DE102009045031A1 - Radiation sensor for solar panels - Google Patents
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Abstract
Ein Strahlungssenor zur Positionserkennung der Sonne umfasst ein Sensorgehäuse mit mehreren unter einem Winkel gegeneinander angeordneten Bohrungen, in denen LEDs fixiert sind. Die LEDs können aufgrund ihrer sehr engen Strahlenbündelung als äußerst präzise Positionssensoren eingesetzt werden. Zudem können Verschmutzungen einer Abdeckung des Sensors einfach erkannt werden. Hierzu wird eine LED als Lichtquelle betrieben, während die anderen LEDs das reflektierte Licht messen. Durch diesen Sensor lassen sich Sonnenkollektoren äußerst präzise ausrichten.A radiation sensor for detecting the position of the sun comprises a sensor housing with several bores arranged at an angle to one another, in which LEDs are fixed. Due to their very narrow beam bundling, the LEDs can be used as extremely precise position sensors. In addition, soiling of a cover of the sensor can be easily recognized. For this purpose, one LED is operated as a light source, while the other LEDs measure the reflected light. With this sensor, solar collectors can be aligned extremely precisely.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, insbesondere einen Lichtsensor zur Ermittlung der Position einer Strahlungsquelle. Insbesondere betrifft sie einen Sonnensensor, mit dem die exakte Position der Sonne ermittelt werden kann. Durch einen solchen Sensor können beispielsweise Solaranlagen optimal auf die Sonne ausgerichtet werden.The invention relates to a radiation sensor, in particular a light sensor for determining the position of a radiation source. In particular, it relates to a sun sensor with which the exact position of the sun can be determined. By such a sensor, for example, solar systems can be optimally aligned with the sun.
Stand der TechnikState of the art
In der
Die
Die
Nachteilig an den zuvor genannten Sensoren ist, dass diese jeweils einen hohen Aufwand bei der Fertigung erfordern. So muss, um eine ausreichende Sensorgenauigkeit zu erhalten, die Positionierung der einzelnen Sensorelemente sowie der Abschattungselemente mit hoher Präzision erfolgen. Um eine hohe Winkelauflösung zu erreichen, sind hohe Abschattungselemente notwendig, so dass sich eine relativ große Bauform des Sensors ergibt. Weiterhin sind diese Sensoren nicht in der Lage, Verschmutzungen auf der Sensoroberfläche zu erkennen.A disadvantage of the aforementioned sensors is that they each require a high outlay on production. Thus, in order to obtain sufficient sensor accuracy, the positioning of the individual sensor elements and the shading elements must be carried out with high precision. In order to achieve a high angular resolution, high shading elements are necessary, resulting in a relatively large design of the sensor. Furthermore, these sensors are not able to detect contamination on the sensor surface.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor, insbesondere einen Lichtsensor zu schaffen, welcher eine hohe Präzision aufweist und gleichzeitig kostengünstig fertigbar ist. Weiterhin soll der Sensor in der Lage sein, Verschmutzungen auf der Oberfläche einer Sensorabdeckung zu erkennen und gegebenenfalls die Messwerte entsprechend zu korrigieren.The invention has for its object to provide a radiation sensor, in particular a light sensor, which has a high precision and at the same time cost manufacturable. Furthermore, the sensor should be able to detect contamination on the surface of a sensor cover and, if necessary, to correct the measured values accordingly.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device according to one of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßer Strahlungssensor dient zur Erkennung der Position einer Lichtquelle oder Wärmequelle. Insbesondere soll mit einem solchen Sensor die Position der Sonne erkannt werden. Sonnenkollektoren, wahlweise fotoelektrische Kollektoren wie Solarzellen oder auch thermische Kollektoren oder auch optische Kollektoren haben den besten Wirkungsgrad, wenn sie auf die Sonne ausgerichtet sind. Insbesondere bei optischen Kollektoren, bei denen Sonnenlicht durch Linsensysteme in Lichtleiter gebündelt und durch diese zur weiteren Verwendung weitergeleitet wird, sind relativ empfindlich auf Abweichungen von der Richtung der Sonne zur optischen Achse des Systems. Daher sind hier besonders präzise Sensoren zur Erkennung der Sonnenposition notwendig.A radiation sensor according to the invention serves to detect the position of a light source or heat source. In particular, the position of the sun should be detected with such a sensor. Solar collectors, optional photoelectric collectors such as solar cells or thermal collectors or optical collectors have the best efficiency when they are aligned with the sun. In particular, in optical collectors in which sunlight is bundled by lens systems in optical fibers and passed through them for further use, are relatively sensitive to deviations from the direction of the sun to the optical axis of the system. Therefore, particularly precise sensors for detecting the position of the sun are necessary here.
