DE19748129A1

DE19748129A1 - Refractometer system for optoelectronic determining of horizon restrictions e.g. vegetation

Info

Publication number: DE19748129A1
Application number: DE1997148129
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Skiba
Original assignee: Martin Dr Skiba
Current assignee: SKIBA, MARTIN, DR., 22399 HAMBURG, DE
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-06

Abstract

The system for the optoelectronic determination of horizon restrictions for evaluating the position of solar engineering plant. A digital camera is used, the removable objective of which is fixed at a holder across a planoconvex reflecting lens, which is imaged completely for a surface visible hemisphere on the CCD chip, oriented corresponding to the alignment and inclination of the system, and is stored on a corresponding medium. An adjusting unit facilitates the fixing of the objective over the center point of the planoconvex reflecting lens.

Description

Eines der verbreitesten Verfahren ist die manuelle Erfassung der Horizontein schränkungen durch den in der Geodäsie zur Horizontal- und Höhenwinkelmessung eingesetzten Theodolit.One of the most widespread methods is the manual recording of horizons restrictions due to geodesy for horizontal and elevation measurement used theodolite.

Der Theodolit besteht aus einem an einer horizontalen Achse befestigten Teleskop, einer vertikalen Achse zur Befestigung der Haltevorrichtung des Teleskops und einem feststehenden Sockel inclusive einer Kalibriervorrichtung zum Ausgleich von Unebenheiten des Untergrundes. Zwei gonunterteilte Kreisscheiben ermöglichen die Ablesung des Höhenwinkels und der azimutalen Auslenkung eines fixierten Punktes. Damit ist die Vermessung der Ortskoordinaten beliebiger Punkte vor Ort möglich.The theodolite consists of a telescope attached to a horizontal axis, a vertical axis for fastening the holding device of the telescope and a fixed base including a calibration device to compensate for Bumps in the surface. Enable two gon-divided circular disks the reading of the elevation angle and the azimuthal deflection of a fixed one Point. This means that the measurement of the location coordinates of any points is on site possible.

Nachteil(e):
Eine vollständige "Abtastung" des Horizontes (vgl. bspw. [1]) ist zeitaufwendig, da eine automatisierte Meßwerterfassung nicht möglich ist. Üblicherweise werden daher nur größere Horizonteinschränkungen erfaßt. Bedingt durch die umfangreiche Mechanik und Optik der Theodoliten sind diese zudem relativ kostenintensiv.Disadvantage):
A complete "scanning" of the horizon (see, for example, [1]) is time-consuming because automated measurement value acquisition is not possible. Usually, therefore, only larger horizon restrictions are recorded. Due to the extensive mechanics and optics of the theodolites, these are also relatively expensive.

Eine weitaus kostengünstigere Variante des Theodoliten stellt der an der Techni schen Universität Berlin entwickelte sog. "Schattenanalysator" dar [2, 3]. Hierbei wurde ein Sonnenstandsdiagramm mit einer Höhenachse in trigonometrischer Tei lung auf Folie gedruckt und in einem Halbkreis zylindrisch gebogen. Der Beob achter kann die Höhen- und Azimutwinkel der Horizonteinschränkungen auf der Folie direkt ablesen. Um einen größeren Raumwinkel erfassen zu können, ist im Zentrum des Halbzylinders eine Weitwinkellinse angebracht.A much cheaper version of the theodolite is the one at Techni University of Berlin developed a so-called "shadow analyzer" [2, 3]. Here was a sun position diagram with a height axis in trigonometric part printed on foil and cylindrically curved in a semicircle. The observ Eighth can be the elevation and azimuth angles of the horizon restrictions on the Read the slide directly. In order to be able to record a larger solid angle, the A wide-angle lens is attached to the center of the half cylinder.

Nachteil(e):
Die Investitionskosten liegen zwar weit unter denjenigen eines Theodoliten, das Verfahren ist aber gleichermaßen zeitintensiv. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit zu Bestimmung der relativen Position des Schattenanalysators zur Umgebung können darüber hinaus große Meßfehler entstehen.Disadvantage):
The investment costs are far below those of a theodolite, but the process is equally time-consuming. Due to the lack of possibility to determine the relative position of the shadow analyzer to the environment, large measurement errors can also occur.

