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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image
contrast
evaluation
solar
determined
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PCT/EP2014/055297
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Inventor
Georg Bachmaier
Reinhard Freitag
Roland Pohle
Robert Schrobenhauser
Rainer Strzoda
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/94—Investigating contamination, e.g. dust
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/005—Testing of reflective surfaces, e.g. mirrors

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a contamination of a surface of at least one component.
  • Components such as solar systems are preferably used in regions in which a high number of hours of sunlight and the angle of incidence of the sun enable the highest possible energy yield. These regions on earth are mostly desert zones, as on the one hand the solar radiation is hardly obstructed by cloud formation and on the other hand surfaces for the installation of the solar systems are cost-effective, since an alternative use, for example, through agriculture and livestock breeding is usually not possible. Because solar systems are advantageously in the open air is ⁇ sets, they are subject to a so - depending on environmental conditions - more or less severe pollution of the so-called active surfaces. These active areas are the areas or areas of the solar system over which the
  • Solar cells of the Solaran ⁇ position can irradiate.
  • the active surfaces can thus be used to convert energy contained in the light into electrical energy. Contamination of these active surfaces, for example due to sand deposits, bird droppings and the like, leads to a reduction of the transmission and thus in some cases to considerable energy yield of the solar system or of a solar module.
  • Pollution detection ie the determination of the pollution of the solar panels, is very time-consuming and costly, especially for large solar fields consisting of hundreds of solar modules, since this not only sensors themselves, but also signal conditioning and cabling over long distances to a central location would be needed.
  • a first aspect of the invention relates to a method for
  • a contamination of a surface of at least one component Determining a contamination of a surface of at least one component.
  • an image is assigned to one of the surface and at least two from each other different areas having evaluation element detected by means of an optical detection element.
  • the image is subjected to image processing by means of an evaluation device.
  • image processing By the image processing, a contrast of the image characterization ⁇ render contrast value is determined at least, wherein the pollution from ⁇ dependence is determined from the calculated contrast value.
  • the inventive method allows a needs-based cleaning of the surface.
  • the surface can be cleaned and then only when this is actually required.
  • a central contamination detection with ⁇ means of the method of the invention can be represented by means of which a particularly high number of surfaces of different components can be detected automatically.
  • the inventive method can thus be used for example in a solar system with a variety of solar modules, the solar surfaces checked for contamination and can be cleaned as needed in the sequence.
  • the method according to the invention can be used in any type of components and in particular solar modules. This means that the method is compatible with at least almost any type of solar module. This is advantageous in that when building or expanding a solar field - for example, depending on the market situation and price - find solar modules of different provenance use.
  • the different solar modules have different cover glass types, surfaces and structures, with the respective solar cells differing from one another. lie close to the edge of each module frame and are sealed against water and dust.
  • the optical sensing element, the evaluation element and the evaluation device for carrying out the method according to the invention need not be installed or integrated in the respective solar module, so that the sealing of the respective solar module is not impaired.
  • the method according to the invention works reliably with all cover glass types.
  • the evaluation element can be kept particularly small solutions in terms of its dimen- but to overlap free to arrange it on the surface of a solar module to the Sun ⁇ laramide or the solar cells so that a shading of the solar cells of the solar module can be avoided.
  • the contamination of a solar module for example, as a function of a decrease in the energy yield.
  • the determination of the pollution depending on the decrease of the energy yield is in so ⁇ far disadvantageous discriminated as a time before the cleaning of the surface is not between the decline in performance of the solar module due to fouling or due to aging and degradation, or due to individual of any part failures solar cell can be.
  • the fouling detecting function of the decline in energy output can not ensure sufficient, need-based cleaning ⁇ supply of the solar module, unlike the present invention.
  • the inventive method can replace the opti cal ⁇ inspection of the component by a person and / or by an expensive vehicle such as an aircraft or land vehicle, so that a particularly cost-effective determination of the contamination can be realized.
  • the inventive method is applicable not only for a Solarmo ⁇ module as the device.
  • the applied by the inventive process bewirkbare Verschmut ⁇ Zung recognition for solar panels, Solarthermieanla- gen, mirror systems for heating media, solar heat ⁇ power stations and facades of buildings advertising to.
