs das direkt von der Sonnenscheibe kommende Licht das Sensorelement nicht erreichen kann. Das Verhältnis des Durchmessers des inneren Blendenbereichs zum Abstand zwischen dem Blendenbereich und dem Sensorelement liegt vorteilhafterweise zwischen 1:25 und 1:150.
Es ist weiter bevorzugt, dass der Sensor für den Kollimator mindestens ein Koppelelement und/oder ein Justageelement aufweist, so dass der Kollimator einfach abnehmbar, austauschbar und/oder justierbar ist, wobei das Koppelelement und das Justageelement eine gute thermische Ankopplung des Kollimators an das Sensorelement ermöglichen. Hiermit ist der Vorteil verbunden, dass das Kollimatorrohr schnell austauschbar ist und so auf die jeweilige Messaufgabe schnell angepasst werden kann.
Vorzugsweise steht der mindestens eine Sensorträger mit mindestens einem Temperatursensor zur temperaturabhängigen Korrektur der optischen Messwerte in Verbindung. Hierbei kann z. B. die offene Klemmspannung des Sensors zur Bestimmung der Temperatur des Halbleiterbauelementes verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Sensorelement an einem Widerstand oder an einem Widerstand oder einem IU-Wandler im Kurzschlussstrombetrieb oder unter einer Spannung betrieben wird, die weniger als 10% der offenen Klemmspannung beträgt, wobei der gemessene Strom sich linear oder auf andere vorhersagbare Weise mit der Einstrahlung ändert und daher als Indikator der gemessenen Einstrahlung verwendet werden kann.
Es ist weiter bevorzugt, dass der Sensorträger auf der Rückseite eine Aussparung aufweist, die die Aufnahme einer Verstärkerelektronik ermöglicht, wobei die Aussparung so angeordnet ist, dass nach Montage der Rückseitenplatte die Auswerteelektronik zum Überwiegenden Teil von metallischem Material umgeben ist und so vor elektromagnetischer Störstrahlung optimal geschützt ist.
Vorzugsweise ist das Sensorelement mit einem ersten Pol an einen ersten Pol eines Widerstands angeschlossen, der sich in einer Aussparung des Sensorträgers befindet und der Sensor über insgesamt drei Anschlussleitungen zur Außenwelt verfügt, wobei die erste Anschlussleitung direkt mit dem zweiten Pol des Sensorelements verbunden ist, eine zweite Anschlussleitung zwischen erstem Pol des Sensorelements und dem ersten Pol des Widerstands kontaktiert ist, sowie eine dritte Anschlussleitung den zweiten Pol des Widerstands kontaktiert.
Ebenso ist es bevorzugt, dass das Sensorelement mit einem ersten Pol an einen ersten Pol eines Widerstands angeschlossen ist, der sich in einer Aussparung des Sensorträgers befindet und der Sensor über insgesamt vier Anschlussleitungen zur Außenwelt verfügt, wobei die erste Anschlussleitung direkt mit dem zweiten Pol des Sensorelements verbunden ist, eine zweite Anschlussleitung zwischen erstem Pol des Sensorelements und dem ersten Pol des Widerstands kontaktiert ist, sowie eine dritte und eine vierte Anschlussleitung beide den zweiten Pol des Widerstands kontaktieren.
Weiter ist bevorzugt, dass innerhalb des ersten Kollimatorrohrs ein zweites kürzeres Kollimatorrohr auf coradiale Weise angeordnet ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Kollimator ein Kollimatorrohr aufweist, wobei die Innenseite des Kollimatorrohres zur Reduzierung von Streulicht eine lichtabsorbierende Oberfläche aufweist.
Vorzugsweise weist der Sensor einen Abschattungsring zum Schutz des Sensorelementes vor dem direkten Solarstrahlungsanteil der einfallenden Strahlung auf, da sich die Eigenschaften der Halbleiter, wie Bandlücke und Leitfähigkeit, mit der Temperatur ändern können.
