-
Die Erfindung betrifft einen Sensor für ein Solarmodul, der einen optimalen Betrieb überwacht, mit dem ein Solarmodul nachgerüstet werden kann.
-
Solarzellen in einem herkömmlichen Solar-Panel, sind so konstruiert, das diese optimal die Sonnenstrahlen einfangen können, um diese teilweise in Strom umzuwandeln. Die Solarzellen, die in Solarpanel bzw. Solarmodul eingebaut sind, müssen so gut wie möglich an die Sonne orientiert und natürlich mit freier Sicht zu Sonnenlicht eingebaut. Es soll möglichst gar keine Schatten drauf fallen. Bei den Dach-Solaranlagen sind manchmal nicht alle Bedingungen optimal gegeben. Bessere Erträge in der Hinsicht erzielen Solaranlagen, die in den freien Feldern gebaut sind. Weil die Solarmodule in der Regel im Freien stehen, sind diese dadurch den Wetterbedingungen ausgeliefert. Regentropfen, Schneemassen, Eis oder Schmutz bzw. Staub können die Effizienz und den Energie-Ertrag des Solarpanels weitgehend drosseln.
-
Um die Schneemassen aus den Solarmodulen zu entfernen, würde es reichen, wenn man die Solarmodule einfach ein wenig erwärmt. Man müsste dabei nicht die ganzen Schneemassen schmelzen, sondern durch eine leichte Erwärmung der Oberfläche des Solarmoduls wird ein dünner Wasserfilm zwischen der auf dem Solarmodul liegenden Schnee-Decke und der Oberfläche des Moduls erzeugt, der das herab rutschen der Schneemasse verursacht. Eine Erfindung, die das bewirken kann, wird in der Anmeldung mit dem Nummer
EP 1 427 024 A2 beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, dass durch eine elektrische Schaltung von extra dafür eingelegten Leiterbahnen, die Solarzellen erwärmt werden sollen, um dadurch die Solarmodule von Schneemassen oder Eis befreien zu können.
-
Bei den großen Solaranlagen mit hunderte oder tausende Solarmodulen wäre optimal, wenn eine Überwachung der Funktionen von jedem einzelnen Solarmodul möglich wäre. Über Datenlogger oder Vorrichtungen in einer zentralen Kontroll-Vorrichtung können der Gesamtertrag der Solaranlage, oder sogar auch Solarmodul-Gruppen überwacht werden, je nachdem wie diese geschaltet sind. Eine Einzel-Modul-Überwachung wäre möglich wenn dementsprechend an jedem Solarmodul auch Sensoren eingebaut wären.
-
Sensoren in einem Solarpanel zu integrieren, wird in der Anmeldung
US 8 294 451 B2 beschrieben. Hier werden Spannungs- und Temperatursensoren beschrieben, die in einem Solarpanel eingebaut sind. Diese Sensoren sind über einer Daten-BUS-Schnittstelle gekoppelt und dort übertragen sie die Daten. Allerdings der Temperatursensor ist nicht für die Solarzellen vorgesehen, sondern er ist mit der Freilaufdiode gekoppelt und ermittelt lediglich die Temperatur der Freilaufdiode. Freilaufdioden bei Solarmodulen einzubauen ist üblich, weil diese einen optimalen Betrieb gewährleisten, auch wenn eine oder mehrere Zellen eines Solarmoduls verschattet sind oder ausfallen sollen. Eine Solarzelle, die verschattet wäre, könnte durch den Strom anderer Solarzellen erhitzt, bzw. zerstört werden. In solchen Fällen schützen die Freilaufdioden die Solarzellen, die verschattet sind gegen Erhitzung. Eine solche Freilaufdiode ist in Sperr-Richtung eingebaut und sobald die Spannung der Zelle herabfällt überbrückt sie die betroffene Zelle, um diese zu schützen. Wenn über die Freilaufdiode Strom fließt, dann wird sie schnell erwärmt und diese Temperatur wird durch den Temperatursensor ermittelt. Das zeigt an, dass die betroffene Solarzelle überbrückt wird, oder z.B. dass die Solarzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert oder sie einfach verschattet wird.
-
Weil die Solarmodule draußen stehen, sind diese der Witterung ausgesetzt. Ein wichtiger Faktor, der den Ertrag der Solarmodule negativ beeinträchtigen kann, ist der Staub. In Deutschland ist das Problem nicht so sehr ausgeprägt, aber in südlichen Ländern und Nordafrika, wo es selten regnet, ist das ein gravierendes Problem. Dort müssen die Solarmodule sogar mehrmals pro Woche gesäubert werden. Mal wird mehr, Mal deutlich weniger Staub sich auf die Solarmodule ablegen. So werden auch die Intervalle zwischen den Säuberungsarbeiten unterschiedlich.
-
Der in den Patentansprüchen 1 bis 12 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Sensoren zum Nachrüsten von Solarmodulen zu konzipieren, die Informationen über den Betrieb jedes Solarmoduls bzw. Solarpanels zentral liefern, um dabei die Störfaktoren schnell erkennen zu können.