  • the method is thus particularly suitable whenever the contamination of particularly large or a large number of many smaller individual surfaces is to be recorded centrally and without personnel or individual detectors.
  • a contrast transfer function is determined by means of the evaluation device as a function of the ER framed image, the pollution depending is determined by the ermit ⁇ telten contrast transfer function.
  • a plurality for example, calculated by the contrast of the captured image charac ⁇ r isden contrast values, then being determined in dependence on the determined values, the contrast or contrast transfer function calculated.
  • the degree of contamination can be determined particularly precisely by comparing the at least one determined contrast value or the determined contrast transfer function with a corresponding desired value or a corresponding desired contrast transfer function.
  • a contrast transfer function curve can be determined, which can be compared with a reference value.
  • Contrast transfer function curve of the target contrast transfer function can be compared.
  • the desired contrast value or the desired contrast transfer function and its target contrast transfer function curve CHARACTERI ⁇ Sieren thereby the surface in an uncontaminated state. If the contamination of the surface and thus of the evaluation element assigned to the surface increases, then the actually detected contrast value is lower than the desired contrast value or the contrast transfer function curve sinks - registered in a corresponding diagram - below the desired contrast transfer function curve.
  • ⁇ deviation of the contrast value or Kontrastübertragungsfunkti- onskurve from the target contrast value and the contrast target ⁇ transfer function curve of the degree of contamination and thus the need for cleaning of the surface can be determined.
  • the evaluation element used is an evaluation element arranged in an edge region next to the surface.
  • the evaluation object may be placed particularly close to the surface to be inspected on the one hand, so that the upper surface can ⁇ particularly accurate conclusion can be drawn on the actual condition of the contamination.
  • an undesirable or an undesirably large surface coverage of the surface can be avoided by the evaluation element.
  • the device is configured as a Sun ⁇ larmodul. In this case, an undesired ab ⁇ shading of a solar surface and thus of solar cells of the solar module can be avoided.
  • the evaluation element can also be applied to the surface itself.
  • a further embodiment is characterized in that as the detection optical element is a camera with a Whether ⁇ objectively is used with variable focal length.
  • the objective may be a zoom lens, in particular a telephoto zoom lens.
  • a zoom lens By means of such a zoom lens are also several, from each other
  • each associated surfaces can be checked in the context of the process to their respective pollution. This makes it possible to check a particularly large number of spaced-apart surfaces by means of a camera.
  • the contrast value in particular the contrast transfer function
  • the contrast transfer function is determined as a function of the focal length of the objective set during the acquisition of the image.
  • the risk that aberrations caused by the optics are interpreted as contamination of the surface can be kept particularly low or avoided.
  • At least one actuator for moving the optical detecting elements ⁇ at least one actuator, in particular an electric motor ⁇ provided, so that an automatic movement of the optical detection element, and thus an automated or automatic detection of respective images of the respective evaluation items can be realized.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is characterized in that the evaluation element is illuminated when capturing the image with a lighting device. As a result, the capture of the image can be performed even in dark conditions and especially at night. Thus, an undesirable shading of the device designed in particular as a solar module can be avoided.
  • a laser is used as the illumination device, by means of which at least one laser beam is emitted for illuminating the evaluation element.
  • This also particularly far beabstan- from the illuminator det arranged evaluation elements can effectively and efficiently be ⁇ be lit so that images can be captured by these elements to evaluate.
  • the evaluation element is illuminated at ⁇ play with a slightly expanded laser beam whose optical axis is preferably disposed parallel and closely adjacent to the optical axis of the formed, for example, as a camera optical sensing element.
  • the evaluation element in particular at least in one of its portions, at least one Refle ⁇ xionselement, in particular a retroreflector, which reflects that light emitted from the illumination device light.
  • the reflection element for reflecting at least one of the beam or laser beam is reflected to the detecting element via the Reflexionsele ⁇ ment in other words is used by the lighting installations direction emanated beam, especially laser beam.
  • the use of a retroreflector has the advantage that the beam passing from the illumination device to the retroreflector is reflected, ie, reflected back, at least almost exactly in the direction from which the beam comes.
  • the illumination device, the optical detection element and the evaluation element with the reflection element are or are aligned with one another at least when the image is acquired such that an at least substantially parallel course of the beam and the reflection beam results.
