DE102012214468A1 - AUTARKE SENSOR UNIT FOR SOLAR MODULES - Google Patents
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Abstract
Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit zur Messung des Zustandes und der Änderung physikalischer Größen, etwa von Temperaturen und Temperaturdifferenzen, in Abhängigkeit von einer physikalischen Umgebungsgröße, etwa der mit der Temperaturänderung verknüpften Intensität der Solarstrahlung. Eine autarke Sensoreinheit zum Messen einer Messgröße umfasst ein elektrisches Energieerzeugungselement (102) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus thermischer und/oder mechanischer Energie und eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern des Energieerzeugungselements. Dabei ist die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet, dass sie aus gemessenen Betriebsgrößen des Energieerzeugungselements ein Sensorsignal erzeugt, das von der Messgröße abhängt.The present invention relates to a sensor unit for measuring the state and the change in physical quantities, for example temperatures and temperature differences, as a function of a physical environmental variable, for example the intensity of the solar radiation associated with the change in temperature. An autonomous sensor unit for measuring a measured variable comprises an electrical energy generating element (102) for generating electrical energy from thermal and / or mechanical energy and a control and evaluation unit for controlling the energy generating element. The control and evaluation unit (104) is designed such that it generates a sensor signal from measured operating variables of the energy generating element, which sensor signal depends on the measured variable.
Description
Zur Messung des Zustandes und der Änderung physikalischer Größen, etwa von Temperaturen und Temperaturdifferenzen, in Abhängigkeit von einer physikalischen Umgebungsgröße, etwa der mit der Temperaturänderung verknüpften Intensität der Solarstrahlung, sind zum jetzigen Zeitpunkt bei bekannten Systemen mehrere entsprechende Sensoren sowie eine elektronische Auswertung und eine sichere Energieversorgung des gesamten Systems notwendig, wie dies in
Zur Erfassung diverser Messgrößen bei bekannten Anordnungen wie beispielsweise Photovoltaikmodulen werden mehrere Sensoren zur Detektion der verknüpften Umgebungsgrößen sowie für jeden Sensor eine eigene Energieversorgung und gegebenenfalls auch eine eigene Signalverarbeitung eingesetzt. For detecting various measured variables in known arrangements such as photovoltaic modules, a plurality of sensors for detecting the associated environmental variables as well as for each sensor its own power supply and possibly also its own signal processing are used.
Kabel und Batterien zur Energieversorgung sind durch Material- und Installationskosten teuer, beziehungsweise bedürfen der Wartung und schränken damit die Autarkie des Systems ein. Darüber hinaus ist die Anzahl der Komponenten (Sensoreinheiten, Energieversorgung usw.) hoch, wodurch das System ebenfalls teuer und anfälliger für Ausfälle von Komponenten wird. Cables and batteries for energy supply are expensive due to material and installation costs, or require maintenance and thus limit the self-sufficiency of the system. In addition, the number of components (sensor units, power supply, etc.) is high, making the system also expensive and more susceptible to component failure.
In dem US-Patent
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Sensoreinheit für die Messung mindestens einer Messgröße anzugeben, die weitgehend wartungsfrei, robust und kostengünstig ist, aber dennoch eine hohe Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit sicherstellt. The object on which the present invention is based is to provide a sensor unit for measuring at least one measured variable, which is largely maintenance-free, robust and cost-effective, but nevertheless ensures high reliability and functional reliability.
Die Erfindung löst dieses Problem durch den gleichzeitigen Einsatz eines Energiewandlers als Sensor und Energieversorgung. Dadurch werden eine sichere Energieversorgung sowie eine vollkommene Autarkie des Systems sicher gestellt, die Funktionssicherheit erhöht, und die Gesamtkosten des Systems inklusive Folgekosten etwa durch Wartung, reduziert. The invention solves this problem by the simultaneous use of an energy converter as a sensor and power supply. This ensures a secure power supply and a complete self-sufficiency of the system, increases the reliability, and reduces the total cost of the system including consequential costs such as maintenance.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit wird ein thermoelektrischer Energiewandler (TEW) als ein Sensor betrieben, der sich selbst mit der benötigten Energie versorgt. Erfindungsgemäß wird also der Sensor zugleich als Messwandler und als Energieversorgung genutzt, der von der Umgebungsenergie betrieben wird. According to an advantageous embodiment of the sensor unit according to the invention, a thermoelectric energy converter (TEW) is operated as a sensor, which supplies itself with the required energy. According to the invention, therefore, the sensor is also used as a transducer and as a power supply, which is operated by the ambient energy.
Des Weiteren kann das Energiewandler-Sensorelement so charakterisiert werden, dass seine Zustandsänderung in Relation zur messenden Umgebungsgröße gesetzt werden kann, so dass der speziell bei Photovoltaikmodulen bislang benötigte zweite Sensor entfällt. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Sensorelement beispielsweise zur Messung von Modul- und Umgebungstemperatur sowie der Intensität der Solarstrahlung herangezogen werden. Durch die genaue Charakterisierung der Spannungsänderungen beispielsweise eines thermoelektrischen Generators in Relation zur Solarstrahlung können zwei Sensoren im Vergleich zu der in
Systeme, welche einen Energiewandler sowohl als Energieversorgung und als auch als Sensor nutzen, sind bisher nicht bekannt. Ebenso ist kein System bekannt, in dem durch die Messung einer Temperaturdifferenz mittels eines thermoelektrischen Generators die damit verknüpfte Intensität der Solarstrahlung verknüpft werden kann. Systems that use an energy converter both as a power supply and as a sensor, are not yet known. Likewise, no system is known in which the associated intensity of the solar radiation can be linked by measuring a temperature difference by means of a thermoelectric generator.
