DE102010040398A1

DE102010040398A1 - Verbesserung der Energie-Effizienz einer mindestens eine Lichtquelle aufweisenden Beleuchtungsanlage sowie entsprechende Beleuchtungsanlage

Info

Publication number: DE102010040398A1
Application number: DE102010040398A
Authority: DE
Inventors: Christian Nesensohn
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-08
Also published as: EP2614688B1; US20130193854A1; EP2614688A1; US9192020B2; WO2012031927A1; DE112011102985A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Energie-Effizienz einer mindestens eine Lichtquelle (3) aufweisenden Beleuchtungsanlage, wobei die Lichtquelle (3) zur Stromversorgung über ein Betriebsgerät (2) mit einer externen elektrischen Energiequelle, Z. B. dem Netz, verbindbar ist. Zur Vermeidung von Standby-Verlusten, die entstehen, wenn das Betriebsgerät (2) auch im inaktiven Zustand mit dem Netz verbunden sein muss, um die notwendige Anlaufenergie für die Halbleiter-ICs (8) zu generieren, wenn über den Bus ein Einschaltbefehl eintrifft, wird vorgeschlagen, dass aus dem nicht zu Beleuchtungszwecken genutzten Licht der Lichtquelle (3) oder aus dem direkten oder indirekten Licht von Nachbarleuchten (2) oder aus dem Umgebungslicht durch photovoltaische Energieumwandlung elektrische Zusatzenergie gewonnen und dem Betriebsgerät als Anlaufenergie für die Halbleiter-ICs (8) zugeführt wird. Auf diese Weise kann das Betriebsgerät (2) zumindest während inaktiven Zustands vom Netz getrennt werden.

Description

Die in Beleuchtungsanlagen verwendeten Lichtquellen, beispielsweise Gasentladungslampen oder LEDs, werden über Betriebsgeräte mit der passenden Betriebsspannung oder passenden Betriebsstrom versorgt. Die Betriebsgeräte generieren die Betriebsspannung bzw. den Strom aus dem Wechselstromnetz oder aus einer Gleichspannungsquelle. Um die Lichtquellen separat ein- bzw. ausschalten und dimmen zu können, sind die einzeln Betriebsgeräte von einer Zentrale aus über einen Bus steuerbar. In jedem Betriebsgerät sind Steuer-ICs enthalten, welche außer für die Steuerung auch für die Kommunikation mit der Zentrale und mit externen Sensoren usw. zuständig sind. Aktive Halbleiter-ICs arbeiten mit einer Niedervolt-Spannung von wenigen Volt. Diese Niedervolt-Spannung wird im stationären Betrieb oftmals getakteten Baugruppen entnommen. Bevor diese getakteten Baugruppen ihren Betrieb ordnungsgemäss durchführen, muss eine sog. „Anlaufspannung” vorhanden sein, die bspw. das Hochfahren des Steuer-ICs ermöglicht, so dass dieser dann bspw. die getakteten Baugruppen ansteuern kann. Um stets eine Anlaufspannung für die Steuer-ICs bereitzuhalten, bleiben die Betriebsgeräte in busgesteuerten Beleuchtungsanlagen bisher auch im inaktiven Zustand, also dann, wenn die von ihnen zu versorgenden Lichtquellen ausgeschaltet sind, mit dem Wechselstromnetz verbunden (wenn die Anlaufenergie bspw. über einen sog. Anlaufwiderstand gewonnen wird), mit der Folge, dass entsprechende Standby-Verluste anfallen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Energie-Effizienz einer mindestens eine Lichtquelle aufweisenden Beleuchtungsanlage der vorstehend beschriebenen Art anzugeben, sowie eine entsprechend ausgestaltete Beleuchtungsanlage.
Die Lösung für das Verfahren ist Gegenstand des unabhängigen Anspruches 1, und die Lösung für die Beleuchtungsanlage ist durch die Merkmalskombination des unabhängigen Anspruches 11 gekennzeichnet.
Zentraler Gedanke der beiden Lösungen ist es, das nicht genutzte Licht der Lichtquellen oder des Umgebungslichtes (Sonne, andere künstliche Lichtquellen, ...) photovoltaisch in elektrische Energie umzusetzen und diese als Zusatzenergie für das Betreiben der Lichtquellen auszunutzen. Dieser Gedanke gewinnt Bedeutung, wenn die Lichtquellen durch busfähige Betriebsgeräte mit Betriebsspannung versorgt werden. Die photovoltaisch erzeugte Zusatzenergie kann nämlich zur Gewinnung der für die Steuer-ICs notwendigen Anlaufspannung verwendet werden, so dass von mehreren Betriebsgeräten der Beleuchtungsanlage zumindest ein Teil derselben vom Netz getrennt werden kann, wenn sie über den Bus in den inaktiven Zustand versetzt werden.
