DE2700313A1

DE2700313A1 - Sensor zur ermittlung der sonnenposition

Info

Publication number: DE2700313A1
Application number: DE19772700313
Authority: DE
Inventors: Gideon Prof Dr Yekutieli
Original assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 1976-01-08
Filing date: 1977-01-05
Publication date: 1977-07-21
Also published as: IL48809A0; IL48809A; US4146784A; GB1575461A; JPS52113245A

Description

PATE NTANWÄLTE TELEGRAMM KRAUSPATENT

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YEDA RESEARCH AKD DEVELOPMENT CO. LTD., Reüovot / Israel

Sensor zur Ermittlung der Sonnenposition

Die Erfindung betrifft einen Sensor bzw. Detektor zum Wahrnehmen und Identifizieren der Sonne an Himmel. Außerdem betrifft die Erfindung eine Sonnennachlaufeinrichtung, die in Kombination eine Mehrzahl, der neuartigen Fühler bzw. Detektoren· eine Nachlaufschaltung und eine Servoeinrichtung aufweist und in der Lage ist, genau auf die Position der Sonne am Himmel einzurasten und das System an der Sonne bzw. auf die Sonne gerichtet zu halten. Das erfindungsgemäße Nachlauf system kann In Verbindung mit verschiedenen Einrichtungen verwendet werden· bei denen konzentrierte Sonnenenergie benutzt wird, so daß diese Einrichtungen infolgedessen kontinuierlich mit einem optimalen Wirkungsgrad bzw. optimaler Leistungsfähigkeit betrieben werden können. Derartige Einrichtungen sind hauptsächlich optische Einrichtungen, mit denen die Sonnenenergie, die auf eine gewisse Fläche auftrifft, konzentriert und auf eine geeignete Omwnnrtiimgseinrichtung gerichtet wird.

Viele Einrichtungen für die Verwendung bzw. Umwandlung von Sonnenenergie, insbesondere Einrichtungen dieser Art, in denen ein optisches Element dazu benutzt wird, Sonnenenergie auf ein bestimmtes Teil zu richten, das die Sonnenenergie in

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elektrischen Strom oder dergl. umwandelt, sind in hohem Maße davon abhängig, daß eine leistungsfähige bzw. wirksame und verhältnismäßig kostengünstige Einrichtung zum Lokalisieren und zum kontinuierlichen Verfolgen der Sonne am Himmel zur Verfugung steht.

Nach dem Stande der Technik läßt sich ein genaues Verfolgen der Sonne und anderer Himmelsobjekte allgemein mittels der "Lichtfleck-Methode" erreichen. Der verwendete Detektor weist eine langbrennweitige Linse mit einem Quadranten von Photo- bzw. Licht-Sensoren in der Brennebene auf. Einer der Nachteile dieser Art eines Nachlaufinstruments besteht darin, daß der Detektor in jeder Position nur einen kleinen Teil des Himmels "sieht", und infolgedessen ist es erforderlich, eine spezielle Arbeitsweise anzuwenden, wenn man die Sonne bei deren Aufgehen am Morgen finden will und wenn man die Sonne jedesmal dann finden will, nachdem der Detektor sie aufgrund einer Volke oder dergl. verloren hat. Darüberhinaus sind derartige Einrichtungen ziemlich kompliziert und kostenaufwendig, und infolgedessen sind sie nicht dazu geeignet, in großem Umfang als Nachlauf komponenten bei der Konzentrierung von Sonnenstrahlung zum Zwecke der wirtschaftlichen Anwendung der Sonnenenergie verwendet zu werden.

Hit der Erfindung wird ein neuartiger Detektor zum Wahrnehmen und Identifizieren der Sonne am Himmel zur Verfügung gestellt. Der erfindungsgemäße Detektor basiert auf der Reflexion von Sonnenstrahlen mittels eines Teils, das eine Oberfläche hat, die wenigstens einen Teil einer Kugel umfaßt, und zwar erfolgt die Reflexion von diesem Teil auf einen verdunkelten Photo- bzw. Licht-Sensor, der in einem geeigneten, lichtundurchlässigen Gehäuse angeordnet ist, wobei das sphärische Teil in dem lichtundurchlässigen Gehäuse so angeordnet ist, daß es einen gewissen vorbestimmten Teil des Himmels "wahrnimmt". Der Teil des Himmels, der von den sphärischen

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Tell gesehen wird, hängt von dem öffnungswinkel in der seitlichen und in der vertikalen Richtung ab. Vorteilhafterweise kann man eine Kombination verschiedener Detektoren anwenden, die unterschiedliche "Fenster" haben. Das einfachste sphärische Teil ist eine reflektierende, metallische Kugel, wie z.B. eine kleine, metallische Kugel von einem Kugellager. Eine ähnliche Wirkung läßt sich dadurch erzielen, daß man ein sphärisches Loch in einem transparenten Material, wie z.B. Glas oder Methylmethacrylat, benutzt, in welchem die Strahlung durch eine derartige Innere Oberfläche in der gewünschten Weise reflektiert wird. Ein rotierender Ring oder ein nur auf einer Hälfte eine reflektierende Oberfläche aufweisender, rotierender Ring kann auch In Sensor- bzw. Detektorelementen gemäß der Erfindung verwendet werden. Gemäß einem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird ein solcher rotierender Ring in Verbindung bzw. Konjunktion mit einer Lichtquelle, wie z.B. einer kleinen Glühlampe, verwendet, wobei die Reflexion der Lichtquelle durch den rotierenden Ring eine Bezugsebene zur Bestimmung der Position des Himmels in Bezug auf eine derartige Ebene bzw. In Bezug auf diese Ebene ergibt bzw.erzeugt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Detektorelement ein sphärisches Teil oder eine Halbkugel verwendet, das bzw. die die Sonnenstrahlung reflektieren kann, wobei der Photo-Sensor innerhalb eines Fernrohrs bzw. Teleskops angeordnet ist, das sich in einem vorbestimmten Abstand von dem reflektierenden Teil befindet.

