WO2023118260A1 - Verfahren zum abschätzen eines zustandes eines direktstrahlungssensors - Google Patents

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Stefan Wilbert
Fabian Wolfertstetter
Karsten Schmidt
Erik Borg
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a state of a direct radiation sensor.
  • Direct radiation sensors such as pyrheliometers or sun photometers are used in particular in concentrating or tracking solar power plants to determine the direct radiation. For this purpose, they track the sun during the day.
  • the invention is defined by the features of claim 1.
  • the method according to the invention for estimating a state of a direct radiation sensor comprises the following steps: a) aligning the direct radiation sensor and a source of specified electromagnetic radiation with one another, b) irradiating the direct radiation sensor with the specified electromagnetic radiation at a point in time and/or in an environment with low ambient radiation , c) detecting at least one measured value by means of the direct radiation sensor during the irradiation, d) determining at least one item of status information of the direct radiation sensor from the detected at least one measured value by comparison with at least one previously determined comparison value.
  • a direct radiation sensor tracks the position of the sun during a measurement process or a measurement routine and is thus moved during the process. Due to the fact that according to the invention the direct radiation sensor is irradiated with a predetermined electromagnetic radiation, with a low level of ambient radiation prevailing, the irradiation takes place under comparable conditions, it being ensured that essentially only the predetermined electromagnetic radiation is emitted in the direction of the direct radiation sensor and detected by it becomes.
  • Low ambient radiation is understood to mean radiation which is, for example, less than 1% of the ambient radiation prevailing on an average day.
  • step a) the direct radiation sensor is preferably moved and aligned with the source of predetermined electromagnetic radiation.
  • the source it is also possible for the source to be moved by predetermined electromagnetic radiation.
  • the alignment position is a parking position of the direct radiation sensor.
  • Direct radiation sensors always track the sun. At sunset or at other times defined by the measurement routine, the direct irradiance sensors are moved to a parking position in which the sensor is aimed at a specific position. This parking position can therefore also be used to carry out the method according to the invention.
  • the source of predetermined electromagnetic radiation is arranged in such a way that it is aligned towards the direct radiation sensor while it is in its parking position.
  • the parking position can be, for example, a position in which the direct radiation sensor is oriented to the east and towards the horizon.
  • This usual parking position also has the advantage, for example, that the source of predetermined electromagnetic radiation can be arranged in a simple manner by being arranged horizontally, i.e. that the main direction of radiation is in the horizontal direction.
  • Step b) is preferably carried out at night. Nighttimes are the times when there is sufficient darkness so that the ambient radiation is low. In this way, it is ensured with relatively little effort that there is little ambient radiation when carrying out steps b) and c).
  • an environment with low ambient radiation is generated by a sleeve, by means of which the source and the direct radiation sensor are connected.
  • the sleeve can be used to create a space that is essentially sealed off from the environment, so that little or no ambient radiation can reach the direction of the direct radiation sensor.
  • the sleeve can, for example, be arranged at the source of electromagnetic radiation and, after the direct radiation sensor has been aligned with the source, pushed in the direction of the direct radiation sensor until an entry window of the direct radiation sensor is surrounded by the sleeve.
  • the method can therefore also be carried out at times other than at night.
  • the specified electromagnetic radiation is generated by means of at least one laser diode or one LED.
  • the source of specified electromagnetic radiation has at least one laser diode or at least one LED.
  • Electromagnetic radiation can be specified in a particularly advantageous manner by means of laser diodes or LEDs.
  • a value for the ambient radiation is recorded via a control instrument during step b) or c), the value for the ambient radiation being taken into account when determining the at least one item of status information of the direct radiation sensor.
  • the value for the ambient radiation being taken into account when determining the at least one item of status information of the direct radiation sensor.
  • At the Determining the at least one item of status information in step d) can now use this value either to correct the at least one previously recorded measured value or it can be determined, for example, that the corresponding measured values are to be discarded.
  • the comparison value is determined using the same or a comparable source of specified electromagnetic radiation. This ensures that the comparison value can be used in a particularly advantageous manner in step d) without correction factors being required, for example.
  • the single figure shows a direct radiation sensor aligned with a source of specified electromagnetic radiation.
  • a direct radiation sensor 1 is shown, which is arranged on a so-called solar tracker 5 .
  • the solar tracker 5 is mounted on a base part 7 and can track the sun. In this way, the direct radiation sensor 1 also tracks the sun.
  • Attached to the base 7 is a bracket 9 which carries a source 3 of predetermined electromagnetic radiation.
  • the source 3 is aligned in such a way that the specified electromagnetic radiation is emitted in the horizontal direction, as indicated by an arrow.
  • the direct radiation sensor 1 is shown in its parked position, in which it is also horizontal and aligned with the source 3 of predetermined electromagnetic radiation.
  • the source 3 of electromagnetic radiation emits the specified electromagnetic radiation in the direction of an entrance window 11 of the direct radiation sensor 1.
  • the source 3 can have an LED, for example, which generates the specified electromagnetic radiation.
  • the direct radiation sensor 1 is now moved into the parking position shown in the figure, so that it is aligned with the source 3 .
  • the specified electromagnetic radiation from the source 3 is radiated in the direction of the direct radiation sensor 1 and at least one measured value is recorded by means of the direct radiation sensor 1 during the irradiation.
  • status information of the direct radiation sensor 1 can be determined by a comparison with a previously determined comparative value. For example, it can be determined whether the entry window 11 is excessively soiled if, for example, the determined measured value is significantly lower than the previously determined comparison value.