So kann man jeweils mindestens zwei Lichtquellen in einem „master/slave”-Verhältnis betreiben, derart, dass die für die zweite Lichtquelle erzeugte Zusatzenergie zumindest teilweise aus der ersten Lichtquelle stammt.
Dabei bleibt zwar die erste Lichtquelle auch im inaktiven Zustand – unter Inkaufnahme von Standby-Verlusten – zwecks Aufnahme von Anlaufenergie mit der externen Energiequelle (Netz) verbunden, die zweite Lichtquelle aber kann dann im inaktiven Zustand vollständig von ihrer externen Energiequelle getrennt werden.
Für die Gewinnung der Zusatzenergie kann mindestens ein Photovoltaik-Element verwendet werden. Wenn die Lichtquelle mit einem Reflektor ausgerüstet ist, so ordnet man das mindestens eine Photovoltaik-Element in zweckmäßiger Weise an einer Stell des Reflektors an, wo das Photovoltaik-Element am besten mit direktem oder indirektem der eigenen Lichtquelle oder anderer Lichtquellen oder von Umgebungslicht bestrahlt wird. Für eine optimale Bestrahlung des Photovoltaik-Elementes mit Fremdlicht oder mit Umgebungslicht ist die Außenseite des Reflektors besonders geeignet.
Es hat sich herausgestellt, dass die Effizienz-Kurve von photovoltaischen Elementen gut mit dem Spektrum des von Gasentladungslampen abgegebenen Lichtes zusammenpasst. Aber auch die Verwendung von LEDs als Lichtquellen hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil deren Spektrum durch Auswahl und Kombination verschiedenfarbiger LEDs an die Effizienz-Kurve von Photovoltaik-Elementen angepasst werden kann. Insofern kann eine für den hier vorgesehenen Zweck geeignete Lichtquelle beispielsweise eine LED oder eine Kombination verschiedenfarbiger LEDs oder eine Gasentladungslampe sein.
Die durch photovoltaische Energieumwandlung gewonnene Zusatzenergie kann in einem Speicher gespeichert werden. Dazu eignet sich u. a. ein einfacher Kondensator.
Ein für die Energieumwandlung verwendetes Photovoltaik-Element kann in Beleuchtungsanlagen der hier betrachteten Art noch weitere Funktionen übernehmen, wie beispielweise als Umgebungslichtsensor, als Bewegungsmelder, als Steuerelement zum Dimmen der zugeordneten Lichtquelle, und als Istwertsensor in einem Regelkreis zur Regelung der aus dem von der Lichtquelle abgestrahlten Licht und dem Umgebungslicht zusammengesetzten Gesamthelligkeit.
Ein wichtiger separater Erfindungsaspekt ist ferner der, dass für mehrere Lichtquellen bzw. für ihre Betriebsgeräte einer Beleuchtungsanlage ein gemeinsamer Niedervolt-Energiespeicher vorgesehen ist. In diesem wird die durch photovoltaische Energieumwandlung gewonnene Energie gespeichert. Durch eine Verbindung mit einer externen Energiequelle (Netz) kann außerdem noch externe Energie eingespeist werden. Alle Betriebsgeräte sollen auch ohne die externe Energiequelle (Netz) arbeiten können. Die Betriebsenergie innerhalb jedes Betriebsgerätes soll nur aus dem gemeinsamen Niedervolt-Energiespeicher entnommen werden.
Die Merkmale der Ansprüche sollen zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen vollinhaltlich zur Offenbarung der Beschreibung gerechnet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen schematisierten Schnitt durch eine Leuchte mit Gasentladungslampe und den hier interessierenden Baugruppen des zugehörigen Betriebsgerätes.
Die Leuchte 1 besteht aus einem Betriebsgeräte 2, welches eine Lampe 3 in Form einer Leuchtstoffröhre mit Betriebsenergie versorgt.
An der Leuchte 1 befinden sich zwei Reflektoren 4a, 4b. Auf der Oberseite der Reflektoren sind photovoltaische Elemente 5a, 5b angeordnet, die über elektrische Steckverbindungen 6a, 6b mit dem Betriebsgerät 2 verbunden sind.