Es 1st natürlich möglich, andere Teile zu benutzen, auf deren Oberfläche wenigstens ein Teil einer Kugelfläche vorhanden ist bzw. deren Oberfläche wenigstens teilweise eine Kugel-Teilfläche ist, oder die eine Öffnung (in transparentem Material) haben, die wenigstens teilweise auf ihrer Oberfläche kugelförmig ist bzw. deren Oberfläche wenigstens teilweise eine Kugelteilfläche 1st, oder man kann ähnliche bzw. gleichar-

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tige Rotationskörper oder Teile davon benutzen, die dazu geeignet sind, die gewünschte Reflexion oder Ablenkung der Sonnenstrahlen zu bewirken. Es ist möglich, eine Mehrzahl von sphärischen Löchern oder eine geeignete Anzahl von einer Mehrzahl von reflektierenden Oberfläche, die ein gleichartiges bzw. ähnliches optisches Ergebnis erbringen, zu verwenden. Es ist klar, daß dann, wenn ein sphärisches Teil benutzt wird, das Material dieses Teils nicht wesentlich ist, da nur die Reflexionsfähigkeit seiner Oberfläche ausgenutzt wird. Wenn ein Teil mit einem geeigneten Loch verwendet wird, ist eine geeignete Oberfläche zu verwenden, die eine Totalreflexion gibt. Gute Ergebnisse wurden mit Kugeln von Kugellagern erzielt, wobei diese Kugeln Durchmesser von etwa 1,0 bis 3,0 mm hatten; der Durchmesser ist jedoch nicht kritisch. Die Strahlen der Sonne erreichen die Kugel durch ein Fenster, das einen vorbestimmten Winkel definiert bzw. begrenzt, und es können Fenster benutzt werden, die so groß wie ein Viertel einer Kugel sein können. Mit derartigen Fenstern ist es möglich, mittels einer Kombination von vier solcher Detektoren den gesamten Himmel zu erfassen. Die Sonnenstrahl en, die von der Kugel reflektiert werden, werden auf einen Photo- bzw. Licht-Sensor reflektiert, und dieser betätigt eine konventionelle Schaltung, so daß die Sonne verfolgt und "festgehalten¹¹ wird, solange ihre Strahlen die Kugel erreichen.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein rotierender Ring in einem Gehäuse angeordnet, in dem er von einer transparenten, zylindrischen Hülse umgeben wird, so daß in einer Richtung ein Winkel von 360° definiert wird, während in der anderen Richtung ein Winkel von gewünschter Größe, wie z.B. von 90°, definiert bzw. begrenzt wird. Eine Einrichtung dieser Art entspricht in ihrer Leistungsfähigkeit zwei einzelnen Einrichtungen, die ein sphärisches Teil aufweisen und in einer Richtung eine Öffnung von 180° und in der anderen Richtung eine Öffnung von etwa 90° haben.

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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als reflektierendes Element ein rotierendes, ringförmiges Teil verwendet, dessen Oberfläche die Sonnenstrahlen reflektieren kann. Es kann auch ein halber Ring verwendet werden, der ein Signal pro Umdrehung gibt. Das ringförmige Element wird mit einer gegebenen Frequenz rotiert, und während jeder Umdrehung liefert es ein Signal, wenn ein halber Ring benutzt wird, oder zwei Signale, wenn ein vollständiger Ring verwendet wird, wobei diese Signale von den Sonnenstrahlen herrühren. Diese Sonnenstrahlung wird auf einen Photo- bzw. Licht-Sensor reflektiert. Da der Ring ziemlich schmal ausgebildet werden kann (z.B. etwa 1/2°), was der "Abmessung" der Sonne am Himmel entspricht, ist das Verhältnis zwischen Signal und Untergrundbeleuchtung bzw. Hintergrundstrahlung und infolgedessen das Auflösungsvermögen viel besser als bei einem sphärischen Element.

Die Verfolgung der Sonne und der Aufbau von Einrichtungen zum Konzentrieren der Sonnenstrahlen auf ein gegebenes Ziel wird nachstehend in näheren Einzelheiten erläutert.

Die erfindungsgemäßen Detektoren sind vorteilhaft anwendbar als Grundkomponenten einer Sonnennachlauf- bzw. -Verfolgungseinrichtung. Eine solche Einrichtung weist eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Detektoren auf. Eine einfache Nachlaufeinrichtung, die den gesamten Himmel erfaßt, weist vier Detektoren gemäß der Erfindung auf, wobei jeder eine gesamte Kugel oder eine Halbkugel enthält bzw. umfaßt, und zwar in Kombination mit Servo Steuerungen und den notwendigen Schaltungen· Ein solches Sonnennachlauf system gemäß der Erfindung umfaßt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vier Detektoren, die um einen gemeinsamen Arm herum angeordnet sind, wobei jeder dieser Detektoren einen vorbestimmten Teil des Kimmeis erfaßt, der etwa einem Viertel einer Kugel äquivalent ist, und wobei weiterhin eine Einrichtung zum Bewegen einer Plattform, auf der die gesamte Einrichtung angebracht

