DE3047724A1

DE3047724A1 - Nachfuehrvorrichtung zur sonnenstandabhaengigen ausrichtung von sonnenenergiesammlern

Info

Publication number: DE3047724A1
Application number: DE19803047724
Authority: DE
Inventors: Hans G. 8500 Nürnberg Teichmann
Original assignee: WEISS PAUL FA
Current assignee: WEISS PAUL FA
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1982-07-15

Description

Nachführvorrichtung zur sonnenstandabhängigen Ausrichtung
von Sonnenenergiesammlern Die Erfindung betrifft eine Nachführvorrichtung zur sonnenstandabhängigen Ausrichtung von Sonnenenergiesammlern, insbesondere Sonnenkollektoren oder Solarzellen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Derartige Nachführvorrichtungen wurden für astronomische Geräte entwickelt und die gewonnenen Erfahruncjen im Zuge der Fortentwicklung der Solartechnik auf Nachführvorrichtungen für Sonnenkollektoren übertragen. Um ein leuchtendes Objekt am Himmel zu verfolgen, hat sich das Prinzip der vergleichenden Messung des Lichteinfalles auf zwei lichtempfindliche Elemente bewährt und durchgesetzt. Durch elektronische Vergleichschaltungen kann mittels der durch die lichtempfindlichen Elemente erzeugten elektrischen Größen ein Nachführmotor gesteuert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen, preisgünstigen Mitteln und geringem baulichen Aufwand eine Nachführungsvorrichtung zu schaffen, die eine genaue Ausrichtung von Sonnenenergiesammlern entsprechend dem jeweiligen Sonnenstand gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Durch die gegenseitige winkelige Anordnung der beiden Solarzellen gleicher Leistung ist sichergestellt, daß die durch die Solarzellen erzeugte Photospannung dann und nur dann gleich ist, wenn die einfallende Strahlung auf beiden Solarzellen unter gleichem Winkel auftrifft. Dies ist dann der Fall, wenn die einfallende Strahlung in Richtung der Winkelhalbierenden des Montagewinkels einfällt. Schwierig zu justierende und empfindliche Blenden sind dazu nicht erforderlich. Der Steuerstrom der elektronischen oder elektromechanischen Umschaltvorrichtung kann unmittelbar aus den Solarzellen gewonnen werden. Darüber hinaus sind die relativ großflächigen Solarzellen gerade zur Nachführung von Sonnenkollektoren in Gebieten mit hoher Luftverschmutzung besonders geeignet. Wenn nämlich kleine Flächenabschnitte durch Staub, Vogelexkremente o.dgl. verschmutzt sind, führt dies allenfalls zu einem geringen Abweichen der Peilrichtung von aktuellen Sonnenstand. Bei kleinflächigen, lichtempfindlichen Elementen, wie z.B. Phototransistoren oder -dioden können die genannten Verschmutzungen zu einem völligen Ausfall der gesamten Nachführvorrichtung führen.
Jede der beiden winkelig zueinander angeordneten Solarzellen reagiert auf Strahlungsquellen, die im gesamten Halbraum über der jeweiligen Funktionsoberfläche liegen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Nachführvorrichtung auch dann auf die Sonne reagiert, wenn diese erst nach längerer Bewölkungspt iode hinter den Wolken auftaucht und die Pcilrichtung vom aktuellen Sonnenstand bereits sehr stark abweicht. Die Nachführvorrichtung reagiert somit in einem äußerst weitwinkeligen Bereich auf die Sonne.