Ein erfindungsgemäßer Strahlungssensor hat ein Sensorgehäuse
Man erreicht hier mit geringstem Fertigungsaufwand eine äußerst präzise Anordnung der LEDs in Bezug auf das Gehäuse und somit auch eine präzise optische Ausgestaltung des Lichtsensors. Um die Präzision noch weiter zu erhöhen, kann die Empfangscharakteristik einzelner LEDs oder auch des gesamten Sensors vermessen und entsprechende Korrekturwerte zur späteren Korrektur der Sensormesswerte abgespeichert werden. Mit derartigen Sensoren konnten Winkelauflösungen von besser als 0.1 Grad erreicht werden.It achieves a very precise arrangement of the LEDs with respect to the housing and thus also a precise optical design of the light sensor with minimal manufacturing effort. In order to increase the precision even further, the reception characteristic of individual LEDs or the entire sensor can be measured and corresponding correction values can be stored for later correction of the sensor measured values. With such sensors angle resolutions of better than 0.1 degrees could be achieved.
Entsprechend der Erfindung werden nun wenigstens zwei LEDs unter einem Winkel gegeneinander angeordnet, so dass diese niemals gleichzeitig mit ihrer Mittelachse zur Sonne stehen können. Die beiden LEDs dürfen also nicht parallel angeordnet sein. Nun liefert immer diejenige LED, welche näher in Richtung zur Sonne ausgerichtet ist, das größere Signal. Aufgrund dieser Signale ist es nun einfach, einen Stellmotor oder eine andere Stelleinrichtung zur Positionierung des Sonnenkollektors anzusteuern, so dass beide LEDs das gleiche Signal abgeben und somit beide gleich weit von der Sonne entfernt sind, denn dann liegt die Sonne genau in der Mitte zwischen den LEDs.According to the invention, at least two LEDs are now arranged at an angle to each other, so that they can never stand at the same time with their central axis to the sun. The two LEDs must therefore not be arranged in parallel. Now always delivers that LED, which is closer to the sun, the larger signal. Because of these signals, it is now easy to control a servomotor or other positioning device for positioning of the solar collector, so that both LEDs emit the same signal and thus both are equidistant from the sun, because then the sun is exactly in the middle between the LEDs.
Weiterhin ist entsprechend der Erfindung noch eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Signale der LEDs auswertet und/oder wahlweise die LEDs ansteuert, so dass diese Licht emittieren. Es ist offensichtlich, dass eine LED, welche gerade zur Emission von Licht angesteuert wird, nicht gleichzeitig zur Detektion von Licht verwendet werden kann. Allerdings ist es möglich, die LEDs in einem getakteten Betrieb zwischen Lichtemission und Lichtdetektion umzuschalten. Alternativ können auch verschiedene LEDs Licht emittieren, während andere LEDs gleichzeitig Licht detektieren.Furthermore, a control unit is provided according to the invention, which evaluates the signals of the LEDs and / or optionally controls the LEDs, so that they emit light. It is obvious that an LED which is being driven to emit light can not be used simultaneously for the detection of light. However, it is possible to switch the LEDs in a clocked operation between light emission and light detection. Alternatively, different LEDs may emit light while other LEDs simultaneously detect light.
Die Hauptaufgabe des erfindungsgemäßen Strahlungssensors ist es, ein Stellsignal für die Nachstellung eines Sonnenkollektors zu erzeugen. Hierbei wird der Strahlungssensor vorzugsweise synchron mit dem Sonnenkollektor verstellt bzw. ausgerichtet, so dass die Einfallsrichtung des Sonnenlichtes auf den Strahlungssensor parallel zur Einfallsrichtung auf den Sonnenkollektor ist. Hierfür hat der erfindungsgemäße Strahlungssensor die maximale Auflösung in einer Mittelachse des Sensors, welche vorzugsweise identisch mit der Gehäusemittelachse
Erfindungsgemäße Strahlungssensoren haben wahlweise zwei, drei oder auch vier LEDs. Grundsätzlich sind auch mehr LEDs möglich. Ein Sensor mit zwei LEDs erlaubt die Nachführung eines Sonnenkollektors in einer Achse. Mit einem Sensor mit drei oder vier LEDs ist eine Nachführung in zwei Achsen möglich. Bei einem Sensor mit drei LEDs sind diese vorzugsweise um die Gehäusemittelachse, jeweils um 120° gegeneinander versetzt, in einem konstanten Abstand zur Gehäusemittelachse angeordnet. Bei einem Strahlungssensor mit vier LEDs sind diese, wie bei der Anordnung mit drei LEDs, jedoch nur um einen Winkel von 90° gegeneinander versetzt angeordnet.Radiation sensors according to the invention optionally have two, three or even four LEDs. In principle, more LEDs are possible. A sensor with two LEDs allows the tracking of a solar collector in one axis. With a sensor with three or four LEDs, tracking in two axes is possible. In the case of a sensor with three LEDs, these are preferably arranged around the housing center axis, offset by 120 ° relative to each other, at a constant distance from the housing center axis. In the case of a radiation sensor with four LEDs, however, these are arranged offset from each other by only an angle of 90 °, as in the arrangement with three LEDs.
