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Die Erfindung geht aus von einem Sensor des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Die Messung der Solarstrahlung ist in vielen Bereichen relevant, von der Auswahl von Standorten für Solarkraftwerke über die Erfassung von aktuellen Strahlungsdaten für die Wetterdienste bis hin zu Langzeitstudien in der Klimaforschung. Für die Messung der Solarstrahlung werden verschiedene Sensoren verwendet. Zur Messung der auf eine horizontalen Fläche auftreffenden Solarstrahlung (Global Horizontal Irradiation GHI) werden hauptsächlich Pyranometer verwendet. Diese können über einen weiten Wellenlängenbereich von 200–4000 nm elektromagnetische Strahlung aufnehmen und decken somit den Bereich vom Ultravioletten bis zum nahen Infrarot ab. Pyranometer haben einen Akzeptanzhalbwinkel von 90° und können daher bei horizontaler Aufstellung alle Strahlung, die aus dem Bereich des Himmels auf den Sensor fällt, erfassen. Im Gegensatz hierzu weisen Pyrheliometer, die zur Messung der direkten Strahlung (Direct Solar Irradiation DNI) verwendet werden, einen Akzeptanzhalbwinkel von ca. 2.5° auf. Damit erfassen sie die Sonne sowie einen kleinen Bereich des Himmels um die Sonne herum. Da Erde und Sonne sich ständig bewegen, muss ein solcher Sensor auf einer Nachführeinheit montiert werden und so dem Lauf der Sonne (bzw. der Erddrehung) nachgeführt werden.
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Da Solarstrahlungsdetektoren im Freien betrieben werden, sind sie den Einflüssen des Wetters ausgesetzt und können schnell verschmutzen. Solarstrahlungsdetektoren haben häufig einen als Fenster ausgeführten Eintrittsbereich, durch das Sonnenlicht in den Detektor tritt. Im Inneren des Sensors befindet sich ein Detektorelement, das aus einem Thermoelement oder Halbleitermaterial besteht und die Solarstrahlung in ein elektrisches Signal umwandelt. Durch eine Staub- oder Schmutzschicht auf dem Eintrittsbereich wird Licht absorbiert bzw. gestreut, sodass sich das Messsignal bei gleichem Strahlungseinfall ändern kann. Durch diesen Effekt wird die Messgenauigkeit von Solarstrahlungssensoren stark verringert. Sensoren zur Messung von solarer Direktstrahlung sind besonders empfindlich, da bereits eine geringe Richtungsänderung der einfallenden Solarstrahlung durch Streuung im Eintrittsbereich teilweise verhindert, dass die Solarstrahlung auf das Detektorelement trifft. Aus der Veröffentlichung „Soiling of irradiation sensors and methods for soiling correction”, N. Geuder & V. Quasching, Solar Energy 80 (2006), pp. 1402–1409 ist bekannt, dass auch bei regelmäßig gereinigten Pyrheliometern eine Verringerung der gemessenen DNI in der Größenordnung von 10% auftreten kann. Diese Ungenauigkeiten des Messsignals liegen um ein Vielfaches höher als die Ungenauigkeiten der eingesetzten Detektorelemente selbst, sodass hier eine genauere Messung hauptsächlich durch die Verbesserung des aufgezeigten Problems möglich ist. Es ist daher erstrebenswert, Solarstrahlungsmesssysteme mit möglichst geringer Verschmutzungsneigung zu bauen, sowie auftretende Verschmutzungen zu erkennen und korrigieren zu können.
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Hohe Messgenauigkeiten sind insbesondere im Rahmen der Klimaforschung notwendig, da hier über mehrere Jahre Solarstrahlungsdaten aufgezeichnet werden müssen und auch kleine Veränderungen sicher erfasst werden sollen. In der Veröffentlichung „Baseline Surface Radiation Network (BSRN) – Operations Manual Version 2.1” con L. J. B. McArthur (2004), Ontario, Canada sind Methoden für die genaue Messung für solare Direkt-, Global- und Diffus-Strahlung beschrieben. Um die geforderte hohe Messgenauigkeit zu erreichen, ist für Messstationen, die im BSRN Netzwerk eingebunden sind, eine tägliche Reinigung der Sensoren vorgeschrieben. In der Veröffentlichung sind mehrere Ansätze für die Nachführung von Pyrheliometern dargestellt. Nachteilig ist jedoch an diesen Vorrichtungen, dass sie keinen Schutz der Solarstrahlungsdetektoren vor Verschmutzung bieten. Für Pyranometer werden Ventilationslösungen gezeigt. Diese basieren auf einer kontinuierlichen Umströmung mit gefilterter Umgebungsluft, was eine regelmäßige Wartung der Filtereinheit und der Lüftermotoren notwendig macht. Weiter sind an den Messstationen keine Vorrichtungen bekannt, welche die Verschmutzung der Sensoren erkennen oder korrigieren können.