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ist, vorgesehen ist; die Plattform ermöglicht eine Bewegung über zwei vorbestimmte, senkrecht zueinander verlaufende Flächen. Wenn die Sonne am Himmel ist, dann wird sie von der Einrichtung gefunden, und die Einrichtung zeigt mit ihrem Arm nach der Sonne und rastet auf die Sonne, ein, und sie bewegt sich so, daß sie die Sonne "festhält", solange diese am Himmel ist und solange sie nicht von irgendeinem Objekt (Wolke oder dergl.) abgedeckt wird. Wenn die Sonne verschwindet, hört das Nachlaufen automatisch auf, und wenn die Sonne wieder erscheint, dann richtet sich das System selbst wieder aus, so daß es wieder auf die Sonne einrastet und deren Position folgt, indem es sich mit der Sonne bewegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 10 im Prinzip, jedoch nicht maßstabsgetreu, dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Vorderansicht einer Nachlaufeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 1b eine Einzelheit der Fig. 1a, und zwar den Arm der Einrichtung in Seitenansicht;

Fig. 2a einen vertikalen Querschnitt durch einen Detektor nach der Erfindung;

Fig. 2b eine Vorderansicht des Detektors nach Fig. 2a;

Fig. 3 den Verlauf der Strahlen von der Kugel des Detektors, der in Fig. 2 gezeigt ist, auf den Photo- bzw. Licht-Sensor innerhalb des Gehäuses;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Detektors nach der Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Sonnennachlauf einrichtung nach der Erfindung;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer anderen Sonnennachlauf einrichtung nach der Erfindung;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Sonnennachlauf einrichtung, mit der die Strahlen der Sonne auf ein gegebenes Ziel reflektiert werden können;

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Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sonnennachlaufeinrichtung, mit der die Strahlen der Sonnen auf ein vorbestimmtes Ziel reflektiert werden können;

Fig. 9 eine Einzelheit eines Detektors, wie er in der Sonnennachlaufeinrichtung nach Fig. 8 verwendet wird; und

Fig.10 ein schematisches Schaltbild einer konventionellen elektronischen Schaltung, die für die Betätigung von Servomotoren verwendbar ist, welche die Sensoren mit den Armen der Einrichtung, an denen sie angebracht sind, wie z.B. bei der Einrichtung nach Art der Fig. 1, bewegen können, wobei eine derartige Schaltung für jedes Paar von Sensoren verwendet wird.

Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist, weist der neuartige Detektor für die Ermittlung der Sonnenposition am Himmel ein Gehäuse 21 auf, das aus einem lichtundurchlässigen Material hergestellt und mit einem Fenster 22 versehen ist, welches eine öffnung mit dem Winkel γ in der Vertikalrichtung definiert bzw. begrenzt, und welches sich nach zwei Seiten zu öffnet, so daß es einen Winkel von ß angenähert bzw. gleich 180° definiert bzw. begrenzt, wie in Fig. 2a gezeigt ist, die eine Vorderansicht der Einrichtung nach Fig. 2 darstellt. Im Fenster 22 ist eine reflektierende Kugel 23 angeordnet, die vorteilhafterweise aus einem polierten Metall besteht, wie z.B. eine Kugel eines Kugellagers. Die Kugel, die in einer experimentellen Einrichtung verwendet wurde, hatte einen Durchmesser von 1,5 mm. Von dem Kanal, der das Fenster 22 begrenzt, erstreckt sich ein zylindrischer Kanal 24 nach aufwärts, der sich in seinem oberen Teil erweitert, so daß er dort einen größeren, offenen Raum 25 bildet, in dem ein Photobzw. Licht-Sensor 26 angeordnet ist, dessen aktive Oberfläche dem sphärischen Teil 23 zugewandt ist. Der Photo-Sensor 26 ist von Streulicht abgeschirmt und nur dasjenige Licht, das durch das Fenster 22 hindurchgeht, kann eintreten und den Sensor erreichen. Wie in Fig. 2a angedeutet ist, werden Sonnen-

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strahlen, die unter einem Winkel eintreten, der innerhalb des von der öffnung des Fensters begrenzten Winkels liegt, auf den Photo-Sensor 26 reflektiert. Die Öffnungswinkel sind bezüglich der Kugel 23 berechnet. Eine öffnung von 90° in der Vertikalebene und eine Öffnung von 180° in der Horizontalebene kann vorgesehen sein. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden Sonnenstrahlen von der Kugel 23 reflektiert, und der Beobachter (in diesem Falle der Photo-Sensor) sieht die Sonnenstrahlen, die unter einem Winkel von 2<x° von der Oberfläche der Kugel reflektiert worden sind. An der Reflexionsstelle bildet die Senkrechte zur Oberfläche einen Winkel cc mit der Richtung des Beobachters. Infolgedessen sieht der Beobachter unabhängig davon, wo sich die Sonne am Himmel bezüglich des Beobachters befindet, die Reflexion der Sonne von einer gewissen bzw. irgendeiner Stelle, die sich in der oberen Hälfte der reflektierenden Kugel befindet. Der Betrag an Licht, der von der Kugel reflektiert wird, ist

I.p.R cos(a)cj

worin I die Intensität des Sonnenlichtes bedeutet, mit der dieses pro Flächeneinheit einfällt, ρ ist die Oberflächenreflexionsfähigkeit der Kugel und R ist der Radius der Kugel, während to der öffnungswinkel des Beobachters ist.