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Abstract

Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines Direktstrahlungssensors (1), umfassend die folgenden Schritte: a) Ausrichten des Direktstrahlungssensors (1) und einer Quelle (3) von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung zueinander, b) Bestrahlen des Direktstrahlungssensors (1) mit der vorgegebenen elektromagnetischen Strahlung zu einem Zeitpunkt und/oder in einer Umgebung mit geringer Umgebungsstrahlung, c) Erfassen mindestens eines Messwertes mittels des Direktstrahlungssensors (1) während des Bestrahlens, d) Bestimmen mindestens einer Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors (1) aus den erfassten mindestens einen Messwert durch Vergleich mit mindestens einem zuvor ermittelten Vergleichswert.

Description

Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines Direktstrahlunqssensors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines Direktstrahlungssensors. Direktstrahlungssensoren wie beispielsweise Pyrheliometer oder Sonnenphotometer werden insbesondere bei konzentrierenden oder nachgeführten Solarkraftwerken verwendet, um die Direktstrahlung zu bestimmen. Dafür werden diese am Tage der Sonne nachgeführt.
Da Direktstrahlungssensoren draußen verwendet werden und somit Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, ist bisher eine regelmäßige Inspektion und Reinigung erforderlich, um den Einfluss von Verschmutzungen bei der Messung gering zu halten.
Bei bisherigen Verfahren zur Direktstrahlungsmessung ist es jedoch schwierig festzustellen, zu welchem Zeitpunkt ein Verschmutzungsgrad von Eintrittsfenstern der Direktstrahlungssensoren eine Reinigung erforderlich machten, sodass häufig das Reinigungsintervall zu klein gewählt wird. Auch ist es schwierig festzustellen, ob eventuell Defekte an einem Direktstrahlungssensor vorliegen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem der Zustand eines Direktstrahlungssensors in vorteilhafter Weise ermittelbar ist.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschätzen eines Zustands eines Direktstrahlungssensors umfasst die folgenden Schritte: a) Ausrichten des Direktstrahlungssensors und einer Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung zueinander, b) Bestrahlen des Direktstrahlungssensors mit der vorgegeben elektromagnetischen Strahlung zu einem Zeitpunkt und/oder in einer Umgebung mit geringer Umgebungsstrahlung, c) Erfassen mindestens eines Messwertes mittels des Direktstrahlungssensors während des Bestrahlens, d) Bestimmen mindestens einer Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors aus dem erfassten mindestens einem Messwert durch Vergleich mit mindestens einem zuvor ermittelten Vergleichswert.
Ein Direktstrahlungssensor wird während eines Messvorgangs bzw. einer Messroutine dem Sonnenstand nachgeführt und somit währenddessen bewegt. Dadurch, dass gemäß der Erfindung der Direktstrahlungssensor mit einer vorgegebenen elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird, wobei eine geringe Umgebungsstrahlung herrscht, erfolgt die Bestrahlung unter vergleichbaren Bedingungen, wobei sichergestellt ist, dass im Wesentlichen nur die vorgegebene elektromagnetische Strahlung in Richtung des Direktstrahlungssensors ausgestrahlt und von diesem erfasst wird. Unter geringer Umgebungsstrahlung wird eine Strahlung verstanden, die beispielsweise weniger als 1 % der an einem durchschnittlichen Tag herrschenden Umgebungsstrahlung beträgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise festgestellt werden, in was für einem Zustand der Direktstrahlungssensor ist, beispielsweise, ob ein Eintrittsfenster des Direktstrahlungssensors verschmutzt ist oder ob beispielsweise Korrosionen an dessen Kontakten entstanden sind. In Schritt a) wird vorzugsweise der Direktstrahlungssensor bewegt und zu der Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung bewegt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Direktstrahlungssensor in eine vorgegebene Ausrichtungsposition bewegt wird, in der er zu der Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtungsposition eine Parkposition des Direktstrahlungssensors ist.
Direktstrahlungssensoren werden grundsätzlich der Sonne nachgeführt. Bei Sonnenuntergang oder zu anderen, durch die Messroutine definierten Zeitpunkten werden die Direktstrahlungssensoren in eine Parkposition bewegt, in der der Sensor in einer bestimmten Position gerichtet ist. Diese Parkposition kann somit zusätzlich genutzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dazu wird die Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung entsprechend angeordnet, dass diese während der Direktstrahlungssensor in seiner Parkposition ist, zu diesem hin ausgerichtet ist.
Die Parkposition kann beispielsweise eine Position sein, in der der Direktstrahlungssensor nach Osten und zum Horizont hin ausgerichtet ist. Diese übliche Parkposition hat z.B. auch den Vorteil, dass die Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung auf einfache Art und Weise angeordnet werden kann, indem diese horizontal angeordnet ist, d.h. dass die Hauptabstrahlungsrichtung in horizontaler Richtung erfolgt.
Vorzugsweise wird Schritt b) zu Nachtzeiten durchgeführt. Unter Nachtzeiten werden die Zeiten verstanden, zu denen eine ausreichende Dunkelheit vorliegt, so dass die Umgebungsstrahlung gering ist. Auf diese Weise wird mit relativ geringem Aufwand sichergestellt, dass beim Durchführen der Schritte b) und c) eine geringe Umgebungsstrahlung vorliegt.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Umgebung mit geringer Umgebungsstrahlung durch eine Hülse erzeugt wird, mittels der die Quelle und der Direktstrahlungssensor verbunden werden. Mit anderen Worten: Mittels der Hülse kann ein gegenüber der Umgebung im Wesentlichen abgeschotteter Raum geschaffen werden, sodass keine oder nur geringe Umgebungsstrahlung in Richtung des Direktstrahlungssensor gelangen kann. Die Hülse kann beispielsweise an der Quelle von elektromagnetischer Strahlung angeordnet sein und nach Ausrichten des Direktstrahlungssensors mit der Quelle in Richtung des Direktstrahlungssensors geschoben werden, bis ein Eintrittsfenster des Direktstrahlungssensors von der Hülse umgeben ist.
Somit kann das Verfahren auch zu anderen Zeiten als zu Nachtzeiten durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die vorgegebene elektromagnetische Strahlung mittels mindestens einer Laserdiode oder einer LED erzeugt wird. Mit anderen Worten: Die Quelle von vorgegebener elektromagnetsicher Strahlung weist mindestens eine Laserdiode oder mindestens eine LED auf. Mittels Laserdioden oder LEDs lässt sich in besonders vorteilhafter Weise eine elektromagnetische Strahlung vorgeben.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass über ein Kontrollinstrument während Schritt b) oder c) ein Wert für die Umgebungsstrahlung erfasst wird, wobei der Wert für die Umgebungsstrahlung bei dem Bestimmen der mindestens einen Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors berücksichtigt wird. Mit anderen Worten: Es wird festgestellt, ob und in welcher Größe eine Umgebungsstrahlung vorliegt. Beim Bestimmen der mindestens einen Zustandsinformation in Schritt d) kann nun anhand dieses Wertes entweder der mindestens eine zuvor erfasste Messwert korrigiert werden oder es kann beispielsweise festgestellt werden, dass die entsprechenden Messwerte zu verwerfen sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Vergleichswert in einem unverschmutzten Zustand des Direktstrahlungssensors ermittelt wird. Beispielsweise bei einer Neuinstallation des Direktstrahlungssensors oder nach einer Reinigung des Direktstrahlungssensors kann somit ein Vergleichswert ermittelt werden, der dann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Vergleichswert unter Laborbedingungen ermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Vergleichswert mit derselben oder einer vergleichbaren Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ermittelt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Vergleichswert in besonders vorteilhafter Weise in Schritt d) verwendet werden kann, ohne dass es beispielsweise Korrekturfaktoren benötigt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Direktstrahlungssensor im ausgerichteten Zustand zu einer Quelle von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung.
In der einzigen Figur ist ein Direktstrahlungssensor 1 dargestellt, der an einem sogenannten Solartracker 5 angeordnet ist. Der Solartracker 5 ist an einem Basisteil 7 gelagert und kann der Sonne nachgeführt werden. Auf diese Weise wird der Direktstrahlungssensor 1 ebenfalls der Sonne nachgeführt. An dem Basisteil 7 ist eine Halterung 9 befestigt, die eine Quelle 3 von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung trägt. Die Quelle 3 ist derart ausgerichtet, dass die vorgegebene elektromagnetische Strahlung in horizontaler Richtung ausgestrahlt wird, wie durch einen Pfeil angedeutet ist.
Der Direktstrahlungssensor 1 ist in seiner Parkposition gezeigt, in der dieser ebenfalls horizontal und zu der Quelle 3 von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet ist. Die Quelle 3 von elektromagnetischer Strahlung strahlt die vorgegebene elektromagnetische Strahlung in Richtung zu einem Eintrittsfenster 11 des Direktstrahlungssensors 1.
Die Quelle 3 kann beispielsweise eine LED aufweisen, die die vorgegebene elektromagnetische Strahlung erzeugt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nun der Direktstrahlungssensor 1 in die in der Figur gezeigte Parkposition bewegt, sodass dieser mit der Quelle 3 ausgerichtet ist. Beispielsweise zu Nachtzeiten wird die vorgegebene elektromagnetische Strahlung der Quelle 3 in Richtung auf den Direktstrahlungssensor 1 abgestrahlt und während des Bestrahlens mindestens ein Messwert mittels des Direktstrahlungssensors 1 erfasst.
Anhand dieses Messwerts kann durch einen Vergleich mit einem zuvor ermittelten Vergleichswert eine Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors 1 bestimmt werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob das Eintrittsfenster 11 in einem übermäßigen Maße verschmutzt ist, wenn beispielsweise der ermittelte Messwert deutlich geringer als der zuvor ermittelte Vergleichswert ist.
Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Art und Weise eine Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors 1 ermittelt werden. Bezuaszeichenliste Direktstrahlungssensor Quelle Solartracker Basisteil Halterung Eintrittsfenster

