DE2925382A1 - Sonnenstrahlungsenergie-integrator - Google Patents

Description

Haue H. Gobrecht £ 2925382 KG-I Harineeteig 42
1000 Berlin 38

Sonnenstrahlungsenergie - Integrator

Die Erfindung "betrifft ein Gerät zur Messung der zeitlichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergi», dh. der τοη der Sonne direkt und Indirekt (diffus) auf eine für die Messung benutzte, in der Regel ebene Fläche aufgestrahlten bzwο in sie eingestrahlten Energie, mit anderen Worten einen Integrator für die Sonnenstrahlungeenergie ο

Eine solche integrierende Messung ist für die Ausnutzung der Sonnenstrahlungeenergie zweckmäßig, da die auf eine Fläche fallend» Energie nicht nur τοη der geographischen Lage und der Neigung der Fläche zur Sonne, sondern auch stark von den kolken und yon der Umgebung der bestrahlten Fläche, eB» durch Berge, Wald, Schnee und auch benachbarte Häuser abhängt und ferner ein Teil dieser Einflüsse mit dem Wetter und der (Pages- und Jahreszelt wechselt» Wegen dieser zum Teil gleichbleibenden und zum anderen Teil wechselnden verschiedenen Einflüsse ist eine kontinuierliche Messung der eingestrahlten Energie und ihre unmittelbare Suemierung vorteilhafter und auch einfacher als die rechnerische Bildung von Mittelwerten aus einzelnen Messungen*

Nach altbekannter Weise würde man ein Thermoelement als Strahlungsempfänger und ein registrierendes Galvanometer zur- Aufzeichnung verwenden. Die zeitliche Summe der auf das Thermoelement gefallenen Energie, also das Integral unter der aufgezeichneten Strahlungsenerglekurv·, würde durch Ausaessen der Fläch« unter dieser Kurve berechnet« Für eine kontinuierlich· oder in regelmäßigen Abständen vorgenommene automatische Messung benötigt aan zusätzlich· Hilfseinrichtungen, zB. für d«a Transport des Papiere bei der Aufzeichnung des Galvano»··« teraussehlags ein· elektrische Stromquelle oder dl· mechanische Spannung »iner Spiralfeder_o

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Die Aufgabe der Irfindungfeesteht darin» einerseits jederzeit die Ablesung der gesamten Steahlungsenergie, die vom beginn einer Messperiode an auf das Messinstrument gefallen ist, unmittelbar zu ermöglichen und andererseits keine Hilfseinrichtung oder zusätzliche Energie zu benötigen. Außerdem soll der die Erfindung bildende Integrator auch wetterbeständig sein«

Bei dem Strahlungsenergie-Mess- und Integt&ergerät gemäß d«r Erfindung besteht die die Strahlung empfangende Fläche aus einer elektrischen Strom erzeugenden Solarzelle und der erzeugte elektrische Strom bewirkt in einer durchsichtigen Kapillare die Elektrolyse einer wässrigen Queoksilbersalzlösung, deren beide Elektroden aus Quecksilber bestehen» Solarzellen zB. aus Silizium sind an siehabekaiate Die Quecksilbersalzlösung und die beiden Quecksilberelektrode]! befinden sieh vorzugsweise in einer auf einer Striehskala liegenden Grlaskapillare, dreart daß die Verlängerung der einest "biw. die Verkürzung der anderen Quecksilberelektrode messend an den grenzen Slektoolyt/Elektroden ablesbar 1st« Es ist ein besondere? Vorteil des neuen Geräts« daß bei ihm die zeitintegrierend· Ablesung erhalten bleibt»

Bas Mess- und Integriergerät gemäß der Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen und hat folgende Sinzelmerisale und weiteren Vorteile seines bevorzugten Ausführongabeiapflees