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Auch in aus der Norm VDI 3786 Blatt 5 1986-08-00. „Meteorologische Messungen für Fragen der Luftreinhaltung Blatt 5: Globalstrahlung, direkte Sonnenstrahlung und Strahlungsbilanz' sind die Messmethoden zur Strahlungsmessung sowie die dazugehörigen Messgeräte und deren Wartungsintervalle genannt. So wird auf Seite 22 in Bezug auf Messungen mit Pyrheliometern festgestellt, (...) „die Reinigung von Eintrittsfenstern und Filtern gehört zur täglichen Wartungsroutine.”
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Aus
US 2 768 527 A ist ein Instrument zur Messung von langwelliger Strahlung bekannt, welches eine halbkugelförmige Abdeckung aufweist. Zum Messen muss diese geöffnet werden. Der während der Messung auf dem Sensor abgelagerte Schmutz verbleibt jedoch bis zu einer manuellen Reinigung auf dem Eintrittsfenster, da keine automatische Vorrichtung geschaffen wird um bereits angelagerten Schmutz wieder zu entfernen.
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Aus
DE 20 2012 101 670 U1 ist ein Messsystem zur Temperaturmessung (Pyrometer) bekannt, das über ein Ventil verfügt, sodass der Weg zum Pyrometer nur geöffnet wird, wenn das Pyrometer die Temperatur am Messpunkt bestimmen soll. Hierdurch wird jedoch keine Vorrichtung geschaffen wird um während der Messphasen angelagerten Schmutz wieder zu entfernen oder auch z. B. durch eine kontinuierliche Spülung eine Ablagerung von Schmutz auch während der Messung zu verhindern.
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Aus
WO 97/ 11 400 A1 ist aus Anspruch 1 in Verbindung mit Anspruch 13 und 14 eine Vorrichtung bekannt, die ein Teleskop über zwei nichtparallele Achsen frei im Raum positionieren kann, wobei über eine Schwenkbewegung das Teleskop nach unten in eine Schutzposition bewegt werden kann. Dies ist für ein Teleskop befriedigend, da es einen Schutz des Instruments bei Nichtbenutzung ermöglicht. In den Ausführungen und beispielhaften Zeichnungen wird jedoch nicht auf die Aufgabe eingegangen, wie die Vorrichtung dahingehend aufgebaut sein muss, dass sie eine während des Betriebs auftretende Verschmutzung auch zu reduzieren, zu erkennen, und weitgehend korrigieren zu können. Dies wäre jedoch für den Betrieb von Solarstrahlungssensoren vorteilhaft um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen.
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Aus
DE 10 2004 050 437 A1 ist eine Spülvorrichtung bekannt, die ein gegen die Durchtrittsscheibe gerichtetes Spülrohr aufweist. In
1 in
DE 10 2004 050 437 A1 ist ersichtlich, dass sich dieses Spülrohr fest montiert in der Nähe des Eintrittsbereich des Sensors befindet. Dies ist ohne weitere Vorrichtungsmerkmale auch notwendig, um mit einem Spülmittel das gegen die Durchtrittsscheibe gefördert wird eine ausreichende Spülwirkung zu erzielen. Nachteilig ist hierbei jedoch dass sich die Druckluftdüse in der normalen Messposition im Gesichtsfeld des Sensors befindet und so im Falle eines Solarstrahlungssensors zu einer Verfälschung der gemessenen Bestrahlungsstärke führen kann.
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Aus
DE 845 716 B ist Strahlungssensor bekannt der einen Verschluss (Zeichnungselement 5) aufweist. Wie dieser jedoch ohne manuellen Eingriff vor dem Sensor platziert werden kann wird nicht dargelegt, eben so wenig wie eine Verschmutzung während der Messung erkannt und verhindert werden könnte.
