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Die Erfindung betrifft eine Spiegelanlage zur automatischen Umlenkung von Licht bewegter Lichtquel- len, insbesondere von Sonnenlicht, auf einen festgelegten bzw. fixierten Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Sonnenlicht, kann aber theoretisch auch für die Umlenkung des Lichts anderer bewegter Lichtquellen verwendet werden.
Die Sonnenstrahlen treffen je nach Tages- bzw. Jahreszeit in einem bestimmten Winkel auf die Erde.
Dadurch kann die Sonnenenergie als Licht- oder Wärmequelle, z. B. in Räumen oder Anlagen nur sehr unzureichend genutzt werden. In Zeiten knapper und teurer Energie beschäftigt sich beispielsweise die Solararchitektur mit Massnahmen zur effizienten Nutzung der Sonnenenergie. Die Höhe der Energieausnut- zung beispielsweise bei der Sonneneinstrahlung durch ein Fenster ist stark abhängig vom Einstrahlwinkel und somit von der jeweiligen Tageszeit.
Bei Sonnenkraftwerken, welche die Sonneneinstrahlung an einem zentralen Punkt konzentrieren und die dort entstehende Wärme, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie, verwenden, werden aufwendi- ge Nachführungsmassnahmen zur Berücksichtigung des Sonnenstandes verwendet. Dabei werden z. B. von Hochleistungsrechnern die Koordinaten der Sonnenbahn ermittelt und die Spiegel entsprechend orientiert.
Beispielsweise wird ein solcher Heliostat in der SU 1019-186 A beschrieben, bei dem die Nachführung der Anordnung durch einen Photodetektor in Kombination mit einer Steuerung und einem Antrieb bewerkstelligt wird.
Aus der US 4,425,905 A ist eine Einrichtung zum Sammeln und Konzentrieren von Sonnenlicht bekannt, welche in der Lage ist, dem Verlauf der Sonne zu folgen. Zur Vermeidung von Energieverlusten erfolgt keine Umwandlung der Lichtenergie in thermische oder elektrische Energie, sondern das Licht selbst wird über Lichtleiter an einen gewünschten Ort transportiert. Das einfallende Licht wird dabei in aufwendiger Weise durch einen sehr gross dimensionierten Parabolspiegel oder eine Vielzahl von Linsen konzentriert, bevor es mehrfäch umgelenkt, weitergeleitet wird. Der grosse Aufwand steht einer breiten praktischen Anwendung entgegen.
Die oftmalige Umlenkung des Lichts bringt auch höhere Verluste mit sich Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiegelanlage der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welche sich in einfacher und kostengünstiger Weise automatisch in Richtung der bewegten Lichtquelle, insbesondere der Sonne, ausrichtet und das Licht unabhängig von der Lage der Lichtquelle auf einen festgelegten bzw. fixierten Bereich umlenkt. Es soll unabhängig von der Lage der Lichtquelle immer die gesamte Lichtintensi- tät (abgesehen von Reflexionsverlusten durch die Umlenkung) auf den festgelegten Bereich umgelenkt werden.
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch, dass die Anordnung des ersten und des bzw. der nächsten Umlenkspiegel od. dgl. um die Achse des vom zweiten Umlenkspiegel od. dgl. in Richtung des festgelegten Bereichs reflektierten Lichtstrahls drehbar angeordnet ist. Dadurch ist eine Umlenkung von
Licht bewegter Lichtquellen auf einen festgelegten Bereich mit nur zwei Umlenkspiegel od. dgl. möglich, wodurch die Verluste minimal bleiben und somit auch kleinflächigere Umlenkspiegel od. dgl. ausreichen.
Auf den festgelegten Bereich trifft immer die maximale von der Lichtquelle ausgehende Lichtintensität auf, unabhängig vom jeweiligen Stand der Sonne bzw. Lichtquelle. Dies gilt im Falle der Sonne natürlich nur dann, wenn das Sonnenlicht nicht durch Wolken, Bäume od. dgl. abgedeckt wird. Die Anwendungsgebiete für die vorliegende Erfindung sind vielfältig. So kann beispielsweise das Sonnenlicht vom Dach des
Gebäudes über einen Kanal in fensterlose Räume eingebracht werden und diese somit im wesentlichen unabhängig vom Sonnenstand gleichmässig ausgeleuchtet werden. Ebenso kann das Licht auf eine Solarzel- le zur Erzeugung elektrischer Energie geführt werden und der Bewegung der Lichtquelle nachgeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute erhöht werden kann.