-
Dieses Problem wird durch einen Sensor für ein Solarpanel mit den Merkmalen der Patentansprüchen 1 bis 12 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des Sensors für das Solarpanel sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Vorteile der Erfindung sind:
- - ermöglicht eine langfristige verbesserte Wirkungsgrad der Solaranlagen und dadurch höherer Strom-Ertrag,
- - weniger Aufwand für die Wartungstechniker, weil denen genau angezeigt wird, welches Solarmodul für eine Wartung oder Reparatur fällig ist,
- - weil vollständige Informationen über jedem Solarmodul zentral übermittelt werden, wird eine Überwachung einer Solaranlage weitgehend optimiert,
- - weil der Sensor nachträglich mit einem Solarmodul gekoppelt werden kann, ist er auch für ältere oder schon montierte Solaranlagen optimal geeignet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 12 erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 den Sensor, der an einen beliebigen Solarmodul anbringbar ist,
- 2 ein Schmutzsensor für Solarmodule,
- 3 ein Gehäuse mit dem Sensor für das Solarmodul mit zusätzlich einen eingebauten LED, der das Auffinden durch Wartungstechniker erleichtert,
- 4 ein Solarmodul mit Thermoschalter oder Temperatursensoren,
- 5 eine drahtlose Datensignal-Übertragung von den Solarmodulen,
- 6 den Aufbau eines Schmutzsensors mit Erfassungstechnik aus einer Entfernung und deren Funktion in einem Solarmodul,
- 7 eine andere Variante des Schmutzsensors mit Referenzsignal-Methode,
- 8 die Diagramm-Darstellung der Kennwerte der Sensoren,
- 9 eine weitere Variante eines Schmutzsensors, wobei die Durchlässigkeit des Solarmoduls erfasst wird,
- 10 die Signalweichen und die Signaltrennung von der Stromversorg ungs-Leitung,
- 11 eine weitere Feature, die in Solarmodule eingebaut werden kann, wobei hier die Solarmodule mit LED-s oder Laserdioden ausgestattet sind, 12 eine autarke Variante von Schmutzsensoren.
-
Die Erfindung strebt an, über jedes Solarmodul genaue Informationen zu erhalten und diese zentral zu übermitteln. Deswegen werden die Solarmodule mit Sensoren nachträglich ausgestattet, die in der Lage sind Schmutz- oder Staubpartikel, Schneemassen, Regentropfen auf der Solarpanel zu erfassen und diese Daten an eine Auswerteeinheit oder Überwachungs-Zentrale, die mit der Steuerung dem Solarmodul / Solarpanel gekoppelt ist, zu übertragen.
-
Die Solarmodule in der Erfindung sind mit Smart-Sensoren, die direkte Signale übermitteln, oder eine Referenz der Stromwerte veranlassen, zwecks Optimierung des Energieertrags der einzelnen Solarmodule und somit auch das der ganzen Anlage. Sowohl die direkte Signal-Übermittlung, als auch die Methode mit den Referenzsignalen liefern Aufschlüsse über den Zustand bzw. den Betrieb des Solarmoduls. Die Referenzmethode basiert darauf, ein Sensor so zu gestalten, dass er mit einer kleinen Solarzelle ausgestattet ist, die die gleichen Eigenschaften, wie die Solarzellen des Solarmoduls aufweist. Auch ihre Oberflächenbeschaffenheit ist identisch mit der des Solarmoduls. Diese Solarzelle wird so eingebaut, dass sie gleich wie das Solarmodul geneigt ist. Somit, alle Wettereinflüsse, die auf das Solarmodul bewirken, werden diese auch auf der Solarzelle des Sensors genauso eingeprägt werden.
-
Die Sensoren werden z.B. über PC, Datenlogger oder z.B. Logic Smart Controller ausgewertet.
-
Weil dieses Sensor-System auch nachträglich an einem Solarmodul anbringbar ist, ist er mit Befestigungselemente ausgestattet. Dafür sind z.B. Saugnäpfe, Schrauben, Magnethalterung, selbstklebende Beschichtung, Klammer zum Anbringen am Rand des Solarmoduls, oder andere Halterungen denkbar. Solche Sensor-Systeme sollen auch mit Funk-Transmitter oder Transponder 35, einer eigenen Energie Quelle in Form einer Solarzelle oder kombiniert z.B. mit aufladbare Strom-Speicher-Akkus (z.B. Lithium-Zellen), ausgestattet werden.
-
Die Erfindung ist sowohl für kleine Anlagen, wie z.B. Dach-Solaranlagen, als auch für größere, insbesondere für Solaranlagen auf Felder optimal geeignet. Dort sind sehr viele Solarmodule im Freien, die auf einem Solar-Park oder Feld verteilt sind. Solche Solarpanels erzeugen zusammen in der Regel sehr viel Strom, der in einem Stromnetz in der Nähe eingespeist wird. Es sind ziemlich komplizierte Anlagen, die auch viele Begleitelemente aufweisen, wie z.B. Konvertern oder Transformatoren, Relais, Stromkabeln, Datenboxe, Datenlogger, Überwachungs-Technik und Räume, Fernwartungs- und Steuerung-Systeme, manchmal auch Energie-Zwischenspeicher. Bei den sehr großen Solaranlagen, nicht selten sind auch Wartungstechniker vor Ort.