Durch das Kennzeichen des Anspruches 2 ist eine Umschaltvorrichtung geschaffen, die aus einfachen und robusten Bauteilen besteht und zum Betrieb lediglich der von den Solarzellen erzeugten Photospannung bedarf. Spannungsquellen, wie sie z.B. für Halbleiter-Verstärkungsschaltungen erforderlich sind, können vollständig entfallen. Durch die angegebenen Schaltungsmaßnahmen kompensieren sich hier die zum Betrieb des Servomotors erforderlichen Photospannungen gerade dann, wenn die einfallende Strahlung unter gleichen Winkeln auf beiden Photozellen auftrifft.
Eine besonders kompakte Ausführungsform des Sensors wird durch das Kennzeichen des Anspruches 3 geschaffen. Lange Leitungen zwischen den Solarzellen und dem Servomotor können entfallen.
Durch das Kennzeichen des Anspruches 4 ist eine besonders genaue Nachführung ermöglicht.
Durch Anspruch 6 ist sichergestellt, daß die Kontaktstrecke des Umschalters in dem Moment geöffnet wird, in welchem die Nachführvorrichtung ihre Sollage erreicht hat und die Peilrichtung auf die Sonne zeigt. Zusätzliche Federelemente sind zur Rückführung des Umschalters in seine Mittellage und zur Rückdrehung des Servomotors in eine Neutralstellung nicht erforderlich.
Durch das Kennzeichen des Anspruches 7 ist ein Ausschwenken der Kontaktfeder des Umschalters auch bei nur kleinen, durch den Servomotor erzeugten Drehmomenten ermöglicht.
Da zur Erzeugung derartiger geringer Drehmomente vom Servomotors nur kleine Ströme gezogen werden, können die Solarzellen flächenmäßig sehr klein gehalten werden, wodurch der Sensor noch kompakter ausgeführt werden kann.
Durch Anspruch 8 wird eine leichtgängige und spielfreie Kopplung zwischen Servomotor und dem Kontaktfederpaar des Umschalters gewährleistet. Die Ausführung des Servomotors gemäß Anspruch 9 stellt sicher, daß der Motor schon bei Photospannungen von ca. 0.15 V anläuft.
Durch das Kennzeichen des Anspruches 11 wird gewährleistet, daß bei Sonnenaufgang die Nachführvorrichtung aus der "Westrichtung" des Sonnenunterganges in die "Ostrichtung" des Sonnenaufganges umschwenkt.
Soll die Nachführung um zwei Schwenkachsen erfolgen, so lehrt das Kennzeichen des Anspruch-es 12 eine besonders kompakte und raumsparende Anordnung der sich gegenüberliegenden Solarzellenpaare. Eine größtmögliche Flächennutzung der Pyramidenseitenflächen bei geringer Bauhöhe in Peilrichtung ist durch das Anspruchskennzeichen des Anspruches 13 gewährleistet.
Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsbeispiele in der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Nachführvorrichtung für eine Montierung mit einer Drehachse, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Sensors einer Nachführvorrichtung für eine Montierung mit zwei Drehachsen, Fig. 3 eine schematische Darstellung der im wesentlichen aus Servomotor und Umschalter bestehenden Umschaltvorrichtung.
Die Nachführvorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einer Montierung 2, einem Sonnenstandsensor 3, der mit den in Abbildung 1 relativ zum Sonnenstandsensor 3 stark verkleinert gezeigten Sonnenkollektoren 4 starr verbunden ist sowie einer Umschaltvorrichtung 5, die zur Beeinflussung der Betriebsspannung eines Nachführmotors 6 dient, der die Montierung 2 im Bedarfsfalle gegenüber einer fest mit dem Boden verankerten Montageplatte 7 um eine Drehachse 8 antreibt.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Sonnenstandsensor 3 eine erste Solarzelle 9 und eine zweite Solarzelle 10 auf, deren Funktionsoberflächen 11,12 in einem Montagewinkel 13 von 900 angeordnet sind. Die im Winkelscheitel 14 liegende Schnittgerade 15 der Solarzellenmontageebenen 16 verläuft dabei im wesentlichen parallel zur Absorptionsoberfläche 17 der Sonnenkollektoren 4, die zur Schnittgeraden 15 rechtwinklige, in Peilrichtung 18 weisende Winkelhalbierende 19 des Montagewinkels 13 hingegen rechtwinklig zu der Absorptionsoberfläche 17 der Sonnenkollektoren-4.