Um eine möglichst hohe Winkelauflösung des Sensors zu erreichen, haben die LEDs einen entsprechend kleinen Abstrahlwinkel. Dieser sollte kleiner als 30°, bevorzugt kleiner als 10° sein. Durch die Auswahl geeigneter LEDs kann der Sensor bei gleichem mechanischem Aufbau einfach an unterschiedliche Auflösungen angepasst werden.In order to achieve the highest possible angular resolution of the sensor, the LEDs have a correspondingly small radiation angle. This should be less than 30 °, preferably less than 10 °. By selecting suitable LEDs, the sensor can be easily adapted to different resolutions with the same mechanical structure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittelachsen der LED gegenüber der Gehäusemittelachse um einen bestimmten Winkel nach außen verkippt. Dieser Winkel entspricht bevorzugt dem halben Abstrahlwinkel der einzelnen LEDs. Denkbar wäre auch eine Verkippung nach innen, so dass die Strahlungskeulen der LEDs sich kreuzen.In a further advantageous embodiment of the invention, the central axes of the LED relative to the housing center axis tilted by a certain angle to the outside. This angle preferably corresponds to half the radiation angle of the individual LEDs. It would also be conceivable to tilt inwards so that the radiation lobes of the LEDs intersect.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Strahlungssensor wenigstens eine abgedunkelte LED auf. Diese LED ist vorzugsweise permanent abgedunkelt, beispielsweise in einen dunkeln Gehäuseinnenraum
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Feinsensor mit hoher Winkelauflösung zur präzisen Positionierung vorgesehen. Hier werden bevorzugt LEDs mit geringen Abstrahlwinkeln eingesetzt. Weiterhin ist ein Grobsensor zur groben Ausrichtung vorgesehen. Hier werden bevorzugt LEDs mit großen Abstrahlwinkeln eingesetzt. Zuerst wird die grobe Position der Strahlungsquelle mit dem Grobsensor ermittelt, dann wird auf den Feinsensor zu exakten Positionierung umgeschaltet. Anstelle oder auch zusätzlich zum Grobsensor kann auch eine Berechnung des Sonnenstandes aufgrund der Ortskoordinaten und der Zeit erfolgen. Gegebenfalls können diese Informationen über Satellitennavigation, wie GPS (Global Positioning System) ermittelt werden. Durch den Vergleich mit dem Soll-Sonnenstand aus diesen Werten kann auch auf einfache Weise eine Kalibrierung des Sensors durchgeführt werden.In a further embodiment of the invention, a fine sensor with high angular resolution is provided for precise positioning. Here, LEDs are preferably used with low radiation angles. Furthermore, a coarse alignment coarse sensor is provided. Here LEDs are preferably used with large radiation angles. First, the coarse position of the radiation source with the Coarse sensor determined, then switched to the fine sensor to exact positioning. Instead of or in addition to the coarse sensor, a calculation of the position of the sun based on the location coordinates and the time can be done. If necessary, this information can be determined via satellite navigation, such as GPS (Global Positioning System). By comparing with the desired sun position from these values, a calibration of the sensor can also be carried out in a simple manner.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zusätzliche Fotodiode und/oder LED zur Tag/Nacht-Erkennung vorgesehen. Durch eine Tag/Nacht-Erkennung kann beispielsweise nachts die Steuereinheit
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine zusätzliche LED
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit
Durch die Ansteuerung der LEDs zur Lichtemission können auch verschiedene Betriebszustände signalisiert werden. So kann beispielsweise eine LED, welche gerade die maximale Sonnenintensität erhält, im intermittierenden Betrieb (blinkend) dies signalisieren. Alternativ kann auch eine oder mehrere LEDs mit anderen, beispielsweise den niedrigsten Intensitäten, zur Lichtemission angesteuert werden. Dies erlaubt eine einfache Justage der gesamten Einrichtung oder auch eine Fehlersuche.By controlling the LEDs for light emission, various operating states can also be signaled. Thus, for example, an LED, which just receives the maximum sun intensity, in intermittent operation (flashing) signal this. Alternatively, one or more LEDs with others, for example the lowest intensities, can be triggered for emitting light. This allows a simple adjustment of the entire device or a troubleshooting.