Der Sensor muss zur Erfüllung seiner Funktion so ausgerichtet werden, dass das Kollimatorrohr senkrecht auf die Sonne zeigt. Hierzu kann der Sensor vorteilhafterweise in eine Nachführeinheit montiert werden. Soll jeder Sensor einzeln justierbar sein, so verfügt der Sensorträger vorteilhafterweise über drei oder vier Bohrungen, durch die jeweils eine Schraube durchragt, so dass von der Unterseite Federn aufgesteckt werden können und die Schrauben in einer Grundplatte montiert sind. Durch drehen der Schrauben lässt sich so die Neigung des Sensors zur Grundplatte anpassen.
Erfindungsgemäß wird ebenso eine Vorrichtung mit mehreren optoelektronischen Sensoren, wie sie zuvor beschrieben wurden, bereitgestellt. Hierbei weisen die einzelnen optoelektronischen Sensoren dabei bevorzugt unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten auf, wodurch sich ein Verhältnis der gemessenen Strahlungsmengen bilden lässt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform dieser Vorrichtung sieht vor, dass der Sensor mindestens zwei Kollimatoren mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Längen zur Realisierung unterschiedlicher Akzeptanzwinkel aufweist.
Es ist weiter bevorzugt, dass sich die Akzeptanzwinkelbereiche der optoelektronischen Sensoren in der Vorrichtung unterscheiden, was u. a. dadurch hervorgerufen sein kann, dass der Durchmesser des inneren kreisförmigen Bereichs bei allen Sensoren gleich ist, sich jedoch der äußere ringförmige Bereich der Blenden im Durchmesser unterscheidet.
Erfindungsgemäß wird der zuvor beschriebene optoelektronische Sensor zur Messung der direkten solaren Strahlung, insbesondere in Solarkraftwerken, eingesetzt.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt den Gesamtaufbau des Sensors in der Schnittdarstellung.
2 zeigt eine Detailansicht des Sensorelements in der Schnittdarstellung.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements in der Schnittdarstellung.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements, das in einer Hülse eingebettet ist, in der Schnittdarstellung.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erfindungsgemäßen Aperturblende in der Aufsicht zur Messung der Circumsolarstrahlung.
6 zeigt eine Anordnung der Aperturblende aus 5 in der Seitenansicht, in der die durch die Blende definierten Strahlwinkel verdeutlicht werden.
In 1 ist das Licht, das durch das Kollimatorrohr 14 fällt und auf das Sensorelement 16 trifft, in dem es in ein elektrisches Stromsignal umgewandelt wird, durch gestrichelte Linien dargestellt. Das Stromsignal ist linear zur Einstrahlung oder auf andere berechenbare Weise von ihr abhängig und wird zur Erzeugung des Messergebnisses herangezogen. Auf dem Weg durch das Kollimatorrohr 14 fällt das Licht zunächst durch die Eintrittsapertur 26 des Kollimatorrohrs. Streulicht, das an den Kollimatorwänden 37 entsteht, wird durch eine oder mehrere Kollimatorblenden 13 absorbiert. Licht, welches seitlich am Kollimatorrohr vorbeifällt, wird durch einen Abschattungsring 12 am Auftreffen und damit Erwärmen des Sensorgehäuses gehindert. Zur weiteren Reduzierung von Streulicht ist die Innenseite des Kollimatorrohrs 33 mit einer lichtabsorbierenden Oberseite ausgestattet. Durch die Lage und Größe des Sensorelements 16, durch die Lage und Form von dazwischen liegenden Blenden 5, 30 und 13 sowie durch die die Lage und Art des Sensorelements 16, sowie durch die Lage, Form und Größe der Eintrittsapertur wird der Aktzeptanzhalbwinkel θ definiert. Das Sensorelement 16 ist in einem Sensorträger 20 montiert, der hierzu eine geeignete Aussparung 25 aufweist. Im unteren Teil des Sensorträgers 20 ist eine Aussparung 24 vorgesehen, die eine elektrische Platine 31 sowie Anschlusselemente, wie Kabel und Stecker, aufnehmen kann. Der Sensorträger ist zur Unterseite mit einem Schließdeckel 22 abgeschlossen. Durch Bohrungen sind Schrauben 26 und 26' geführt, eine Dritte liegt auf der der Schnittebene gegenüberliegenden Seite und ist daher in der Figur nicht dargestellt, die auf einer Grundplatte 29 mit Muttern 28 und 28' gekontert sind. Der Sensorträger wird durch Federn 27 und 27' an den Schraubenkopf gepresst.