Unterhalb des Sensors 3 sind die Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 5 angedeutet, über welche der Nachführmotor abhängig von der Lage der Winkelhalbierenden 19 zum jeweiligen Sonnenstand bestromt wird. Die Umschaltvorrichtung 5 besteht im einzelnen aus einem Servomotor 20 und einem elektromechanischen Umschalter 21, dessen als Kontaktfederpaar 22 ausgebildeter Mittenkontakt mittels eines vom Servomotor 20 angetriebenen Drehsegments 23 gegen beidseitig vom Mittenkontakt angeordnete Festkontaktpaare 24,25 zur Stromkontaktgabe verschwenkt wird. Dazu weist das Drehsegment 23 einen radial abstehenden, gabelartigen Vorsprung 26 auf, der die Freienden 27 des Kontaktfederpaares 22 beidseitig umgreift.
Der Servomotor 20 bezieht seine Betriebsenergie ledig3ich aus den beiden Solarzellen 9,10 des Sonnenstandsensors 3.
Dazu sind-der Pluspol 28 der ersten Solarzelle 9 und der Minuspol 29 der zweiten Solarzelle 10 mit dem ersten Pol 30 des Servomotors 20 und der Minuspol 31 der ersten Solarzelle 9 sowie der Pluspol 32 der zweiten Solarzelle 10 mit dem zweiten Pol 33 des Servomotors 20 verbunden. Dadurch ist Sorge getroffen, daß sich bei gleichem Strahlungseinfall bzw. bei gleichem Winkel der einfallenden Sonnenstrahlung auf den beiden Funktionsoberflächen 11,12 der ersten und der zweiten Solarzelle 9,10 die Photospannungen der beiden Solarzellen zu Null kompensieren und der Motor 20 steht. Gleichermaßen wäre jedoch auch eine Reihenschaltung der beiden Solarzellen 9,16 und des Servomotors 20 möglich, wobei die beiden Solarzellen 9,10 gegeneinander geschaltet sein müßten.
Die Festkontaktpaare 24,25 des Umschalters 21 sind mit dem Vorwärts- bzw. Rückwärtslaufkontakt 34,35 des Nachführmotors 6 verbunden, der seine Betriebsenergie aus einer externen Stromquelle 36 bezieht. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Schaltbeispiel ist der Mittenkontakt 22 des Umschalters 21 mit dem einen Pol der externen Stromquelle 6 verbunden, ein Mitten- oder Massekontakt 37 des Nachführmotors 6 mit dem anderen Kontakt der Stromquelle 6.
Soll die Nachführung der Sonnenenergiesammler nicht nur um eine beispielsweise vertikal angeordnete Drehachse erfolgen (wie in Fig. 1 gezeigt) sondern zusätzlich um eine zweite, horizontal angeordnete Drehachse, so kann der Sonnenstandsensor 3 die in Fig. 2 gezeigte pyramidenartige Form haben. Die Funktionsoberflä(hen 38,39 bzw. 40,41 der beiden Solarzellenpaare liegen auf sich gegenüberliegenden Seitenflächen 42,43 bzw. 44,45 der Pyramide, deren Pyramidenspitze 46 beim Nachführvorgang in Peilrichtung 18 weist.
Einer der beiden Solarzellen (9 bzw. 38) ist eine weitere Solarzelle 47 parallelgeschaltet, die bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entweder auf der Rückwand 48 oder der Seitenwand 49 angeordnet bzw. bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der Basisfläche 50 des pyramidenartig ausgeformten Sensors befestigt ist.

