DE102008010010A1

DE102008010010A1 - Spektrometrischer Sensor

Info

Publication number: DE102008010010A1
Application number: DE200810010010
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Adelhelm
Original assignee: Pasan SA
Current assignee: Pasan SA
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-10-22
Also published as: DE112009000660A5; WO2009092354A2; WO2009092354A3

Abstract

Der erfindungsgemäße Mehrkanal-Detektor dient zur optoelektronischen Messung der spektralen Bestrahlungsstärke von solarer Strahlung oder von Solarsimulatoren für die Photovoltaik gemäß IEC 60891, IEC 60904 und ISO/DIS 15387.

Description

Die exakte Messung von optischer Strahlung und ihrer spektralen Verteilung bzw. Bewertung mittels Detektoren sind insbesondere für die Photovoltaik wissenschaftlich und wirtschaftlich bedeutend.
Stand der Technik
Die Referenzsolarzelle bzw. der spektrometrische Sensor mit Verlauffilter und Spektralschablone zur Bewertung optischer Strahlung sind bekannt aus dem Gebrauchsmuster DE 20 2005 020 905.8 (Anmeldetag 28.08.2006) und der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 010 490.3 (Anmeldedatum 03.03.2007). Darüber hinaus sind konstruktive Merkmale der Geräte aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 005 457.7 (Anmeldetag 22.01.2008) bekannt.
Nach dem Stand der Technik werden Referenzsolarzellen

• entweder „offen” angeboten, d. h. ohne einen Widerstand mit getrennten elektrischen Kontakten und Verbindungen zu den Elektroden der Solarzellen hergestellt
• oder „abgeschlossen” angeboten, d. h. ein ausgewählter Widerstand (Shunt) verbindet die Elektroden der Solarzelle, so dass eine messbare Spannung über diesen abfällt.