Durch die erfindungsgemäße integrierte Einheit aus Messwandler und Energieerzeugungseinheit ergeben sich für den Anwender die folgenden Vorteile. The inventive integrated unit of transducer and power generation unit results in the following advantages for the user.
Der Einsatz eines Energiewandlers, etwa eines thermoelektrischen Generators, zur Energieversorgung der Elektronik sowie als Sensor bietet die klassischen Vorteile der Micro-Energy-Harvesting (MEH) Technologie: Verzicht auf Kabel und damit die Reduktion von Installationskosten, einfache Nachrüstung und vollkommene Autarkie des Systems, Verzicht auf Batterien und damit eine erhebliche Reduktion der Wartungskosten sowie kein Anfall von Batteriemüll und Reduktion der Anzahl der benötigten Komponenten, und damit eine weitere Kostenreduktion. The use of an energy converter, such as a thermoelectric generator, to power the electronics and as a sensor offers the classic advantages of micro-energy harvesting (MEH) technology: no cables and thus the reduction of installation costs, easy retrofitting and complete self-sufficiency of the system, Waiver of batteries and thus a significant reduction in maintenance costs and no accumulation of battery waste and reduction in the number of components required, and thus a further cost reduction.
Durch die Autarkie des Systems ergeben sich außerdem völlig neue Anwendungsfelder, wie z. B. der Einsatz an einem Solarmodul. Due to the autarky of the system, there are also completely new application fields, such. B. the use of a solar module.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. The present invention will be explained in more detail with reference to the figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.
Es zeigen: Show it:
Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
Hierfür besitzt die Sensoreinheit
Eine Kommunikationsschnittstelle
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Sensoreinheit
Eine Sensoreinheit, deren Energieversorgung durch dasselbe Prinzip gewährleistet wird wie die Detektion der Umgebungsgröße, kann beispielsweise durch die Nutzung des thermoelektrischen Effektes im Falle eines thermoelektrischen Generators (TEG) erreicht werden. Die durch Temperaturänderungen vorliegende thermische Energie wird dabei in elektrische Energie gewandelt, die zum Betrieb der Signalverarbeitung und Datenübertragung genutzt werden kann. Gleichzeitig kann über das elektrische Niveau und dessen Änderung der Energieversorgung, etwa der Spannung im Falle eines thermoelektrischen Generators oder des Kurzschlussstromes im Falle photovoltaischer Wandler, auf den Zustand der Umgebungsgröße, etwa der solaren Bestrahlungsstärke, geschlossen und das Element so zugleich als Sensor verwendet werden. A sensor unit whose energy supply is ensured by the same principle as the detection of the environmental size, for example, by the use of the thermoelectric effect in Case of a thermoelectric generator (TEG) can be achieved. The thermal energy due to temperature changes is converted into electrical energy, which can be used to operate the signal processing and data transmission. At the same time on the electrical level and its change of power supply, such as the voltage in the case of a thermoelectric generator or the short-circuit current in the case of photovoltaic converters, on the state of the environmental size, such as the solar irradiance, closed and the element can be used as a sensor at the same time.
Gemäß der
In der
Damit berechnet sich die Lastspannung Ul des TEG
Dabei sind dT = T1 – T0 und Reff der effektive Widerstand gemäß Gleichung (2). In der Gleichung (1) für Ul gibt es drei unbestimmte Größen: Die Temperaturen T0, T1 sowie die thermische Kopplung K. Da die U-I Kennlinie von thermoelektrischen Wandlern annähernd linear ist, ist diese bereits durch die Messung zweier Punkte festgelegt, so dass für eine der drei unbekannten Variablen eine Annahme getroffen werden muss. In this case dT = T 1 -T 0 and R eff are the effective resistance according to equation (2). In equation (1) for U l, there are three indefinite quantities: the temperatures T 0 , T 1 and the thermal coupling K. Since the UI characteristic of thermoelectric transducers is approximately linear, this is already determined by the measurement of two points that an assumption must be made for one of the three unknown variables.
Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Temperatur T0 auf die Lastspannung gering ist. Dies ermöglicht deren Festlegung auf einen festen Wert. It can be shown that the influence of the temperature T 0 on the load voltage is low. This allows them to be fixed to a fixed value.
Somit verbleiben die zwei Unbekannten dT und K, welche durch die Messung der U-I Kennlinie bestimmt werden können. Durch die Messung der Leerlaufspannung U0 ergibt sich für K der in Gleichung (3) gezeigte Zusammenhang. Thus, the two unknowns dT and K remain, which can be determined by measuring the UI characteristic. By measuring the no-load voltage U 0 , the relationship shown in equation (3) results for K.
De anschließende Messung der Lastspannung Ul unter einem zuvor definierten ohmschen Widerstand ergibt schließlich die Werte für dT und K nach Gleichungen (4) und (5). The subsequent measurement of the load voltage U 1 under a previously defined ohmic resistance finally yields the values for dT and K according to equations (4) and (5).
Damit ist der Parameter dT bestimmt, welcher unmittelbar mit der eingestrahlten Wärmestrahlung im Zusammenhang steht. Thus, the parameter dT is determined, which is directly related to the radiated heat radiation.
Die Sensoreinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |