WO2014154515A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln einer verschmutzung einer oberfläche - Google Patents

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WO2014154515A1
WO2014154515A1 PCT/EP2014/055297 EP2014055297W WO2014154515A1 WO 2014154515 A1 WO2014154515 A1 WO 2014154515A1 EP 2014055297 W EP2014055297 W EP 2014055297W WO 2014154515 A1 WO2014154515 A1 WO 2014154515A1
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Reinhard Freitag
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Robert Schrobenhauser
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Siemens Aktiengesellschaft
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche (12) zumindest eines Bauelements (14), bei welchem ein Bild eines der Oberfläche (12) zugeordneten und wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Bereiche (28, 30) aufweisenden Bewertungselements (26) mittels eines optischen Erfassungselements (20) erfasst und mittels einer Auswerteeinrichtung (33) einer Bildverarbeitung unterzogen wird, mittels welcher wenigstens ein einen Kontrast des Bilds charakterisierender Kontrastwert ermittelt wird, wobei die Verschmutzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Kontrastwert ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche zumindest eines Bauelements.
Bauelemente wie beispielsweise Solaranlagen werden vorzugs- weise in Regionen eingesetzt, in denen eine hohe Sonnenstun- denanzahl und der Einfallswinkel der Sonne einen möglichst hohen Energieertrag ermöglichen. Diese Regionen auf der Erde sind meist Wüstenzonen, da hier einerseits die Sonneneinstrahlung kaum durch Wolkenbildung behindert wird und ande- rerseits Flächen zur Installation der Solaranlagen kostengünstig zur Verfügung stehen, da eine Alternativnutzung beispielsweise durch Ackerbau und Viehzucht meist nicht möglich ist . Da Solaranlagen zweckmäßigerweise unter freiem Himmel einge¬ setzt werden, unterliegen sie damit einer - je nach Umweltbedingungen - mehr oder weniger starken Verschmutzung der sogenannten aktiven Flächen. Diese aktiven Flächen sind die Flächen bzw. Flächenbereiche der Solaranlage, über die das
Licht, insbesondere das Sonnenlicht, Solarzellen der Solaran¬ lage bestrahlen kann. Die aktiven Flächen können somit zur Umwandlung von im Licht enthaltener Energie in elektrische Energie genutzt werden. Eine Verschmutzung dieser aktiven Flächen, z.B. durch Sandablagerungen, Vogelkot und derglei- chen führen zur Minderung der Transmission und somit zum Teil zu erheblichen Energieertragsbußen der Solaranlage bzw. eines Solarmoduls .
Um dies zu verhindern, ist von Zeit zu Zeit eine entsprechen- de Reinigung der Solaranlage und insbesondere der aktiven Flächen (Solarflächen) erforderlich. Zeitlich kurze Reinigungsintervalle können der Verschmutzung der Solaranlage zwar entgegenwirken, sind aber mit hohem Aufwand verbunden, da die Solaranlagen meist in wasserarmen, logistisch schlecht erschlossenen Gebieten mit langen Anfahrtswegen liegen. Ein zu häufiges Reinigen belastet einerseits die Umwelt durch Reini¬ gungsmittel und führt andererseits an den Solarflächen zu Abrasion, insbesondere in Zusammenwirken mit Wüstensand. Dies wiederum führt zur Eintrübung der Solarflächen und somit zu einer dauerhaften Minderung der Transmission. Daher ist es wünschenswert, Reinigungen der Solaranlagen nur dann durchzuführen, wenn dies aufgrund von Verschmutzung auch erforder- lieh ist. Eine Verschmutzungserkennung, d.h. die Ermittlung der Verschmutzung der Solarflächen, ist insbesondere bei großen Solarfeldern, die aus Hunderten von Solarmodulen bestehen, sehr zeit- und kostenaufwändig, da hierfür nicht nur Sensoren selbst, sondern auch jeweilige Signalaufbereitungen und Verkabelungen über große Entfernungen zu einer zentralen Stelle benötigt würden.