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Um den gegenwärtigen Stand der Technik zu verbessern und die genannten Nachteile zu verringern wurde daher von folgender Aufgabenstellung ausgegangen:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung von Solarstrahlung zu entwickeln, die eine Verschmutzung der Solarsensoren während des Messbetriebs minimiert, sowie vorteilhafterweise über Funktionalitäten zur Erkennung und Korrektur der eventuell eingetretenen Verschmutzung verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in Anspruch 1 sowie den vorteilhaften Ausprägungen in den Unteransprüchen gelöst.
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Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Sensor zur Messung der Solarstrahlung während der Messpausen vor Verschmutzung geschützt ist. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit von Langzeitmessungen, da der Sensor im Lauf der Zeit weniger verschmutzt. Außerdem kann das Reinigungsintervall des Sensors vergrößert werden.
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Die erhöhte Genauigkeit kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, die Solarstrahlung an entlegenen Standorten zuverlässig zu messen. Hierdurch können beispielsweise Messungen zur Erforschung des Treibhauseffekts präziser, zuverlässiger und mit geringerem Wartungsaufwand durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist die vorteilhaftere Vermessung der Solarstrahlung für die Betriebsüberwachung von Solarkraftwerken. Durch die geringere Verschmutzung des Sensors kann die Solarstrahlung und damit auch der Wirkungsgrad des Solarkraftwerks genauer und zuverlässiger bestimmt werden und dadurch eine bessere Steuerung und Wartung des Kraftwerks erreicht werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale und Ausführungsformen sind Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Sensors möglich.
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Viele Sensoren zur Messung der Solarstrahlung benötigen eine Nachführung, um über einen längeren Zeitraum möglichst genau zur Sonne ausgerichtet zu sein. Hierzu werden Nachführeinheiten eingesetzt, die durch zwei motorisch angetriebene Achsen die Sensoren auf jeden beliebigen Punkt am Himmel ausrichten können. Für solche Systeme – bestehend aus Nachführeinheit und Sensor – ist es besonders vorteilhaft, wenn der Sensor auf einer Nachführeinheit der Sonne nachgeführt wird und der Sensor dabei durch eine Bewegung, welche durch die Nachführeinheit ausgeführt wird, so vor einer Schutzvorrichtung platziert wird, dass diese ihre Schutzfunktion optimal erfüllen kann. Hierdurch wird neben den in der Nachführeinheit verbauten Antriebsachsen keine weitere motorisch betriebene Vorrichtung benötigt, um den Sensor vor die zugehörige Schutzvorrichtung zu positionieren.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Sensor während er sich im Schutzzustand befindet, durch einen Luftstrom, insbesondere durch impulsartige Druckluftstöße, von Verunreinigungen gesäubert wird. Denkbar sind auch andere Reinigungsmethoden, z. B. ein Wasserstrahl oder mechanische Reinigungsvorrichtungen.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des periodisch messenden Sensors zusammen mit einem zweiten Sensor, der zur kontinuierlichen Messung der Solarstrahlung eingesetzt wird. Durch den kontinuierlichen Messbetrieb verschmutzt der zweite Sensor relativ schnell. Dadurch wird eine genaue und zuverlässige Messung verhindert. Durch den Vergleich der Messergebnisse des kontinuierlich arbeitenden zweiten Sensors mit denen eines besser vor Verschmutzung geschützten ersten Sensors als Referenzsensor kann eine laufende Rekalibrierung des zweiten Sensors durchgeführt werden und so die Messgenauigkeit erhöht werden.