Die Leuchte 1 gehört zu einer Beleuchtungsanlage mit mehreren derartigen Leuchten, die jedoch nicht gezeigt sind. Alle Leuchten können über einen gemeinsamen Bus angesteuert und von einer gemeinsamen Netz-Leitung mit externer Energie versorgt werden.
Das Betriebsgerät 2 enthält einen elektronische Schalter 7, über den das Betriebsgerät 2 mit der Netz-Leitung verbunden werden kann.
Ferner enthält das Betriebsgerät 2 einen Lampenspannungs-Generator, der aus der Netzspannung eine hochfrequente Hochspannung für die Leuchtstoffröhre 3 erzeugt. Der Lampenspannungs-Generator 8 kann von in dem Betriebsgerät 2 enthaltenen Steuer-ICs aktiviert bzw. deaktiviert sowie ggf. gedimmt werden. Die entsprechenden Steuerbefehle werden den Steuer-ICs von einer externen Zentrale über den Bus zugeführt.
Damit die Steuer-ICs bei Eintreffen eines Steuerbefehls sofort reagieren können, benötigen sie als Anlaufenergie eine Niedervolt-Spannung, die sie aus einem Niederspannungs-Generator 10 beziehen. Dieser generiert die Anlaufspannung normalerweise aus der Netzspannung. Dazu muss er dauerhaft mit dem Netz verbunden sein. Das wiederum hat zur Folge, dass entsprechende Standby-Verluste in Kauf genommen werden müssen.
Um letztere zu vermeiden, bezieht der Niederspannungs-Generator, soweit möglich, seine Energie von zwei Photovoltaik-Speichern 11a, 11b, welche ihrerseits über die elektrischen Steckverbindungen 6a, 6b mit den photovoltaischen Elementen 5b, 5b verbunden sind. Bei den Photovoltaik-Speichern 11a, 11b handelt es sich um Kondensatoren. Die photovoltaischen Elemente 5a, 5b wandeln auf sie fallendes Licht in elektrische Zusatzenergie für das Betriebsgerät 2 bzw. die Leuchtstoffröhre 3 um. Es handelt sich hierbei um reflektiertes, also indirektes Licht der Leuchtstoffröhre 3, um direktes oder indirektes Licht der benachbarten Lampen oder um Umgebungslicht.
Wenn die photovoltaischen Elemente 5a, 5b mit Licht bestrahlt werden, kann der Niederspannungs-Generator 10 mittels des Schalters 7 vom Netz getrennt werden, wenn der Lampenspannungs-Generator 8 über den Bus von der Zentrale aus inaktiv geschaltet wird. Wenn dann der Befehl zum erneuten Aktivieren des Lampenspannungs-Generators 8 kommt, können die Steuer-ICs sofort anlaufen, da der Niederspannungs-Generator 10 von den Photovoltaik-Speichern 11a, 11b mit Zusatzenergie versorgt wird. Das setzt natürlich voraus, dass die photovoltaischen Elemente 5a, 5b zum Zeitpunkt des Eintreffens des Widereinschalt-Befehls mit Licht bestrahlt werden.
Vorzugsweise werden jeweils zwei Leuchten einer von mehreren Leuchten gebildeten Beleuchtungsanlage in einer „master/slave”-Beziehung betrieben. Dazu wird eine der beiden Leuchten dauerhaft mit dem Netz verbunden, während die andere Leuchte durch den Schalter 7 vom Netz getrennt wird, wenn beide Leuchten gemeinsam über den Bus inaktiv geschaltet werden. Wenn dann den beiden Leuchten über den Bus wieder den Befehl zur Aktivierung der Lampenspannungs-Generatoren 8 zugeführt wird, leuchtet die Lampe 3 der „master”-Leuchte sofort auf, wobei der Niederspannungs-Generator 10 dieser Leuchte seine Energie aus dem Netz bezieht. Die „slave”-Leuchte wird – trotz des entsprechenden Befehls – erst richtig aktiviert, wenn das Licht der „master”-Leuchte auf die photovoltaischen Elemente 5a, 5b des „slave”-Leuchte fällt, so dass dann die entsprechende Anlaufenergie für die Steuer-ICs 9 im Betriebsgerät 2 der „slave”-Leuchte zur Verfügung steht. Dann können die Steuer-ICs 9 der „slave”-Leuchte den Schalter 7 wieder schließen, mit der Folge, dass der Lampenspannungs-Generator 8 anspringt und die Lampe 3 mit Betriebsenergie versorgt.