Ein erfindungsgemäßer Sensor wird bevorzugt zur Positionserkennung der Sonne, kann aber auch zur Positionserkennung des Mondes und anderer, auch künstlicher, Lichtquellen eingesetzt werden.An inventive sensor is preferred for detecting the position of the sun, but can also be used for position detection of the moon and other, even artificial, light sources.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Strahlungssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Another aspect of the invention relates to a method for calibrating a radiation sensor according to one of the preceding claims.
In einem ersten Schritt wird in wenigstens eine der LED
In einem weiteren Verfahrensschritt, der nach diesem oder vor dem ersten Schritt durchgeführt werden kann, wird der Dunkelstrom, d. h. ohne Lichtemission durch eine LED, gemessen.In a further process step, which can be carried out after this or before the first step, the dark current, i. H. without light emission by an LED, measured.
In einem abschließenden Auswerteschritt wird dann die Differenz zwischen dem gemessenen Signal mit Lichtemission einer LED und dem gemessenen Signal ohne Lichtemission derjenigen LED ausgewertet. Diese Differenz ist ein Maß für die Verschmutzung des Sensors. Zur Durchführung einer solchen Messung wird bevorzugt nur eine LED zur Lichtemission angeregt. Es können in weiteren Messabläufen verschiedene LEDs zur Lichtemission angeregt werden und die entsprechenden Signale der anderen LEDs ausgewertet werden. Somit ist sogar eine Lokalisation der Verschmutzung möglich. Aufgrund dieser Messwerte der Verschmutzung kann nun eine Korrektur der Sensormesswerte erfolgen. Alternativ bzw. zusätzlich kann auch eine Fehlermeldung bei zu stark verschmutztem Sensor abgegeben werden.In a concluding evaluation step, the difference between the measured signal with light emission of an LED and the measured signal without light emission of that LED is then evaluated. This difference is a measure of the contamination of the sensor. To carry out such a measurement, preferably only one LED is excited to emit light. In further measuring sequences, different LEDs for light emission can be excited and the corresponding signals of the other LEDs can be evaluated. Thus, even a localization of pollution is possible. Based on these measured values of the contamination, a correction of the sensor measured values can now take place. Alternatively or additionally, an error message can also be issued if the sensor is heavily contaminated.
Dieses Verfahren wird bevorzugt bei dunkler Umgebung (Nacht) durchgeführt, da sonst die von außen eingestrahlte Grundlichtintensität zu hoch ist.This method is preferably carried out in a dark environment (night), since otherwise the radiated from the outside basic light intensity is too high.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann vorteilhafterweise mit Hilfe eines Kollektorsignals aus dem Sonnenkollektor kalibriert werden. Dieses Kollektorsignal kann beispielsweise durch Messung der von einem Sonnenkollektor abgegebenen Energie, Strom oder Spannung abgeleitet werden. So kann in einem ersten Schritt die grobe Sonnenposition aufgrund des berechneten Sonnenstandes und/oder der unkalibrierten Sensoren angefahren werden. Danach kann der Bereich um die Sonne abgetastet werden, um die Position des maximalen Kollektorsignals und damit des maximalen Wirkungsgrades des Kollektors zu ermitteln. Diese Position wird dann als die neue Mittenposition des Sensors definiert. Die Abtastung der Umgebung der Sonne kann auf einer spiralförmigen Bahn oder auch durch einen Algorithmus gesteuert werden, der ein lokales oder globales Maximum beispielsweise durch Berechnung der ersten bzw. zweiten Ableitung des Kollektorsignals nach dem Ort sucht. Am Punkt des Maximums werden die sensorwerte gemessen und daraus Kalibrierdaten gewonnen. Durch diese Kalibrierung werden auch Toleranzen in der Montage des Sensors in Bezug zum Kollektor und Toleranzen in einem optischen System des Kollektors ausgeglichen. Da die Toleranzen der Kollektornachführung, beispielsweise durch mechanisches Spiel oftmals positionsabhängig sind, erfolgt die Kalibrierung bevorzugt an unterschiedlichen Positionen bei unterschiedlichen Sonnenständen. Nachdem der Sensor kalibriert wurde, kann durch Auswertung der Sensorsignale eine optimale Sonnenposition schnell angesteuert werden. Ein häufiges Verstellen