Diese Problematiken treffen auch auf anderweitige, insbesondere großflächige Bauelemente wie beispielsweise auf Sonnen- kollektoren, Solarthermieanlagen, Spiegelsysteme, Sonnenwärmekraftwerke und Fassadenflächen von Gebäuden zu.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels welchen eine besonders einfache sowie präzise Ermittlung einer Verschmut¬ zung einer Oberfläche zumindest eines Bauelements realisier¬ bar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merk¬ malen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal¬ tungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche zumindest eines Bauelements. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bild eines der Oberfläche zugeordneten und wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Bereiche aufweisenden Bewertungselements mittels eines optischen Erfassungselements er- fasst. Das Bild wird mittels einer Auswerteeinrichtung einer Bildverarbeitung unterzogen. Mittels der Bildverarbeitung wird wenigstens ein einen Kontrast des Bilds charakterisie¬ render Kontrastwert ermittelt, wobei die Verschmutzung in Ab¬ hängigkeit von dem ermittelten Kontrastwert ermittelt wird. Die Ermittlung der Verschmutzung und insbesondere eines Grads der Verschmutzung der Oberfläche in Abhängigkeit von dem Kon- trastwert und somit in Abhängigkeit von dem Kontrast des
Bilds ist auf besonders einfache, zeit- und kostengünstige Weise sowie automatisiert durchführbar. Hierdurch kann der Personen- wie auch der Hardware-Aufwand zur Ermittlung bzw. Erkennung der Verschmutzung besonders gering gehalten werden. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine bedarfsgerechte Reinigung der Oberfläche. Mit anderen Worten kann die Oberfläche dann und erst dann gereinigt werden, wenn dies auch tatsächlich erforderlich ist. Insbesondere ist eine zentrale Verschmutzungserkennung mit¬ tels des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellbar, mittels welcher eine besonders hohe Anzahl an Oberflächen von unterschiedlichen Bauelementen automatisch erfasst werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit beispielsweise bei einer Solaranlage mit einer Vielzahl von Solarmodulen angewendet werden, deren Solarflächen auf Verschmutzung überprüft und in der Folge bedarfsgerecht gereinigt werden können.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jedwe- der Art von Bauelementen und insbesondere Solarmodulen angewendet werden. Das bedeutet, dass das Verfahren kompatibel mit zumindest nahezu jeder Art von Solarmodul ist. Dies ist insofern vorteilhaft, als beim Aufbau oder einer Erweiterung eines Solarfelds - beispielsweise je nach Marktlage und Preis - Solarmodule unterschiedlicher Provenienz Verwendung finden. Dabei weisen die unterschiedlichen Solarmodule je nach Hersteller unterschiedliche Deckglassorten, -Oberflächen und - strukturen auf, wobei die jeweiligen Solarzellen unterschied- lieh dicht an den Rand von jeweiligen Modulrahmen reichen sowie gegen Wasser und Staub abgedichtet sind. Das optische Er¬ fassungselement, das Bewertungselement und die Auswerteein¬ richtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen dabei nicht in das jeweilige Solarmodul eingebaut bzw. integriert werden, so dass auch die Abdichtung des jeweiligen Solarmoduls nicht beeinträchtigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert mit allen Deckglassorten zuverlässig. Ferner kann das Bewertungselement hinsichtlich seiner Abmes- sungen besonders klein gehalten werden, um es auf der Oberfläche eines Solarmoduls jedoch überdeckungsfrei zu der So¬ larfläche bzw. den Solarzellen anzuordnen, so dass eine Abschattung der Solarzellen des Solarmoduls vermieden werden kann .
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner nicht erforderlich, die Verschmutzung eines Solarmoduls beispielsweise in Abhängigkeit von einem Rückgang des Energieertrags zu ermitteln. Die Ermittlung der Verschmutzung in Abhängigkeit von dem Rückgang des Energieertrags ist inso¬ fern nachteilhaft, als zeitlich vor der Reinigung der Oberfläche nicht zwischen dem Rückgang der Leistung des Solarmoduls aufgrund von Verschmutzung oder aufgrund von Alterung bzw. Degradation oder aufgrund von etwaigen Teilausfällen einzelner Solarzellen unterschieden werden kann. Somit kann die Verschmutzungsermittlung in Abhängigkeit von dem Rückgang des Energieertrags eine hinreichende, bedarfsgerechte Reini¬ gung des Solarmoduls im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren nicht gewährleisten.
Nicht zuletzt kann das erfindungsgemäße Verfahren die opti¬ sche Begutachtung des Bauelements durch eine Person und/oder durch ein kostenintensives Fahrzeug wie beispielsweise ein Luft- oder Landfahrzeug ersetzen, so dass eine besonders kos- tengünstige Ermittlung der Verschmutzung realisierbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für ein Solarmo¬ dul als das Bauelement anwendbar. Grundsätzlich kann die durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkbare Verschmut¬ zungserkennung auch für Sonnenkollektoren, Solarthermieanla- gen, Spiegelsysteme zum Erhitzen von Medien, Sonnenwärme¬ kraftwerken und Fassadenflächen von Gebäuden angewendet wer- den. Das Verfahren eignet sich somit insbesondere immer dann, wenn die Verschmutzung besonders großer oder einer großen Zahl vieler kleinerer Einzelflächen zentral und ohne Personal oder Einzeldetektoren erfasst werden soll. In diesem Zusammenhang ist es nämlich möglich, mittels des einen optischen Erfassungselements eine Mehrzahl von Oberflächen von jeweili¬ gen Bauelementen bzw. jeweilige Bewertungselemente zu erfas¬ sen und die zugehörigen Oberflächen dann mittels der einen Auswerteeinrichtung auf Verschmutzung zu überprüfen. Um die Verschmutzung, insbesondere den Grad der Verschmut¬ zung, besonders präzise erfassen zu können, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass mittels der Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von dem er- fassten Bild eine Kontrastübertragungsfunktion ermittelt wird, wobei die Verschmutzung in Abhängigkeit von der ermit¬ telten Kontrastübertragungsfunktion ermittelt wird. Zur Ermittlung der Kontrastübertragungsfunktion wird beispielsweise eine Mehrzahl von den Kontrast des erfassten Bilds charakte¬ risierenden Kontrastwerten ermittelt, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Kontrastwerten dann die Kontrastübertragungsfunktion ermittelt bzw. berechnet wird.