Die Sonne ist weitaus die intensivste, natürliche Lichtquelle, die man auf Erden sehen kann. Durch Wahl einer Kombination einer geeigneten,kleinen,reflektierenden Kugel und eines damit zusammenpassenden Photo-Sensors ist es möglich, ein System zu erhalten, das vorzugsweise auf Sonnenstrahlen reagiert, die von dieser Kugel reflektiert worden sind, und infolgedessen empfängt der Detektor gemäß der Erfindung einfallende Sonnenstrahlen intensiver als diffuses Licht und reagiert auf diese einfallenden Sonnenstrahlen viel intensiver als auf diffuses Licht bzw. Streulicht. Das lichtundurchlässige Gehäuse schaltet einen Teil des Gesichtsfeldes

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aus, und infolgedessen "sieht" der Detektor nur einen Teil des Himmels, und zwar den Teil, der durch das Fenster begrenzt bzw. definiert ist. Das können 180° in der Hörizontalrichtung und "bis zu etwa 90° in der Vertikalrichtung sein. Die Leitungen 27 und 27* vom Photo-Sensor 26 sind mit einer konventionellen Nachlaufschaltung verbunden. In dem experimentellen Modell war ein Phototransistor (MRD 14B, Motorola) mit einem Widerstand von 10 Ohm in Reihe verbunden, und es wurde eine Spannung von 10 V angelegt. Wenn Sonnenstrahlen an einem klaren Tag auf die reflektierende Kugel fielen, dann ging der Phototransistor in die Sättigung, und es wurde eine Spannung von etwa 8,8 V am Widerstand gemessen. Wenn die Kugel nicht auf diese Weise beleuchtet war, dann erhielt man praktisch keine Spannung am Widerstand.

Ein Sonnennachführ- und -haltesystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist vier Detektoreinrichtungen der oben erläuterten Art auf, die um einen gemeinsamen Arm herum angeordnet sind, so daß sie den gesamten Himmel erfassen. Ein System dieser Art ist in den Fig. 1a und 1b veranschaulicht, in denen 11, 11·, 11" und 11"· die erwähnten vier Detektoren sind. Jeder dieser Detektoren hat Öffnungen von 180° bzw. 90° in den beiden zueinander senkrechten Richtungen. Zwei der Detektoren, nämlich die Detektoren 11 und 11', sind nach links und rechts gerichtet und "sehen" nach diesen beiden Seiten, während die anderen beiden Detektoren 11" und 11^MI nach aufwärts bzw. abwärts "sehen". Die Detektoren sind auf einer Plattform 12 angebracht, die eine Achse 13 besitzt, welche eine Bewegung in der Link-Rechts-Richtung ermöglicht, sowie eine Achse 14, die eine Bewegung in der Aufw&rts-Abwärts-Richtung ermöglicht, wobei zwei elektrische Motoren 15 und 16 vorgesehen sind, welche die Bewegungen der Achse 13 bzw. 14 bewirken. Die Motoren 15 und 16 werden entsprechend einem Strom betätigt, der entsprechend an den Ausgang des Nachführsystems geliefert wird, wie nachstehend näher erläutert ist.

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Die Links-Rechts-Detektoren steuern die Links-Rechts-Bewegung durch ein Servosystem, während die Aufwärts-Abwärts-Detektoren die Aufwärts-Abwärts-Bewegung steuern. Wenn sich die Sonne oberhalb des Horizonts an irgendeiner Stelle am Himmel befindet, dann findet das System die Sonne, rastet auf sie ein und verfolgt sie genau, bis die Sonne durch Sonnenuntergang oder hinter einer Wolke verschwindet. Wenn die Sonne wiedererscheint, dann wird sie von dem System automatisch gefunden und wieder verfolgt.

Das Paar von Links-Rechts-Sonnendetektoren kann auf einer Polarachse angebracht werden, d.h. auf einer Achse, die parallel zur Rotationsachse der Erde verläuft, und dieses Paar kann dazu benutzt werden, die tägliche Bewegung der Sonne zu verfolgen. Das kann leicht dadurch erreicht werden, daß man das System der Fig. 1 so dreht, daß die Links-Rechts-Achse eine Polarachse wird. Im Herbst und im Frühling ist die Richtung der Sonne senkrecht zur Polarachse; im Sommer und Winter verändert sich die Höhe der Sonne um 23,5° bezüglich dieser Achse nach aufwärts und abwärts. Infolgedessen kann die Sonne während des gesamten Jahres von wenigstens einem dieser beiden Detektoren gesehen werden. Das Paar von Links-Rechts-Detektoren wird dazu benutzt, die Sonne zu verfolgen, und diese Detektoren steuern die Links-Rechts-Bewegung über eine konventionelle, als geschlossene Schleife ausgebildete Nachlaufschaltung (siehe Fig. 10). Diese Anordnung ist so, daß dann, wenn die Sonne nur von einem der Detektoren gesehen wird, z.B. von dem rechten Detektor, der Photo-Sensor dieses Detektors einen Strom in der Steuerschaltung induziert bzw. hervorruft, und dadurch wird die Servosteuerung so betätigt, daß sie die Einrichtung um die Achse antreibt bzw. verdreht, bis sowohl der linke als auch der rechte Detektor die Sonne gleich gut sehen, d.h. bis die Intensität der Sonnenstrahlen, die von den jeweiligen Photo-Sensoren dieser Detektoren wahrgenommen werden, gleich ist. Das tägliche und jahreszeitliche Verfolgen

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der Sonne wird durch das hinzugefügte Paar von Aufwärts-und-Abwärts-Detektoren bewirkt, die auf ihrer Achse befestigt sind und von dem Motor betätigt werden. Die Betriebsweise dieser Detektoren ist gleichartig bzw. ähnlich wie diejenige des anderen Paars, und die beiden Paare sind auf diese Weise in der Lage, die Sonne genau zu lokalisieren, auf die Sonne einzurasten und ihr kontinuierlich zu folgen.