  • the retroreflector is thus arranged particularly narrow at right angles to the detection element, in particular to the camera. Because of the parallel course, only very little energy is lost, so that evaluation elements arranged particularly far from the illumination device and / or from the detection element can be illuminated in an energy-efficient manner.
  • a so-called Siemens star can be used as the evaluation element.
  • the Siemens Star extends at least substantially perpendicular to the optical axis, it has its image or on egg ⁇ ne substantially circular shape. However, if the Siemens star is tilted out of the vertical line against the optical axis, then it has the shape of an ellipse, from which finally the angle between the optical axis and the Siemens star or the plane in which the Siemens star extends can be determined.
  • the evaluation element it is also expedient, as the evaluation element to use at least a portion of the surface itself. As a result, no additional evaluation element must be provided. Rather, the surface itself can be used as an evaluation element. Particularly, in a solar module, the surface of an optical structure, since arranged behind a transparent ⁇ ent cover glass elements, such as So ⁇ larzellen for converting light into electric current having high contrast structures which are visually perceptible by the cover glass therethrough, and thus the evaluation ⁇ element can be used. Electrodes of the solar cells are visually perceptible, for example, as light structures, wherein silicon as visually dark structures can be visually perceived.
  • a second aspect of the invention relates to a device for determining a contamination of a surface of at least one component.
  • the apparatus in particular ⁇ sondere is for performing the inventive method.
  • the device comprises at least one optical He ⁇ socket element, in particular a camera associated for capturing an image of the surface and at least two mutually different areas having evaluation element.
  • the camera is designed for example as Infrarotka ⁇ ra or as a video camera.
  • the device further comprises an evaluation device, which is designed to subject the image to image processing, to determine at least one contrast value characterizing a contrast of the image by means of the image processing, and to determine the contamination as a function of the determined contrast value.
  • Advantageous Ausgestal ⁇ tions of the first aspect of the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
  • the device enables a particularly simple , time and cost-effective determination of the contamination, since the evaluation element and in particular a plurality of
  • UNG shows in a schematic view of an apparatus for He ⁇ transmit a contamination of a surface of at least one component in the form of a solar module, comprising an optical detection element in the form of a camera for capturing an image of the Oberflä ⁇ che associated and at least two mutually different areas Evaluation ⁇ elements according to a first embodiment, and with an evaluation device which is adapted to subject the image of image processing to determine by means of the image processing at least one contrast of the image characterizing contrast value and to determine the pollution in dependence on the determined contrast value; a schematic plan view of the evaluation element in an unpolluted state; a schematic plan view of the evaluation element according to FIG 2a in a polluted condition in contrast; is a characterizing the contrast of the image gradient, by means of which a contrast transfer function of the image determined being determined in depen ⁇ dependence of the contrast transfer function of the contamination of the surface; a schematic plan view of the evaluation element according to a second embodiment, wherein the evaluation element according to the second embodiment extends at least substantially perpendicular to
  • FIG. 5a shows a schematic plan view of the evaluation element according to FIG. 4a in a soiled state
  • FIG. 5b shows a schematic plan view of the evaluation element according to FIG. 4a in an unpolluted state
  • FIG 6 a detail of a further schematic plan view of the solar module ⁇ using as a portion of the surface itself is used, the ceremoniessele ⁇ element at least.
  • FIG. 1 shows a device, denoted as a whole by 10, for determining contamination of a surface 12 of a component in the form of a solar module denoted by 14 as a whole.
  • a solar module 14 can also be readily transferred to other components having a planar extension, such as facades of buildings, solar collectors, solar thermal systems, mirror systems for heating media, solar thermal power plants and / or the like.
  • the surface 12 (solar surface) is circumferentially fully ⁇ constantly circumscribed by a frame 18 of the solar module 14 be ⁇ borders.
  • the solar cells extend to the frame 18, wherein no conversion of light into solar energy takes place in the region of the frame 18.
  • the device 10 comprises an optical detection element in the form of a camera 20, which is designed, for example, as a digital camera and has a very good optical resolution capability .
  • the camera 20 serves as a central, serial ver ⁇ expended pollution sensor for detecting the contamination of the surface 12 and, optionally, for determining encryption dirt additional solar surfaces of spaced apart from the solar module 14 solar panels of a solar installation.