Der Grad der Verschmutzung ist insbesondere dadurch besonders präzise ermittelbar, wenn der wenigstens eine ermittelte Kon- trastwert bzw. die ermittelte Kontrastübertragungsfunktion mit einem korrespondierenden Soll-Wert bzw. einer korrespondierenden Soll-Kontrastübertragungsfunktion verglichen wird. Mittels der ermittelten Kontrastübertragungsfunktion kann beispielsweise eine Kontrastübertragungsfunktionskurve ermit- telt werden, welche mit einer Soll-
Kontrastübertragungsfunktionskurve der Soll- Kontrastübertragungsfunktion verglichen werden kann. Der Soll-Kontrastwert bzw. die Soll-Kontrastübertragungsfunktion und ihre Soll-Kontrastübertragungsfunktionskurve charakteri¬ sieren dabei die Oberfläche in einem unverschmutzten Zustand. Nimmt die Verschmutzung der Oberfläche und somit des der Oberfläche zugeordneten Bewertungselements zu, so ist der tatsächlich erfasste Kontrastwert geringer als der Soll- Kontrastwert bzw. die Kontrastübertragungsfunktionskurve sinkt - eingetragen in ein entsprechendes Diagramm - unter die Soll- Kontrastübertragungsfunktionskurve . Je nach Abwei¬ chung des Kontrastwerts bzw. der Kontrastübertragungsfunkti- onskurve von dem Soll-Kontrastwert bzw. der Soll- Kontrast¬ übertragungsfunktionskurve können der Grad der Verschmutzung und somit die Notwendigkeit einer Reinigung der Oberfläche ermittelt werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als das Bewertungselement ein in einem Randbereich neben der Oberfläche angeordnetes Bewertungselement verwendet wird. Somit kann das Bewertungselement einerseits besonders nahe an der zu überprüfenden Oberfläche angeordnet werden, so dass besonders präzise auf den tatsächlichen Verschmutzungszustand der Ober¬ fläche rückgeschlossen werden kann. Andererseits kann eine unerwünschte bzw. eine unerwünscht großflächige Überdeckung der Oberfläche durch das Bewertungselement vermieden werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauelement als So¬ larmodul ausgebildet ist. Hierbei kann eine unerwünschte Ab¬ schattung einer Solarfläche und somit von Solarzellen des Solarmoduls vermieden werden. Das Bewertungselement kann auch auf die Oberfläche selbst aufgebracht sein. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass als das optische Erfassungselement eine Kamera mit einem Ob¬ jektiv mit variabler Brennweite verwendet wird. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Objektiv um ein Zoom-Objektiv, insbesondere um ein Telezoom-Obj ektiv, handeln. Mittels eines solchen Zoom-Objektivs sind auch mehrere, voneinander
beabstandete und jeweiligen Oberflächen zugeordnete Bewertungselemente mittels der Kamera erfassbar, so dass anhand jeweiliger, mittels der Kamera erfasster Bilder der jeweili- gen Bewertungselemente die jeweils zugeordneten Oberflächen im Rahmen des Verfahrens auf ihre jeweilige Verschmutzung überprüft werden können. Dadurch ist es möglich, eine besonders große Anzahl an voneinander beabstandet angeordneten Oberflächen mittels der einen Kamera zu überprüfen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kontrastwert, insbesondere die Kontrastübertragungsfunktion, in Abhängigkeit von der beim Erfassen des Bilds eingestellten Brennweite des Objektivs ermittelt wird. Hierbei ist es beispielsweise vorgese¬ hen, dass eine zur jeweiligen, eingestellten Brennweite gehörende Kontrastübertragungsfunktion des Objektivs berücksichtigt wird und in die Ermittlung der Kontrastübertragungsfunk- tion zum Ermitteln der Verschmutzung mit einfließt, so dass auch Abbildungsfehler einer Optik des Objektivs berücksichtigt werden. Somit kann die Gefahr, dass durch die Optik bewirkte Abbildungsfehler als Verschmutzung der Oberfläche interpretiert werden, besonders gering gehalten oder vermieden werden.
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das opti¬ sche Erfassungselement relativ zu dem Bauelement bewegt, ins¬ besondere verschwenkt wird. Mit anderen Worten ist das opti- sehe Erfassungselement relativ zu dem Bauelement bewegbar, insbesondere verschwenkbar. Dadurch kann mittels des einen optischen Erfassungselements eine Mehrzahl von Bewertungsele¬ menten erfasst werden, so dass jeweilige, zu den jeweiligen Bewertungselementen gehörende Oberflächen auf deren Ver- schmutzung überprüft werden können.
Zweckmäßigerweise ist zum Bewegen des optischen Erfassungs¬ elements wenigstens ein Stellglied, insbesondere ein Elektro¬ motor, vorgesehen, so dass eine automatische Bewegung des op- tischen Erfassungselements und somit eine automatisierte bzw. automatische Erfassung jeweiliger Bilder der jeweiligen Bewertungselemente realisierbar ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bewertungselement beim Erfassen des Bilds mit einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird. Hierdurch kann die Erfassung des Bilds auch bei dunklen Umgebungsbedingungen und insbesondere bei Nacht durchgeführt werden. Somit kann eine unerwünschte Abschattung des insbesondere als Solarmodul ausgebildeten Bauelements vermieden werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als die Beleuchtungseinrichtung ein Laser verwendet, mittels welchem wenigstens ein Laserstrahl zum Beleuchten des Bewertungselements emittiert wird. Hierdurch können auch besonders weit von der Beleuchtungseinrichtung beabstan- det angeordnete Bewertungselemente effektiv und effizient be¬ leuchtet werden, so dass auch von diesen Bewertungselementen Bilder erfasst werden können. Das Bewertungselement wird bei¬ spielsweise mit einem leicht aufgeweiteten Laserstrahl beleuchtet, dessen optische Achse vorzugsweise parallel und dicht neben der optischen Achse des beispielsweise als Kamera ausgebildeten optischen Erfassungselements angeordnet ist.