Eine Verbesserung der Genauigkeit kann dadurch erzielt werden, daß man einen Beschattungsarm 17 anbringt, der ein scheibenförmiges Teil 18 trägt, dessen Radius gleich demjenigen ist, der durch den Kreis definiert wird, welcher durch die Mitten der sphärischen Elemente der Detektoren 11 bis 11"» senkrecht zu der Achse zwischen den vier Detektoren hindurchgeht. Wenn dieser Beschattungsarm nach der Sonne zu zeigt, sehen beide Detektoren jedes der Paare die Sonne gleich gut, und die Intensität des elektrischen Stroms von jedem dieser Detektoren ist gleich. Jede Abweichung der Position der Sonne bezüglich der Einrichtung führt dazu, daß ein Schatten dieser Scheibe auf wenigstens eines der sphärischen Elemente dieser Detektoren geworfen wird, und das führt zu einer Korrekturbewegung, die so lange fortgesetzt wird, bis alle vier Elemente wieder mit gleicher Intensität beleuchtet werden. Die Winkelgenauigkeit des Systems ist proportional zu R/L, worin R der Radius einer der reflektierenden Kugeln und L die Länge des Schattengebungsarms 17 ist.

Die Fig. 2 veranschaulicht die Reflexion der Sonnenstrahlen, die einen Einfallwinkel α haben, mittels eines sphärischen Teils 23 unter einem gleichen Winkel α¹ in das Gehäuse 21 und auf den Photo-Sensor, der in dieser Figur nicht dargestellt ist.

Eine unterschiedliche Ausbildung eines Detektors gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt, die ein Element

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zeigt, das zwei Elementen der in den Fig. 2a und 2b gezeigten Art gleichwertig ist.

Der in Fig. 4 dargestellte Detektor weist ein Gehäuse 41 aus einem lichtundurchlässigen Material auf, das mit einem zylindrischen, transparenten Fenster 42 versehen ist, welches einen öffnungswinkel um den Gesamtumfang von 360° ergibt, während der öffnungswinkel in der anderen Richtung eine gewünschte Abmessung, z.B. 90°, haben kann; links im Gehäuse 41 ist ein Photo- bzw. Licht-Sensor 43 angeordnet, von dem nach außen geeignete Leiter weggeführt sind, die in der Figur nicht dargestellt sind. Vor dem Photo-Sensor 43 ist eine fokussierende Linse 44 vorgesehen, und unterhalb dieser Linse befindet sich eine Miniaturglühlampe 45 in einer kleinen Ausnehmung. Auf der rechten Seite der Einrichtung ist ein kleiner Elektromotor

46 vorgesehen, der ein ringförmiges Teil 47, das eine reflektierende Oberfläche hat, um die Rotationsachse 48 drehen kann. Die Sonne ist bei 49 angedeutet. Während das ringförmige Teil

47 um die Achse rotiert, gibt es bei einer bestimmten Position ein Signal aufgrund der Tatsache, daß es von den Strahlen der kleinen Lampe 45 beleuchtet wird, und das definiert eine Bezugsebene. Während dieses Element weiterrotiert, wird es in einer bestimmten Position Strahlen der Sonne 49 über die Linse 44 auf den Photo-Sensor 43 reflektieren. Da das ringförmige Teil ziemlich schmal ausgebildet werden kann, ist das Verhältnis von Signal-zu-Untergrund-Beleuchtung in diesem Falle viel besser als bei einer reflektierenden Kugel. Die Relativposition der Ebene, die von der Lampe bezüglich der Ebene defininiert wird, in welcher sich der Ring befindet, wenn er die Sonnenstrahlen auf den Photo-Sensor reflektiert, definiert die Position der Sonne am Himmel in einer genauen Weise. Zwei solcher Elemente, die mit ihren Rotationsachsen senkrecht zueinander und auf einem geeigneten Rahmen bzw. Gestell angeordnet sind, ergeben eine Abtasteinrichtung, die dazu geeignet ist, die Sonne am Himmel zu suchen und zu lokalisieren sowie eine wirk-

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same Verfolgung der Sonne beizubehalten. Der Winkel der Sonne ist etwa 1/2°, und wenn die Breite des ringförmigen Elements 47 eine geeignete Größe hat, erhält man ein Maximum des Verhältnisses von Signal-zu-Untergrund-Beleuchtung. Die Lampe lie fert bei jeder Umdrehung um 180° ein Bezugssignal, und der Unterschied zwischen dieser Position und derjenigen Position, bei der sich ein Impuls ergibt, der von der Sonne herrührt, kann für die Einstellung der Einrichtung benutzt werden, bei der ein solches Element dazu verwendet wird, es bzw. sie in der Richtung der Sonne festzulegen, indem man die Phasenunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen gleich macht.

Wenn nur die Hälfte des ringförmigen Teils eine re flektierende Oberfläche hat oder wenn nur ein halber Ring ver wendet wird, dann erhält man bei jeder vollständigen Rotation des Teils nur eine Reflexion der Lampe und eine Reflexion der Sonne. Wenn der Phasenunterschied weniger als 180° ist, wird ein Befehl abgegeben, daß die Einrichtung gedreht werden soll, bis sie in einer gegebenen Ebene angeordnet ist, in welcher der Phasenunterschied genau 180° beträgt und in welcher die Einrichtung infolgedessen direkt in die Richtung der Sonne gewandt ist.