Vor bzw. nach der
Anlage können beispielsweise Einrichtungen zur Bündelung des Lichts, wie z. B. Linsen, angeordnet werden und dadurch die Licht- bzw. Wärmeausbeute weiter erhöht werden.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsvariante besteht die Anordnung aus zwei Umlenkspiegel od. dgl., wobei der erste Umlenkspiegel od. dgl. in einer 45 zur gewünschten Einstrahlrichtung der Lichtquelle geneigten Ebene angeordnet ist, und der zweite Umlenkspiegel in einer 45' zur Richtung der Achse des vom ersten Umlenkspiegel od. dgl. reflektierten Lichtstrahls geneigten Ebene angeordnet ist. Diese
Konstruktion kann leicht und billig beispielsweise durch Rohrstücke, welche in 90 zueinanderstehenden
Richtungen drehbar angeordnet sind, realisiert werden, wodurch die Spiegelanlage in jede beliebige
Richtung ausgerichtet werden kann.
Wenn die Spannungsversorgung der Sensoreinheit, der Steuereinheit und der Stellmotoren durch zumindest eine Solarzelle vorteilhafterweise in zusammen mit einem Akkumulator od. dgl. zur Speicherung der elektrischen Energie gebildet wird, ist die gesamte Einrichtung von Fremdenergie unabhängig. Dadurch wird die Inbetriebnahme bzw. Montage der Spiegelanlage beispielsweise auf einem Hausdach einfacher, da keine Verbindung mit dem elektrischen Netz erfolgen muss. Darüberhinaus ist die Wartung der Anlage
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einfacher, da die elektronischen Komponenten einfach austauschbar angeordnet werden können. Die Akkumulatoren od. dgl. zur Speicherung elektrischer Energie ermöglichen eine Steuerung der Spiegelanla- ge auch in Dunkelheit, wie sie z.
B. nach Sonnenuntergang zur Rückstellung der Anlage in Richtung Sonnenaufgang erfolgen kann.
Gemäss einer Ausführungsvariante ist die Sensoreinheit durch vier Photodioden od. dgl. gebildet, welche Photodioden od. dgl. auf einer im wesentlichen 90 zur Richtung der Lichtquelle orientierten Grundplatte angeordnet und durch senkrecht zur Grundplatte orientierte Wände voneinander getrennt sind, sodass die Photodioden od. dgl. bei Lichteinstrahlung auf die Sensoreinheit unter genau 90 zur Grundplatte gleichmä- #ig bei Abweichung von dieser Einstrahlrichtung unterschiedlich bestrahlt werden. Dies stellt eine von vielen möglichen Ausführungsformen der Sensoreinheit dar, welche billig und einfach mit den heute üblichen elektronischen Bauteilen realisierbar ist.
Durch die senkrechten Wände zwischen den Photodioden wird nur im Falle einer direkten, d. h. 90 zur Ebene, in der die Photodioden angeordnet sind, einfallenden Lichteinstrahlung alle vier Photodioden gleichmässig bestrahlt. In jeder davon abweichenden Einstrahlung wird eine oder mehrere der Photodioden durch den Schattenwurf einer der Wände teilweise oder vollständig abgedeckt, wodurch eine oder mehrere der Photodioden unterschiedliche elektrische Signale hefern und auf den Stand der Sonne bzw. Lichtquelle rückgeschlossen werden kann.
Wenn an der Sensoreinheit eine Referenzphotodiode od. dgl. angeordnet ist, kann die Lichtintensität der Lichtquelle berücksichtigt werden. Somit ist die Sensoreinheit von der Lichtintensität weitestgehend unabhängig.
Gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Sensoreinheit durch zumindest drei lichtemp- findliche Segmente od. dgl. gebildet ist, welche lichtempfindliche Segmente od. dgl. voneinander durch Wände getrennt in einem Gehäuse mit einer in Richtung der Lichtquelle orientierten Öffnung angeordnet sind, sodass alle lichtempfindliche Segmente od. dgl. bei Lichteinstrahlung auf die Sensoreinheit unter genau 90 * zur Grundfläche des Gehäuses gleichmässig und bei Abweichung von Einstrahlrichtung unterschiedlich bestrahlt werden. Auch durch diese Konstruktionsvariante der Sensoreinheit kann die direkte Lichteinstrah- lung eindeutig festgestellt werden. Bei Abweichung von der direkten Lichteinstrahlung geben die Sensoren unterschiedliche, elektrische Signale ab, wodurch auf die Orientierung der Lichtquelle rückgeschlossen werden kann.
Durch entsprechende Verarbeitung der Sensorsignale in einer vorteilhafterweise elektroni- schen Steuereinheit kann in einfacher und billiger Art und Weise eine Steuerung zur automatischen Nachführung der Spiegelanlage in Richtung der Lichtquelle erfolgen.
Der Ausgestaltung der Sensoreinheit sind nahen keine Grenzen gesetzt. Je weniger Photodioden angeordnet sind, desto höher ist der Aufwand zur Ermittlung der Richtung der Sonne bzw. Lichtquelle. Die Steuereinheit kann in bekannter Weise durch elektronische Bauelemente, wie z.B. Operationsverstärker od. dgl. bzw. zusammen mit den Ansteuereinheiten für die Stellmotoren in Form von kundenspezifischen, integrierten Schaltkreisen in einfacher und billiger Weise realisiert werden. Je nach Auswahl der Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten der Spiegel kann nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettlicht bzw. andere Wellenlängen verwendet und umgelenkt werden. Dies ist z. B. für den Fall von Wärmegewinnung aus Sonnenlicht wichtig.
Im folgenden wird anhand der beigefügten Abbildungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Darin zeigen
Fig. 1a-1c eine Ausführungsform der Erfindung in Schnittbilddarstellung von vorne, in der Ansicht von links sowie von oben,
Fig. 2a-2c eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensoreinheit in der Ansicht von vorne, von links und von oben,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm der Steuerung der erfindungsgemässen Spiegelanlage,
Fig. 4 ein einfaches Ausführungsbeispiel einer elektronischen Steuereinrichtung gemäss Fig. 3,
Fig. 5a-5c eine Ausführungsvariante der Sensoreinheit in der Ansicht von vorne, von links und von oben, und
Fig.6a-6c eine Ausführungsvariante der Spiegelanlage mit einem Prisma anstelle des zweiten
Umlenkspiegels.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Spiegelanlage gemäss Fig. 1 a-1c besteht aus vorzugs- weise runden Umlenkspiegel 1 und 2, welche in einem rohrknieförmigen Gehäuse 3 untergebracht sind.
Natürlich können die Umlenkspiegel 1,2 auch freiliegend oder in anderen Gehäusen mit beliebigem Querschnitt angeordnet sein. Der erste Umlenkspiegel 1 ist in einer 45 zur Einstrahlrichtung A geneigten Ebene angeordnet und der zweite Umlenkspiegel 2 ist in einer 45' zur Richtung des vom ersten Umlenkspiegel 1 reflektierten Lichtstrahls geneigten Ebene angeordnet. Vom ersten Umlenkspiegel 1 wird das in Richtung des Pfeiles A einfallende Licht in Richtung der Achse 4 reflektiert. Der zweite Umlenkspie-
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gel 2 reflektiert das entlang der Achse 4 einfallende Licht in Richtung der Achse 5 und leitet es zu einem bestimmten fixierten Bereich weiter, wo es je nach Anwendungsfall verschieden verwendet werden kann.
So kann das in Richtung des Pfeiles B umgelenkte Licht zur Beleuchtung von Räumen, zur Gewinnung von Wärmeenergie, zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Solarzellen od. dgl. verwendet werden. Zur Wärmeerzeugung kann auch beispielsweise eine Linse zur Bündelung des Lichts nachgeschaltet werden.
Abhängig vom Anwendungsfall kann die Oberflächenbeschaffenheit sowie das Material der Umlenkspiegel 1, 2 geeignet gewählt werden. Auch können anstelle von Umlenkspiegel 1,2 Prismen eingesetzt werden.