Die aus der Messung resultierenden Daten können in beiden Verfahren "per Hand" verschiedenen Simulationsprogrammen zur Ermittlung der Strahlungsre duktion übergeben werden. Hierfür bieten sich bspw. die Programme "SUNDI" (TU Berlin) [3], "METEONORM" (Fa. Meteotest) [4] "SOMBRERO" (Universität- Gesamthochschule Siegen) oder "HELIOS" (Lamda Technical Ltd.) [5] an. The data resulting from the measurement can be "per Hand "various simulation programs to determine the radiation re production will be handed over. The programs "SUNDI" are available for this, for example (TU Berlin) [3], "METEONORM" (Meteotest) [4] "SOMBRERO" (university Comprehensive University of Siegen) or "HELIOS" (Lamda Technical Ltd.) [5].

Process of optical detection of horizon restrictions

Ein verbessertes Verfahren zur Vermessung des Horizonts stellt das Horizonto skop nach Tonne dar [6, 7]. Bei direkter Sonneneinstrahlung werden die Horizon teinschränkungen auf einer über einem konkaven Blech angeordneten Folie mit aufgedruckter Skalierung sichtbar. Aufgrund der Formgebung des Blechs kann der gesamte Halbraum erfaßt werden. Mittels einer vollverspiegelten Ausführung des Geräts ist es somit möglich, die Horizonteinschränkungen mit einer Kamera zu photographieren.The horizonto is an improved method for measuring the horizon skop by ton [6, 7]. In direct sunlight, the horizon restrictions on a film arranged over a concave sheet printed scaling visible. Due to the shape of the sheet the entire half space can be captured. Using a fully mirrored version of the device it is thus possible to use a camera to adjust the horizon restrictions to photograph.

Nachteil(e):
Nachteilig gestaltet sich bei diesem Verfahren die zeitaufwendige Aufbereitung der Information, da der Film entwickelt und ein Papierabzug hergestellt und ausgewertet werden muß.Disadvantage):
A disadvantage of this method is the time-consuming preparation of the information, since the film has to be developed and a paper print has to be produced and evaluated.

Auf dem gleichen Prinzip beruht das in [8] geschilderte Verfahren. Hier wird mittels eines Photoapparates mit einem sog. "Fischaugen-Objektiv" der gesamte Halbraum auf einem Photo abgebildet. Durch Überlagerung mit einem geeigne ten sphärischen Koordinatensystem können die Ortskoordinaten der Horizontein schränkungen ermittelt werden.The procedure described in [8] is based on the same principle. Here will by means of a camera with a so-called "fisheye lens" the whole Half space shown in a photo. By overlaying with a suitable one The spherical coordinate system can be the spatial coordinates of the horizons restrictions are determined.

Nachteil(e):
Auch hier kann die Auswertung erst nach erfolgter Entwicklung des Films erfolgen. Als weitere Nachteile ergeben sich einerseits die hohen Kosten des Objektivs und andererseits die durch das aufwendige optische Linsensystem nicht korrigierbaren Verzerrungen sowie die hiermit verbundenen Meßfehler.Disadvantage):
Here, too, the evaluation can only take place after the film has been developed. Further disadvantages arise on the one hand the high cost of the lens and on the other hand the distortions which cannot be corrected by the complex optical lens system and the measurement errors associated therewith.

Am Institut für Solarenergieforschung Hannover (ISFH) erfolgt derzeit die Entwick lung eines semiautomatischen Verfahrens, wobei die entwickelten Photos über ei nen Scanner digitalisiert und ausgewertet werden sollen.Development is currently underway at the Institute for Solar Energy Research Hanover (ISFH) development of a semi-automatic process, the developed photos via ei a scanner should be digitized and evaluated.