Bine Sonnenverfolgungseinrichtung, mit der die Ebene eines Sonnenkollektors oder -konzentrators kontinuierlich senkrecht zur Ebene der Sonne am Himmel gedreht werden kann, ist in Fig· 5 veranschaulicht; diese Einrichtung weist einen geeigneten Träger 51 auf, der ein Teil 52 trägt, das sich um eine vertikale Achse drehen kann; ein Gestellteil 53» das einen Sonnenkollektor oder -konzentrator 54 (z.B. eine Fresnellinse) trägt« kann mittels einer Betätigungseinrichtung 56 um die Achse 55 gedreht werden. In der Ebene des Sonnenkollektors oder -konzentrators 54 und an diesem befestigt ist ein Nachführ element 57» das vier NachfUhreinrichtungen 58a, 58b, 58c und

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58d der in Fig. 2 gezeigten Art aufweist, wobei jede dieser Nachführeinrichtungen einen vorbestimmten Abschnitt bzw. Ausschnitt des Himmels erfaßt. Die Elemente 58a und 58b definieren die azimutale Achse, während die Nachführeinrichtungen 58c und 58d in der Hochachse angeordnet sind. Vorzugsweise ist ein Schattengebungselement 59 vorgesehen, dessen Schatten gerade eine solche Abmessung hat, daß er einen Teil der sphärischen Elemente der vier Nachführungseinrichtungen beschattet. Wenn die Signale, die von jedem der Paare 58a und 58b sowie von 58c und 58d herkommen, gleich sind bzw. gleichgemacht worden sind, dann ist der Sonnekollektor senkrecht zur Richtung der Sonne am Himmel ausgerichtet.

Eine gleichartige bzw. ähnliche Anordnung ist in Fig.6 dargestellt, in welcher die Teile gleich sind, jedoch mit Ausnahme der Nachführeinrichtung, die Detektoren 61 und 62 der in Fig. k gezeigten Art umfaßt. Einer dieser Detektoren, nämlich der Detektor 61, bewirkt die Sensoroperation in der azimutalen Achse, während der andere Detektor, nämlich der Detektor 62, die Sensoroperation in der Hochachse durchführt. Diese beiden Detektoren erfassen jeweils einen Ausschnitt des Himmels von 360° und 90° bzw. 90° und 360°.

In Fig. 7 ist die Anwendung von vier Sensorelementen 71, 72, 73 und 74 dargestellt, wobei jedes dieser Sensorelemente von der Art ist, daß es ein reflektierendes Element in Form einer Halbkugel hat, von denen jede mit einem Teleskop bzw. Fernrohr 75» 76, 77 und 78 jeweils koordiniert ist, sowie mit einem geeigneten Sensor, der innerhalb des jeweiligen Teleskops bzw. Fernrohrs angeordnet ist. Jedes Teleskop bzw. Fernrohr ist so positioniert, daß seine Achse auf einer geraden Linie zwischen seiner jeweiligen Halbkugel und der Spitze dea Turms 713 liegt. Das von den Halbkugeln reflektierte Licht wird so reflektiert, daß es in das Teleskop bzw. Fernrohr ge-

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richtet ist. Wenn nur eines der halbkugeligen Elemente eines gegebenen Paars die Sonne "sieht", dann betätigt es eine Einrichtung, die zunächst den Spiegel 79 um die Achse 710 und dann jeweils um die Achse 711 dreht, wobei der Spiegel 79 in dem Rahmen 712 gehalten wird; die resultierende Bewegung wird fortgesetzt, bis jedes der reflektierenden Elemente von jedem Paar die Sonne in einer gleichen Art und Weise "sieht". Die Teleskope bzw. Fernrohre und der Turm 713 befinden sich in einer ortsfesten Position, und mittels der Sensor- und Betätigungselemente ist es möglich, die Position des Spiegels so zu verändern, daß er die Sonnenstrahlen auf die Spitze des Turms 713 reflektiert, solange die Sonne scheint und die Sensorelemente erreicht. Wenn die Sonne von einer Wolke bedeckt wird, dann befinden sich die Elemente im Ruhezustand, und wenn die Sonne wiedererscheint, dann arbeitet die Einrichtung sofort wieder so, daß sie die Beleuchtung jeder der Halbkugeln gleichmacht, so daß das Licht der Sonne wieder auf die Spitze des Turms 713 gerichtet wird. Die Anordnung unterscheidet sich von den vorherigen insbesondere darin, daß das halbkugelige, reflektierende Element von dem Photo-Sensor getrennt ist, der sich seinerseits in dem jeweiligen Teleskop bzw. Fernrohr befindet.

Die Fig. 8 zeigt eine Anordnung, die gleichartig bzw. ähnlich wie diejenige der Fig. 7 ist, bei der jedoch zwei Sensorelemente vorgesehen sind, nämlich das Sensorelement 81 auf der azimutalen Achse und das andere Sensorelement 82 auf der Hochachse. Jedes dieser Elemente hat einen reflektierenden, rotierenden Ring und eine Bezugslampe, wie das bei dem Detektor nach Fig. 4 der Fall ist. In dieser Anordnung werden jedoch die reflektierten Sonnenstrahlen jedes Elements von seinen jeweiligen Teleskopen bzw. Fernrohren 83 und 84 ermittelt bzw. festgestellt, wie anhand der Fig. 9 erläutert wird. Diese Anordnung umfaßt zwei Teleskope bzw. Fernrohre 83 und 84,

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νοη denen sich jedes in einer ortsfesten Position befindet und mit seiner Achse nach der Spitze des Turms 85 weist.