  • the camera 20 is mounted on a mast 24 of the device 10 such that it projects beyond the solar module 14 and that it can detect as many solar modules of the solar field.
  • the camera 20 is selectively re ⁇ tively in all directions to the solar module 14 pivot.
  • the camera is preferably arranged on the mast 24 that mög ⁇ lichst many solar modules with its front in a
  • Pan range of the camera 20 are to be detected. Thus, the ⁇ larfeld a very large extent, so multiple cameras can be used.
  • the mast 24 should, if possible, have no or only a slight shadow on the respective solar modules of the solar field.
  • the solar module 14 is provided with evaluation elements 26 in its edge regions next to the surface 12 and in the present case on the frame 18.
  • the assessment elements 26 are, for example, marking ⁇ signs or labels, which attached to the frame 18, for example glued.
  • the evaluation elements 26 each have a line grid with alternating black and white strips 28, 30 in the direction of extension of the respective evaluation element 26 in the direction of extension. the spatial frequency. This is particularly well from FIG 2a he ⁇ recognizable. In this case, the spatial frequency of the line grid or the strips 28, 30 with respect to the image plane of FIG 2a increases from left to right.
  • the assessment elements are mounted in such a way to the solar module 14 26, that the solar surface (surface 12) and in particular the solar cells are not till ⁇ covers.
  • These markers are inexpensive and have clear cost advantages over individual sensor systems, in particular in large solar fields, which are attached to each individual solar module of the solar field and de ⁇ ren evaluation signals must be centrally combined by cabling.
  • the device 10 also includes an evaluation device 33, which is coupled to the camera 20.
  • an evaluation device 33 By means of the camera 20, at least one image of at least one of the evaluation elements 26 can be detected.
  • the image or an image characterizing ⁇ image signal is transmitted to the evaluation device 33rd
  • ⁇ means of the evaluation device 33, the image is subjected to image processing.
  • a contrast of the image characterization ⁇ render contrast value is at least determined.
  • erläu tert ⁇ is more, the contrast of the image characterizing contrast values and using these contrast values a contrast transfer function with a corresponding curve Kontrastschreibtragungsfunktions- be determined by means of the evaluation device 33rd
  • pollution detection makes advantage of the fact that contamination of the surface 12, and thus the evaluation elements 26 the contrast, that is the ratio of the bright spots to the dunk ⁇ len points, ie the ratio of the white light and thus Reduce strips 30 to the contrast, the dark, black strip 28, regardless of whether it is light, dark or gray dirt.
  • FIG. 2a shows the evaluation element 26 in an unpolluted state.
  • FIG 2b shows the evaluation element 26 in a soiled to stand ⁇ .
  • the contrast of the evaluation element 26 and thus his image through the dirt is herabge ⁇ sets.
  • the black strips 28 are no longer so clearly delimited from the white strips 30 as is the case in the unpolluted state according to FIG. 2a.
  • the determination of the pollution is illustrated by the determination of the aforementioned contrast transfer function.
  • the line grid of the evaluation element 26 according to FIG. 2a corresponds to an object modulation having an angular curve 32.
  • the change in contrast caused in particular by the contamination changes this curve.
  • the curves ⁇ extending the image of the soiled rating element 26 ge ⁇ Mäss 2B may for example be represented as part of an image modulation as a sine curve.
  • the Modulationsübertra- cleaning function arises now for example from the behaves ⁇ nis the image contrast, ie the curve of the image of the soiled rating element 26 to the object contrast, that is, the square curve 32 of the image of unpolluted rating element 26th
  • the angular curve 32 results in a contrast transfer function curve 34 which, in a diagram 36, illustrates the course of the contrast over the line pairs per millimeter.
  • the Kontrastübertragungsfunktionsverlauf 34 corresponds to the unpolluted state. If there is an increasing contamination of the surface 12 and thus of the evaluation element 26, then there is a reduction in contrast and a concomitant lowering of the contrast transfer function curve, as shown in the diagram 36 is illustrated by a further contrast transfer function curve 38 ⁇ .
  • the modulation transfer function curve 38 extends below the Kon ⁇ trastübertragungsfunktionskurve 34, Wegge- concluded that contamination is present.
