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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanlage mit einer Energieversorgungsvorrichtung, eine Steuervorrichtung für eine Beleuchtungsanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Beleuchtungsanlage.
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Zur Energieversorgung werden zunehmend regenerative Energien wie insbesondere Sonnenenergie eingesetzt. In Photovoltaikanlagen, die insbesondere auch in privaten Haushalten eingesetzt werden, wird in Solarzellen ein Gleichstrom erzeugt, der in einen Energiespeicher wie beispielsweise einen Akkumulator eingespeist wird. Die in dem Akkumulator gespeicherte Energie wird in der Regel mittels eines Wechselrichters in eine für die häusliche Stromversorgung übliche Wechselspannung, beispielsweise eine 230 Volt Wechselspannung, umgewandelt, um daran handelsübliche Leuchtmittel und andere elektrische Verbraucher anschließen zu können. Die Steuerung der Photovoltaikanlage und der Beleuchtungsanlage erfolgt dabei unabhängig voneinander.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanlage mit einer Energieversorgungsvorrichtung anzugeben, die sich durch eine verbesserte Effizienz und einen daraus resultierenden geringeren Energieverbrauch auszeichnet. Weiterhin sollen eine zur Steuerung der Beleuchtungsanlage geeignete Steuervorrichtung und ein vorteilhaftes Verfahren zur Steuerung der Beleuchtungsanlage angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch eine Beleuchtungsanlage mit einer Energieversorgungsvorrichtung, eine Steuervorrichtung für eine Beleuchtungsanlage und ein Verfahren zur Steuerung der Beleuchtungsanlage gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungsanlage eine Energieversorgungsvorrichtung, die eine zur Erzeugung eines Gleichstroms geeignete Energieerzeugungseinheit und eine Energiespeichereinheit zur Speicherung von Energie der Energieerzeugungseinheit aufweist. Weiterhin umfasst die Beleuchtungsanlage eine Leuchtmitteleinheit, die mehrere mit einem Gleichstrom betreibbare Leuchtmittel umfasst und zur Versorgung mit einem Gleichstrom an die Energiespeichereinheit angeschlossen ist. Zwischen der Energieerzeugungseinheit und den Leuchtmitteln ist vorteilhaft keine Vorrichtung zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom oder eines Wechselstroms in einen Gleichstrom angeordnet.
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Dadurch, dass in der Leuchtmitteleinheit der Beleuchtungsanlage mit einem Gleichstrom betreibbare Leuchtmittel eingesetzt werden, können diese direkt an die Energiespeichereinheit der zur Erzeugung eines Gleichstroms geeigneten Energieversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei insbesondere keine Vorrichtung zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zwischen der Energieerzeugungseinheit und den Leuchtmitteln angeordnet ist.
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Weiterhin umfasst die Beleuchtungsanlage auch keine Vorrichtung zur Umwandlung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom, die beispielsweise erforderlich wäre, wenn man mit einem Gleichstrom betreibbare Leuchtmittel mit der üblichen Wechselspannung einer häuslichen Stromversorgung betreiben wollte. Insbesondere kann auf Netzteile zwischen der Energieerzeugungseinheit und den Leuchtmitteln verzichtet werden.
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Dadurch, dass bei der Beleuchtungsanlage keine Vorrichtungen zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom oder eines Wechselstroms in einen Gleichstrom verwendet werden, werden die ansonsten bei den Umwandlungen auftretenden Verluste vermieden. Auf diese Weise wird die Effizienz der Beleuchtungsanlage erhöht und der Energieverbrauch vermindert.
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Die Leuchtmittel der Beleuchtungseinheit können insbesondere eine oder mehrere LED-Lichtquellen umfassen. Bei den LED-Lichtquellen kann es sich um einzelne LEDs oder LED-Anordnungen wie beispielsweise LED-Arrays handeln. Die LED-Lichtquellen können auch flächige LED-Leuchtmittel enthalten, bei denen es sich insbesondere um organische LEDs (OLEDs) handelt.
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Die Energieerzeugungseinheit der Energieversorgungsvorrichtung kann insbesondere eine Photovoltaikanlage sein. Die Photovoltaikanlage kann eine Vielzahl von Solarzellen aufweisen, die einen Gleichstrom erzeugen, der in eine Energiespeichereinheit eingespeist wird.