Der erste Umlenkspiegel 1 bzw. die Anordnung, in diesem Fall der Teil des rohrknieförmigen Gehäuses 3, in dem der Umlenkspiegel 1 befestigt ist, ist um die Achse 4 drehbar angeordnet. Zu diesem Zweck ist ein Stellmotor 7 vorgesehen, der die Drehung des Teils des Gehäuses 3, in dem der erste Umlenkspiegel 1 angeordnet ist, bewerkstelligt. Der Teil des Gehäuses 3, in welchem der zweite Umlenkspiegel 2 angeord- net ist, kann um die Achse 5 ebenfalls mit Hilfe eines Stellmotors 8 gedreht werden. Durch diese Anordnung kann die Öffnung des Gehäuses 3 in jede beliebige Raumrichtung orientiert werden. Zur automatischen Ausrichtung der Öffnung des Gehäuses 3 in Richtung der Lichtquelle ist vorzugsweise neben der Öffnung des Gehäuses 3 erfindungsgemäss eine Sensoreinheit 6 plaziert und mit dem Gehäuse 3 fest verbunden.
Zur Energieversorgung der elektronischen Komponenten, wie Sensoreinheit 6, Steuereinheit und Motoren 7,8, können Solarzellen 9 vorgesehen sein, welche für optimale Energieausnutzung vorzugsweise genau in Richtung der Lichtquelle orientiert sind. Beispielsweise können die Solarzellen 9 neben der Öffnung des Gehäuses 3 mit diesem fest verbunden werden.
Die Fig. 2a-2c zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Sensoreinheit 6 zur automati- schen Ausrichtung der Spiegeleinheit in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 besteht aus einer Grundplatte 10, auf der vier lichtempfindliche Bauelemente, beispielsweise Photodioden 11, 12, 13, 14 mit der photoempfindlichen Schicht parallel zur Ebene der Grundplatte 10 angeordnet sind. Die Photodioden 11-14 sind durch Wände 15, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Grundplatte 10 angeordnet sind, voneinander getrennt. Durch diese Konstruktion wird gewährleistet, dass die vier Photodioden 11-14 nur bei Einstrahlung des Lichts senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte 10 gleichmässig beleuchtet werden und somit gleiche Ströme hervorrufen.
Bei einer geringfügigen Abweichung von der Einstrahlrichtung werden eine oder mehrere Photodioden 11-14 durch Schattenwurf einer der Wände 15 teilweise oder vollständig abgedeckt, wodurch die Photodioden 11-14 unterschiedliche Diodenströme proportional zur einfallenden Lichtmenge hervorrufen. Durch entsprechende Verarbeitung der Photodiodenströme in einer elektronischen Schaltung erfolgt eine automatische Regelung der Stellmotoren zur Ausrichtung der Spiegel- anlage in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 ist somit bestrebt, sich automatisch so auszurichten, dass die Grundplatte 10 im wesentlichen 90 zur Richtung des einstrahlenden Lichts liegt. Auf einer der Wände 15 kann eine Referenzphotodiode 16 angeordnet sein, welche einen zur jeweiligen Lichtintensität proportionalen Referenzstrom liefert.
Die Empfindlichkeit der Steuerung kann dadurch von den jeweiligen Lichtverhältnissen unabhängig gestaltet werden, dass nicht die absoluten Photodiodenströme sondern die Differenzen zum Referenzphotodiodenstrom ausgewertet werden. Für eine eindeutige Bestimmung der Lage der Lichtquelle sind mindestens drei Photodioden notwendig. Daher kann die Sensoreinheit 6 natürlich auch aus einer Anordnung von drei oder beliebig vielen Photodioden bestehen.
Fig 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild der Einheit zur automatischen Ausrichtung der Spiegelanla- ge in Richtung der Lichtquelle. Die Sensoreinheit 6 besteht aus vier Photodioden 11-14 sowie der Referenzphotodiode 16, welche mit einer Steuereinheit 17 verbunden sind.
Die Steuereinheit 17 steuert die zwei Stellmotoren 7,8 in Abhängigkeit der Diodenströmen der Photodioden 11-14 an. Bei gleichen Diodenströmen der Photodioden 11-14, entsprechend der Ausrichtung der Sensoreinheit 6 genau in Richtung der Lichtquelle erfahren die Stellmotoren 7, 8 keine Ansteuerung, sie bleiben ruhig. Bei Abweichung der Diodenströme der Photodioden 11-14 voneinander wird einer oder beide Stellmotoren 7, 8 so angesteuert, sodass die Abweichung der Ausrichtung der Sensoreinheit 6 von der Richtung der Lichtquelle ausgeglichen wird. Die Steuereinheit 17 kann in einfacher Weise aus Operations- verstärkern aufgebaut sein oder auch die Verarbeitung der Daten mit Hilfe eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers durchführen.
