Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Winkelsensor, ein Verfahren zum Positionieren zumindest eines Teilelementes einer Solaranlage, ein Computerprogrammprodukt, sowie auf eine Solaranlage gemäß den Hauptansprüchen. Bei einer herkömmlichen Solaranlage erfolgt eine Nachführung nach dem Stand der Sonne durch eine Anordnung von Fotodioden, die meist solange kein elektrisches Signal abgeben, bis aufgrund der Erdrotation der Schatten gewandert ist und eine der Dioden beleuchtet. Durch das Signal wird die Solaranlage solange der Sonne nachgeführt, bis der Schatten erneut auf die Diode fällt. Die damit zu erreichende Positioniergenauigkeit kann nur in größe- ren Schritten implementiert werden und ist überdies mangelhaft.

Es ist die Aufgäbe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Solaranlage, ein verbessertes Verfahren zum Nachführen einer Solaranlage, sowie einen verbesserten Sonnenstandsensor bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Winkelsensor, ein Verfahren zum Positionieren zumindest eines Teilelementes einer Solaranlage, ein Computerprogrammprodukt, sowie eine Solaranlage gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Teile einer Solaranlage, die Sonnenlicht in einem Brennpunkt bündeln können, eine sehr geringe Toleranz gegenüber einer Winkelabweichung zwischen einem Einfallsrichtung des Sonnenlichts und einer Ausrichtung der Solaranlage aufweisen. So ist es vorteilhaft eine Winkeldifferenz zwischen der Ausrichtung der Solaranlage und einem Referenzwinkel zwischen der Einfallsrichtung des l Sonnenlichts und einem theoretischen Idealwinkel der Solaranlage möglichst gering zu halten. Um eine Regelung der tatsächlichen Ausrichtung sicher zu ermöglichen ist eine Verwendung hochwertiger Sensoren erforderlich. Darüber hinaus kann es beispielsweise aus Gründen einer thermischen Stabilität der Anlagen erforderlich sein, eine vorab festgelegte Abweichung von dem theoretischen Idealwinkel einzuhalten.

Vorteilhafterweise ermöglicht ein Winkelsensor gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine sichere und schnelle Erkennung eines Winkels zwischen einer Ausrichtung des Sensors und einer Lichteinfallrichtung. Damit kann beispielweise ein Zahlenwert der Abweichung zur Ver- fügung gestellt werden. Mithilfe dieses Sensors und dem bereitgestellten Wert kann eine

Solaranlage einem vorgegebenen Winkel zwischen der Lichteinfallsrichtung und der Ausrichtung der Solaranlage einfach und sicher nachgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft einen optischen Winkelsensor zum Bestimmen eines Win- kels zwischen einer Richtung zu einer Lichtquelle und einer Ausrichtung des Winkelsensors, wobei der Winkelsensor die folgenden Merkmale aufweist:

ein lichtundurchlässiges Gehäuse, das in einer Wand eine lichtdurchlässige Öffnung aufweist; und

einen Sensor, wobei der Sensor ein elektronischer Lichtdetektor ist, der innerhalb des Ge- häuses an einer, der Öffnung gegenüberliegenden Wand des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Sensor ausgebildet ist, um unter Verwendung einer Position eines durch die Öffnung auf den Sensor treffenden Lichtstrahls ein elektrisches Signal zu erzeugen, das einen Winkels zwischen einer Richtung zu der Lichtquelle und einer Ausrichtung des Winkelsensors repräsentiert.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Positionieren zumindest eines Teilelementes einer Solaranlage, wobei das Verfahren

einen Schritt des Empfangens eines elektrischen Signals von einem Winkelsensor aufweist, wobei das Signal einen Winkel zwischen einer Richtung zu einer Lichtquelle und einer Aus- richtung des Winkelsensors repräsentiert; und

einen Schritt des Nachführens zumindest des Teilelementes der Solaranlage aufweist, um den Winkelsensor ansprechend auf eine Abweichung des Winkels von einem vorgegebenen Sollwinkel in eine vorbestimmte Beziehung zur Lichtquelle auszurichten. Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Solaranlage, mit folgenden Merkmalen: einer Sammeleinrichtung für Lichtstrahlen einer Lichtquelle, wobei die Sammeleinrichtung ausgebildet ist, um Lichtstrahlen zu konzentrieren, wobei die Sammeleinrichtung der Lichtquelle nachführbar ausgeführt ist;

einer Absorptionseinrichtung, die ausgebildet ist, um Energie von den konzentrierten Lichtstrahlen aufzunehmen;

eine Nachführeinrichtung, die ausgebildet ist, um die Sammeleinrichtung der Lichtquelle nachzuführen; und einen optischen Winkelsensor gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, wobei der Winkelsensor mit der Nachführeinrichtung verbunden ist und ausgebildet ist, um der Nachführeinrichtung ein Führungssignal zum Nachführen bereitzustellen, wobei der Winkelsensor winkelfest mit der Sammeleinrichtung verbunden ist.