Bei der vorstehend beschriebenen Version können bei der „master”-Leuchte die photovoltaischen Elemente 5a, 5b entfernt werden, was wegen der Steckverbindungen 6a, 6b sehr einfach ist. Bei der „slave”-Leuchte sind hingegen der Schalter 7 und die Verbindung zwischen dem Niederspannungs-Generator 10 und dem Netz dauerhaft entbehrlich. Wenn jedoch bei einer Leuchte, wie sie in Zusammenhang mit der einzigen Figur beschriebenen wurde, alle dargestellten Elemente vorhanden sind, kann die Leuchte in beliebiger Kombination mit anderen eingesetzt und programmiert werden. Dabei ist das oberste Ziel die Standby-Verluste zu minimieren oder sogar ganz zu vermeiden.
Die photovoltaischen Elemente 5a, 5b können auch zusätzlich noch andere Funktionen übernehmen, beispielsweise als als Umgebungslichtsensor, als Bewegungsmelder, als Steuerelement zum Dimmen der zugeordneten Lichtquelle und als Istwertsensor in einem Regelkreis zur Regelung der aus dem von der Lichtquelle abgestrahlten Licht und dem Umgebungslicht zusammengesetzten Gesamthelligkeit.
In einer Beleuchtungsanlage mit mehreren Leuchten der im Zusammenhang mit der einzigen Figur beschriebenen Art besteht auch die Möglichkeit, allen Leuchten bzw. ihren Betriebsgeräten einen gemeinsamen Niedervolt-Energiespeicher zuzuordnen, der die Bedürfnisse aller Betriebsgeräte zu decken vermag. Sofern der gemeinsame Energiespeicher noch zusätzliche Energie benötigt, kann er diese aus dem Netz aufnehmen.

Claims

Verfahren Betrieb einer mindestens eine Lichtquelle (3) aufweisenden Beleuchtungsanlage, wobei die Lichtquelle (3) zur Stromversorgung über ein Betriebsgerät (2) mit einer externen elektrischen Energiequelle, Z. B. dem Netz, verbindbar ist, bei dem aus dem nicht zu Beleuchtungszwecken genutzten Licht der Lichtquelle (3) oder aus dem Umgebungslicht durch photovoltaische Energieumwandlung elektrische Zusatzenergie gewonnen und zur Verwertung dem Betriebsgerät zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch Energieumwandlung gewonnene Zusatzenergie zur Erzeugung einer Niedervolt-Versorgungsspannung dient, die vorzugsweise als Anlaufenergie für aktive Halbleiter-ICs (9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Erzeugung der Zusatzenergie ein oder mehrere Photovoltaik-Element/e (5a, 5b) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Lichtquelle eine Leuchtstofflampe (3), eine LED und/oder die Kombination mehrerer verschiedenfarbiger LEDs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die von dem Photovoltaik-Element (5a, 5b) erzeugte Zusatz-Energie in einem Energiespeicher (11a, 11b), beispielsweise einem Kondensator, gespeichert wird, der dann die Niedervolt-Versorgungsspannung zur Verfügung stellt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem für mehrere Lichtquellen (3) bzw. Betriebsgeräte (2) ein gemeinsamer Energiespeicher (11a, 11b) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das/die Photovoltaik-Element/e (5a, 5b) auch als Umgebungslicht-Sensor oder Bewegungsmelder verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die durch Dimmen veränderbare Helligkeit der Lichtquelle (3) von dem/den Photovoltaik-Element/en (5a, 5b) in Abhängigkeit vom Umgebungslicht gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das/die Photovoltaik-Element/e (5a, 5b) auch als Istwertsensor für die sich aus dem Umgebungslicht und dem von der Lichtquelle (3) abgestrahlten Licht zusammensetzende Gesamthelligkeit verwendet wird, bei dem der von dem/den Photovoltaik-Element/en (5a, 5b) ermittelte Istwert der Gesamthelligkeit mit einem Sollwert verglichen und eine Regeldifferenz ermittelt wird, und bei dem die Regeldifferenz in einem Regelkreis als Stellwert für die Einstellung eines Dimmwertes für die Lichtquelle (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherstehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine erste und eine zweite Lichtquelle (3) in einem „master/slave”-Verhältnis betrieben werden, derart, dass die für die zweite Lichtquelle (3) erzeugte Zusatzenergie zumindest teilweise aus dem Licht der ersten Lichtquelle (3) generiert wird, bei dem die erste Lichtquelle (3) auch im inaktiven Zustand – unter Inkaufnahme von Standby-Verlusten – zwecks Aufnahme von Anlaufenergie mit ihrer externen Energiequelle (Netz) verbunden ist, und bei dem die zweite Lichtquelle (3) im inaktiven Zustand vollständig von ihrer externen Energiequelle (Netz) getrennt wird.