Durch Drehen der Schrauben lässt sich so der Neigungswinkel des Sensorträgers verstellen. Das Kollimatorrohr 37 ist durch eine Schraub- oder Steckverbindung 22 mit dem Sensorträger verbunden und durch eine große Auflagefläche und hohe Kontaktkraft thermisch gut an diesen angekoppelt. Auf Höhe der Ausgangsapertur 32 des Kollimatorrohrs befindet sich das Schutzfenster 11, das sich über einem Bereich, der als Sensorblende 5 ausgeführt ist, befindet. Wasser und Schmutzpartikel, die durch das Kollimatorrohr 14 auf das Schutzfenster 11 treffen, können durch einen Abflusskanal 21'' aus dem Sensorträger fließen. Zur Verbesserung der Streulichtunterdrückung sowie zur Verringerung des Staubeintrags auf das Schutzfenster verfügt der Sensor über ein inneres Kollimatorrohr 18, das eine weitere Blende 30 enthält und über einen Schraub- oder Klemmverschluss 36 mit dem Sensorträger 20 verbunden ist. Die Eintrittsapertur 19 des inneren Kollimatorrohrs ist so ausgeführt, dass sie gerade nicht mit den Randstrahlen im Winkel +/– θ interferiert. Auch die Innenseite des inneren Kollimatorrohrs hat durch eine schwarze Oberfläche eine hohe Absorption.
In 2 ist das Schutzfenster mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet, es ist mit einem transparenten Polymer 10 über einem Bereich, der als Sensorblende 5 ausgeführt ist, montiert. Die Blende ist als kreisförmige Aussparung direkt aus dem Sensorträger ausgeformt. Das Sensorelement 16 beinhaltet das eigentliche Halbleiterbauelement 1, ein Trägersubstrat 7 sowie einen ersten elektrischen Anschlusspol 21 und einen zweiten elektrischen Anschlusspol 21'. Der Hohlraum zwischen dem Sensorelement 16 und dem Schutzglas 11 ist ebenfalls mit einem transparenten Polymer vergossen. Auch die Rückseite des Trägersubstrats 7 ist mit einem Polymer vergossen 8, so dass das Sensorelement rundum mit einer polymeren Vergussmasse vor Korrosion geschützt ist.
In 3 sind die gleichen Elemente wie in 2 vorhanden. Zusätzlich weist das Sensorelement 16 ein metallisches Gehäuse 15 auf, das mit dem ebenfalls metallenen Trägersubstrat verschweißt und mit einem transparenten Deckglas 6 ebenfalls hermetisch dicht verbunden. Dadurch entsteht ein abgeschlossener Gehäuseinnenraum 35, welcher mit einem Schutzgas gefüllt ist. Das metallische Gehäuse 15 ist durch einen engen Spalt 15, der mit einem Polymer gefüllt ist, großflächig an den Sensorträger 20 angekoppelt, um eine gute thermische Ankopplung zu gewährleisten.
In 4 sind die gleichen Elemente wie in 3 vorhanden. Zusätzlich ist das Sensorelement 16 nicht direkt mit dem Sensorträger 20 verbunden, sondern ist in eine Hülse 9 eingesetzt. Diese Hülse ist aus Metall gefertigt, wobei ihre gesamte Oberfläche 17 mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Die Sensorblende 5 ist in dieser Ausführungsform direkt aus der Hülse ausgeformt. Ein Temperatursensor 37 steht in Kontakt mit dem Trägersubstrat, um die Temperatur des Sensorelements zu erfassen.
In 5 ist die Aufsicht auf eine Kollimatorblende zu sehen, die im Bereich der Eintrittsapertur des Kollimatorrohrs montiert wird. Die Blende weist einen kreisförmigen inneren Bereich 41 auf, sowie einen ringförmigen äußeren Bereich 44, wobei der innere Bereich über Stege 42, 42' und 42'' mit dem äußeren Bereich verbunden ist. Auf das Sensorelement trifft so nur das Sonnenlicht, das durch den offenen Bereich 43 treten kann.