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Vorteilhaft ist weiter, dass auch der zweite Sensor, der zur kontinuierlichen Messung eingesetzt wird, in den Ruhephasen einer Messung (z. B. bei Nacht) in einen Schutzzustand gebracht wird und vorteilhafterweise während des Schutzzustands eine Reinigung der Eintrittsöffnung durchgeführt wird.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn der zweite Sensor zur kontinuierlichen Messung mit Photozellen aus Halbleitermaterial gebildet wird, während der erste Sensor mit einem thermischen Detektor ausgerüstet ist. Hierdurch kann die Messung des ersten Sensors gemäß den Anforderungen der CIMO/WMO mit einer breiten und gleichmäßigen spektralen Empfindlichkeit im Bereich 280–4000 nm ausgeführt werden, während der zweite Sensor eine begrenzte spektrale Empfindlichkeit hat, dafür aber kostengünstiger zu realisieren ist und eine höhere Messgeschwindigkeit aufweist. Durch die periodische Kalibrierung des zweiten Sensors mit dem Referenzsensor können Änderungen in der spektralen Zusammensetzung der Solarstrahlung sich nur auf den vergleichsweise kurzen Zeitraum zwischen zwei Kalibrierungen auswirken, sodass bei häufiger Rekalibrierung auch mit Halbleitersensoren eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Durch die regelmäßige Rekalibrierung können so die halbleitertypischen Vorteile, wie kostengünstige Realisierung und schnelle Reaktionszeit, mit den Vorteilen von thermischen Sensoren, wie die besonders breite und gleichmäßige spektrale Empfindlichkeit, kombiniert werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der zweite Sensor mindestens zwei Photozellen beinhaltet, die sich in ihrer spektralen Empfindlichkeit unterscheiden. Hierdurch kann eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts detektiert werden und diese Information zur Triggerung eines Kalibriervorgangs mit dem Referenzsensor verwendet werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Vorrichtung mit einem ersten, periodisch messenden Sensor zur Messung der Direktstrahlung und einem zweiten, periodisch messenden Sensor zur Messung der Direktstrahlung ausgestattet ist, wobei beide Sensoren auf einer Nachführeinheit montiert sind, welche über eine Nachführachse beide Sensoren in einem ersten Raumwinkel positioniert (zum Beispiel in Azimutrichtung), sowie über zwei weitere, voneinander unabhängig steuerbare Achsen, welche jeweils einen Sensor – unabhängig von der Stellung des zweiten Sensors – in eine zur ersten Raumrichtung orthogonal angeordnete zweite Raumrichtung (z. B. Elevationsrichtung) bewegen. Hierdurch lassen sich beide Sensoren über die Antriebe der zweiten Raumrichtung unabhängig voneinander in einen Ruhezustand bringen, z. B. indem sie kreisförmig vor eine Schutzeinrichtung gefahren werden.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zu den zwei nachgeführten Sensoren noch ein Sensor für Globalstrahlung in Azimutrichtung mitgeführt wird, wobei die Nachführachse des kontinuierlich messenden zweiten Sensors gleichzeitig eine Schattiervorrichtung bewegt, die den Sensor für Globalstrahlung vor direkter Solarstrahlung schützt und so eine Messung der diffusen Strahlungskomponente ermöglicht. Durch einfache Addition kann dann aus dem direkten und dem Diffusanteil die Globalstrahlung berechnet werden. Da bei klarem Himmel die Globalstrahlung maßgeblich durch die Direktstrahlung beeinflusst wird (Anteil typisch 90%) und die Direktstrahlung, instrumentell bedingt, präziser gemessen werden kann als die Globalstrahlung, kann durch die periodische Kalibrierung des zweiten Direktstrahlungssensors folglich eine besonders präzise Globalstrahlungsmessung durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform zur Messung von Direktstrahlung,
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2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform zur Messung von Direktstrahlung und Diffusstrahlung.
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Solarstrahlungsdetektoren werden häufig in Langzeit-Messungen verwendet. Um das Volumen der erzeugten Daten bewältigen zu können, werden daher Messwerte periodisch ermittelt und gespeichert. Häufig Periodenlängen sind 1 Minute und 10 Minuten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine Verschmutzung während der zwischen zwei Messungen liegenden Zeit zu verhindern, in dem der Sensor in dieser Zeit in einen Schutzzustand gebracht wird. In diesem Schutzzustand wird der Eintrittsbereich des Sensors vor Verschmutzung geschützt. Dies kann erreicht werden indem eine Schutzvorrichtung vor den Eintrittsbereich bewegt wird. Bei Sensoren zur Messung der Direktstrahlung, die auf einer Nachführeinheit angebracht sind, ist es jedoch von Vorteil, wenn die Bewegung der Nachführeinheit genutzt wird, um den Sensor so vor einer Schutzvorrichtung zu positionieren, dass der Zutritt von Schmutz auf den Eintrittsbereich des Detektors vermieden wird. Dabei wir die Tatsache ausgenutzt, dass eine Nachführung in Elevationsrichtung einen Winkelbereich von 0 bis 90° abdecken muss. Im übrigen Winkelbereich können Schutzvorrichtungen angebracht werden, die durch die Nachführbewegung angefahren werden können. Der Eintrittsbereich oder der den Eintrittsbereich umgebende Teil des Solarstrahlungsdetektors ist daher so geformt, dass er nach Durchführung der Drehbewegung in die Schutzposition mit einer dort angebrachten Schutzvorrichtung formschlüssig abschließt. Die Schutzvorrichtung besteht im einfachsten Fall aus einer einfachen Platte oder Scheibe, es sind aber auch zusätzliche Vorrichtungen wie Dichtelemente zum besseren Formschluss zwischen Sensor und Schutzvorrichtung denkbar.