Der von der Solarzelle» xB« au« Silizium mit einer fläeh· von 360 mm², bei Bestrahlung gelieferte Kurssehlmästrem I₀ ist der au messenden Bet*rahlunga*tärke B proportional iod fließt durch die beiden Quecksilber-elektroden und den zwischen ihnen befindlichen« aus einer QuecskailberealilÖaimg be«t#hen«» den Elektrolyten· Der Elektrolyt befind«t «loh alt und zwischen den beiden Queokeilberelektroden in einer Glaekapill*?· und ist In ihr als kurz· etwa 1 oder 2 am lang· Unterbrechung eines etwa 30 mm langen QueckaibtrfÄden· deutlich βiohtbar. Die extreme Kleinheit der elektrolytiachen Zelle oat «or folge, daß schon nach Einwirkung von wenigen Milliampereatunden •ine Bewegung der elektoolytiaohen Flüssigkeit über dl· gaas·

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Skala erfolgt ist· Di·· würde einer Sonnenbestrahlung τοη wenig·!! Stunden, an einem klaren Sommertag entsprechen· Bei Stromdurohf IuB wandern hierbei Hg<rlenen im Blekmrolytea und scheiden sieh an der Kathode abj sie verlängern somit die Kathede» während τοη der Anode ebenseriele ionen in Lösung gehen und die Anode Torkürsea· Bei Stromdurchfluß wandert somit die als Unterbrechung des Quecksilberfadena sichtbare wässrige Lösung des Hg-Salses, ohne daß sieh die Koneemtration der Lösung ändert· Die Wanderungsgesehwindigkeit der beiden Grensen Quecksilber/Elektrolyt ist dom Strom und der surüekgelegte Weg ist dom StroHSeit-Integral proportional· Eine Striehskala auf oder aeben der Kapillare ermöglicht die Ablesung des Weges naoh einer frei gewählten Zelt, sB· naoh eine» Tag odor einem Monat· So kann die Summe dor aufgestrahlten Sonnenenergie naoh einer Bestimmten Bestrahlungsselt einfach durch Multiplikation mit einer rorhor oiamal !»stimmten Konstanton erfasst worden«

Da die Solasselle nioht beliebig klein gemaoht werden kann, ist es «weokmäÄig, um auch floor eine längere Zeit, si· mehr als einen Tag oder sogar mehrere Monate integrieren su können, einen entsprechend großen Widerstand B₀« sB« τοη dor Größe ein ois sehu Ohm, parallel sur Solarsolle su sohaltom· Die dieses Widerstandes wird an einem Beispiel noch

geseigt·

Solarielle hat eine Destimmte spektrale Bapfindliehkeits-Terteiluag. Birne genaue Preportiomalität «wisohen Strom und aufgefallener Strahlung 1st Terhanden, wams, die spektrale Susammomsottumg dos auffalanaom Liohte sieh nieht ändert. Dies ist dam», dor Toll, wem» das direkte Somnealioht auf die SolarsoUo fallt· XoK «agogOB eine leichte Welkensohl eht TOrhandan, sodafi üoerwiegea* diffuses ßtreuUoht auf aie ßolarselle auffällt· damm ist einerseits die Bestrahlumgsstärke kleiner mad andererseits das gpektxum des Lieht« TorsohoWn, uad swar im dom Slam» dal oiao eiliiium-eola»«eUe »U ra 16% srnrlol ma Strom asgliitt waa die Messung umerwumsoat ooolaflmBt·

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Gemäß «reiterer Ausbildung der Erfindung wird diese Abweichung τοπ der Proportionalität bei kleinen Bestrahlungsstärken durch den Einbau eines Widerstandes S₃ in Seihe mit dem Elektrolyten bzw. der Solar seile und durch ein bestimmtes Verhältnis τοη (B + IL ) /R_e vermieden, wobei R. der innere Widerstand des Elektrolyten und H der parallel asur Solarzelle liegende Wider* .stand ist* Pies ist dadurch möglich, daß der Innere Widerstand R. des Elektrolyten bei kleinen Stroadichten ansteigt· Er ist sB. bei einer Versuchsausführung der Erfindung bei einem Strom oberhalb von 10 JiA gleichbleibend etwa 600 Ohmj unterhalb von 10 uA steigt er dagegen mit abnehmendem Strom bis auf 2Q00 Ohm bei sehr kleinen Strömen an· Wählt man einen Vorsehaltwider* stand H geeigneter Große« dann kannodie Summe E + IL , die bei kleinen Bestrahlungsstärken und entsprechest kleinen strömen größer ist als bei direkter Sonneneinstrahlung, den au hohen Wert der Empfindlichkeit der Solarzelle gerade ausgleichen« Das folgende am Versuchsmuster durchgeführte Beispiel zeigt dies, wobei der Elektrolyt alt den beiden Quecksilberelektreden und der skala von nun an einfach "Mikro-Coulombiaeter" genannt wird»