Zur Realisierung einer besonders präzisen Erfassung des Bilds kann vorgesehen sein, dass das Bewertungselement, insbesonde- re zumindest in einem seiner Bereiche, wenigstens ein Refle¬ xionselement, insbesondere einen Retroreflektor, aufweist, welches von der Beleuchtungseinrichtung ausgestrahltes Licht reflektiert. Mit anderen Worten dient das Reflexionselement zum Reflektieren wenigstens eines von der Beleuchtungsein- richtung ausgestrahlten Strahls, insbesondere Laserstrahls, wobei der Strahl bzw. Laserstrahl mittels des Reflexionsele¬ ments zum Erfassungselement reflektiert wird. Die Verwendung eines Retroreflektor hat insbesondere den Vorteil, dass der von der Beleuchtungseinrichtung zum Retroreflektor verlaufen- de Strahl zumindest nahezu exakt in die Richtung reflektiert, d.h. zurückgestrahlt wird, aus der Strahl kommt. Hierdurch geht auf dem Weg des Strahls von der Beleuchtungseinrichtung zum Reflexionselement und wieder zurück nur wenig Energie verloren, so dass auch weit von der Beleuchtungseinrichtung entfernte Reflexionselemente bzw. Bewertungselemente beleuch¬ tet werden können. Aus der Reflexion des wenigstens einen von der Beleuchtungs¬ einrichtung, insbesondere dem Laser, ausgehenden und zum Bewertungselement verlaufenden Strahls resultiert wenigstens ein vom Reflexionselement ausgehender und zum Erfassungsele¬ ment verlaufender Reflexionsstrahl. Insbesondere bei großer Entfernung hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der wenigstens eine Strahl und der wenigstens eine Re¬ flexionsstrahl zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Mit anderen Worten sind oder werden die Beleuchtungseinrichtung, das optische Erfassungselement und das Be- wertungselement mit dem Reflexionselement zumindest beim Er¬ fassen des Bilds derart zueinander ausgerichtet, dass sich ein zumindest im Wesentlichen paralleler Verlauf des Strahls und des Reflexionsstrahls ergibt. Der Retroreflektor ist somit besonders engwinklig zum Erfassungselement, insbesondere zu Kamera angeordnet. Aufgrund des parallelen Verlaufs geht nur sehr wenig Energie verloren, so dass auch besonders weit von der Beleuchtungseinrichtung und/oder von dem Erfassungselement angeordnete Bewertungsele- mente energieeffizient beleuchtet werden können.
Um ein Bild des Bewertungselements zu erfassen, mittels wel¬ chem die Verschmutzung besonders gut ermittelt werden kann, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das beispielsweise be- wegbare bzw. verschwenkbare Bauelement insbesondere in Form eines Solarmoduls derart auszurichten, dass das mit dem Bau¬ element mitbewegbare Bewertungselement zumindest im Wesentli¬ chen senkrecht zur optischen Achse der Kamera verläuft. Wird das Bild nachts erfasst, so wirkt sich diese Bewegung des als Solarmodul ausgebildeten Bauelements nicht negativ auf den Energieertrag aus . Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn als das Bewertungselement ein Linienraster mit variie¬ render Ortsfrequenz, insbesondere mit in eine Erstreckungs- richtung des Linienrasters zunehmender Ortsfrequenz, verwen- det wird. Mittels eines solchen Linienrasters kann der we¬ nigstens eine Kontrastwert, insbesondere die Kontrastübertra¬ gungsfunktion, besonders gut ermittelt werden, so dass aussa¬ gekräftige Ergebnisse über die Verschmutzung der Oberfläche realisiert werden können.
Darüber hinaus kann als das Bewertungselement ein sogenannter Siemensstern verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Winkel, unter dem die Oberfläche bzw. das Bewertungselement zur optischen Achse der Kamera steht, aus dem Verhältnis von Ellipsenachsen bzw. aus dem Verhältnis der höchsten zur niedrigsten Kontrastübertragungsfunktion errechnet werden kann. Erstreckt sich der Siemensstern zumindest im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse, so weist er bzw. sein Bild ei¬ ne im Wesentlichen kreisrunde Form auf. Ist der Siemensstern jedoch gegen die optische Achse aus der Senkrechten geneigt, so weist er die Form einer Ellipse auf, aus der schließlich der Winkel zwischen der optischen Achse und dem Siemensstern bzw. der Ebene, in der sich der Siemensstern erstreckt, ermittelt werden kann.