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Nachteilig am periodischen Einnehmen eines Schutzzustands ist die Tatsache, dass während dieser Zeit kein Messbetrieb vorgenommen werden kann. Außerdem wird selbst bei einer transparenten Schutzvorrichtung der Strahlungsfluss auf den Detektor verändert, sodass sich das Sensorsignal nach Verlassen des Schutzzustands erst wieder stabilisieren muss. Da Solarstrahlungssensoren häufig einen thermischen Sensor mit vergleichsweiser hoher Trägheit besitzen, vergeht nach Anforderung einer neuen Messwerts durch den Bediener des Messsystems einige Zeit bis ein Messwert ermittelt werden kann. Daher wird vorteilhafterweise noch ein zweiter Sensor eingesetzt, der als Arbeitssensor zur Bewältigung eines Großteils der Messungen dient. Der erste Sensor wird als Referenzsensor verwendet. Dadurch kann der Referenzsensor fast kontinuierlich im Schutzzustand verbleiben, während der Arbeitssensor zur Durchführung der Messungen verwendet wird. Der Referenzsensor wird jedoch verwendet, um in größeren Zeitintervallen, z. B. alle 30 Minuten, eine Rekalibrierung des Arbeitssensors durchzuführen und so die bis dahin aufgetretene Verschmutzung am Arbeitssensor zu kompensieren. Bei Langzeitmessungen mit sehr geringer Messfrequenz kann es auch sinnvoll sein, dem Arbeitssensor in den Messpausen in einen Schutzzustand zu versetzen, hier ist jedoch der notwendige Aufwand für eine zusätzliche Schutzvorrichtung und für zusätzliche Bewegungsabläufe gegen den nur geringen Zugewinn an Messgenauigkeit abzuwiegen.
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In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform zur Messung von Direktstrahlung dargestellt. Der Solarstrahlungsdetektor 35 ist hier als Pyrheliometer mit einem Thermosäulendetektorelement 29 ausgeführt. Der Öffnungswinkel des Solarstrahlungsdetektors 35 wird durch die Aperturblende 33 begrenzt und ist schematisch durch die zwei Randstrahlen 30 und 30' dargestellt. Er beträgt in diesem Fall +/–2,5°. Der Solarstrahlungsdetektor 35 ist auf einer Nachführeinheit 37 montiert, um ihn dem Lauf der Sonne nachzuführen. Die Nachführeinheit 37 besteht aus einem Drehtisch 23, der durch die elektrisch angetriebene Achse 24 mit dem Bodensockel 25 verbunden ist. Durch eine Drehung des Drehtischs 23 wird die Azimut-Bewegung der Nachführeinheit durchgeführt. Auf dem Drehtisch ist der Seitenträger 22 befestigt. Dieser Seitenträger weist eine elektrisch angetriebene Achse 21 auf, an der eine Drehplatte 20 befestigt ist. Durch eine Drehbewegung an der Drehplatte 20 ist der Elevationsantrieb der Nachführeinheit realisiert. Der Solarstrahlungsdetektor 35 ist an der Drehplatte 20 leicht außermittig befestigt, sodass der Schwerpunkt aller auf der Drehplatte montierten Komponenten auf der Drehachse 21 liegt. Eine Manschette 38 schützt den transparenten Eintrittsbereich 36 des Solarstrahlungsdetektors 35 vor Streulicht sowie vor direktem Regen. Die Manschette 38 weist einen abgeschrägten Abschluss 34 auf, sodass ein leichter Zugang zur manuellen Reinigung des Eintrittsbereichs 36 möglich ist. In 1 ist der Solarstrahlungsdetektor 35 in der Messposition dargestellt, in der er direkt auf die Sonne ausgerichtet ist und Messungen der solaren Direktstrahlung durchführen kann. Durch eine Drehbewegung des Azimut-Antriebs kann der Solarstrahlungsdetektor 35 in eine Schutzposition gebracht werden. Hierzu wird die Drehplatte 20 so gedreht, dass sich der Abschluss 34 des Solarstrahlungssensors 35 entlang der Bewegungslinien 32 und 32' auf den Schutzring 27 bewegt. In dieser Position ist durch das Schutzgehäuse 26 der Eintrittsbereich 36 vor dem Einfluss von Niederschlägen und Staub geschützt. Durch einen durch eine Düse 28 abgegebenen Druckluftstoß kann Schmutz, der sich auf dem Eintrittsbereich 36 angesammelt hat, abgeblasen werden. Durch ein Schutzdach 31 ist der Solarstrahlungsdetektor 35, während er in Schutzposition auf das Schutzgehäuse 26 geschwenkt ist, vor direkter Sonnenstrahlung und damit vor Erwärmung des Bereichs, in dem sich das Thermosäulendetektorelement 29 befindet, geschützt.