In 6 ist eine reduzierte Schnittansicht auf die Anordnung der in 5 gezeigten Blende dargestellt. Das Sensorelement ist dabei an der mit 47 gekennzeichneten Position angeordnet. Durch den kreisförmigen Bereich 41 und den äußeren Bereich 44 wird eine Öffnung 43 definiert. Das durch die Öffnung hindurchtretende und auf das Sensorelement treffende Licht ist durch die Randstrahlen mit den Winkel θ1 und θ2 charakterisiert. Von der Position des Sensorelements 47 aus betrachtet, kann nur Licht aus einem Bereich des Himmels innerhalb eines Kegels empfangen werden, das durch die Randwinkel θ1 und θ2 definiert ist.

Claims

Optoelektronischer Sensor enthaltend mindestens einen Sensorträger (20) und mindestens ein ein Halbleiterbauelement aufweisendes Sensorelement (16), mindestens einen Kollimator (14), durch welchen der Akzeptanzwinkel mit einer Eintrittsapertur (26) eingestellt wird, und der über die Eintrittsapertur (26) im Luftaustausch mit der Umgebung ist sowie eine Schutzscheibe (11) für das Sensorelement (16) zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wobei die Schutzscheibe (11) als erstes Element, das von Strahlen durchquert wird, innerhalb des Kollimators (14) im Strahlengang mit einem geringeren Abstand zum Sensorelement (16) als zur Eintrittsapertur (26) des Kollimators (14) oder im Sensorelement (16) angeordnet ist, und wobei das Sensorelement (16) auf einem Sensorträger angeordnet ist, der einen Abflusskanal (21'') für Wasser und Schmutzpartikel, die durch das Kollimatorrohr (14) auf die Schutzscheibe (11) treffen, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzscheibe (11) innerhalb des Kollimators (14) in direktem Kontakt zum Sensorelement (16), in einer Beabstandung von bis zu 25 mm zum Sensorelement (16) oder im Sensorelement (16) angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzscheibe (11) im Bereich des Strahlengangs für die Wellenlängen des Sensormessbereichs transparent ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (16) in einer Hülse (9) oder einem Gehäuse (15) angeordnet ist, die als Schutzelement für das Sensorelement (16) im Bereich des Strahlengangs für die Wellenlängen des Sensormessbereichs transparent sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement zumindest bereichsweise in ein Polymer (10) eingebettet ist, das für die Wellenlängen des Sensormessbereichs transparent ist, so dass der Raum zwischen dem mindestens einen Sensorelement (16) und der Schutzscheibe (11) mit dem Polymer (10) ausgefüllt ist.
Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silikonen, Polymeren basierend auf Ethylen, Ethyl, Methyl und/oder Carbonylgruppen, silanisierten Polymeren mit Ethylen, Ethyl, Methyl und/oder Carbonylgruppen sowie deren Copolymeren, Blends und Polymerlegierungen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (16) mindestens zwei verschiedene Komponentenzellen aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor im Bereich des Sensorelements (16) und/oder im Bereich des Kollimators (14) mindestens eine Streulicht-reduzierende Blende (5, 13, 30) und/oder mindestens einen optischen Filter aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor für den Kollimator (14) mindestens ein Koppelelement (22) und/oder ein Justageelement aufweist, so dass der Kollimator einfach abnehmbar, austauschbar und/oder justierbar ist, wobei das Koppelelement (22) und das Justageelement eine thermische Ankopplung des Kollimators (14) an das Sensorelement (16) ermöglichen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensorträger (20) mit mindestens einem Temperatursensor (37), welcher eine temperaturabhängige Korrektur der optischen Messwerte ermöglicht, in Verbindung steht.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens zwei Sensorelemente (16) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens zwei Kollimatoren (14) mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Längen, welche die Realisierung unterschiedlicher Akzeptanzwinkel ermöglichen, aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Abschattungsring (12) aufweist.
Verwendung des Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der direkten solaren Strahlung in Solarkraftwerken.