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Bei der Energiespeichereinheit der Energieversorgungsvorrichtung kann es sich insbesondere um einen Akkumulator handeln. Der Akkumulator dient als Zwischenspeicher für die vorzugsweise mittels einer Photovoltaikanlage erzeugte Energie.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Energieversorgungsvorrichtung und die Leuchtmitteleinheit eine gemeinsame Steuervorrichtung auf. Die Steuerung der Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere einer Photovoltaikanlage, und die Steuerung der Leuchtmitteleinheit sind also vorteilhaft in ein einziges Gerät integriert und/oder erfolgen korreliert miteinander.
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Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise mit einer zur bidirektionalen Datenübertragung geeigneten Datenleitung mit der Energieversorgungsvorrichtung verbunden. Insbesondere kann die Steuervorrichtung von der Energieversorgungsvorrichtung Daten über die eingehende und/oder gespeicherte Energie empfangen. Die Steuervorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, die Leuchtmittel in Abhängigkeit von den Daten der eingehenden und/oder gespeicherten Energie zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung die Intensität und/oder die Anzahl der betriebenen Leuchtmittel bei geringen Werten der gespeicherten Energie und/oder der eingehenden Energie vermindern, um eine für einen vorgesehenen Beleuchtungszweck vorgegebene Mindestbeleuchtungsstärke in einem möglichst langen Zeitraum aufrecht erhalten zu können.
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Da im Fall einer Photovoltaikanlage die in der Energieerzeugungseinheit erzeugte Energie von der Intensität des einfallenden Sonnenlichts abhängt, können die von der Steuereinheit ermittelten Daten der eingehenden Energie zur Steuerung der Leuchtmitteleinheit in Abhängigkeit von der Tageshelligkeit verwendet werden. Die Energieerzeugungseinheit fungiert in diesem Fall vorteilhaft gleichzeitig als Helligkeitssensor für die Steuerung der Leuchtmitteleinheit.
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Die Steuervorrichtung kann vorzugsweise bei der Steuerung der Leuchtmittel eine Prognose für die in einem vorhersehbaren Zeitraum eingehende Energie berücksichtigen. Dazu ist die Steuervorrichtung vorteilhaft an eine Wetterstation angeschlossen und/oder zum Empfang von Wetterdaten über das Internet eingerichtet.
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Die Steuervorrichtung ist weiterhin vorzugsweise dazu eingerichtet, die Energieerzeugungseinheit, insbesondere eine Photovoltaikanlage, zu steuern. Insbesondere kann die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Photovoltaikanlage gemäß dem Sonnenstand auszurichten, um das einfallende Sonnenlicht besonders effizient zur Energieerzeugung zu nutzen.
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Die Steuervorrichtung ist vorteilhaft mit einer weiteren zur Datenübertragung geeigneten Datenleitung mit der Leuchtmitteleinheit verbunden. Vorzugsweise ist die Datenleitung zur bidirektionalen Datenübertragung geeignet. Die von der Steuervorrichtung an die Leuchtmitteleinheit übertragenen Signale umfassen insbesondere die Informationen, welche der Leuchtmittel mit welcher Intensität betrieben werden sollen. Vorzugsweise kann die Steuervorrichtung von der Leuchtmitteleinheit Daten über den Betriebszustand der Leuchtmittel empfangen, beispielsweise die Betriebstemperatur und/oder den momentanen Energieverbrauch der Leuchtmittel. Die Leuchtmitteleinheit kann ferner einen oder mehrere Sensoren aufweisen, um beispielsweise die Intensität des in einen zu beleuchtenden Raums einfallenden Tageslichts zu messen. Die Steuervorrichtung kann die Leuchtmittel in Abhängigkeit dieser Daten vorteilhaft derart steuern, dass in dem zu beleuchtenden Raum eine gewünschte Beleuchtungsintensität erreicht wird.
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Die hierin beschriebene Steuervorrichtung für eine Beleuchtungsanlage ist dazu eingerichtet, eine Leuchtmitteleinheit zu steuern, die mehrere mit einem Gleichstrom betreibbare Leuchtmittel umfasst, und eine Energieversorgungsvorrichtung zu steuern, die zur Versorgung der Leuchtmitteleinheit mit einem Gleichstrom eingerichtet ist.