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In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform zur Messung von Direktstrahlung und Diffusstrahlung dargestellt. Ein erster Solarstrahlungsdetektor 50 ist als Pyrheliometer ausgeführt, um eine Messung der Direktstrahlung zu ermöglichen. Er dient als „Referenzsensor”. Der erste Solarstrahlungsdetektor 50 ist auf einer Drehplatte 51 der Nachführeinheit 64 angebracht, welche sich über die von einer elektrischen Steuereinheit elektrisch angetriebene Achse 52 drehen kann. Die elektrisch angetriebene Achse 52 ist in dem Seitenträger 54 gelagert, welcher sich auf einem Drehtisch 53 befindet. Der Drehtisch 53 kann über einen elektrischen Antrieb 56 gedreht werden, wobei der elektrische Antrieb 56 im Bodensockel 57 gelagert ist. Zur Messung der Solarstrahlung verfügt der Solarstrahlungssensor 50 über ein Thermosäulendetektorelement 65 sowie über einen für Solarstrahlung transparenten Eintrittsbereich 67. Der erste Solarstrahlungsdetektor 50 dient als Referenzsensor und ist die überwiegende Zeit im Schutzzustand. Der Schutzzustand wird über ein Eindrehen des Sensors in die Schutzvorrichtung 52 erreicht. Nach Erreichen der Schutzposition wird über einen Druckluftstoß, der von einer Druckluftdüse 66 abgegeben wird, der Eintrittsbereich 67 von Schmutz, Feuchtigkeit oder Regentropfen gereinigt. Zur Anwendung in Gebieten mit hoher Feuchtigkeit ist die Druckluft angewärmt, sodass der Eintrittsbereich 67 eine höhere Temperatur als die Umgebung aufweist und so beim nächsten Messzyklus nicht durch kondensierende Feuchtigkeit beschlägt.
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Ein zweiter Solarstrahlungsdetektor 50* ist auf einem zweiten Drehteller 51* montiert, er dient als „Arbeitssensor”. Der Drehteller 51* lässt sich über eine elektrisch angetriebene Achse 52* drehen. Die Achse 52* ist auf einem Seitenträger 54* gelagert, welcher wiederum auf dem Drehtisch 53 montiert ist. Der Seitenträger 54* befindet sich in der Darstellung von 3 hinter dem Seitenträger 54. Der Drehteller 51* ist in diesem Anwendungsbeispiel kleiner ausgeführt als der Drehteller 51 und als gestrichelter Kreis eingezeichnet. Über den Drehteller 51* lässt sich der Solarstrahlungsdetektor 50* in Elevationsrichtung bewegen. Die Azimutbewegung wird durch den Drehtisch 53 ausgeführt. Die Drehachsen der Drehplatte 51 und 51* verlaufen parallel, sodass bei einer korrekten Ausrichtung des Drehtisches 53 und der Drehplatten 51 und 51* beide Solarstrahlungsdetektoren 50 und 50* zur Sonne ausgerichtet sind. Der Solarstrahlungsdetektor 50* dient als Sensor für eine quasikontinuierliche Messung. In der Anwendungspraxis wird eine solche Messung durchgeführt, indem beispielsweise alle 10 Sekunden ein Messwert des Detektors gespeichert wird. Der Solarstrahlungsdetektor 50* bleibt während des Tagesverlaufs auf die Sonne ausgerichtet. In einem vom Anwender definierten Intervall, z. B. alle 60 Minuten, wird der Solarstrahlungsdetektor 50 aus seinem Schutzzustand gebracht und durch Drehung des Drehtisches 51 auf die Sonne ausgerichtet. Anschließend erfolgt eine Rekalibrierung des zweiten Solarstrahlungsdetektors 50* und des Messwerts des ersten Solarstrahlungsdetektors 50.