-
Die Solarmodule 1 (Solarpanel) hier werden mit Sensoren ausgestattet, die den Energie-Ertrag und den Zustand von jeden einzelnen Modul überwachen und die Daten an eine Zentrale übermitteln. Es sind Schmutzsensoren 2 oder Staubsensoren, Temperatursensoren 3 und Regensensoren / Schneesensoren 4, eingebaut, die jedes Panel einzeln überwachen.
-
Die Sensoren sind direkt auf das Solarpanel angebracht (1). Ein Solarmodul ist in der Regel sehr wartungsarm und geht auch nur sehr selten kaputt. Was seinen Betrieb stören, bzw. den Strom-Ertrag drosseln kann, sind die Wetterverhältnisse. Wenn es schneit und der Schnee oder Eis teilweise oder komplett ein Solarpanel bedeckt, dann fällt die Stromerzeugung drastisch nach unten. Ein anderer Faktor, der ebenso nicht zu vernachlässigen ist, ist der Staub. Auf der Oberfläche der Solarmodule angesammelt, kann Staub die Stromerzeugung empfindlich stören und den Ertrag senken. Welche der Solarmodule verstaubt sind, kann ein Wartungstechniker nur durch Kontrolle von jedem einzelnem Solarpanel herausfinden. Genau das Problem löst die Erfindung hier. Über Schmutzsensoren wird die Verschmutzungsgrad der Solarmodul-Oberfläche ermittelt und die Daten zentral übertragen.
-
Die Staubpartikel 5 auf der Solarmodul-Oberfläche 6 (es ist die Fläche gemeint, die für den Empfang der Lichtstrahlen vorgesehen ist) werden durch den Schmutzsensor erfasst und diese Daten an eine Auswerteeinheit 7 weitergeleitet (1 und 2). Fällt ein Solarpanel wegen Staub aus, dann wird dem Techniker in einem Rechner 8 auf einem Display 9 angezeigt, welche das ist und er kann die Solarpanel aus dem Stromkreis entnehmen oder diese Überbrücken, bis ein Wartungstechniker das Solarmodul säubern kann. Eine Überbrückung kann durch fernsteuerbare Elektroschalter / Elektronikschalter 10 und Freilaufdioden 11 erfolgen. Eine Fernsteuerung der Elektronikschalter ist heutzutage gang und gäbe und es gibt unzählige Lösungen dafür, von einfacheren die mit HF-Signal-Modulatoren gekoppelt sind, bis zu der komplizierteren Varianten, die über kodierte Funksignale Steuer-Befehle entgegennehmen.
-
Um das Auffinden der Solarzelle auf dem Feld für den Wartungstechniker zu erleichtern, können die auf dem Solarmodule anbringbare Sensoren bzw. deren Gehäuse 12 mit je einem Lichtsignalgeber 13, z.B. eine intensiv leuchtenden LED, Blink-LED oder Laserdiode, ausgestattet werden. Eine solche Variante ist auf der 3 dargestellt worden. Sobald der Schmutzsensor die Staubpartikel erfasst hat und diese Staubpartikel oder die Staubschicht den Ertrag des Solarmoduls unter einer bestimmten Niveau herabsetzt (z.B. es wird eine Auslösungs-Schwelle von 2% Ertragsausfallwert programmiert), wird sowohl ein Signal an eine Kontroll-Zentrale gesendet, als auch das Leuchtmittel an dem Gehäuse des Sensors an dem Solarmodul wird zu leuchten oder zu blinken beginnen. So findet ein Wartungstechniker viel schneller das betroffene Solarmodul und er kann es entstauben.
-
Das Solarmodul kann auch mit weiteren Sensoren ausgestattet werden, die genauere Informationen über den Ertrag an eine Auswerte-Einheit oder Solar-Anlagen-Überwachungs-Zentrale liefern. Sinnvoll wäre z.B. auch ein Temperatursensor 3. Über Temperatursensoren kann z.B. ermittelt verhindert werden, welches Solarmodul sich überhitzt hat und per Fernwartung kann das ein Techniker abschalten oder die Abschaltung erfolgt automatisch durch das Signal des Temperatursensors. Es gibt heutzutage Temperatursensoren, die auch als elektronische Temperaturregler oder Temperaturschalter / Thermoschalter konzipiert sind, die bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur, einen Stromkreis unterbrechen. Sinkt die Temperatur des Moduls, dann stellen sie die Stromverbindung wieder her. Das wäre sinnvoll auch für die Solarmodule (4). Mit diesen Sensoren wäre auch ein Brand an einem Solarmodul verhindert, falls es zu einer starken Überhitzung kommen sollte.
-
Der Sensor-Einbau in einzelnen Solarmodulen kann vor, bei oder nach der Montage der Solarmodule auf einem Feld oder z.B. Hausdach erfolgen. Die Sensoren sollen so klein und kompakt wie möglich und z.B. in Form von dünnen Streifen oder kleinen Knopfzellen gebaut werden. Sie sollen nicht dabei stören, nicht auffallen und unempfindlich, bzw. in die Solarpanel optimal angebracht oder befestigt werden. Sie können einzeln oder in Gruppen eingebaut werden. Solche Sensoren sind sehr klein (deren Fläche beträgt oft nur mm2), leicht anzubringen, günstig im Herstellungs-Prozess. Die Sensoren können direkt mit dem Stromausgang 14 des Solarmoduls parallel geschaltet werden, natürlich über elektronische Schutzelemente 15, die gegen die Spannung der Solarzelle / Solarmoduls schützen - es reichen oft dabei passive ElektronikElemente, wie Widerstände oder eine einfache Kondensator + Halbleiter Kombination, die die Ströme des Solarmoduls nur kontrolliert bis zum Sensor weiterleitet und den Sensor-Signal umgekehrt bis zu der Solarzellen-Stromleitung ableitet. Die Sensoren können mit Strom über den Stromausgang des Solarmoduls oder sie können auch eine eigene Solarzelle besitzen. Eine Minisolarzelle 16 in Hemdenknopf-Größe wäre ausreichend für die Stromversorgung des Sensors, ist aber nicht unbedingt notwendig, weil der ohnehin von dem Stromausgang des Solarmoduls versorgt werden kann. Regensensoren und Schmutz-Partikel-Sensoren sind heutzutage auch ziemlich klein.
-
Die Oberflächen-Staub-Partikel-Sensoren, die als Schmutzsensoren fungieren, messen die Verschmutzungsgrad einer Glasoberfläche und in dem Fall hier die der Solarpanel-Oberfläche 6 durch ein Lichtgeber 17, der in Form einer ganz kleinen SMD-LED oder einer kleinen Laserdiode besteht, und einem Lichtsensor 18, der neben dem Lichtgeber von dessen direkten Licht-Bestrahlung aber abgeschirmt platziert ist, wobei das Licht des Lichtgebers Richtung der Glasfläche des Solarmoduls unter einem Winkel etwas schräg oder gar perpendikular / unter fast 90° Winkel abgeben wird. Das Licht wird aus der Oberfläche des Solarmoduls teilweise reflektiert und trifft dann auf dem Lichtsensor ein. Befindet sich nichts auf der Glasoberfläche, kommt ein intensiveres Licht zurück zum Lichtsensor. Selbstverständlich es kommt nur ein kleiner Teil des Lichts wieder zurück, weil die Solarmodul-Oberfläche kein Spiegel ist, aber das reicht vollkommen aus. Sind aber Staubpartikel oder Schmutz auf der Glasoberfläche, wird ein grösserer Teil des Lichts absorbiert oder zerstreut, sodass noch weniger Licht auf dem Lichtsensor ankommt. Das auf dem Lichtsensor einfallendes Licht erzeugt dabei ein elektrisches Signal, anhand dessen Charakteristik die Verschmutzungsgrad ermittelt wird (6). Bei der ersten Verwendung sollte der Sensor lediglich einmal richtig kalibriert werden und das war's dann auch alles. Diese Methode funktioniert sehr gut auch durch Verwendung von IR-Laserdioden und IR-Sensoren. Diese Variante des Schmutzsensors kann eine berührungsfreie Schmutzgrad-Ermittlung auch aus einige Meter Entfernung erledigen und funktioniert autark. Er ist mit einer kleinen Energie-Quelle in der Form eines Akkus 34, sowie einer Solarzelle 16, die diese auflädt, ausgestattet. Auch der Funk-Transmitter 35 und die Auswerteeinheit 7 sind eingebaut, somit ist eine Verbindung an die Stromleitung des Solarmoduls nicht notwendig. Durch die Gehäuse-Form ist dieser Sensor leicht am oberen Rand jedes Solarmoduls anbringbar und bleibt dort stabil auch bei Wind oder Schneefall / Regen. An die Klammer des Gehäuses auf der Innenseite kann eine Gummibeschichtung 38 eingebaut werden, die das Rutschen verhindert. Es reicht vollkommen aus, wenn die Laserdiode einen Strahl perpendikular auf die Oberfläche des Solarmoduls abgibt, dessen reflektiertes Anteil durch einen Sensor ermittelt wird, wobei die Distanz bis zu Solarmodul-Oberfläche in Rechenprozess miteinbezogen wird. Für die Distanzermittlung kann dieser Schmutzsensor auch mit einer Distanz-Mess-Vorrichtung ausgestattet werden. Üblich sind Distanz-Mess-Vorrichtungen, die per Ultraschall-Methode oder Laser-Methode funktionieren. Beide sind sehr zuverlässig. Die Laserdiode muss nicht kontinuierlich arbeiten, sondern lediglich alle paar Minuten oder Stunden einen kleinen Strahlimpuls abgeben. Die Verwendung einer IR-Laserdiode vereinfacht die Signalerfassung deutlich, weil dann das Sonnenlicht als Störfaktor weitgehend ausgeschlossen werden kann. Ein kurzer IR-Impuls aus der IR-Laserdiode, der auch moduliert oder codiert ist, prallt auf die Solarmoduloberfläche und wird teilweise dann reflektiert. Die Strahlgeometrie muss nicht gebündelt sein, sondern einen ziemlich breiten Kegel darstellen, der auf dem Solarmodul kommt. Während eines ersten Tests wird ein Impuls auf einem sauberen Solarmodul abgegeben, dessen reflektierter Anteil auf dem Lichtsensor oder IR-Sensor dann als Signal-Referenzwert in einen internen Datenspeicher des Sensors gespeichert wird. Selbstverständlich ist die reflektierte Impulsintensität viel kleiner, als der abgegebene Impuls selbst, aber das spielt keine Rolle, weil der Sensor sehr empfindlich ist und auch kleineste Impuls-Strahl-Mengen erfassen kann. Die Intensität der zurückreflektierten Impulse wird über Tage oder Wochen nahezu konstant bleiben, bis das Solarmodul verschmutzt oder verstaubt zu werden beginnt. Je nach der Verschmutzungsgrad oder Staubmenge, die auf dem Solarmodul liegt, wird auch die Intensität des zurückgeworfenen Impulses mehr oder weniger niedriger als der Referenzwert bei einem sauberen Solarmodul. Wenn die Verschmutzungsgrad z.B. den zurückreflektierten Impuls-Wert, verglichen mit dem Referenz-Impuls-Strahl bei sauberem Solarmodul mehr als 2% abschwächt, dann könnte über eine Auswerteeinheit ein Alarmsignal an eine Überwachungs-Zentrale gesendet werden. In dem Fall müsste man das Solarmodul entstauben oder säubern. Die Entstäubung kann manuell erfolgen.
-
Die Oberflächen-Schmutz-Partikel-Sensoren, bzw. Schmutzsensoren können bei einer Solarzelle auch anders gebaut werden. Sie können so konzipiert werden, dass diese die Verschmutzungsgrad einer Glasoberfläche und in unseren Fall hier die der Solarpanel-Oberfläche durch Referenzsignale aus einer sehr kleinen eigenen Solarzelle 19 oder Photosensor / Photodiode 20, die mit einer Schmutzabweisenden-Beschichtung 21 ausgestattet ist, messen (7). Die Energiewerte, die diese sehr kleine Solarzelle 19 erzeugt, oder die Signale, die eine Photodiode oder Photosensor 20 erzeugen, sind abhängig von den Sonnenstrahlen, die drauf einfallen. Weil diese Solarzelle bzw. Photodiode / Photosensor mit eine speziellen Schmutzabweisenden Beschichtung ausgestattet ist, es bleibt dort nichts haftend. Die kleine Solarzelle, die dem Schmutzsensor gehört ist planparallel zu der Oberfläche des Solarmoduls eingebaut und ist genauso wie das Solarmodul ausgerichtet. Die genaue Ausrichtung der Solarzelle des Sensors 19 kann durch ein eingebautes Scharnier 36 am Gehäuse des Sensors, der auf dem Solarmodul angebracht wird, erreicht werden. Das gleiche gilt auch für die Varianten mit Photodioden oder anderen Photosensoren. Wenn das Solarmodul zur gleichen Zeit, soviel Strom erzeugt, wie optimal vorgesehen, dann befinden sich die Stromertrag-Werte des Solarmoduls auf einem PC-Diagramm (damit ist ein Programm) auf einem PC gemeint, das Echtzeitdiagramme von verschiedene Signalen oder Stromwerten-Erfassung erstellen kann) angezeigt, auf der gleichen Linie, wie die Ertragswerte der Solarzelle oder die Signalwerte der Photodiode / Photosensors des Schmutz-Sensors. Wird aber die Oberfläche des Solarmoduls verschmutzt, werden so auch die Ertragswerte des Solarmoduls dementsprechend herabfallen und dann auf dem Diagramm 37 unter der Linie des Sensors dargestellt (8). Die Sonnen-Strahl-Intensität bedingt durch Atmosphärische / Wetter-Verhältnisse oder Tageszeit, verursachen keine Abweichung zwischen den Strom-Ertragslinien des Solarmoduls und des Schmutzsensors, weil das bei beiden die Stromintensität und die Datensignale gleichzeitig und gleichmäßig „regelt“. Nur wenn Unterschiede zwischen den Beiden Werten, also die des Solarmoduls und des Schmutzsensors entstehen, dann werden die Linien der beiden in dem Diagramm auseinander gehen. Das könnte automatisch einen Alarm für das betroffene Solarmodul aktivieren und damit die Säuberung anfordern.
-
Ein Schmutzsensor kann auch mit Hilfe einer Photodiode 20 oder einer kleinen Solarzelle 16, und einer kleinen Lichtquelle 17, z.B. aus einer SMD - LED oder Laserdiode (oder IR- oder UV-LED oder sichtbare LED-Lichtquelle), die Verschmutzungsgrad erfassen, in dem die LED / Laserdiode / IR- oder UV-LED oder sichtbare LED-Lichtquelle auf einer Seite der Solarmodulfläche sich befindet und das andere auf der Rückseite. Somit wird die Durchsichtigkeit des Solarpanels erfasst (9). Sie werden an einer Stelle wo die Panel durchsichtig ist, eingebaut.
-
Eine weitere Variante von Schmutzsensoren besteht aus einer IR-Licht-Quelle 22 und einem IR-Sensor 23, die anstatt des optischen Lichtgebers und optischen Sensors, im Infrarot-Bereich arbeiten.
-
Sind Schmutzpartikel oder Staubpartikel auf der Scheibenfläche vorhanden, wird ein Teil des IR-Lichts oder IR-Signals zerstreut bzw. zurückreflektiert und somit auf dem IR-Sensor weniger IR-Licht einfallen.
-
Der Schmutzsensor kann mit dem Solarpanel über eine Klammerhalterung 24 oder Saugnäpfe 25 mit dem Solarmodul 1 gekoppelt werden, oder er kann in unmittelbarer Nähe des Solarpanels platziert werden. In diese Ausführung sollte der Sensor mit Begleitelemente (Scheibe, eigene Solarzelle, Lichtgeber, Auswerteeinheit, Stromleitung, Funksignal-Transponder, etc.) gekoppelt werden. In dem Fall müsste der Sensor mit einer eigenen Scheibe 26 ausgestattet werden, anhand deren Verschmutzung, die Verschmutzungsgrad der Solarmodul-Oberfläche errechnen kann, indem er die Verschmutzung seiner eigenen Scheibe erfasst (12). Er sollte mit einer aus gleichem Material und in der gleichen Neigung eingebauten kleinen Scheibe, wie die Oberfläche des Solarpanels, ausgestattet werden. Wenn das Solarmodul verstaubt wird, dann passiert das gleiche auch mit der Scheibe des Sensors, weil diese in unmittelbarer Nähe zu dem Solarmodul eingebaut ist (z.B. an einem Solarmodul-Rand gekoppelt). Weil die kleine Fläche des Sensors aus dem gleichem Material wie die Oberfläche der Solarmoduls besteht, die aber durchsichtig ist, kann man so noch besser den Verschmutzungs-Grad ermitteln. Die Scheibe des Sensors ist genauso wie die Oberfläche des Solarmoduls geneigt, bzw. sie ist planparallel mit der Oberfläche der Solarmoduls, mit dem der Sensor gekoppelt ist. Diese Variante ist optimal zum Nachrüsten der schon hergestellten Solarmodule geeignet. Man klebt einfach einen solchen Sensor am Rand des Solarmoduls oder befestigt ihn mit einer Schraube und verbindet ihn mit der Stromversorgung des Solarpanels. Mit dem Sensor ist selbstverständlich auch eine elektronische Schaltung gekoppelt, die nicht nur die Stromversorgung für den Sensor regelt, sondern auch das Signal in die Stromleitung des Solarmoduls einspeist. Bei Sensoren, die eine eigene Solarzelle und einen Funksignal-Transponder aufweisen, ist die Sache noch einfacher, weil sie autark funktionieren. Solche Sensoren können relativ einfach auch von nicht unbedingt technisch begabten Menschen an schon montierten Solarmodulen angedockt werden, bzw. die alten Module kann man damit nachrüsten.
-
Die Hersteller haben es erkannt, dass Verschmutzungen an Solarmodulen zu erhebliche Ertragseinbüßen führen. Wissenschaftler haben vor einigen Jahren Schmutz- und Wasserabweisende-Beschichtungen auf Lotus-Effekt entwickelt. Diese NANO-Beschichtung wirkt schmutzabweisend und ist selbstreinigend, weil dort die Schmutzpartikel nicht mehr haften, sondern gebunden bleiben und mit den nächsten Regenschauer von der Oberfläche des Solarmoduls gewaschen werden. Bei Regen und Schnee, perlt das Wasser ab. Bei Staub sieht die Sache ein wenig komplizierter aus. Der Staub bleibt, bis Regen oder Schnee kommt, weil dann mit Wassermassen gewaschen wird. In Deutschland, ist die Verschmutzung der Solarmodule nicht allzu dramatisch, und weil diese geneigt eingebaut sind und es öfters Regen oder Schnee gibt, werden diese dadurch gereinigt. Allerdings in anderen Ländern, wie z.B. Süditalien, Spanien, Nordafrika, arabischen Ländern oder Israel werden die Solarmodule relativ schnell mit Staub bedeckt. Die Solarmodule sind dort auch weniger geneigt, bzw. sie werden fast waagerecht eingebaut. Ein verstaubtes Solarmodul liefert weniger Strom. Die Minderung der Erträge kann je nach Menge der Staubschicht von 0 bis 90% oder mehr betragen. Viel zu dicke Staubschichten, wie z.B. in der Wüste durch Sandstürme zu erwarten sind, senken den Ertrag nahezu gegen null. Deswegen werden in solchen Ländern die Solarmodule in regelmäßigen Abständen gesäubert (manchmal jede Woche oder sogar mehrmals pro Woche).
-
Wie die Hersteller von Schmutzabweisende-Oberflächen auch bestätigen, ist der selbstreinigende Effekt durch NANO-Beschichtung bei Staubpartikeln nicht ausreichend effektiv in trockenen Ländern, weil dort der Regen fehlt, der die Staubpartikel abwaschen sollte.
-
Die in das Solarmodul anbringbaren Sensoren sind sowohl für die Solaranlagen Betreiber, als auch für die Stromabnehmer und Versicherungen sinnvoll. Der Stromertrag der Solarmodule kann dadurch genauer erfasst werden und im Störfall kann schneller die Ursache dafür herausgefunden werden.
-
Um die Signaldaten aus den Sensoren des Solarmoduls bis zu der Auswerteinheit oder Datenlogger 27 weiter zu leiten, kann die gleiche Strom-Leitung 28 verwendet werden, die den erzeugten Strom bis zum Wechselrichter 29 leitet. Der Wechselrichter kann zwar auch die SensorSignale empfangen, diese sollten aber in dem Fall als Datensignale HF-Moduliert werden, um eine saubere Trennung von dem durch Solarzellen erzeugten Strom zu erreichen. Auch Strom-Signal-Filter oder Strom-Signal-Weichen 30 im Wechselrichter oder Regler oder Konverter sind dabei behilflich (10).
-
Der Einbau von verschiedenen Sensoren in Solarmodulen ermöglicht eine optimale und günstige Wartung der Solarmodule. Die Daten von den Sensoren können über die Stromleitung des Solarmoduls bis zu einem Computer oder eine Solaranlagen-Überwachungs-Zentrale übertragen werden. Auch drahtlose Datenübertragungs-Vorrichtungen können dabei eingebaut werden. Ähnlich wie WiFi im PC Netzwerk, können auch die Solarmodule ein Funk-Netzwerk über Funk-Transponder aufbauen, die spezifische Informatione von jedem der Solarmodule liefert. Auf diese Weise wird die gesamte Solar-Anlage weitgehend optimiert.
-
Die Variante, die in der 11 dargestellt ist, zeigt eine weitere Feature, die in Solarmodule eingebaut werden kann. Hier sind die Solarmodule mit LED-s oder Laserdioden 31 ausgestattet, die am besten am oberen Rand oder Ecken des Solarmoduls eingebaut sind, die dann rundum und gut sichtbar leuchten, wenn eine Störung am Solarmodul eintreten sollte. Sie dienen als Solarmodul Markierer, um die störanfällige Module leichter für einen Wartungstechniker vor Ort ausfindig zu machen. Die Laserdioden können direkt am Gehäuse 12 des Sensors eingebaut werden. Es können mehrere LED-s in verschiedene Lichtfarben, oder es kann z.B. eine LED, die in Breitspektrum leuchtet, bzw. ihre Lichtfarbe, abhängig von der Spannung änderbar ist und das in alle Lichtfarben. Je nachdem welche Störung eingetreten ist, die über Sensoren ermittelt wird, leuchtet die LED oder Laserdiode in die dementsprechende Farbe oder auch im Blinkmodus. Z.B. bei Eis- oder Schneebedeckung kann sie blau leuchten, bei Staub oder Schmutz in Orange, oder rot. Die Art der Störung wird durch Sensoren ermittelt. Z.B. wenn das Solarmodul mit Schnee teilweise oder komplett bedeckt wird, erzeugt er nicht mehr viel Strom. Der Spanungs- oder Strom-Sensor wird das sofort ermitteln und dementsprechend an eine Überwachungszentrale ein Signal übermitteln. Dort wird auch der Schmutzsensor oder wenn im Solarmodul eingebaut, auch ein Regen- oder Schneesensor ein Signal übermitteln. Die Auswerteeinheit kann mit einem Temperatur-Sensor oder mit eine kleine Wetterstation 32 gekoppelt werden die unmittelbar in der Nähe der Solarmodulen eingebaut ist, und dabei auch die komplette Sensor-Daten über das momentane Wetterverhältnisse empfangen sollte. Über einem Computer kann eine Auswerteeinheit zusätzlich auf die aktuellen Wettervorhersage-Informationen aus dem Netz zurückgreifen. Sobald die Außen-Temperatur ermittelt wird, und der Schmutzsensor eine Verschmutzung anzeigt, dann Anhand dessen wird ermittelt was im Falle einer Störung auf dem Solarmodul sich befindet. Falls z.B. die Temperatur in der Umgebung der Solarmodule um die null Grad sein sollte und das Wetterstation Schneefall anzeigt, dann wird mit große Wahrscheinlichkeit Schnee oder Eis auf dem Solarmodul liegen. Wenn die Stromwerte aus einem Solarmodul trotz wolkenfreier Himmel sinken, dann können verschiedene Faktoren das bewirken. Das Solarmodul kann verschmutzt durch Staub, Vogelkott, oder erhitzt sein, es können Solarzellen drin ausgefallen sein, es kann teilweise oder voll verschattet sein, oder es liegt was anderes auf dem Solarmodul, wie z.B. Schnee oder Eis. All diese Zustände werden durch ein paar Sensoren ermittelt. Ein Stromwerte- oder elektrische Leistungs-Sensor 33, der die Spannung- und / oder die Stromwerte am Stromausgang des Solarmoduls berührungslos über eine Induktions-Schleife oder Spule 37, in der die Stromleitung des Solarmoduls eingeführt ist (Hall-Sensor für Gleichstrom), oder diese einfach in unmittelbarer Nähe zu der Stromleitung angebracht ist, ermittelt, leitet in Echtzeit die Daten an eine Auswerteeinheit 27 weiter, die dann diese Daten mit den anderen Daten aus anderen Solarmodulen vergleicht. Z.B. in einem Feld mit tausenden Solarmodulen, kann die Sensorik einzelner Module sehr viel helfen, um Störfaktoren zu lokalisieren. Falls alle Sensoren aller Solarmodule oder meistens davon das gleiche anzeigen, dann handelt es sich bei der Störung einfach um eine Wolkendecke, die gerade die Solarmodule beschattet. Solche Stromwerte-Sensoren können zusätzlich mit eigenen Lichtintensität-Mess-Sensoren ausgestattet werden (wie z.B. kleine Solarzellen oder Photodioden). Damit können diese Referenzsignale erzeugen, die dann mit der Ertragswerte des Solarmoduls zu vergleichen sind. Auf einem PC-Display wird ein Diagramm (8) in Echtzeit erstellt, der z.B. die Signale der Sensoren der Solarmodule in Linien darstellt, wobei ebenso linienartig auch die Stromwerte (Spannung und / oder Strom, bzw. Leistung) der Solarmodule angezeigt werden. Die beiden Diagramm-Linien (eine gehört einem der Solarmodule und die andere dem dazugehörigen Sensor) sollen so dargestellt werden, dass im einwandfreien Betrieb, beide übereinander liegen. Sobald aber Abweichungen auftreten, dann trennen sich die Linien und das bedeutet, dass der betroffene Solarmodul nicht ganz einwandfrei funktioniert, bzw. eine Störung vorliegt. Der Schmutzsensor in Zusammenarbeit mit den Daten aus einer Wetterstation kann dann genauer den Störfaktor übermitteln. Eine niedrige Außen-Temperatur und Schneefall oder Regen bedeuten, dass eventuell sowas auf dem Modul auch drauf liegt. Eine Staubverschmutzung kommt nicht auf Anhieb, sondern schleicht sich langsam ein. Sobald eine bestimmte Schwelle am Schmutzsensor überschritten wird, dann wird er z.B. der Überwachungszentrale melden, dass das Solarmodul verstaubt oder verschmutzt ist. Allerdings kann man dabei aus anderen Solarmodulen ebenso ablesen, wie stark die Solarmodule verstaubt sind, auch wenn noch keine Schwelle überstritten wurde. Bei Solarmodulen mit der schmutzabweisenden Nano-Beschichtung kommt zwar der Staub nicht sofort runter, aber er wird mit dem nächsten Regen ausgewaschen. Insbesondere bei Solarmodulen, die in Nordafrika platziert sind, kommt auch öfters Staub-Sand oder Feinsand auf die Solarmodule drauf.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- - Solarmodul
- 2
- - Schmutzsensor
- 3
- - Temperatursensor / Thermoschalter
- 4
- - Regensensor / Schneesensor
- 5
- - Staubpartikel
- 6
- - Solarmodul-Fläche
- 7
- - Auswerteeinheit
- 8
- - Rechner
- 9
- - Display
- 10
- - fernsteuerbare Elektroschalter / Elektronikschalter
- 11
- - Freilaufdiode
- 12
- - Gehäuse des Sensors
- 13
- - Lichtsignalgeber
- 14
- - Stromausgang des Solarmoduls
- 15
- - elektronische Schutzelemente
- 16
- - Minisolarzelle
- 17
- - Lichtgeber
- 18
- - Lichtsensor
- 19
- - kleine eigene Solarzelle für den Sensor
- 20
- - Photosensor / Photodiode
- 21
- - Schmutzabweisende-Beschichtung
- 22
- - IR-Licht-Quelle
- 23
- - IR-Sensor
- 24
- - Klammerhalterung
- 25
- - Saugnäpfe
- 26
- - eigene Scheibe für den Sensor
- 27
- - Auswerteinheit oder Datenlogger
- 28
- - Strom-Leitung
- 29
- - Wechselrichter
- 30
- - Strom-Signal-Weichen
- 31
- - LED-s oder Laserdioden
- 32
- - Wetterstation
- 33
- - Stromwerte- oder elektrische Leistungs-Sensor
- 34
- - Sensor-Energie Quelle / Akku
- 35
- - Transmitter
- 36
- - Scharnier für die Solarzelle oder andere lenkbare Teile
- 37
- - Induktions-Spule oder Schleife für den Leistungs-Sensor
- 38
- - Gummibeschichtung
-
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
-
- EP 1427024 A2 [0003]
- US 8294451 B2 [0005]