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Die Steuervorrichtung weist dazu vorzugsweise mindestens eine Schnittstelle zum Senden von Daten an die Leuchtmitteleinheit und vorteilhaft auch zum Empfang von Daten von der Leuchtmitteleinheit auf. Weiterhin weist die Steuervorrichtung eine weitere Schnittstelle zum Senden von Daten an die Energieversorgungsvorrichtung und vorteilhaft auch zum Empfang von Daten von der Energieversorgungsvorrichtung auf.
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Die Steuervorrichtung ist vorteilhaft zum Empfang von Wetterdaten von einer Wetterstation und/oder dem Internet eingerichtet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Steuervorrichtung ergeben sich aus den im Zusammenhang mit der Beleuchtungsanlage beschriebenen Ausgestaltungen der Steuervorrichtung und umgekehrt.
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Bei einem Verfahren zur Steuerung der zuvor beschriebenen Beleuchtungsanlage werden die Energieversorgungseinrichtung und die Leuchtmitteleinheit der Beleuchtungsanlage von einer gemeinsamen Steuervorrichtung gesteuert.
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Die Energieerzeugungseinheit der Energieversorgungsvorrichtung kann insbesondere eine Photovoltaikanlage sein, wobei die Photovoltaikanlage mittels der Steuervorrichtung in Abhängigkeit vom Sonnenstand ausgerichtet wird. Hierzu weist die Photovoltaikanlage beispielsweise eine Motorik zur Ausrichtung der Solarzellen gemäß dem Einfallswinkel des Sonnenlichts auf. Daten zum Einfallswinkel des Sonnenlichts in Abhängigkeit von Datum und Uhrzeit sind vorteilhaft in der Steuervorrichtung gespeichert.
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Bei dem Verfahren wird vorteilhaft weiterhin eine in der Energiespeichereinheit der Energieversorgungsvorrichtung gespeicherte Energie von der Steuervorrichtung ermittelt und die Leuchtmitteleinheit in Abhängigkeit von der gespeicherten Energie gesteuert. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung einzelne Leuchtmittel der Leuchtmitteleinheit abschalten und/oder deren Intensität vermindern, wenn die in der Energiespeichereinheit gespeicherte Energie einen Sollwert unterschreitet.
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Weiter bevorzugt wird die Leuchtmitteleinheit mittels der Steuervorrichtung in Abhängigkeit von aus dem Internet und/oder von einer Wetterstation empfangenen Wetterdaten gesteuert. Beispielsweise können die Leuchtmittel in einem Energiesparmodus betrieben werden, wenn aufgrund der Wettervorhersage absehbar ist, dass die in einem vorhersehbaren Zeitraum eingehende Energie gering ist. Die Steuervorrichtung kann also nicht nur den aktuellen Status des Energiespeichers, sondern auch eine Prognose für den zukünftig zu erwartenden Energieeingang in der Energieerzeugungseinheit zur Steuerung der Leuchtmitteleinheit verwenden. Die Beleuchtungsanlage zeichnet sich also durch ein vorausschauendes Energiemanagement aus.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den zuvor im Zusammenhang mit der Beleuchtungsanlage und der Steuervorrichtung beschriebenen Ausgestaltungen und umgekehrt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
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1 zeigt eine Beleuchtungsanlage mit einer Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die in der Figur dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Die in 1 dargestellte Beleuchtungsanlage 1 enthält eine Leuchtmitteleinheit 3. Die Leuchtmitteleinheit 3 umfasst mehrere Leuchtmittel 31, die mit einem Gleichstrom betreibbar sind. Insbesondere handelt es sich bei den Leuchtmitteln 31 um LED-Lichtquellen, die jeweils eine oder mehrere LEDs 32 aufweisen. Beispielsweise können die Leuchtmittel 31, wie in 1 dargestellt, LED-Arrays sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass ein oder mehrere Leuchtmittel 31 nur eine einzelne LED aufweisen.
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Die Leuchtmittel 31 können beispielsweise Weißlicht emittierende LEDs 32 aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Leuchtmittel 31 farbige oder verschiedenfarbige LEDs 32 aufweisen, die zum Beispiel mittels additiver Farbmischung eine Vielzahl von Beleuchtungsfarben ermöglichen.