Gewünscht ist eine Anordnung» die ia Sommer bei vollem Sonnenschein während eines Monats eine volle Bewegung des Elektrolyten über die ganze Skala anzeigt« Die Sonne liefert während eines Monate 2δθ kWh/m j das Mikro-Couloabaeter verbraucht für die ganze Skala 6,48 aAh· Man braucht also eine Empfindlichkeit der Anzeige von 23,14 BAa /kW. Die Solarzelle liefert einen KurzschluBstrom von 100 aA bei einer auffallenden Strahlungsleistung von 1 kW/m j sie hat somit eine Empfindlichkeit von 100 BiAa²AW. Diese Empfindlichkeit ist damit 4?21 mal se groß wie die des Mikro-Ceulombaeters. Das Verhaältni* der Widerstände (R₈ + K₁) / R_c muß also 4^21 sein.

Man findet, daä der Vorschaltwiderstand B zusammen mit dem in* neren Widerstand R* des Mikro-CouloabmeterB etwa 10 Kiloohm betragen muß, wenn die zu große empfindlichkeit der Solarzelle bei kleinen Strömen durch den größeren Widerstand im Elektrolyten gerade ausgeglichen werden soll· Dann ergibt eish für

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den Widerstand R₀, der parallel zur Solarzelle liegt, ein Wert τοπ. 2,3 Ohm (nach Division durch 4321) und für den Vorsohaltwideretand H etwa 8 Kiloohm (nach Abzug des innenen Widerstandes des Mlkro-Coulembmeters)> Sie beiden Widerstände betragen also mehrere Obm bzw» meiere Kiloohm <»

Ist der Elektrolyt an einem Ende der Skala angekommen, dann kann durch einen Schalter umgepolt werden α Dadurch kann die gleiche Messung beliebig oft fortgesetzt, also verlängert werden} andererseits kann zwischendurch beliebig oft abgelesen werden ο Si· Umschaltung läßt sieh auch automatisieren, wenn dies erwünscht sein sollte·

Zum Aufbau des Ausführungsbeispiels der Erfindung ist noch zu sagen: Die Glaskapillare mit den beiden Quecksilberelektroden und dem Slektrolyten ist im Interesse einer besseren Ablesbarkeit (dho eines breiteren Ablesefadens) wie an sich bekannt dreieckförmig und enthält an jedem Ende je eine Drahtdurchführungr wodurch die elektrische Verbindung mit den beiden Quecksilberelektroden hergestellt wird. Die Kapillare 1st an jedem Sad« gut versiegelt, damit kein Quecksilber austreten kann· Die feile der gesamten Anordnung, also die Solarzelle, das Mikrocwralombmeter, die beiden Widerstände, der Schalter sum Umpolen und die Drahtverbindungen,sind in ein Gehäuse eingebaut, da« auf den iwei gegenüberliegenden Seiten vorn und hinten je ein vorzugsweise ebenes Glasfenster besitztα Gegen das ein· fenster wird von innen dl· Solarzelle, gegen das ander« der Sonnenseite abgewaadte Penster von innen di« Kapillar« mit der Skala, also das Mikro-Couloabmeter geklebt. Das Genaue· wird innen mit Silikonkautschuk od«r einer anderen geeigneten wasserfesten Hass· vergossen und kamn «ur Vermeidung einer zuiüzu großen Erwärmung b«i Soaaeneinstrahlung äußerlieh metallisiert, *B. versilbert «•in oder au« Metall, kB« Aluminium bestehen« Der Betätigungsstift des ümpolsohalters ist wasserdicht durch die Gehäusewand nach auß«n geführte

In den Figuren der Zeichnung sind für das Gerät gemäß der Erfindung dargestellt)

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Fig· X der grundsätzliche elektrische Schaltplan SIg. 2 der durch den Umpolsekalter ergäbaste Sshaltplsn Fig. 3 das körperlich« Aufbauschest* dee zuvor erläuterten Ausführungebeispiels im Querschnitt.

im einseinen bedeuten ixt Fig· 1 und Fig· 2* P die Solarzelle B den fieihenwiderstand JEL den Patallelwlderatand

M das MiJfcro-Coulombaeter S den Umpolsehalter.