Eine Solaranlage kann bewegliche Teilelemente aufweisen. Ein bewegliches Teilelement kann beispielsweise eine Parabolrinne, ein Fresnelspiegel, ein Photovoltaikmodul oder ein Parabolspiegel sein. Ein bewegliches Teilelement kann einer Lichtquelle nachgeführt werden. Eine Lichtquelle kann beispielsweise die Sonne sein. Zum Nachführen kann von der Lichtquelle Licht auf den Winkelsensor und durch die Öffnung in der Wand des Gehäuses, die als Blende ausgeführt sein oder verstanden werden kann, auf den Sensor fallen. Der Sensor kann innerhalb des Gehäuses mit einem vorgegebenen Abstand zu der Öffnung an- geordnet sein. Dabei kann der Abstand eine seitliche Auslenkung der Position des Lichtstrahls auf dem Sensor beeinflussen. Je größer der Abstand ist, umso größer kann die Auslenkung sein. Ein elektrisches Signal kann ein analoger Spannungs- oder Stromwert sein, das elektrische Signal kann auch in binärer Form vorliegen. Das Nachführen kann in Winkelschritten erfolgen. Je größer die Abweichung vom Sollwinkel ist, umso größer kann der nachzuführende Winkelschritt sein. Die vorbestimmte Beziehung kann eine Ausrichtung direkt auf die Lichtquelle bedeuten, ebenso kann die vorbestimmte Beziehung eine Abweichung von der direkten Ausrichtung sein, beispielsweise um die reflektierten Lichtstrahlen zusammen mit einem beweglichen Teil der Solaranlage auf einen bestimmten-Ort zu konzentrieren. Eine Sammeleinrichtung kann ein Spiegel, ein konzentrierender Spiegel oder Teile eines konzentrierenden Spiegels sein, die als planare Spiegel ausgebildet sein können; ebenso kann die Sammeleinrichtung eine Linse oder Teile einer Linse sein. Auch kann der bewegliche Teil der Solaranlage ein Photovoltaik-Modul sein. Dabei kann eine Geometrie der Sammeleinrichtung oder eine Kombination von Geometrien mehrerer beweglicher Teile der Solaranlage einen Ort bestimmen, an dem das Licht konzentriert wird. Die Sammeleinrich- tung kann in einer oder mehreren Achsen beweglich sein. Die Absorptionseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, Licht in Wärme umzuwandeln. Die Absorptionseinrichtung kann ebenso dazu ausgebildet sein, Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Auch kann in der Absorptionseinrichtung eine chemische Reaktion durch das Licht ausgelöst werden. Die Nachführeinrichtung kann ein Motor oder ein Motor mit Getriebe sein. Ebenso kann die Nachführeinrichtung beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch ausgeführt sein. Die Nachführeinrichtung kann mit der Sammeleinrichtung und/oder einem festen Teil der Solaranlage verbunden sein. Die Nachführeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein bewegliches Teil der Solaranlage, wie die Sammeleinrichtung um einen Drehpunkt in einer oder zwei Achsen zu drehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kommt als elektronischer Lichtdetektor, der die Position des auf ihn treffenden Lichtstrahls registriert, ein ortsauflösender, bildgebender Detektor zum Einsatz. Das von diesem Lichtdetektor ausgegebene Bildsignal kann mit bekann- ten Bildverarbeitungsverfahren bezüglich des Ortes der maximalen Intensität ausgewertet werden. Der Ort der maximalen Lichtintensität auf dem Detektor lässt sich unter Kenntnis der geometrischen Gegebenheiten des Winkelsensors auf einfache Weise in den zu detektie- renden Winkel des Lichteinfalls umrechnen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der der erfindungsgemäße Winkelsensor auch eine Auswerteelektronik, insbesondere einen digitalen Mikrokontroller, insbesondere einen digitalen Signalprozessor (DSP), welche ein Bildsignal des Detektors digital verarbeitet. Bevorzugter Weise ist die Auswerteelektronik dazu eingerichtet den Ort eines Intensitätsmaximums des Bildsignals zu bestimmen. Bevorzugter Weise ist die Aus- werteelektronik dazu eingerichtet den Ort des Intensitätsmaximums des Bildsignals z.B. anhand eines trigonometrischen Zusammenhangs in einen Winkel umzurechnen. Bevorzugter Weise ist die Auswerteelektronik dazu eingerichtet, den Winkel mittels einer digitalen Schnittstelle als Digitalwert auszugeben, insbesondere den Winkel mittels einer Feldbusschnittstelle an einen Feldbusteilnehmer auszugeben.

Ferner kann auch der Sensor ein zweidimensionaler Sensor sein. Der Sensor kann ein flächiger Sensor sein. Dadurch kann der Sensor ein Signal zur Nachführung um zwei Achsen bereitstellen. In einer anderen Ausführungsform kann der Sensor ein eindimensionaler Sensor sein. Der Sensor kann beispielsweise ein einreihiger oder einzeiliger Sensor sein. Dadurch kann der Sensor kostengünstig hergestellt werden, und gut auf seinen Einsatzzweck abgestimmt werden.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensor ausgebildet sein, um aus einer Differenz zwischen der Position des durch die Öffnung auf den Sensor treffenden Lichtstrahls und einer Referenzposition den Winkel zwischen der Richtung zu der Lichtquelle und der Ausrichtung des Winkelsensors zu bestimmen. Die Diffe- renz kann ein Abstand sein. Dabei kann der Abstand zwischen der Position und der Referenzposition ein Maß für den Winkel zwischen der Richtung zu der Lichtquelle und einer Erfassungsrichtung des Sensors sein. Dadurch kann der Sensor absolute Winkelwerte bereitstellen. Ferner kann der Sensor auch ausgebildet sein, um als Referenzposition eine Position auf dem Sensor zu verwenden, die sich durch einen Schnittpunkt einer Normalen zu einer Oberfläche des Sensors auszeichnet, wobei die Normale durch die Öffnung verläuft. Die Normale kann eine Senkrechte auf die Oberfläche des Sensors sein. Dadurch kann ein Lichtstrahl, wenn der Sensor direkt auf die Lichtquelle ausgerichtet ist auf den Referenzpunkt fallen. Dann kann die Differenz gegen null gehen.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor ein CCD- und/oder ein PSD-Element sein. Ein CCD-Element kann ein Charge Coupled Device sein, das aus einer Mehrzahl von kleinen lichtempfindlichen Elementen zusammengesetzt sein kann. Dann kann ein belichte- tes Element über seine Lage innerhalb des Sensors eine diskrete Position für den Lichtstrahl ausgeben. Ein PSD-Element (PSD = Position Sensitive Device = Positionssensitives Element) kann ein lichtempfindliches Bauteil sein, das in Abhängigkeit der Position des Lichtstrahls auf dem Sensor unterschiedliche Ladungsmengen an gegenüberliegenden Kontakten des Sensors bereitstellt, wobei ein Verhältnis der Ladungsmengen eine Abweichung des Lichtstrahls von einem zentralen Punkt oder Referenzpunkt des Bauteils repräsentiert. Dadurch kann über eine Spannungsmessung zwischen verschiedenen Kontaktpunkten des Bauteils leicht und sicher auf die Position des Lichtstahls auf der Bauteiloberfläche geschlossen werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Ermitteins des Sollwinkels, wobei der Sollwinkel unter Verwendung zumindest einer Temperatur zumindest eines Teils der Solaranlage ermittelt wird. Dabei kann eine Verringerung der Temperatur durch eine Veränderung des Orts, an dem das Licht konzentriert wird, erreicht werden. Beispielsweise kann die Absorptionseinrichtung aus dem Konzentrationsbereich der Solaranlage heraus verlagert werden. Dadurch kann eine Temperaturregelung einfach und ohne zusätzliche Wärmesenken realisiert werden.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder allgemein einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines optischen Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Positionieren einer Solaranlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3 eine Darstellung einer beispielhaften Solaranlage mit einem Winkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines optischen Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Gehäuse 102 ist auf einer Grundplatte 104 mit Anschraubaugen be- festigt. Das Gehäuse 102 ist lichtundurchlässig und weist eine Öffnung 106 in einer Wand auf. Durch die Öffnung kann ein Lichtstrahl 108, beispielsweise Sonnenlicht, in das Innere des Gehäuses 102 eindringen. Die Öffnung 106 kann als Lichtschlitz oder als punktförmige Öffnung ausgeführt sein. Ein lichtempfindlicher Sensor 1 10, beispielsweise ein PSD- oder ein CCD-Sensor ist mittig gegenüber der Öffnung 106 angeordnet. Durch die Öffnung 106 kann der Lichtstrahl 108, abhängig von einem Abstand zwischen der Sensoroberfläche und der Öffnung, an einer bestimmten Position auf den Sensor 1 10 fallen. Der Sensor 1 10 ist senkrecht zu einer Blickachse 1 12 des Winkelsensors ausgerichtet. Wenn der Lichtstrahl 108 auf den Sensor 110 fällt erzeugt er in dem Sensor ein elektrisches Signal, das über Elektroden an eine Elektronik, beispielsweise auf einer unter dem Sensor angeordneten Leiterplatte weitergeleitet wird. Die Elektronik verarbeitet das Signal und gibt ein Winkelsignal aus, das einem Winkel 114 zwischen dem Lichtstrahl und der Blickachse 1 12 des Winkelsensors repräsentiert. Das Winkelsignal wird über einen Anschlussstecker oder eine Kabeldurchführung aus dem Winkelsensor geleitet.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 1 einen Solarsensor zum genauen Positionieren einer Solaranlage in Bezug zum Sonnenstand. Im Gegensatz zu Solarsensoren auf Basis von Photodioden, die eine Positionierung nur über zwei Zustände ermöglichen (z.B. Rinne Weitertakten ja / nein) erlaubt der Solarsensor gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine Feinpositionie- rung der Solarrinne, z.B. für gezielten Defokusbetrieb zur Temperaturregelung, wobei die Regelung über den Solarsensor erfolgen kann. Der Sensor liefert mittels eine Sensorsignals also -eine Abweichung der Sonnenposition vom einem Referenzwinkel in Grad. Hierzu kann ein PSD (PSD = Positioning Sensitive Device) oder ein CCD Element (CCD = Charge Coupled Device) als Sensorelement dienen. Dabei können einachsige oder zweiachsige Winkelsensoren, wie eine CCD-Zeile oder ein zweidimensionales CCD-Element verwendet werden. Durch ein robustes Gehäuse beispielsweise mit Schutzklasse IP67 kann der Sensor gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Das Messsignal kann einer Steuerung als Signal mit der Stromstärke von 4 bis 20 mA, der Spannung von 0 bis 10 V, oder über eine andere Schnittstelle wie z.B. den CAN- oder Profibus oder eine digitale Pulsfolge auf einen Digital- eingang der Steuerung, bereitgestellt werden. Ebenso ist eine vollständig digitale Signalverarbeitung vom CCD-Bild zum Ausgabewert (d.h. dem repräsentierten Winkel) möglich. Der Messwert liefert einen genauen Positionsdifferenzwert z.B. -3,0° bis +3,0° um den die Sonne vom Sollwert abweicht, wobei der Sollwert durch eine Referenzposition repräsentiert ist, auf die die Lichtstrahlen bei optimaler Ausrichtung einfallen würden. Diese Referenzposition kann beispielsweise in der Mitte des Sensors liegen, so dass die Lichtstrahlen von der Öffnung in Richtung der Normalen durch die Öffnung auf die Sensoroberfläche fallen. Dadurch wird eine genauere Nachführung von beweglichen Teilen der Solaranlage, wie Solarrinne, Spiegel etc. gewährleistet.