Computer-aided use of digitized information

Zu dieser Gruppe zählen einige Verfahren, die ohne eine Erfassung der Umgebung "vor Ort" Abschattungseffekte berücksichtigen können. Grundlage hierfür bilden Bebauungspläne und Bauzeichnungen, die mit CAD-Programmen erstellt wurden. Die Software "TAS" (Fa. UECONSULT) [9, 10] zur thermischen Gebäudesimulation kann bspw. sowohl die Eigenabschattung von Gebäuden durch Vordächer etc. als auch die Fremdabschattung durch die umgebende Gebäudestruktur bei der Be stimmung des Raumwärmebedarfs einbeziehen. Hierfür müssen jedoch die geo metrischen Ausmaße sämtlicher Gebäude inklusive der Aufbauten der Umgebung bekannt sein. Auf der gleichen Basis arbeitet auch die Software "SHADE" (ZSW).This group includes some procedures that do not include an environment survey "On site" shadowing effects can take into account. Form the basis for this Development plans and construction drawings that were created with CAD programs. The software "TAS" (from UECONSULT) [9, 10] for thermal building simulation can, for example, both the shading of buildings by canopies etc. as also the external shading through the surrounding building structure at the Be Include the mood of the room heating requirement. However, the geo metric dimensions of all buildings including the structures of the surrounding area be known. The "SHADE" (ZSW) software works on the same basis.

Nachteil(e):
Die Programme werden vorwiegend bei der Planung größerer Gebäudekom plexe eingesetzt. Für eine breite Nutzung zur Planung dezentraler Anlagen und kleiner Gebäude ist die Methode zu Zeit- und kostenintensiv. Der Einfluß von Laubvegetation kann nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden.Disadvantage):
The programs are mainly used when planning larger building complexes. The method is too time-consuming and costly for widespread use for planning decentralized systems and small buildings. The influence of deciduous vegetation cannot be taken into account, or only insufficiently.

In orographisch stark gegliederten Regionen kann auf der Basis digitalisierter to pographischer Karten eine rechnergestütze Erstellung von sog. "Schattenkarten" nach dem in [11] vorgeschlagenen Verfahren erfolgen. Hiermit kann bspw. eine Vorauswahl exponierter Standorte zur Installation großflächiger Systeme zur Nut zung der Sonnenenergie erfolgen.In regions with strong geographical structure, digitized to graphic maps a computer-aided creation of so-called "shadow maps" according to the procedure proposed in [11]. This can be used, for example Pre-selection of exposed locations for the installation of large-area systems for the groove solar energy.

Weitere Impulse gehen von fortschrittlichen Verfahren der Informatik zur Darstellung virtueller Bilder aus, da eine möglichst naturgetreue Abbildung realer Objekte in Multimedia-Anwendungen in hohen Maße von der Fähigkeit zur Simulation natürlicher Beleuchtungs- und damit auch Bestrahlungsbedingungen abhängt. Die hier entwickelten Verfahren, wie bspw. das "Raytracing" oder "Rendering" werden in zunehmenden Maße insbesondere in Architekturprogrammen zur Simulation der Beleuchtung in Gebäuden (bspw. "RADIANCE") verwendet.Further impulses emanate from advanced computer science processes for presentation virtual images, since the most realistic representation of real objects in multimedia applications to a large extent from the ability to simulate depends on natural lighting and thus also radiation conditions. The Processes developed here, such as "ray tracing" or "rendering" to an increasing extent especially in architecture programs for the simulation of the Lighting used in buildings (e.g. "RADIANCE").

Object of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Horizonteinschränkungen mittels einer einfa chen Vorrichtung, vollständig und schnell zu erfassen und digitalisiert auf einem geeigneten Medium abzuspeichern, damit eine präzise, schnelle und automatisierte Bewertung von Standorten energetischer Nutzungsmöglichkeiten der solaren Ein strahlung sicher gestellt werden kann.The object of the invention is to limit horizons by means of a simple Chen device, complete and fast to capture and digitized on one save suitable medium so that it is precise, fast and automated Assessment of locations of energetic uses of solar energy radiation can be ensured.