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Bei den Leuchtmitteln 31 kann es sich auch um organische LEDs handeln, die insbesondere als flächige Lichtquelle ausgestaltet sein können. Die Leuchtmitteleinheit 3 kann insbesondere auch verschiedene Typen von mit einem Gleichstrom betreibbaren Leuchtmitteln 31 enthalten.
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Die Leuchtmitteleinheit 3 ist zur Stromversorgung an eine Energieversorgungsvorrichtung 2 angeschlossen. Die Energieversorgungsvorrichtung 2 enthält eine Energieerzeugungseinheit 21 und eine Energiespeichereinheit 22. Die Energieerzeugungseinheit 21 ist zur Erzeugung eines Gleichstroms geeignet, wobei die Energieerzeugung vorteilhaft auf der Nutzung einer regenerativen Energie basiert. Insbesondere kann die Energieerzeugungseinheit 21 eine Photovoltaikanlage sein.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 2 umfasst weiterhin eine Energiespeichereinheit 22, bei der es sich insbesondere um einen Akkumulator handeln kann. Der mittels der Energieerzeugungseinheit 21 erzeugte Gleichstrom wird in die Energiespeichereinheit 22 eingespeist und dort zwischengespeichert.
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Die Energiespeichereinheit 22 fungiert als Gleichstromquelle für die Leuchtmitteleinheit 3. Die Leuchtmitteleinheit 3 ist vorzugsweise direkt mittels mindestens einer Stromleitung 23, durch die ein Gleichstrom fließt, an die Energiespeichereinheit 22 der Energieversorgungsvorrichtung 2 angeschlossen.
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Insbesondere befinden sich zwischen der Energiespeichereinheit 22 und den Leuchtmitteln 31 keine Vorrichtungen zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom oder eines Wechselstroms in einen Gleichstrom. Das heißt, dass die in der Energiespeichereinheit 22 gespeicherte Energie nicht wie herkömmlicherweise in eine Netz-Wechselspannung von zum Beispiel 230 Volt umgewandelt wird, sondern die Leuchtmitteleinheit 3 direkt an die als Gleichstromquelle fungierende Energiespeichereinheit 22 angeschlossen ist. Auf diese Weise werden Verluste, die beim Konvertieren eines Gleichstroms in einen Wechselstrom auftreten, vermieden.
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Weiterhin ist es auch nicht erforderlich, die Leuchtmitteleinheit 3 mit einem Netzteil zur Umwandlung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom auszurüsten, wie es beim Betrieb von LED-Lichtquellen 31 mit einer Netzspannung in der Regel erforderlich ist. Da bei der Beleuchtungsanlage 1 Konvertierungen eines Gleichstroms in einen Wechselstrom und umgekehrt vermieden werden, zeichnet sich die Beleuchtungsanlage 1 durch eine verbesserte Effizienz und somit einen geringen Energieverbrauch aus.
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Die Beleuchtungsanlage 1 weist weiterhin eine Steuervorrichtung 4 auf, die sowohl die Energieversorgungsvorrichtung 2 als auch die Leuchtmitteleinheit 3 steuert. Insbesondere erfolgt die Steuerung der Energieversorgungsvorrichtung 2 und der Leuchtmitteleinheit 3 nicht unabhängig voneinander, sondern wird vorteilhaft von der gemeinsamen Steuervorrichtung 4 unter Ausnutzung von Daten, welche die Steuervorrichtung 4 von der Energieversorgungsvorrichtung 2 und der Leuchtmitteleinheit 3 empfängt, koordiniert.
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Die Steuervorrichtung 3 ist vorteilhaft mittels einer bidirektionalen Datenleitung 42 an die Energieversorgungsvorrichtung 2 angeschlossen. Die Steuervorrichtung 4 kann von der Energieversorgungsvorrichtung 2 insbesondere Daten über die in der Energiespeichereinheit 22 gespeicherte Energie und die momentan mittels der Energieerzeugungseinheit 21 erzeugte Energie empfangen.