  • the camera 20 For detecting the corresponding image of the evaluation element of the associated solar module, the camera 20 is automatically directed by actuator system to the solar module to be tested of the solar field, so that by means of the evaluation device ⁇ 33 over the Kontrastübertragungsfunktions ⁇ curve of the degree of contamination is determined before the camera 20 the next solar module targeted.
  • the location of the individual solar modules and thus the direction and the distance from the location of the camera 20 is programmed once either when starting the device 10.
  • a camera control can independently learn the locations of the solar modules via pattern recognition.
  • Far-away solar modules or their respective evaluation element can be brought to the same image size by means of the camera 20 via the use of the automatically controlled Telezoomobj ektivs 22, so that the results on the pollution ⁇ tion of the respective solar modules are comparable.
  • 20 marking contrast strips or correspondingly lower spatial frequency elements may be used to compensate for distance-related, optical contraction of the black and white strips 28, 30.
  • the Telezoomobj ektiv 22 has a variable, ie adjustable focal length ⁇ . It is useful to determine the contrast over ⁇ tragungsfunktion also depending on the set when capturing the image focal length of Telezoomobj ektivs 22nd In other words, a set of respective aktu ⁇ ell focal length of Telezoomobj ektivs 22 gehö ⁇ -saving modulation transfer function of Telezoomobj is ektivs 22 included in the resulting total contrast transfer function.
  • the strips 28, 30 and the evaluation ⁇ elements 26 have a greater spatial frequency range with line grid to for closer together at oblique viewing or detecting angle appearing stripes 28, 30 still evaluable strip distances available.
  • the angle of the respective solar module or the respectivetechnischsele ⁇ ments it is appropriate the angle of the respective solar module or the respectivetechnischsele ⁇ ments to the camera 20, in particular to its optical axis, taking into account the time of day and the time equation of the sun (Seasonal Sun behavior) on Place of installation included.
  • the contamination measurement can be carried out in particular at night.
  • the solar modules with a slightly expanded laser beam whose optical axis is at least substantially parallel and close to the optical axis of the camera 20, illuminated.
  • the solar modules and in particular their depending ⁇ annes evaluation element to be Ver ⁇ schmutzungserkennung at least substantially perpendicular ⁇ moves right to the optical axis of the camera 20th
  • the Ver ⁇ pollution measurement at night has the advantage that the mast 24 of the camera 20 can cast no shadow on the solar modules.
  • the mast 24 is then erected for measuring at night or telescopically, ie telescopically, extended.
  • the use of the evaluation element 26 according to a second embodiment is illustrated with reference to FIGS. 4 a and 4 b.
  • Siemens stars can also be used. find a solution.
  • the evaluation element 26 according to FIGS. 4a and 4b is designed as a Siemens star. It can be seen from FIG. 4 a that the Siemens star in the image captured by the camera 20 has a substantially circular shape when the Siemens star (the evaluation element 26) extends at least substantially perpendicular to the optical axis of the camera 20.
  • Siemens star extends obliquely to the optical axis, then it has an elliptical shape, as can be seen from FIG. 4b.
  • the use of such a Siemens star has the advantage that the angle between the optical axis and the Siemens star and thus between the optical axis and the solar module can be calculated from the ratio of ellipse ellipse axes or from the ratio of the highest to the lowest contrast transmission function ,
  • FIG. 5 a shows the Siemens star in a dirty condition, with FIG. 5 b showing the Siemens star in a less or not soiled state.
  • the evaluation element 26 can also be provided that the evaluation element 26 laterally next to the solar module 14, but mitbewegbar bar is arranged.
  • At least one subarea of the surface 12 itself can also be used as the evaluation element 26.
  • the transparent cover glass 16 makes it possible to identify structures of the solar cells which have an optical contrast and can thus be used as a measuring surface. This offers the advantage that contamination on the actually active solar surface or solar cell surface can be determined without further modification of the solar module 14.
  • optical structures are formed by electrodes and by silicon of the solar cells, wherein light structures are formed by the electrodes and demge ⁇ genüber dark structures through the silicon.
  • the Kontrastübertragungsfunkti ⁇ on is used for the realization of a simple, inexpensive and central pollution detection. It is thus possible to easily check a multiplicity of solar modules and / or other flat components.

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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