Solution of the task

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a device with the features of claim 1 solved.

Advantages of the invention

Durch die Erfindung kann eine Bewertung eines Standorts einer solartechnischen Anlage unmittelbar "vor Ort" durchgeführt werden. Alle Arten schattenwerfender Objekte (Vegetation, Bebauung, geographische Erhebungen) können erfaßt wer den. Die Erfassung ist schnell und präzise. Die Auswertung der digitaliserten Aufnahme kann unmittelbar nach der Erfassung erfolgen. Die Vorrichtung kann sowohl bei Sonnenschein als auch bei vorliegender Bewölkung eingesetzt werden. The invention allows an assessment of a location of a solar technology System can be carried out immediately "on site". All types of shadows Objects (vegetation, buildings, geographic surveys) can be recorded the. The acquisition is quick and precise. The evaluation of the digitized Admission can take place immediately after recording. The device can can be used both in sunshine and in the presence of cloudy weather.

bibliography

[1] Aydinli, S. Über die Berechnung der zur Verfügung stehenden Solarenergie und des Tageslichts. VDI-Verlag GmbH Düsseldorf, 1981.
[2] Quaschning, V., Hanitsch, R. Quick Determination of Irradiance Reduction Caused by Shading at PV-Locations. Proceedings of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, 23-27 October 1995.
[3] Quaschning, V. Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen.
Beiträge zur Solarforschung, Band 6, Verlag Dr. Köster, Berlin, September, 1996.
[4] Remund, j., Salvisberg, E., Kunz, S. Meteonorm - Meteorologische Grundlagen für die Sonnenenergienutzung. Bundesamt für Energiewirtschaft (Schweiz), Bern, Juni, 1995.
[5] Koussis, A., Lalas, D. P., Papadopoulos, C. HELLOS, Solar Radiation Modelling Package, Users Guide (Version 2.01). Lamda Technical Ltd, Greece, Athen, 1989.
[6] Freymuth, H., Lenz, H., Lutz, P., Schupp, G. Licht, Luft, Schall. Forum Verlag Gmbh Stuttgart, 1977.
[7] Freymuth, H. Schnelle Bestimmung des Strahlungsempfangs auf Flächen und durch Doppelverglasungen beliebiger Orientierung und verschiedener Neigungen mit einer Art Rechenscheibe. Tagungsband des 1. Deutschen Sonnenforum, 26.-28.9.1977, Hamburg, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. (DGS), 1977.
[8] Grochowski, J., Jahn, U., Decker, B., Offensand, J. First Results from the "Low Yields Analysis and Optimization Potentials": A Project within the 1000-Roofs PV- Programme. Proc. of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference, Nice, France, 23-27 October 1995.
[9] Umwelt-, Energie-, Computer- und Organisations-Beratungs GmbH. Produktinforma tion über das Gebäudesimulationsprogramm TAS. UECONSULT, 1994.
[10] Hoffmann, G. Integrierte dynamische Gebäudesimulation als Grundlage für eine rationelle und wirtschaftliche Energieversorgung von Gebäuden und Planung der technischen Gebäudeausrüstung. VDI Berichte Nr. 1029, VDI-Verlag, S. 667-677, 1993.
[11] Enders, G. Schattenkartierung als Grundlage für forstliche Planung im Alpenpark Königssee. Forstwissenschaftliches Centralblatt, Bd. 95, S. 180-186, 1976. [1] Aydinli, S. About the calculation of the available solar energy and daylight. VDI-Verlag GmbH Düsseldorf, 1981.
[2] Quaschning, V., Hanitsch, R. Quick Determination of Irradiance Reduction Caused by Shading at PV-Locations. Proceedings of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, October 23-27, 1995.
[3] Quaschning, V. Simulation of shading losses in solar electrical systems.
Contributions to Solar Research, Volume 6, Verlag Dr. Köster, Berlin, September, 1996.
[4] Remund, j., Salvisberg, E., Kunz, S. Meteonorm - Meteorological foundations for the use of solar energy. Federal Office of Energy (Switzerland), Bern, June, 1995.
[5] Koussis, A., Lalas, DP, Papadopoulos, C. HELLOS, Solar Radiation Modeling Package, Users Guide (Version 2.01). Lamda Technical Ltd, Greece, Athens, 1989.
[6] Freymuth, H., Lenz, H., Lutz, P., Schupp, G. Light, Air, Sound. Forum Verlag GmbH Stuttgart, 1977.
[7] Freymuth, H. Rapid determination of radiation reception on surfaces and through double glazing of any orientation and different inclinations with a kind of computing disk. Conference proceedings of the 1st German Solar Forum, September 26-28, 1977, Hamburg, German Society for Solar Energy eV (DGS), 1977.
[8] Grochowski, J., Jahn, U., Decker, B., Offensand, J. First Results from the "Low Yields Analysis and Optimization Potentials": A Project within the 1000-Roofs PV programs. Proc. of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference, Nice, France, October 23-27, 1995.
[9] Environmental, energy, computer and organization consulting GmbH. Product information via the building simulation program TAS. UECONSULT, 1994.
[10] Hoffmann, G. Integrated dynamic building simulation as the basis for a rational and economical energy supply for buildings and planning of the technical building equipment. VDI Reports No. 1029, VDI-Verlag, pp. 667-677, 1993.
[11] Enders, G. Shadow mapping as the basis for forest planning in the Königssee Alpine Park. Forstwissenschaftliches Centralblatt, Vol. 95, pp. 180-186, 1976.