Weiterhin kann durch den hier vorstellten Ansatz eine thermische Regelung der Solaranlage erfolgen. Wird beispielsweise die Solaranlage oder Teile der Solaranlage durch die ständige Fokussierung der Lichtstrahlen auf den optimalen Fokusbereich mittels spiegelnder Elemente der Solaranlage zu heiß, könnte dies zu Beschädigungen der Solaranlage oder Teilen der Solaranlage führen. Wird eine solche Situation festgestellt, beispielsweise durch die Auswertung von Signalen weiterer Sensoren, kann eine gezielte Defokussierung der Lichtstrahlen aus dem optimalen Fokusbereich heraus erfolgen. Hierdurch wird eine Einstrahlung von Licht auf den Fokusbereich reduziert, wodurch die Abkühlung der Solaranlage oder des Teils der Solaranlage unterstützt wird.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Positionieren zumindest eines Teilbereichs einer Solaranlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 210 des Empfangens wird ein elektrisches Signal von einem Winkelsensor empfangen. Das Signal repräsentiert einen Winkel zwischen einer Richtung zu einer Licht- quelle und einer Ausrichtung des Winkelsensors. In einem Schritt 220 des Nachführens wird zumindest ein Teilbereich der Solaranlage nachgeführt oder bewegt, um den Winkelsensor in eine vorbestimmte Beziehung zu der Lichtquelle zu bringen. Das Nachführen wird ansprechend auf eine Abweichung des Winkels von einem Sollwinkel durchgeführt. Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Solaranlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Solaranlage weist eine Sammeleinrichtung 302, eine Absorptionseinrichtung 304, eine Nachführeinrichtung 306 mit Steuerung, und einen optischen Winkelsensor 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf. Lichtstrahlen einer Lichtquelle 310, beispielsweise der Sonne, fallen parallel in die Sammeleinrichtung 302 ein. In der Sammeleinrichtung 302, die beispielsweise als Parabolrinnenspiegel ausgestaltet ist, werden die Lichtstrahlen in Richtung der Absorptionseinrichtung 304 umgelenkt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Lichtstrahlen somit durch die Sammeleinrichtung 302 reflektiert. Die Absorptionseinrichtung 304 nimmt in den Lichtstrahlen vorhandene Energie auf und stellt die Energie zur weiteren Nutzung bereit. Wandert die Lichtquelle 310, bei- spielsweise auf der Ekliptik, weiter, so verändert sich der Einfallswinkel der Lichtstrahlen in die Sammeleinrichtung 302. Dadurch werden die Lichtstrahlen nicht mehr optimal auf die Absorptionseinrichtung 304 umgelenkt. Weniger Energie steht somit in der Absorptionseinrichtung 304 zur Nutzung bereit. Daher ist es notwendig über die Nachführeiririchtung 306 die Sammeleinrichtung 302 der Lichtquelle 310 nachzuführen, d.h. die Ausrichtung der Sammeleinrichtung 302 in Bezug zur Lichtquelle 310 zu optimieren. Dazu verwendet die Nachführeinrichtung 306 ein Signal des optischen Winkelsensors 308, der beispielsweise gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildet ist. Im optischen Winkelsensor 308 hat die Wanderung der Lichtquelle 310 eine Wanderung eines Lichtpunkts auf einer Sensorfläche in eine entgegengesetzte Richtung bewirkt. Dadurch wird ein elektrisches Signal hervorgerufen, das einen Winkel zwischen der Richtung zu der Lichtquelle 310 und einer Ausrichtung des Winkelsensors 308 und der günstigerweise mit dem Winkelsensor fest verbundenen Sammeleinrichtung 302 repräsentiert. Das elektrische Signal erreicht über elektrische Leitungen die Nachführeinrichtung 306 und die Steuerung. Mit dem elektrischen Signal kann die Steuerung über die Nachführeinrichtung 306 den im Winkelsensor 308 gemessenen Winkel ausgleichen. Dann fällt das konzentrierte Licht der Lichtquelle 310 wieder optimal auf das Absorptionselement 304.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 3 eine Solaranlage mit einem Solarsensor zum genauen Posi- tionieren der Solaranlage zum Sonnenstand. Dabei kann die Solaranlage beispielsweise eine CSP- Einrichtung (CSP = Concentrated Solar Power = konzentrierte Solarkraft), wie eine Solarrinne, eine Parabolrinne, ein Fresnel-Element, ein Solarturm, ein Dish-Stirling- Element, ein Dish-CPV- (CPV = Concentrated Photovoltaik) oder ein Flatcon-CPV-Modul zum Nachführen eines Teils der Solaranlage nach dem Sonnenstand sein. Dabei wird eine genaue Positionierung der Solarspiegel, Receiver; Absorber und Module in Bezug zur Sonne erreicht.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Bezuqszeichenliste

102 Gehäuse

104 Grundplatte

106 Öffnung

108 Lichtstrahl

110 Sensor

1 12 Blickachse, Ausrichtung

114 Winkel

210 Empfangen

220 Nachführen

302 Sammeleinrichtung

304 Absorptionseinrichtung

306 Nachführeinrichtung

308 Winkelsensor

310 Lichtquelle, Sonne