Die Fig. 9 zeigt die Reflexion der Sonnenstrahlen und der Strahlen der Bezugslampe 91 mittels eines rotierenden, ringförmigen Elements 92, das in zwei Positionen gezeigt ist, die einen Winkel von Δ tf° miteinander bilden. Das Licht der Lampe 91 wird von der reflektierenden Oberfläche des Elements 92 nach dem Teleskop bzw. Fernrohr 93 hin reflektiert, während die Sonnenstrahlen bei dem anderen dargestellten Winkel nach dem Teleskop bzw. Fernrohr 94 hin reflektiert werden. Der Winkel A 4 zwischen diesen beiden Winkelstellungen definiert die Position der Sonne bezüglich der Bezugsebene, die durch die Reflexion des Lichtes der Lampe definiert ist. Die Rotation erfolgt um die Achse 95, und zwar mittels eines geeigneten Betätigungselements, das nicht dargestellt ist.

Das erfindungsgemäße System ist außerordentlich leistungsfähig, wie z.B. anhand einer Sonnennachführ- und -abtasteinrichtung, die den gesamten Tages- und Jahreszeitenverlauf der Sonne erfaßte, nachgewiesen werden konnte, da die Leistungsfähigkeit dieser Einrichtung geprüft wurde. Im einzelnen wurden bei diesem Ausführungsbeispiel kleine Stahlkugeln von 1,5 mm Durchmesser verwendet, und für die vier Sonnenrichtungsdetektoren wurden Silicium-Photo-Transistoren (MRD 14B Motorola) verwendet. Zwei 12 V 0,2 W reversible Haydon-Gleichstrommotoren wurden zum Antrieb der Einrichtung benutzt. Die Einrichtung folgte der Sonne vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang mit einer Genauigkeit von besser als 1/4°. Die Genauigkeit wurde erhöht, wenn die Länge des Beschattungsarms vergrößert wurde. Während der Nacht zeigte die Einrichtung auf eine Position, in der die Sonne untergegangen war. Am nächsten Morgen "sah" der Ost-Detektor die Sonne, und die Einrichtung bewegte sich nach Osten zu, bis der Schattengebungsarm wieder nach der Sonne zeigte und ihr weiterhin

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folgte. Wenn die Sonne von einer Wolke bedeckt wurde, dann stoppte das System, bis die Sonne wiedererschien und "gesehen" wurde, woraufhin der Sonnennachlauf erneut stattfand. Das System ist sehr einfach, betriebssicher und kostengünstig. Seine LeistungsÖkonomie ist sehr gut. Die beiden Motoren sind nur dann aktiv, wenn die Sonnenstrahlen auf das System mit einer nominellen Intensität auftreffen. Die Motoren sind viel schneller als die Bewegung der Sonne, und sie arbeiten nur einen kleinen Bruchteil während des Tages. Die Schaltungen der beiden Detektorpaare sind stets aktiv, aber sie sind transistorisiert und verbrauchen wenig Leistung.

Wie oben ausgeführt wurde, umfaßt die Grundeinheit eines Systems, das in Verbindung mit einem Nachführsystem nach der Erfindung benutzt werden kann, eine geeignete Linse und eine Solar- bzw. Sonnenzelle (oder eine Mehrzahl von Linsen und Solar- bzw. Sonnenzellen), die auf einem Rahmen bzw. Gestell angebracht sind, so daß dann, wenn das Sonnenlicht auf die Linse parallel zu deren optischen Achse fällt, das konzentrierte Sonnenlicht (oder das Bild der Sonne) auf die Sonnen- bzw. Solarzelle fällt. Die beste Nützlichkeit wurde dann erhalten, wenn das erwähnte Bild die gesamte Fläche der Sonnen- bzw. Solarzelle im wesentlichen bedeckte. Im Hinblick auf diese Tatsache ist es klar, daß es wichtig ist, das System in einer solchen Position zu halten, daß die Achse der Linse parallel zu den Sonnenstrahlen ausgerichtet ist. Das läßt sich leicht dadurch erzielen, daß man eine Anordnung benutzt, die gleichartig bzw. ähnlich wie diejenige des Nachführsystems nach der Erfindung ist. Beispielsweise können an der Links-Rechts-Achse eine oder mehrere Linsen und eine oder mehrere Solar- bzw. Sonnenzellen befestigt werden, die sich mit dem NachfUhrsystem bewegen. Wenn infolgedessen das Nachführsystem auf die Position der Sonne am Himmel eingerastet ist, dann fällt das Sonnenlicht stets auf die Kombinationen aus Linse und Solarzelle, so daß eine solche maximale Nützlichkeit erzielt wird.

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Zusammengefaßt v/eist der erfindungsgesiäße Detektor in Kombination ein im wesentlichen sphärisches, reflektierendes Teil auf, oder ein reflektierendes Teil, das wenigstens einen Teil einer Kugel als Teil seiner Oberfläche hat, wie z.B. ein ringförmiges Teil, das um seine Achse rotiert, wobei dieses Teil in einem lichtundurchlässigen Gehäuse angeordnet ist und wobei in diesem Gehäuse ein Fenster vorgesehen ist, das einen vorbestimmten Beobachtungswinkel der Kugel oder des sphärischen Teils definiert bzw. begrenzt, und wobei ferner eine Photo- bzw. Licht-Sensoreinrichtung in dea Gehäuse angeordnet oder getrennt von dem Gehäuse angeordnet ist, die die Sonnenstrahlen, reiche auf dem erwähnten sphärischen Teil reflektiert worden sind, ermittelt und welche auf diese Sonnenstrahlen reagiert.