Skiameter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.The invention relates to a device according to the preamble of claim I.

Bei den in der Planungsphase solartechnischer Anlagen durchzuführenden Ertrags prognosen sind lokale Standortfaktoren mit zu berücksichtigen. Die während des Betriebs der Anlagen evtl. auftretenden Abschattungseffekte können zu einer er heblichen Strahlungsreduktion und damit zu einer hohen Diskrepanz zwischen den vom Anbieter einer Anlage prognostizierten und den real gemessenen Erträgen führen.With the yield to be carried out in the planning phase of solar-technical plants forecasts must take local location factors into account. The during the Operation of the system may result in shadowing effects significant radiation reduction and thus to a high discrepancy between the predicted by the provider of a system and the real measured yields to lead.

Die Ermittlung der Strahlungsreduktion durch Horizonteinschränkungen kann dabei allgemein als ein zweistufiger Prozeß charakterisiert werden. Im ersten Schritt wird die Umgebung am geplanten Standort mit einem hierfür geeigneten Equipment er faßt. Ein Berechnungsverfahren bestimmt in der zweiten Stufe die aufgrund der vorliegenden Abschattung geminderte solare Einstrahlung auf verschiedenen tem porären Ebenen. Die Kopplung zwischen beiden Stufen erfordert aufgrund der fehlenden Automatisierung i.d.R. den zusätzlichen Verfahrensschritt der Datenauf bereitung und des manuellen Datentransfers von der Einrichtung zur Erfassung der Horizonteinschränkungen zu einem Rechner.The determination of the radiation reduction due to horizon restrictions can be done are generally characterized as a two-step process. The first step is the environment at the planned location with suitable equipment sums up. In the second stage, a calculation method determines the on the basis of present shading diminished solar radiation at different tem porous levels. The coupling between the two stages requires due to the missing automation usually the additional process step of data preparation and manual data transfer from the device for recording the Horizons restrictions on a calculator.

Der Grad der Anwendbarkeit des Verfahrens beim Vorliegen unterschiedlicher schattenwerfender Objekte kann neben dem Automatisierungsgrad als ein primäres Klassifizierungsmerkmal angesehen werden. Bspw. können Verfahren, welche auf der Grundlage von Bebauungsplänen, Bauzeichnungen oder Architekturentwürfen unter Zuhilfenahme von CAD-Programmen arbeiten, den Einfluß umgebender Ve getation oder topographischer Gegebenheiten i.d.R. nicht berücksichtigen. Die im folgenden gewählte Klassifizierung richtet sich jedoch nach der Methodik der Hori zonterfassung, welche als drittes übergeordnetes Unterscheidungsmerkmal insbe sondere die Qualität und den Aufwand der Verfahren widerspiegelt. The degree of applicability of the procedure when different shadowing objects can be considered a primary in addition to the level of automation Classification feature can be viewed. E.g. can procedures based on on the basis of development plans, architectural drawings or architectural designs work with the help of CAD programs, the influence of surrounding Ve getation or topographical conditions usually disregard. The in However, the following selected classification is based on the Hori methodology zoning, which is the third overriding differentiator especially reflects the quality and effort of the procedures.

Das Skiameter (σκ℩α, griech.: Schatten), stellt eine Apparatur zur optoelektroni schen Erfassung von Horizonteinschränkungen dar. Hierbei wird mittels eines di gitalen Photoapparates, dessen Objektiv über einer plankonvexen, verspiegelten Linse an einer Halterung fixiert ist, die gesamte für eine Fläche sichtbare He misphäre auf dem CCD-Chip abgebildet. Mit Hilfe einer Justiereinrichtung kann das Objektiv über der Mitte der verspiegelten Linse exakt justiert werden. Der Photoapparat ist in den Grundkörper der Konstruktion integriert und über ein Ka bel mit dem Objektiv verbunden. Die Geometrie der Linse (Durchmesser d und Krümmungsradius r), die Brennweite des Objektivs f sowie der Abstand h zwischen der Objektivebene und der Oberfläche der verspiegelten Linse sind so dimensio niert, daß die gesamte Umgebung auf dem CCD-Chip des digitalen Photoappa rates flächenfüllend abgebildet wird. Da bei der Aufnahme der Umgebung auch die Halterung auf dem Photo erscheint, verfügt das Skiameter über eine Schwenk einrichtung der Halterung, damit aus der Überlagerung zweier Aufnahmen aus un terschiedlichen Positionen die Halterung nachträglich eliminiert werden kann.The skiameter (σκ℩α, Greek: shade) represents an optoelectronic device the detection of horizon restrictions. Here, a di gital camera, whose lens mirrored over a plano-convex Lens is fixed to a holder, the entire He visible for a surface misphere shown on the CCD chip. With the help of an adjustment device the lens can be adjusted exactly over the center of the mirrored lens. Of the Camera is integrated in the basic body of the construction and via a Ka connected to the lens. The geometry of the lens (diameter d and Radius of curvature r), the focal length of the lens f and the distance h between the lens plane and the surface of the mirrored lens are so dimensio niert that the entire environment on the CCD chip of the digital Photoappa rates is mapped across the board. Because when shooting the environment too the bracket appears on the photo, the skiameter has a swivel Setting up the bracket so that from the overlay of two shots from un different positions the bracket can be eliminated afterwards.

Das Photo kann vor Ort durch eine Software aus- und bewertet werden. Das Pro gramm umfaßt dabei verschiedene Bildbearbeitungsalgorithmen sowie eine Viel zahl von Modellen zur Strahlungssimulation.The photo can be evaluated and evaluated on site using software. The pro Gram includes various image processing algorithms and a lot number of models for radiation simulation.

Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip und die beteiligten Komponenten. Fig. 1 shows the principle of operation and the components involved.

Claims

I. Device for optoelectronic detection of horizons, characterized in that by means of a digital camera, the offset lens of which is fixed to a holder via a plano-convex, mirrored lens, the entire surface, which is visible according to the orientation and inclination of the device, is a hemisphere mapped to the CCD chip and stored on an appropriate medium.

II. Device according to claim I, characterized in that a Jusitierein direction the fixation of the lens over the center of the plano-convex, mirrored lens allows.

III. Apparatus according to claim I and II, characterized in that a Swiveling device transfers the bracket in at least two positions so that the camera holder can be removed from the pictures can be eliminated.

IV. Device according to claim I, characterized in that the camera including lens so integrated into the device that it is effortless can be removed and thus remains usable for other purposes.