Zweckmäßig ist es ferner, als das Bewertungselement zumindest einen Teilbereich der Oberfläche selbst zu verwenden. Dadurch muss kein zusätzliches Bewertungselement vorgesehen werden. Vielmehr kann die Oberfläche selbst als Bewertungselement verwendet werden. Insbesondere bei einem Solarmodul weist die Oberfläche eine optische Struktur auf, da hinter einem trans¬ parenten Deckglas angeordnete Elemente wie beispielsweise So¬ larzellen zum Umwandeln von Licht in elektrischen Strom kontrastreiche Strukturen aufweisen, welche durch das Deckglas hindurch optisch wahrnehmbar sind und somit als Bewertungs¬ element verwendet werden können. Elektroden der Solarzellen sind beispielsweise als helle Strukturen optisch wahrnehmbar, wobei Silizium als demgegenüber dunkle Strukturen optisch wahrgenommen werden können.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche zumindest eines Bauelements. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung insbe¬ sondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dient. Die Vorrichtung umfasst wenigstens ein optisches Er¬ fassungselement, insbesondere eine Kamera, zum Erfassen eines Bilds eines der Oberfläche zugeordneten und wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Bereiche aufweisenden Bewertungselements. Die Kamera ist beispielsweise als Infrarotka¬ mera oder aber als Videokamera ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das Bild einer Bildverarbeitung zu unterziehen, mittels der Bildverarbeitung wenigstens einen einen Kontrast des Bilds charakterisierenden Kontrastwert zu ermitteln und die Verschmutzung in Abhängigkeit von dem er- mittelten Kontrastwert zu ermitteln. Vorteilhafte Ausgestal¬ tungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Die Vorrichtung ermöglicht eine besonders ein¬ fache, zeit- und kostengünstige Ermittlung der Verschmutzung, da das Bewertungselement und insbesondere eine Vielzahl von
Bewertungselementen unterschiedlicher Oberflächen von Bauteilen mittels der einen Vorrichtung und insbesondere automati¬ siert erfassbar ist bzw. sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorste¬ hend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. ung zeigt in: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Er¬ mitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche zumindest eines Bauelements in Form eines Solarmoduls, mit einem optischen Erfassungselement in Form einer Kamera zum Erfassen eines Bilds eines der Oberflä¬ che zugeordneten und wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Bereiche aufweisenden Bewertungs¬ elements gemäß einer ersten Ausführungsform, und mit einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das Bild einer Bildverarbeitung zu unterziehen, mittels der Bildverarbeitung wenigstens einen einen Kontrast des Bilds charakterisierenden Kontrastwert zu ermitteln und die Verschmutzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Kontrastwert zu ermitteln; eine schematische Draufsicht des Bewertungselements in einem unverschmutzten Zustand; eine schematische Draufsicht des Bewertungselements gemäß FIG 2a in einem demgegenüber verschmutzten Zustand; einen den Kontrast des Bilds charakterisierenden Verlauf, mittels welchem eine Kontrastübertragungs funktion des Bilds ermittelt wird, wobei in Abhän¬ gigkeit von der Kontrastübertragungsfunktion die Verschmutzung der Oberfläche ermittelt wird; eine schematische Draufsicht des Bewertungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei das Bewertungselement gemäß der zweiten Ausführungsform zumindest im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Kamera verläuft; FIG 4b eine weitere schematische Draufsicht des Bewer¬ tungselements gemäß der zweiten Ausführungsform, wobei sich das Bewertungselement gemäß FIG 4b nicht senkrecht zur optischen Achse der Kamera erstreckt;
FIG 5a eine schematische Draufsicht des Bewertungselements gemäß Fig. 4a in einem verschmutzten Zustand;
FIG 5b eine schematische Draufsicht des Bewertungselements gemäß Fig. 4a in einem unverschmutzten Zustand; und
FIG 6 ausschnittsweise eine weitere schematische Drauf¬ sicht des Solarmoduls, wobei als das Bewertungsele¬ ment zumindest ein Teilbereich der Oberfläche selbst verwendet wird.
FIG 1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche 12 eines Bauelements in Form eines im Ganzen mit 14 bezeichneten Solarmoduls. Das zuvor und im Folgenden zum Solarmodul 14 Geschilderte kann jedoch auch ohne weiteres auf anderweitige, eine flächige Erstreckung aufweisende Bauelemente wie Fassaden von Gebäuden, Sonnenkollektoren, Solarthermieanlagen, Spiegelsysteme zum Erhitzen von Medien, Sonnenwärmekraftwerke und/oder dergleichen übertragen werden.
Bei der Oberfläche 12 handelt es sich um eine sogenannte So¬ larfläche des Solarmoduls 14, in deren Bereich ein für Sonnenlicht durchlässiges Deckglas 16 sowie dahinter angeordnete Solarzellen des Solarmoduls 14 vorgesehen sind. Dadurch können die Solarzellen durch das Deckglas 16 hindurch mit Sonnenlicht bestrahlt werden und dadurch Licht in elektrische Energie umwandeln.
Die Oberfläche 12 (Solarfläche) wird in Umfangsrichtung voll¬ ständig umlaufend von einem Rahmen 18 des Solarmoduls 14 be¬ grenzt. Die Solarzellen erstrecken sich dabei bis zum Rahmen 18, wobei im Bereich des Rahmens 18 keine Umwandlung von Licht in Sonnenenergie stattfindet.
Die Vorrichtung 10 umfasst ein optisches Erfassungselement in Form einer Kamera 20, welche beispielsweise als Digitalkamera ausgebildet ist und ein sehr gutes optisches Auflösungsvermö¬ gen aufweist. Die Kamera 20 dient als zentraler, seriell ver¬ wendeter Verschmutzungssensor zum Ermitteln der Verschmutzung der Oberfläche 12 sowie gegebenenfalls zum Ermitteln von Ver- schmutzungen weiterer Solarflächen von von dem Solarmodul 14 beabstandeten Solarmodulen einer Solaranlage.
Bei großen Solaranlagen bzw. Solarfeldern ist die Verwendung eines elektrisch steuerbaren Telezoomobj ektivs 22 zweckmäßig. Die Kamera 20 wird derart auf einem Mast 24 der Vorrichtung 10 befestigt, dass sie das Solarmodul 14 überragt und dass sie möglichst viele Solarmodule des Solarfelds erfassen kann. Vorzugsweise ist die Kamera 20 in alle Richtungen gezielt re¬ lativ zum Solarmodul 14 verschwenkbar. Dabei ist die Kamera vorzugsweise derart auf dem Mast 24 angeordnet, dass mög¬ lichst viele Solarmodule mit ihrer Vorderseite in einem
Schwenkbereich der Kamera 20 zu erfassen sind. Weist das So¬ larfeld eine besonders große Ausdehnung auf, so können auch mehrere Kameras verwendet werden. Der Mast 24 sollte mög- liehst keinen oder nur einen geringen Schatten auf die jeweiligen Solarmodule des Solarfelds werfen.