Beleuchtungsanordnung mit: – mindestens einer Lichtquelle (3), – einem Betriebsgerät (2) für die mindestens eine Lichtquelle (3), welches mit einer externen Energiequelle, z. B. dem Netz, verbindbar ist und die mindestens eine Lichtquelle (3) mit Betriebsenergie versorgt, – Mitteln (10, 11a, 11b) zum Erzeugen und Speichern einer Niedervolt-Versorgungsspannung für die aktiven Halbleiter-ICs (8) des Betriebsgerätes, und – Mitteln (5a, 5b) zum photovoltaischen Umwandeln des von der Lichtquelle (3) oder einer benachbarten Lichtquelle (3) direkt oder indirekt abgestrahlten Lichtes und/oder des Umgebungslichtes in elektrische Zusatzenergie, wobei die Zusatzenergie den Mitteln (10) zum Erzeugen und Bereitstellen einer Niedervolt-Versorgungsspannung zugeführt ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 11, mit Mitteln zum Aktivieren bzw. Deaktivieren des Betriebsgeätes (2), und mit Schaltermitteln (7) zum Verbinden bzw. Trennen des Betriebsgerätes (2) mit bzw. von der externen Energiequelle (Netz), wobei die Verbindungs- bzw. Trennmittel (7) von den Halbleiter-ICs (8) des Betriebsgerätes (2) steuerbar sind, und zwar so, dass das Betriebsgerät (2) im Falle einer Deaktivierung auch von der externen Energiequelle (Netz) getrennt wird, und ferner so, dass das Betriebsgerät (2) im Falle einer Aktivierung auch mit der externen Energiequelle (Netz) verbunden wird, sofern für die Halbleiter-ICs (8) des Betriebsgerätes (2) elektrische Zusatzenergie zur Verfügung steht, und wobei die Verbindung zwischen dem Betriebsgerät und der externen Energiequelle (Netz) dauerhaft aufrecht erhalten wird, sofern für die Halbleiter-ICs (8) des Betriebsgerätes (2) nicht ständig Zusatzenergie zur Verfügung steht.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Mittel (11a, 11b) zum Speichern einer Niedervolt-Versorgungsspannung von einem Kondensator gebildet sind.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Mittel zur photovoltaischen Energieumwandlung von mindestens einem Photovoltaik-Element (5a, 5b) gebildet sind.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Lichtquelle (3) von einem Reflektor (4a, 4b) umgeben ist, und wobei das mindestens eine Photovoltaik-Element (5a, 5b) außen auf dem Reflektor (4a, 4b) angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Lichtquelle (3) von einer Gasentladungslampe, von einer LED oder einer Kombination von mehreren verschiedenfarbigen LEDs gebildet ist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei für mehrere Lichtquellen (3) ein gemeinsamer Energiespeicher (11a, 11b) vorgesehen ist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das mindestens eine photovoltaische Element (5a, 5b) auch als Umgebungslicht-Sensor oder Bewegungsmelder oder verwendet werden.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die durch Dimmen veränderbare Helligkeit der Lichtquelle (3) von dem mindestens einen Photovoltaik-Element (5a, 5b) in Abhängigkeit vom Umgebungslicht gesteuert wird.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das mindestens eine Photovoltaik-Element (5a, 5b) auch als Istwertsensor für die sich aus dem Umgebungslicht und dem von der Lichtquelle (3) abgestrahlten Licht zusammensetzende Gesamthelligkeit verwendet wird, wobei der von dem mindestens einen Photovoltaik-Element (5a, 5b) ermittelte Istwert der Gesamthelligkeit mit einem Sollwert verglichen und eine Regeldifferenz ermittelt wird, und wobei die Regeldifferenz in einem Regelkreis als Stellwert für die Einstellung eines Dimmwertes für die Lichtquelle (3) verwendet wird.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei mindestens eine erste und eine zweite Lichtquelle (3) in einem „master/slave”-Verhältnis betrieben werden, derart, dass die für die zweite Lichtquelle (3) erzeugte Zusatzenergie zumindest teilweise aus dem Licht der ersten Lichtquelle (3) generiert wird, wobei die erste Lichtquelle (3) auch im inaktiven Zustand – unter Inkaufnahme von Standby-Verlusten – zwecks Aufnahme von Anlaufenergie mit ihrer externen Energiequelle (Netz) verbunden ist, und wobei die zweite Lichtquelle (3) im inaktiven Zustand vollständig von ihrer externen Energiequelle (Netz) getrennt wird.