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Die Steuervorrichtung 4 ist weiterhin mit einer vorzugsweise bidirektionalen Datenleitung 43 mit der Leuchtmitteleinheit 3 verbunden. Die Steuervorrichtung 4 kann über die Datenleitung 43 insbesondere Steuersignale an die Leuchtmitteleinheit 3 senden, um mittels der Leuchtmittel 31 eine gewünschte Beleuchtungssituation zu erzeugen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 4 bei der Steuerung der Leuchtmitteleinheit 3 den Ladezustand der Energiespeichereinheit 22 berücksichtigen. Beispielsweise kann die Leuchtmitteleinheit 3 bei einem niedrigen Ladezustand in der Energiespeichereinheit 22 automatisch in einem Energiesparmodus betrieben werden. Es ist beispielsweise möglich, dass zur Energieeinsparung einzelne LEDs 32 der Leuchtmittel 31 abgeschaltet werden und/oder die Leuchtmittel 31 mit einer geringeren Leistung betrieben werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung berücksichtigt die Steuervorrichtung 4 beim Betrieb der Leuchtmitteleinheit 3 nicht nur den aktuellen Ladezustand der Energiespeichereinheit 22, sondern auch eine Prognose für die in der Energieerzeugungseinheit 21 in einem vorhersehbaren Zeitraum erzeugbare Energie.
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Wenn die Energieerzeugungseinheit 21 eine Photovoltaikanlage ist, ist die erzeugte Energie insbesondere vom Sonnenstand und der Witterung abhängig. Um aktuelle Daten für den Sonnenstand und/oder die Witterung zu empfangen, ist die Steuervorrichtung 4 vorteilhaft mittels einer Datenleitung 45 mit einer Wetterstation 5 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 4 mittels einer Datenleitung 46 mit dem Internet 6 verbunden sein, um insbesondere Daten zum Sonnenstand oder Prognosen für die Wetterentwicklung zu empfangen. Die Steuervorrichtung 4 kann die von der Wetterstation 5 und/oder aus dem Internet 6 empfangenen Datenbeispielsweise dazu nutzen, den Stromverbrauch der Leuchtmittel 31 zu vermindern, wenn aufgrund einer zu erwartenden geringen Sonneneinstrahlung mit einer geringen Energieerzeugung in der Energieerzeugungseinheit 21 zu rechnen ist.
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Wenn die Energieerzeugungseinheit 21 eine Photovoltaikanlage ist, ist die Steuervorrichtung 4 vorzugsweise dazu eingerichtet, die Photovoltaikanlage in Abhängigkeit vom Sonnenstand auszurichten. Hierzu kann die Steuervorrichtung 4 gespeicherte Daten und/oder die von der Wetterstation 5 und/oder aus dem Internet 6 empfangenen Daten verwerten. Die in der Photovoltaikanlage 21 enthaltenen Solarzellen können beispielsweise mittels einer geeigneten Motorik derart ausgerichtet werden, dass sie das einfallende Sonnenlicht bestmöglich absorbieren. Da Photovoltaikanlagen einen optimalen Arbeitspunkt bei einer bestimmten Temperatur aufweisen, ist es auch denkbar, die Abwärme der Leuchtmitteleinheit 3 an kalten Tagen für eine Erwärmung und somit eine Steigerung der Effizienz der Photovoltaikanlage zu nutzen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuervorrichtung 4 Betriebsdaten von den Leuchtmitteln 31 über die bidirektionale Datenverbindung 43 empfängt und zu deren Steuerung verwertet. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 4 die Daten über den Energieverbrauch der einzelnen Leuchtmittel 31 empfangen. Weiterhin ist es möglich, dass die Leuchtmitteleinheit 3 einen oder mehrere Sensoren umfasst, welche beispielsweise die Betriebstemperatur der LEDs 32 und/oder die Umgebungshelligkeit messen. Wenn die Leuchtmitteleinheit 3 beispielsweise einen Umgebungslichtsensor enthält, kann die Steuervorrichtung 4 die Leistung der Leuchtmittel 31 an die Umgebungshelligkeit, insbesondere an einen variierenden Einfall von Tageslicht, anpassen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 4 dazu eingerichtet sein, eine von einem Nutzer vorgegebene Beleuchtungssituation unter Ausnutzung der vorhandenen Energievorräte so gut wie möglich zu realisieren. Bei einer Weißlicht emittierenden Leuchtmitteleinheit 3, bei der die Erzeugung von Weißlicht beispielsweise auf additiver Farbmischung farbiger LEDs basiert, kann gegebenenfalls die Farbtemperatur verändert werden, um eine vorgegebene Leuchtstärke bei geringerem Energieverbrauch zu erreichen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