Wie aus FIG 1 erkennbar ist, ist das Solarmodul 14 in seinen Randbereichen neben der Oberfläche 12 und vorliegend am Rah- men 18 mit Bewertungselementen 26 versehen. Wie im Folgenden noch erläutert wird, wird die Verschmutzung der Oberfläche 12 anhand wenigstens eines der Bewertungselemente 26 ermittelt. Die Bewertungselemente 26 sind beispielsweise Markierungs¬ schilder oder Etiketten, welche am Rahmen 18 befestigt, bei- spielsweise festgeklebt sind. Die Bewertungselemente 26 wei¬ sen jeweils ein Linienraster mit in Erstreckungsrichtung des jeweiligen Bewertungselements 26 abwechselnd schwarzen und weißen Streifen 28, 30 mit in Erstreckungsrichtung zunehmen- der Ortsfrequenz auf. Dies ist besonders gut aus FIG 2a er¬ kennbar. Dabei nimmt die Ortsfrequenz des Linienrasters bzw. der Streifen 28, 30 bezogen auf die Bildebene von FIG 2a von links nach rechts zu.
Wie aus FIG 1 erkennbar ist, sind die Bewertungselemente 26 derart an dem Solarmodul 14 angebracht, dass die Solarfläche (Oberfläche 12) und insbesondere die Solarzellen nicht abge¬ deckt werden. Diese Markierungsschilder sind kostengünstig und weisen insbesondere bei großen Solarfeldern eindeutige Kostenvorteile gegenüber Einzelsensoriken auf, die an jedem einzelnen Solarmodul des Solarfelds angebracht werden und de¬ ren Auswertesignale per Verkabelung zentral zusammengeführt werden müssen.
Die Vorrichtung 10 umfasst auch eine Auswerteeinrichtung 33, welche mit der Kamera 20 gekoppelt ist. Mittels der Kamera 20 ist wenigstens ein Bild zumindest eines der Bewertungselemen¬ te 26 erfassbar. Mit anderen Worten wird im Rahmen eines Ver- fahrens zum Ermitteln der Verschmutzung der Oberfläche 12 wenigstens ein Bild zumindest eines der Bewertungselemente 26 erfasst. Das Bild bzw. ein das Bild charakterisierendes Bild¬ signal wird an die Auswerteeinrichtung 33 übermittelt. Mit¬ tels der Auswerteeinrichtung 33 wird das Bild einer Bildver- arbeitung unterzogen. Mittels der Bildverarbeitung wiederum wird wenigstens ein einen Kontrast des Bilds charakterisie¬ render Kontrastwert ermittelt. Wie noch im Folgenden erläu¬ tert wird, werden mittels der Auswerteeinrichtung 33 mehrere, den Kontrast des Bilds charakterisierende Kontrastwerte und anhand dieser Kontrastwerte eine Kontrastübertragungsfunktion mit einer korrespondierenden Kontrastübertragungsfunktions- kurve ermittelt.
Die mittels der Vorrichtung 10 durchzuführende Verschmut- zungserkennung macht sich dabei zunutze, dass Verschmutzungen der Oberfläche 12 und somit der Bewertungselemente 26 den Kontrast, also das Verhältnis der hellen Stellen zu den dunk¬ len Stellen, d.h. das Verhältnis der weißen und somit hellen Streifen 30 zu den demgegenüber dunklen, schwarzen Streifen 28 vermindern, und zwar gleichgültig, ob es sich um helle, dunkle oder graue Verschmutzungen handelt. FIG 2a zeigt das Bewertungselement 26 in einem unverschmutzten Zustand. FIG 2b zeigt das Bewertungselement 26 in einem verschmutzten Zu¬ stand. Wie aus FIG 2b in Zusammenschau mit FIG 2a besonders gut zu erkennen ist, ist der Kontrast des Bewertungselements 26 und somit seines Bilds durch die Verschmutzungen herabge¬ setzt. Mit anderen Worten sind die schwarzen Streifen 28 nicht mehr so deutlich von den weißen Streifen 30 abgegrenzt wie es im unverschmutzten Zustand gemäß FIG 2a der Fall ist.
Anhand von FIG 3 ist die Ermittlung der Verschmutzung anhand der Ermittlung der zuvor genannten Kontrastübertragungsfunktion veranschaulicht. In der mathematischen Darstellung entspricht das Linienraster des Bewertungselements 26 gemäß FIG 2a einer Objektmodulation mit einem eckigen Kurvenverlauf 32. Durch den insbesondere durch die Verschmutzung bewirkten Kontrastverlust verändert sich dieser Kurvenverlauf. Der Kurven¬ verlauf des Bilds des verschmutzten Bewertungselements 26 ge¬ mäß FIG 2b kann beispielsweise im Rahmen einer Bildmodulation als Sinuskurve dargestellt werden. Die Modulationsübertra- gungsfunktion ergibt sich nun beispielsweise aus dem Verhält¬ nis des Bildkontrasts , d.h. des Kurvenverlaufs des Bilds des verschmutzten Bewertungselements 26 zu dem Objektkontrast, d.h. zu dem eckigen Kurvenverlauf 32 des Bilds des unver- schmutzten Bewertungselements 26.