Claims

Ansprüche: Nachführvorrichtung zur sonnenstandabhängigen Ausrichtung von Sonnenenergiesammlern, insbesondere Sonnenkollektoren oder Solarzellen, mit 1. einer um mindestens eine Achse drehbar durch eine Nachführmotor angetriebenen Montierung zur Befestigung der Sonnenenergiesammler, 2. einem Sonnenstandsensor, der 2.1 mit den Sonnenenergiesammlern starr verbunden ist und 2.2 mehrere lichtempfindliche Elemente zur Erzeugung einer von der relativen Ausrichtung des Sensors zur Sonne abhängigen Photospannung aufweist sowie 3. einer Umschaltvorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsspannung des Nachführmotors durch die Photospannung gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 4. Der Sonnenstandsensor weist für jede Drehachse der Montierung zwei Solarzellen auf.

4.1 Die Solarzellen sind derart winkelig versetzt angeordnet, daß ihre Funktionsoberflächen auf den Schenkeln eines Montagewinkels liegen, 4.1.1 welcher weniger als 1800, vorzugsweise 900 beträgt.

4.
2 Die im Winkelscheitel liegende Schnittgerade der Solarzellonmontageebenen verläuft im wesent:-lichen parallel zur Absorptionsoberfläche der Energiesammler.

4.
3 Die zur Schnittgeraden rechtwinklige, in Pfeilrichtung weisende Winkelhalbierende des Montagewinkels verläuft rechtwinklig zur Absorptionsoberfläche der Energiesammler.

4.
4 Die Solarzellen weisen die gleiche Leistung auf und sind derart mit der Umschaltvorrichtung elektrisch verbunden, daß ihre Photospannungen 4.4.1 sich bei gleicher Einfallsintensität der Sonnenstrahlung auf die Absorptionsoberflächen kompensieren und 4.4.2 bei unterschiedlicher Einfallsintensität über die Umschaltvorrichtung den Nachführmotor einschalten.

2.) Nachführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung aus einem Servomotor und einem von diesem betätigten elektromechanischen Umschalter zur Einschaltung bzw. Umschaltung des Nachführmotors besteht, wobei der Pluspol der ersten und der Minuspol der zweiten Solarzelle mit dem ersten Pol des Servomotors und der Minuspol der ersten und der Pluspol der zweiten Solarzelle mit dem zweiten Pol des Servomotors verbunden sind.

3.) Nachführvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen auf den Außenschenkeln des Montagewinkels angeordnet sind.

4.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsoberflächen der Solarzellen eben sind.

5.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zur Nachführung der Sonnenenergiesammler um eine Achse der Montierung zusammengehörigen Solarzellen in Reihe geschaltet sind.

6.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Umschalter ein um eine Mittellage elastisch verschwenkbares Kontaktfederpaar aufweist, dessen Freienden durch ein durch den Servomotor angetriebenes Drehsegment zwischen zwei seitlich angeordneten Festkontaktpaaren verschwenkbar ist.

7.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehsegment durch den Servomotor untersetzt antreibbar ist.

8.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehsegment einen radial abstehenden, gabelartigen Vorsprung aufweist, der die Freienden des Kontaktfederpaares beidseitig umgreift.

9.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor ein Trommelankermotor ist.

10.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1. An dem Sensor ist mindestens eine weitere Solarzelle angeordnet, 1.1 deren Funktionsoberfläche 1.1.1 in eine von der Peilrichtung abgewandte Richtung weist und 1.1.2 parallel zur Schnittgeraden verläuft sowie 1.2 die zur ersten Solarzelle elektrisch parallel geschaltet ist.

11.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsoberfläche der weiteren Solarzelle in eine zur Peilrichtung entgegengesetzte Richtung weist.

12.) Nachführvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als vierseitige Pyramide ausgebildet ist, deren Spitze beim Nachführvorgang in Peilrichtung zeigt und auf deren Seitenflächen die Solarzellen angeordnet sind, wobei je zwei elektrisch zusammenwirkende Solarzellen auf sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Pyramide liegen.

13.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen als gleichseitige Dreiecke ausgebildet sind.

14.) Nachführvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Solarzelle auf der Pyramidenbasisfläche angeordnet ist.