In Fig· 3 ist auf einer Grundplatte (FuB) 1 das Gehäuse 2 sB· aus Aluminium, befestigt· Seine Vorder- und Rückwand bestehen aus den sit Fenstern versehenen irerspiegelten Glasscheiben 3. Die Solarzelle 4 und der parallele Wideretand 5 sind an den Umpolsehalter 6 angeschlossen» der durch eine wasserdicht« laihülse 7 naeh außen abgedichtet let« 8 ist ein Erdungsdrmal? und 9 ein Eichdraht j 10 sind Befeetigungslöeher i& Gehäue« iod 16 ein Befestigungeioch im Fuß.

Pas Couloabmetergehäuse 11 usschließt das Mikro-Goulombaet«r mit der Skala 13 und dem ^ecksilberfaden 14 in der Glaekaplllare 15· über den Heihenwiderataad 1? eind 4« «in Pol 4m» Mikro-Coulombaeters 12 und des Uatpoleehalter« 6 aitein«ad«r bundeni deren beiden anderen BtIe sind direkt miteinander τ«χ-bunden· Me wetterfeste Piillmasse »B. aus Silikoalcautselaik fttr das Gehäuse 2 ist alt 18 beseieimat. Pi« beiden re*ateski*«m Klötze 19» die au beiden Seiten dös Integriergeräte· an Außenkanten der Grundplatte 1 sit »en (»«genannte haben abgesehrägt«, von außen nach innen abfallend« Oberflächen. Der Liehteinfall in das Gerät let dwell die Pfeil« SO angezeigt·

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Leerseite

Claims (1)

1. Patent - Ansprüche

   üerät zur Messung der zeitliehen Summe der auf eine fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet) daß die die Strahlung empfangende Fläche aus einer elektrischen Strom erzeugenden Solarzelle besteht und der erzeugte elektrische Strom in einer durchsichtigen Kapillare die Elektrolyse einer wässrigen Quecksilbersalzlösung bewirkt, deren beide Elektroden aus Quecksilber be stehen ο

   2c Gerät nach .Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet» daß die Quecksilberaalzlösung und die beiden Quecksilberelektroden sich in einer auf einer Strichskala liegenden Glaskapillare befinden) derart daß die Verlängerung der einen und Verkürzung der anderen Quecksilberelektrode messend an den Grenzen Elektrolyt / Elek·· troden ablesbar ist·

   3· Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Solarzelle ein mehrere Ohm großer Widerstand in Heine mit Ifem Elektrolyten ein mehrere Kiloohm großer stand geschaltet ist» wobei das Verhältnis der beiden Widerstände so gewählt ist? daß eine Proportionalität zwischen eingestrahlter Energie und abgeschiedener Queeksirbesmenge und für direkte und indirekte Somenbetatrahlung erreicht ist«

   4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadmteh gekennzeichnet, daß dl« Polung des Elektrolyten durch einen Umpolhebeisehalter iiatselialtbarist, dor an die Elektroden angeschlossen Ist*

   5· Gerät anch Anspruch 1 bis 5s dadruch gekennaeicimet» daß die Solarzelle wie an sich bekannt aus Silizium besteht«

   6« Gerät nach den vorhergehemd&n Änsprück93i_s daämroh gekexmaoich« net_v daß alle Teile und BrahtirertiindimgeB ia eiiüem SaMuse mit zwei gegenüberliegandeE. Feiuiteisi untergeteaeht imd waceordicirte verschlossen sind und daß die .Solarzelle ua& di# Blolitrolytkapillare mit den Quecksilberelektrode^ mmittalbar an je einem Glasfenster anliegen und ron außen ganz sichtbar sind»

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