Wie in FIG 3 durch punktierte Richtungspfeile veranschaulicht ist, ergibt sich aus dem eckigen Kurvenverlauf 32 eine Kon- trastübertragungsfunktionskurve 34, welche in einem Diagramm 36 den Verlauf des Kontrasts über den Linienpaaren pro Millimeter veranschaulicht. Der Kontrastübertragungsfunktionsver- lauf 34 korrespondiert dabei mit dem unverschmutzten Zustand. Kommt es zu einer zunehmenden Verschmutzung der Oberfläche 12 und somit des Bewertungselements 26, so kommt es zu einer Kontrastverringerung und einer damit einhergehenden Absenkung der Kontrastübertragungsfunktionskurve, wie es im Diagramm 36 durch eine weitere Kontrastübertragungsfunktionskurve 38 ver¬ anschaulicht ist. Mit anderen Worten kann anhand dessen, dass die Kontrastübertragungsfunktionskurve 38 unterhalb der Kon¬ trastübertragungsfunktionskurve 34 verläuft, darauf rückge- schlössen werden, dass eine Verschmutzung vorliegt.
Zum Erfassen des entsprechenden Bilds des Bewertungselements des zugehörigen Solarmoduls wird die Kamera 20 als zentrale Sensoreinheit per Aktorik automatisch auf das zu überprüfende Solarmodul des Solarfelds gerichtet, so dass mittels der Aus¬ werteeinrichtung 33 über die Kontrastübertragungsfunktions¬ kurve der Verschmutzungsgrad ermittelt wird, bevor die Kamera 20 das nächste Solarmodul anvisiert. Der Standort der einzelnen Solarmodule und damit die Richtung und die Entfernung vom Standort der Kamera 20 wird entweder bei Inbetriebnahme der Vorrichtung 10 einmal programmiert. Alternativ kann eine Kamerasteuerung die Standorte der Solarmodule über Mustererkennung selbständig lernen. Weit entfern- te Solarmodule bzw. deren jeweiliges Bewertungselement können mittels der Kamera 20 über die Verwendung des automatisch gesteuerten Telezoomobj ektivs 22 auf gleiche Abbildungsgröße gebracht werden, so dass die Ergebnisse über die Verschmut¬ zung der jeweiligen Solarmodule vergleichbar sind. Als Alter- native können mit zunehmender Entfernung des Solarmoduls zur Kamera 20 Markierungskontraststreifen bzw. Bewertungselemente mit entsprechend niedrigerer Ortsfrequenz verwendet werden, um ein entfernungsbedingtes, optisches Zusammenrücken der schwarzen und weißen Streifen 28, 30 zu kompensieren.
Das Telezoomobj ektiv 22 weist eine variable, d.h. einstellba¬ re Brennweite auf. Dabei ist es zweckmäßig, die Kontrastüber¬ tragungsfunktion auch in Abhängigkeit von der beim Erfassen des Bilds eingestellten Brennweite des Telezoomobj ektivs 22 zu ermitteln. Mit anderen Worten wird eine zur jeweilig aktu¬ ell eingestellten Brennweite des Telezoomobj ektivs 22 gehö¬ rende Kontrastübertragungsfunktion des Telezoomobj ektivs 22 mit in die resultierende Gesamtkontrastübertragungsfunktion eingerechnet .
Bei Solarmodulen, die dem Sonnenstand nachgeführt werden, ist es zweckmäßig, wenn die Streifen 28, 30 bzw. die Bewertungs¬ elemente 26 mit Linienraster eine größere Ortsfrequenzspanne aufweisen, um für die bei schrägem Betrachtungs- bzw. Erfassungswinkel zusammengerückt erscheinenden Streifen 28, 30 noch auswertbare Streifenabstände zur Verfügung zu haben. Bei der Ermittlung der Kontrastübertragungsfunktion bzw. der Kon- trastübertragungsfunktionskurve ist es zweckmäßig, den Winkel des jeweiligen Solarmoduls bzw. des jeweiligen Bewertungsele¬ ments zur Kamera 20, insbesondere zu ihrer optischen Achse, unter Berücksichtigung der Tageszeit und Zeitgleichung der Sonne (jahreszeitliches Sonnenstandsverhalten) am Aufstellort mit einzurechnen.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, Markierungskontraststreifen zu verwenden, bei denen beispielsweise die weißen Streifen 30 durch retroreflektierendes Material gebildet bzw. ersetzt sind. Die Verschmutzungsmessung kann insbesondere auch nachts durchgeführt werden. Dazu werden die Solarmodule mit leicht aufgeweitetem Laserstrahl, dessen optische Achse zumindest im Wesentlichen parallel und dicht neben der optischen Achse der Kamera 20 liegt, beleuchtet. Vorzugsweise werden zur Ver¬ schmutzungserkennung die Solarmodule und insbesondere ihr je¬ weiliges Bewertungselement zumindest im Wesentlichen senk¬ recht zur optischen Achse der Kamera 20 bewegt. Die Ver¬ schmutzungsmessung bei Nacht hat den Vorteil, dass der Mast 24 der Kamera 20 keinen Schatten auf die Solarmodule werfen kann. Vorzugsweise wird der Mast 24 dann erst zur Messung in der Nacht aufgerichtet oder teleskopisch, d.h. teleskopartig, ausgefahren . Anhand von FIG 4a und 4b ist die Verwendung des Bewertungs¬ elements 26 gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Anstelle der linearen Markierungskontraststreifen bzw. der linearen Linienraster können auch Siemenssterne Verwen- dung finden. Mit anderen Worten ist das Bewertungselement 26 gemäß FIG 4a und 4b als Siemensstern ausgebildet. Aus FIG 4a ist erkennbar, dass der Siemensstern in dem mittels der Kamera 20 erfassten Bild eine im Wesentlichen kreisrunde Form aufweist, wenn sich der Siemensstern (das Bewertungselement 26) zumindest im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Kamera 20 erstreckt. Erstreckt sich der Siemensstern schräg zur optischen Achse, so weist er eine elliptische Form auf, wie aus FIG 4b erkennbar ist. Die Verwendung eines sol- chen Siemenssterns hat den Vorteil, dass der Winkel zwischen der optischen Achse und dem Siemensstern und somit zwischen der optischen Achse und dem Solarmodul aus dem Verhältnis von Ellipsenachsen der Ellipse bzw. aus dem Verhältnis der höchsten zur niedrigsten Kontrastübertragungsfunktion errechnet werden kann.