Der erfindungsgemäße Detektor und die Nachführeinrichtung sind verhältnismäßig einfach und kostengünstig. Das System kann aus leicht verfügbaren Bauteilen aufgebaut werden, und es ist sowohl empfindlich als auch betriebssicher.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Sensor zur Ermittlung der Sonnenposition am Himmel und zur Verwendung in Systemen für die Verfolgung der Bewegung der Sonne, gekennzeichnet durch die Kombination eines lichtundurchlässigen Gehäuses (21,41), das mit einer Öffnung (22,42) versehen ist, die einen vorbestimmten Winkel in der Vertikalrichtung und einen vorbestimmten Winkel in der Horizontalrichtung definiert bzw. begrenzt; eines Teils (23,47,71,72,92), das wenigstens auf einem Teil seiner Oberfläche eine reflektierende Oberfläche in der Form eines Teils einer Kugel aufweist; eines Photo-Sensors (26,43), der in dem Gehäuse oder in einem getrennten Gehäuse in einem vorbestimmten Abstand von dem ersten Gehäuse angeordnet ist; wobei das reflektierende Teil (23,47,71,72,92) so angeordnet ist, daß es Sonnenstrahlen, die durch die Öffnung eintreten, auf den Photo- bzw. Licht-Sensor (26,43) reflektiert, und wobei ferner eine Einrichtung zum Umwandeln des von dem Photo- bzw. Licht-Sensor ausgehenden Signals für die Verfolgung der Sonne bzw. in eine die Bewegung der Sonne verfolgende Bewegung vorgesehen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Teil (23) eine polierte Metallkugel ist.
3· _a Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Teil (47) ein ringförmiges Element ist, das um eine seiner mittigen Achsen mit einer vorbestimmten Frequenz rotiert wird.
4· Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einer transparenten, zylindrischen Hüls e (42) versehen ist, die eine Öffnung von 360° in einer Richtung und von 90° in der anderen Richtung definiert bzw. begrenzt.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine kleine Glühlampe (45) vorgesehen ist, von der ein Lichtimpuls mittels des rotierenden, ringförmigen, reflektierenden Elements (47) reflektiert werden kann, wenn dieses eine vorbestimmte Position bei seiner Rotation erreicht, so daß auf diese Weise eine Bezugsebene für die Messung der Position der Sonne (49) am Himmel definiert wird.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des ringförmigen Elements (47) etwa 1/2° beträgt.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen der Sonne (49), die von dem ringförmigen Element (47) reflektiert werden, mittels einer Linse (44) auf die Oberfläche des Photo- bzw. Licht-Sensors (43) fokussiert werden.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Photo- bzw. Lichtsensor (26,43) ein Phototransistor ist.
9. System zum Verfolgen der Bewegung der Sonne am Himmel, das auf die Sonne eingerastet bleiben kann, solange diese scheint, dadurch gekennzeichnet, daß es in Kombination zwei Paare von Sensoren nach Anspruch 1 oder 2 aufweist, wobei Jedes der Paare von Sensoren (11,11·,11",11^MI;58a,58b,58c,58d) auf einer Vertikalachse bzw. einer Horizontalachse angeordnet ist, und wobei die vier öffnungen der Sensoren je 1/4 des Himmels erfassen, und wobei weiterhin eine Einrichtung (13-16; 52-56) zum Bewegen der Arme und der daran angebrachten Sensoren so, daß diese der Bewegung der Sonne folgen, vorgesehen ist.

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10. System zum Verfolgen der Bewegung der Sonne am Himmel, dadurch gekennzeichnet, daß es in Kombination zwei Sensoren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 aufweist, wobei einer dieser Sensoren (61;81) auf einem Arm angeordnet ist, der die Vertikalrichtung definiert, während der andere der Sensoren (62;82) auf einem Arm angeordnet ist, der die Horizontalrichtung definiert; wobei eine Einrichtung (52-56; 710-712) zum Bewegen der Arme und Sensoren so, daß sie der Bewegung der Sonne am Himmel folgen, vorgesehen ist.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung (Fig.10) zum Bewegen der Arme in einer solchen Weise, daß die Intensität des auf unterschiedliche Sensorelemente (26;43) fallenden Sonnenlichts gleich wird bzw. ist.
12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung mittels einer konventionellen, geschlossenschleif igen Nachlaufs chaltung und mittels eines oder mehrerer elektrischer Motoren (15»16) gesteuert wird.
13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (26;43) dazu benutzt werden, die Position eines Sonnenkollektors zu verändern, so daß dieser kontinuierlich auf eine vorbestimmte Zielfläche gerichtet ist.
14. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß Halbkugeln (71,72) oder Sensoren (61,62;81,82) nach den Ansprüchen 3 oder 4 zum Reflektieren der Sonnenstrahlen verwendet werden, wobei der Photo- bzw. Licht-Sensor bzw. die Photo- bzw. Licht-Sensoren in einem Teleskop bzw. Fernrohr (75»76,77,78;83,84) angeordnet sind, das bzw. die sich in einem vorbestimmten Abstand von dem sphärischen oder ringförmi-

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gen Sensor und Reflektorelement befindet bzw. befinden, wobei die Achse durch das sphärische Element und durch das Teleskop bzw. Fernrohr auf das zu beleuchtende, gewünschte Ziel (713;85) zeigt.

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