Claims

8
Patentansprüche Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines Direktstrahlungssensors (1), umfassend die folgenden Schritte: a) Ausrichten des Direktstrahlungssensors (1) und einer Quelle (3) von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung zueinander, b) Bestrahlen des Direktstrahlungssensors (1) mit der vorgegebenen elektromagnetischen Strahlung zu einem Zeitpunkt und/oder in einer Umgebung mit geringer Umgebungsstrahlung, c) Erfassen mindestens eines Messwertes mittels des Direktstrahlungssensors (1) während des Bestrahlens, d) Bestimmen mindestens einer Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors (1) aus dem erfassten mindestens einen Messwert durch Vergleich mit mindestens einem zuvor ermittelten Vergleichswert. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktstrahlungssensor (1) in eine Ausrichtungsposition bewegt wird, in der der Direktstrahlungssensor (1) zu der Quelle (3) von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet ist. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungsposition eine Parkposition des Direktstrahlungssensors (1) ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) zu Nachtzeiten durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Umgebung mit geringer Umgebungsstrahlung durch eine Hülse erzeugt wird, mittels der die Quelle (3) und der Direktstrahlungssensors (1) verbunden werden. 9 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene elektromagnetische Strahlung mittels mindestens einer Laserdiode oder mindestens einer LED erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Kontrollmessinstrument während Schritt b) oder c) ein Wert für die Umgebungsstrahlung erfasst wird, wobei der Wert für die Umgebungsstrahlung bei dem Bestimmen der mindestens einen Zustandsinformation des Direktstrahlungssensors (1) berücksichtigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert in einem un verseh mutzten Zustand des Direktstrahlungssensors (1) ermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert mit derselben oder einer vergleichbaren Quelle (3) von vorgegebener elektromagnetischer Strahlung ermittelt wird.
PCT/EP2022/087173 2021-12-21 2022-12-21 Verfahren zum abschätzen eines zustandes eines direktstrahlungssensors WO2023118260A1 (de)

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