Bei den Stellmotoren 7 und 8 handelt es sich vorzugsweise um Motoren mit einer sehr hohen Getriebeübersetzung, sodass eine sehr genaue Einstellung und Ausrichtung möglich ist.
Gemäss der Ausführungsvariante in den Figuren 1 a-1 wirken die Stellmotoren 7 und 8 am besten in 90 * zueinander. Vorteilhafterweise sind die Photodioden 11-14, die allfällige Referenzdiode 16, die Steuereinheit
17 sowie die Motoren 7,8 mit einer Spannung gespeist, welche beispielsweise von einer Solarzelle 9 herrührt, sodass die gesamte Einheit von Fremdenergiequellen unabhängig wird.
Fig. 4 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Steuerung gemäss Fig. 3, wobei die Steuereinheit
17 durch Operationsverstärker gebildet werden. Die Solarzelle 9 speist einen Akkumulator 24, welcher die gesamte Einheit mit Spannung versorgt. Anstelle der Photodioden können natürlich auch beliebig andere
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photoempfindliche Elemente, wie z. B. Phototransistoren oder auch lichtempfindliche Widerstände in ent- sprechender Schaltung eingesetzt werden.
In den Fig. 5a-5c ist eine Ausführungsvariante der Sensoreinheit 6 dargestellt, welche aus einem halbkugelförmigen Gehäuse 18 besteht, das an seinem höchsten Punkt mit einer blendenförmigen Öffnung 19 ausgestattet ist. Wie aus Fig. 4c am besten ersichtlich ist, ist das Innere des Gehäuses 18 in drei gleich grosse lichtempfindliche Segmente 21-23 unterteilt und durch Trennwände 20 voneinander getrennt. Anstelle der lichtempfindlichen Segmente 21-23 könnte auch in jedem der drei entstehenden Räume eine Photodio- de od. dgl. angeordnet werden. Fällt das Licht in einem Winkel von 90 zur Grundfläche 25 des halbkugelförmigen Gehäuses 18 ein, so werden die drei lichtempfindlichen Segmente 21-23 gleichmässig beleuchtet.
Weicht die Einstrahlrichtung von dieser Vorzugsrichtung ab, so werden die lichtempfindlichen Segmente 21-23 durch Schattenwurf der Trennwände 20 teilweise oder vollständig abgedeckt und rufen unterschiedhche Ströme oder Signale hervor. Aus diesen Signalen der lichtempfindlichen Segmente 21-23 kann auf die Einstrahlrichtung der Lichtquelle geschlossen werden und daher eine Ausrichtung der Sensoreinheit in Richtung der Lichtquelle durchgeführt werden. Ebenso könnten die lichtempfindlichen Segmente so angeordnet werden, dass bei direkter Einstrahlung kein lichtempfindliches Segment angestrahlt wird, und nur bei Abweichung von der Einstrahlrichtung zumindest ein lichtempfindliches Segmente bestrahlt wird.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 5a-5c mit drei lichtempfindlichen Segmenten 21-23 ist der Aufwand zur Verarbeitung der Daten etwas aufwendiger als bei einer Anordnung mit vier tichtempfindlichen Segmenten bzw. Photodioden gemäss Fig. 2a-2c.
In den Fig. 6a-6c ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher der zweite Umlenkspiegel 2 durch ein kegelstumpfförmiges Prisma 26 ersetzt wurde. Bei dieser Anordnung kann der erste Umlenkspie- gel 1 um die Achse 4 und um die Achse 5 gedreht werden, während das Prisma 26 fest bleibt. Durch die rotationssymmetrische Form des Prismas 26 wird das entsprechend der Richtung des Pfeiles A einfallende Licht immer in Richtung des Pfeiles B aufeinen mehr oder weniger festgelegten Bereich umgelenkt.
Die Ausführungsformen zeigen nur einen kleinen Ausschnitt aller im Rahmen der Erfindung möglichen Konstruktionsvarianten.