des Sonnenkollektors wie zur Kalibrierung ist dann nicht mehr notwendig.An inventive sensor can advantageously be calibrated with the aid of a collector signal from the solar collector. This collector signal can be derived, for example, by measuring the energy, current or voltage delivered by a solar collector. Thus, in a first step, the rough sun position due to the calculated position of the sun and / or the uncalibrated sensors can be approached. Thereafter, the area around the sun can be scanned to determine the position of the maximum collector signal and thus the maximum efficiency of the collector. This position will then be considered the new one Center position of the sensor defined. The scanning of the Sun's environment can be controlled on a helical path, or also by an algorithm that seeks a local or global maximum, for example, by calculating the first and second derivative of the collector signal by location. At the point of the maximum, the sensor values are measured and calibration data is obtained therefrom. This calibration also compensates for tolerances in the mounting of the sensor with respect to the collector and tolerances in an optical system of the collector. Since the tolerances of the collector tracking, for example by mechanical play are often position-dependent, the calibration is preferably carried out at different positions in different positions of the sun. After the sensor has been calibrated, an optimal sun position can be quickly controlled by evaluating the sensor signals. A frequent adjustment of the solar collector as for calibration is then no longer necessary.
Ein weiteres Einsatzgebiet des Sensors liegt in der Anwendung als Schwingungs- oder Bewegungssensor. Dabei wird der Sensor auf einen beweglichen bzw. stationären Untergrund befestigt. Dies kann zum Beispiel eine Brücke oder Gebäude sein oder der schwingendes Teil eines Motors. Die Lichtquelle befindet sich in einem stationären bzw. beweglichen Teil der Anordnung. Die Lichtquelle sollte dabei vorzugsweise ein Laser oder eine Lichtquelle mit einem geringem Öffnungswinkel sein und den Sensor vollständig beleuchten. In der Ruheposition der Anordnung liefert der Sensor ein Nullsignal. Beginnt die Oberfläche mit dem Sensor zu schwingen oder sich zu Bewegen ist ein Signal am Sensorausgang zu messen. Der Sensor sollte dabei immer ganz im Lichtkegel der Lichtquelle sein, um die Schwingung oder Bewegung gut visualisieren zu können. Dabei kann der Abstand vom Sensor bis zur Lichtquelle beliebig groß sein.Another application of the sensor is in the application as a vibration or motion sensor. The sensor is mounted on a movable or stationary base. This can be, for example, a bridge or building or the vibrating part of an engine. The light source is located in a stationary or movable part of the arrangement. The light source should preferably be a laser or a light source with a small opening angle and fully illuminate the sensor. In the rest position of the arrangement, the sensor provides a zero signal. If the surface begins to oscillate or move with the sensor, a signal is to be measured at the sensor output. The sensor should always be completely in the light cone of the light source in order to visualize the vibration or movement well. The distance from the sensor to the light source can be arbitrarily large.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings.
In
Das Sensorgehäuse
In
In
In
In
In
In
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Sensorgehäusesensor housing
- 11a, b, c, d11a, b, c, d
- Bohrung für LEDBore for LED
- 1212
- GehäuseinnenraumHousing interior
- 1313
- GehäusemittelachseHousing center axis
- 1414
- Leiterplattecircuit board
- 20a, b, c, d, z20a, b, c, d, z
- LEDLED
- 21a, b, z21a, b, z
- Mittelachse der LEDCentral axis of the LED
- 22a, b22a, b
- Strahlungskeulelobe
- 3030
- Steuereinheitcontrol unit
- 3131
- Microcontrollermicrocontrollers
- 3232
- Kalibrierdatenspeichercalibration data
- 34a, b34a, b
- Messverstärkermeasuring amplifiers
- 35a, b35a, b
- Stromquellepower source
- 3636
- Ausgangssignaloutput
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 4711998 [0003] US 4711998 [0003]
- US 7378628 B2 [0004] US 7378628 B2 [0004]
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R016 | Response to examination communication | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Effective date: 20130403 |