FIG 5a zeigt den Siemensstern in verschmutztem Zustand, wobei FIG 5b den Siemensstern in demgegenüber weniger oder nicht verschmutztem Zustand zeigt.
Anstelle der Positionierung des Bewertungselements 26 im Randbereich und insbesondere am Rahmen 18 des Solarmoduls 14 kann auch vorgesehen sein, dass das Bewertungselement 26 seitlich neben dem Solarmodul 14, jedoch mit diesem mitbeweg- bar angeordnet wird.
Aus FIG 6 ist erkennbar, dass als Bewertungselement 26 auch zumindest ein Teilbereich der Oberfläche 12 selbst verwendet werden kann. Durch das transparente Deckglas 16 sind Struktu- ren der Solarzellen erkennbar, welche einen optischen Kontrast aufweisen und somit als Messfläche verwendet werden können. Dies bietet den Vorteil, dass Verschmutzungen auf der tatsächlich aktiven Solarfläche bzw. Solarzellen-Fläche ohne weitere Modifikation des Solarmoduls 14 ermittelt werden kann. Die aus FIG 6 erkennbaren, optischen Strukturen werden durch Elektroden sowie durch Silizium der Solarzellen gebildet, wobei helle Strukturen durch die Elektroden und demge¬ genüber dunkle Strukturen durch das Silizium gebildet werden. Im Rahmen des Verfahrens wird die Kontrastübertragungsfunkti¬ on zur Realisierung einer einfachen, kostengünstigen und zentralen Verschmutzungserkennung genutzt. So ist es möglich, auch eine Vielzahl von Solarmodulen und/oder anderweitige, flächige Bauelemente auf einfache Weise zu überprüfen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche (12) zumindest eines Bauelements (14), bei welchem ein Bild eines der Oberfläche (12) zugeordneten und wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Bereiche (28, 30) aufwei¬ senden Bewertungselements (26) mittels eines optischen Erfas¬ sungselements (20) erfasst und mittels einer Auswerteeinrich¬ tung (33) einer Bildverarbeitung unterzogen wird, mittels welcher wenigstens ein einen Kontrast des Bilds charakteri¬ sierender Kontrastwert ermittelt wird, wobei die Verschmut¬ zung in Abhängigkeit von dem ermittelten Kontrastwert ermit¬ telt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (33) in Abhängigkeit von dem erfassten Bild eine Kontrast¬ übertragungsfunktion ermittelt wird, wobei die Verschmutzung in Abhängigkeit von der ermittelten Kontrastübertragungsfunk- tion ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass als das Bewertungselement (26) ein in einem Randbereich neben der Oberfläche (12) angeordne- tes Bewertungselement (26) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das optische Erfassungsele¬ ment (20) eine Kamera (20) mit einem Objektiv (22) mit vari- abler Brennweite verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrastwert, insbesondere die Kontrastübertragungsfunktion, in Abhängigkeit von der beim Erfassen des Bilds eingestellten Brennweite des Objektivs (22) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungselement (20) relativ zu dem Bauelement (14) bewegt, insbesondere ver¬ schwenkt, wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewertungselement (26) beim Erfassen des Bilds mit einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass als die Beleuchtungseinrichtung ein Laser verwendet wird, mittels welchem wenigstens ein La¬ serstrahl zum Beleuchten des Bewertungselements (26) emit- tiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bewertungselement wenigstens ein Reflexionselement, insbesondere einen Retroreflektor, zum Reflektieren wenigstens eines von der Beleuchtungseinrichtung ausgestrahlten Strahl zum Erfassungselement aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine von der Be- leuchtungseinrichtung ausgestrahlte Strahl und wenigstens ein aus der Reflexion des wenigstens einen Strahls resultierender Reflexionsstrahl parallel zueinander verlaufen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das Bewertungselement (26) ein Linienraster mit variierender Ortsfrequenz, insbesondere mit in eine Erstreckungsrichtung des Linienrasters zunehmender Ortsfrequenz und/oder ein Siemensstern und/oder zumindest ein Teilbereich der Oberfläche (12) selbst verwendet wird.
12. Vorrichtung (10) zum Ermitteln einer Verschmutzung einer Oberfläche (12) zumindest eines Bauelements (14), mit einem optischen Erfassungselement (20) zum Erfassen eines Bilds ei- nes der Oberfläche (12) zugeordneten und wenigstens zwei von¬ einander unterschiedliche Bereiche (28, 30) aufweisenden Be¬ wertungselements (26) und mit einer Auswerteeinrichtung (33), welche dazu ausgebildet ist, das Bild einer Bildverarbeitung zu unterziehen, mittels der Bildverarbeitung wenigstens ein einen Kontrast des Bilds charakterisierenden Kontrastwert zu ermitteln und die Verschmutzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Kontrastwert zu ermitteln.
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