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In 2 ist ein Solarstrahlungssensor 59 zu erkennen, der als Pyranometer zur Messung von Globalstrahlung ausgeführt ist. Er verfügt über einen Eintrittsbereich 68 und ist auf einem Ausleger 58 am Seitenträger 54 montiert. Über eine Schattiervorrichtung 60 kann durch eine Lichtblende 61 das direkte Sonnenlicht abgeschattet werden, sodass der Solarstrahlungssensor 59 die Diffusstrahlung messen kann. Die Lichtblende 61 kann über ein Gestänge 62, 62', 62'' bewegt werden, wobei die Stange 62' über ein Drehlager 63 mit dem Seitenträger 54* und die Stange 62'' fest mit dem Drehteller 51* verbunden ist. Stange 62 ist fix mit der Lichtblende 61 verbunden und über ein Drehlager 63'' mit Stange 62'' sowie über ein Drehlager 63' mit Stange 62'. Durch eine geeignete Wahl der Länge der Gestänge 62, 62', 62'' wird erreicht, dass bei Ausrichtung des Solarstrahlungssensors 50* auf die Sonne gleichzeitig die Lichtblende 61 den Eintrittsbereich 68 vor direkter Sonnenstrahlung abschattet.
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Durch Addition der mit dem Solarstrahlungssensor 50* gemessenen Direktstrahlung und der mit dem Solarstrahlungssensor 59 gemessenen Diffusstrahlung lässt sich die Globalstrahlung ermitteln.
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Diese Methode zur Bestimmung der Globalstrahlung weist eine höhere Genauigkeit als die einfache Bestimmung mittels Pyranometer auf, da die heutigen Solarstrahlungssensoren für Direktstrahlung (Pyrheliometer) eine deutlich höhere Genauigkeit aufweisen als die Pyranometer. Damit lässt sich der Direktstrahlungsanteil, der bei klarem Himmel einen Anteil von ca. 90% an der Globalstrahlung hat, mit besonders hoher Genauigkeit bestimmen. Die vergleichsweise ungenaue Bestimmung mittels Pyranometer wird für den Diffusanteil benötigt, der aber nur ca. 10% der Globalstrahlung bei klarem Himmel ausmacht. Die Gesamtgenauigkeit der Messung der Globalstrahlung mit dieser Methode ist daher besonders hoch. Der bisher bei dieser Methode vorhandene Nachteil der Verschmutzungsanfälligkeit der Direktstrahlungsmessung kann durch den erfindungsgemäßen Schutzbetrieb mit einem Referenzsensor und einem Arbeitssensor stark reduziert werden. Hierdurch kann eine deutlich höhere Gesamtgenauigkeit erreicht werden. Für Gegenden mit besonders hoher Verschmutzungsrate, beispielsweise Wüstengegenden, ist auch eine doppelte Ausführung des Solarstrahlungssensors 59 möglich und der Schattierungsvorrichtung 60 möglich. Dann besteht auch für die Diffusstrahlungsmessung die Möglichkeit einer periodischen Rekalibrierung des Arbeitssensors gemäß dem Anwendungsbeispiel aus 2.
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Solarstrahlungssensor 50* kann auch als Direktstrahlungssensor mit einem Halbleiterchip als Detektorelement realisiert werden. Es ergeben sich dadurch Vorteile durch die sehr kleine zeitliche Trägheit solcher Sensoren (Reaktionszeit kleiner einer Mikrosekunde) im Vergleich zu den trägeren thermischen Sensoren klassischer Pyrheliometer (Reaktionszeit im Bereich mehrerer Sekunden). Der Nachteile der inhomogenen spektralen Empfindlichkeit von halbleiterbasierten Sensoren kann durch die periodische Rekalibrierung stark reduziert werden.