Die erste Variante erlaubt vorteilhaft die Messung der gesamten Strom-Spannungs-Kennlinie der Solarzelle, was jedoch u. U. spezielle Messapparaturen verlangt (Stichwort: 4-Draht-Messtechnik wegen Spannungsabfall über Messkabel und das Messgerät). Die abgeschlossene Variante führt vorteilhaft die Messung der optischen Strahlung auf eine simple Spannungsmessung zurück.
Wegen des enormen apparativen bzw. experimentellen Aufwandes einer Kalibrierung von optischen Detektoren, speziell von Referenzsolarzellen, ist die Stabilität der Kalibrierung und die Langlebigkeit des Gerätes für die ingenieurwissenschaftliche Reproduzierbarkeit von Messungen bedeutend. Der Anspruch an die Reproduzierbarkeit verlangt eine besondere Berücksichtigung von undefinierten Übergangswiderständen im stromführenden Messkreis, die bei lösbaren Kontakten (Stecker/Buchse) typischerweise vorhanden sind. So werden konsequenterweise die genannten Widerstände bei Referenzsolarzellen im stromführenden Kreis NICHT mit Stecker bzw. Buchse ausgestattet, um Widerstände leicht tauschen zu können, sondern elektrisch und mechanisch fest verbunden, z. B. durch eine Lötung. In diesem Sinne haben sich die beiden Varianten „offen” und „geschlossen” gebildet. Ein steckbarer äußerer (Präzision-)Widerstand einer „offenen” Referenzsolarzelle wird vom Fachmann entsprechend kritisch eingestuft, insbesondere wenn die typischen Übergangswiderstände einer Steckverbindung im Milliohm- bis Zehntelohm-Bereich im gleichen oder benachbarten Widerstandsbereich des (Präzision-)Widerstand (Shunts) liegen.
Allgemein ist der Widerstand hinsichtlich der Eigenschaften von geringer Temperaturabhängigkeit, geringer Induktivität und geringer Kapazität ausgewählt. Seine Toleranz in der physikalischen Größe „Widerstand” (Ohmwert) ist von untergeordneter Rolle, da im Sinne einer „abgeschlossenen” Zelle diesem Wert nach einer Kalibrierung mittels definierter Bestrahlung keine Bedeutung mehr beiwohnt.
Der genannte spektrometrische Sensor ( DE 10 2008 005 457.7 ) verwendet Photozellen, die je mit einem Widerstand nach Stand der Technik abgeschlossen sind.
Aufgabenstellung
Im Sinne der Aufgabenstellung von DE 10 2008 005 457.7 wird eine Konstruktion mit großer Multifunktionalität gefordert. Eine Anpassung auf die zu prüfenden Solarsimulatoren mit unterschiedlichem Bestrahlungsstärkeniveau, z. B. Schwachlicht, 500 W/m² oder 1000 W/m² kann bedeutend sein. Als Forderung zählt auch, dass der spektrometrische Sensor optimal an die Bedingungen von Kalibrierung und tatsächlicher Messung angepasst werden kann. Zum Beispiel sind erwartungsgemäß die Ausgangssignale der einzelnen Photozellen unterschiedlich groß aufgrund ihrer Produktionsstreuung, aber auch aufgrund der zweckmäßigen Filterung. Daher wird ein „geeigneter” Widerstand gewählt und in unmittelbarer Nähe der Photozelle platziert. Eine (stromlose) Spannungsmessung ist unproblematisch hinsichtlich Übergangswiderstände.
Aufgabe ist es, eine dauerhafte feste elektrische Verbindung zwischen dem Widerstand (Shunt) und der Solarzelle herzustellen und trotzdem einem Fachmann eine einfach zugängliche Möglichkeit zu schaffen, den Widerstandes auszutauschen.
Spektrometrischer Sensor mit „abgeschlossenen” Photozellen
Die Aufgabenstellung wird mit der erfindungsgemäßen Konstruktion des spektrometrischen Sensors (SMS) mit „abgeschlossenen” Photozellen im einzelnen wie folgt gelöst. Dabei wird insbesondere auf Zeichnung „2” der Anmeldung DE 10 2008 005 457.7 verwiesen.
Das Gehäuse 11 des SMS besitzt einen oder mehrere Hohlräume, welche Platz für die Widerstände bieten. Das Gehäuse kann vorteilhaft im wesentlichen aus zwei Teilen bestehen, einer Grundplatte und einem Hauptteil. Das Hauptteil besitzt insbesondere das Gleitlager des Filterhalters und die Passbohrungen für Filterhalter und Spektralschablone.
Erfindungsgemäß besitzt das Hauptteil eine Öffnung, die mit einem Deckel ausgestattet ist. Wird der Deckel abgenommen (vorzugsweise abgeschraubt), gibt die Öffnung des Hauptteils einen freien Zugriff auf die Widerstände, jedoch zweckmäßig nicht auf die Photozellen. Mittels diesem konstruktiven Merkmals ist es nicht mehr nötig das gesamte Hauptteil von der Grundplatte zu entfernen, um an die Widerstände zu gelangen. Der optisch relevante Teil des SMS bleibt vorteilhaft unberührt. Auch bei einer anderen Aufteilung des Gehäuses (siehe Zeichnung des Gebrauchsmusters DE 20 2005 020 905.8 ) ist eine separate Öffnung zur Kammer der Widerstände vorteilhaft.
Erfindungsgemäß werden die Widerstände der Photozelle jeweils mit Einzelklemmen mit Schraubanschluss gehalten. Diese Klemmen sind potentialfrei, d. h. isoliert gegen das Gehäuse und ermöglichen das Festschrauben der beiden Drahtenden des Widerstandes (im Fall einer Rundbauart). Dieses Merkmal ermöglicht vorteilhaft eine leicht lösbare aber dauerhaft stabile elektrisch stromführende Verbindung von Solarzelle und Widerstand. Vorteilhaft können die Oberflächen des Schraubanschlusses und der Widerstandsdrahtenden vergoldet sein. Vorteilhaft bieten die Einzelklemmen mit Schraubanschluss ein oder mehrere Kontaktierungspunkte (Lötfahne, -stelle, Bondstelle), die den Anschluss der Photozelle sowie dem (Litzen-)Kabel zur Breakout-Box ermöglichen.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführung der Aufgabe kann mittels einer speziell erstellten Platine gelöst werden. Die elektrischen Leitungen der Platine, die Lötpads, Lötfahnen und oder ähnliche Verbindungsbauteile sind so gestaltet, dass die elektrischen Leitungen zur Solarzelle und zur Break-out-Box unabhängig von der Kontaktierung des Widerstandes für die gesamte Lebensdauer des SMS bestehen kann, während der Widerstand ausgelötet oder verschraubt werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Kontaktierung des Widerstandes vom Rest der notwendigen Verdrahtung bzw. Verkabelung ausreichend entfernt, um einen etwaigen schadhaften Wärmefluss beim Lötprozess zu verhindern oder ausreichend Platz für die Verwendung von Werkzeugen (Crimpwerkzeug, Bonden) zu haben oder etwaige mechanische Beanspruchungen auszuschließen.
Vorteile
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Gehäuses und der erfindungsgemäßen Konstruktion der Kontaktierung des Widerstandes mit der Solarzelle lässt sich vorteilhaft erreichen, dass

1) jeder Widerstand leicht zugänglich ist, um ihn ggf. zu entfernen oder auszutauschen,
2) jede Photozelle als „offene” und „geschlossene” Referenzzelle betrieben werden kann,
3) die Anpassung des Widerstandes einfach vorgenommen werden kann,
4) eine dauerhafte elektrische Verbindung ohne Änderung im Übergangswiderstand gegeben ist und so insgesamt
5) die Multifunktionalität erhöht wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202005020905 U [0002, 0012]
- DE 102007010490 [0002]
- DE 102008005457 [0002, 0007, 0008, 0010]

Claims

Optischer Mehrkanal-Detektor gemäß einer der Ansprüche der Anmeldung DE 10 2008 005 457.7 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuses eine (mit einem Deckel zu versehene) Öffnung besitzt, die den Zugriff auf die darunter liegenden Widerstände freigibt, um diese Entfernen oder Austauschen zu können, ohne weitere Teile der Apparatur öffnen zu müssen.
Optischer Mehrkanal-Detektor gemäß einer der Ansprüche der Anmeldung DE 10 2008 005 457.7 oder des vorgenannten Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände jeweils in Schraubklemmen sitzen oder die Anschlusspunkte der Widerstände von der weiteren notwendigen Verdrahtung räumlich derart getrennt sind, dass ein einfacher Prozess (Schrauben, Löten, Crimpen) einen dauerhaften Anschluss der Widerstände herstellt, ohne mit diesem Prozess einen schädlichen Einfluss (Hitze, mechanische Beanspruchung) auf den Rest des Gerätes zu haben.