DE2925382C2 - Vorrichtung zur Messung der zeitichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der zeitichen Summe der auf eine Fläche fallenden SonnenstrahlungsenergieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der zeitlichen Summe der auf eine Fläche fallenden
Sonnenstrahlungsenergie, bei der die die Strahlung empfangende Fläche aus einer elektrischen Strom
erzeugenden Solarzelle besteht, de;· ein auf der elektrochemischen Wirkung des Stromes beruhendes
integrierendes Strommeßgerät zugeordnet ist
Mit einer solchen Vorrichtung, die man mit anderen Worten als einen Sonnenstranlungsenergie-Integrator
bezeichnen kann, wird die von der Sonne direkt und indirekt (diffus) auf die in der Regel ebene Fläche der
Solarzelle aufgestrahlt bzw. in sie eingestrahlte Energie gemessen. Eine Vorrichtung dieser Art ist unter dem
Titel »Sunstations« in der Zeitschrift Solar Energie, Vol. 20 (1978) S. 465-467- beschrieben. In ihrem
Schaltplan liegt direkt parallel zu einer Siliziumsolarzelle ein Widerstand und in Reihe mit ihr und dem
elektrochemisch wirkenden integrierenden Strommeßgerät ein weiterer Widerstand. Das Strommeßgerät
enthält in einem silbernen Behälter eine Silber- und eine Goldelektrode und ferner einen silberjonenhaltigen
Elektrolyten, aus dem unter der Wirkung des von der Solarzelle erzeugten elektrischen Stromes Silberatome
auf der Goldelektrode niedergeschlagen werden. Gemessen wird die Zeit, die benötigt wird, um mittels
ίο eines in umgekehrter Richtung fließenden konstantgroßen
elektrischen Fremdstromes das auf der Goldelektrode niedergeschlagene Silber von ihr wieder abzulösen.
Diese bekannte Vorrichtung ist für ein Jahr oder mehl dauernde Langzeitmittelwert-Messungen besonders
geeignet und bestimmt. Davon abgesehen ist sie durch die Verwendung der Silber- und Goldteile
kostspielig und nicht einfach zu hantieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine auch für Kurzzeitmessungen geeignete und möglichst preiswert"
Vorrichtung mit unmittelbarer visueller Ablesemöglichkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Strommeßgerät eine auf einer Strichskala
liegende Kapillare, in der eine wässerige Quecksilbersalzlösung und zwei Quecksilberelektroden vorgesehen
sind, umfaßt, und daß das Strommeßgerät der Solarzelle so zugeordnet ist, daß der von der Solarzelle
ausgehende elektrische Strom die Elektrolyse der Quecksilbersalzlösung bewirkt, wobei die Verlängerung
der einen und die Verkürzung der anderen Quecksilberelektrode zun Zweck der Messung an den Grenzen
Elektrolyt/Elektroden ablesbar ist.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß bei ihr die zeitintegrierende Ablesung ohne Beeinträchtigung
der unmittelbaren visuellen Ablesemöglichkeit erhalten bleibt und daß sie dennoch nicht kostspielig ist.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen noch darin, daß sie sehr einfach zu bedienen ist und sich in großen
Stückzahlen ausführen läßt, so daß viele Meßstellen eingerichtet werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt das körperliche Aufbauschema des Ausführungsbeispiels und
F i g. 2 den elektrischen Schaltplan.
In Fig. 1 ist auf einer Grundplatte (Fuß) 1 das Gehäuse 2, z. B. aus Aluminium, befestigt. Statt aus Aluminium kann Jas Gehäuse 2 auch aus einem anderen Stoff bestehen und zur Vermeidung einer zu großen Erwärmung bei Sonneneinstrahlung äußerlich metallisiert, z. B. versilbert sein. Seine Vorder- und Rückwand bestehen aus den mit vorzugsweise ebenen Fenstern versehenen verspiegelten Glasscheiben 3. Die Solarzelle 4, z. B. aus Silizium, und der zu ihr parallel geschaltete Widerstand 5 sind an den Umpolschalter 6 angeschlossen, dessen Betätigungsstift wasserdicht durch die Wand des Gehäuses 2 nach außen geführt und durch eine wasserdichte Gummihülse 7 noch zusätzlich nach außen abgedichtet ist. 8 ist ein Erdungsdraht und 9 ein Eichdraht; 10 sind Befestigungslöcher im Gehäuse und 16 ein Befestigungsloch im Fuß 1.
In Fig. 1 ist auf einer Grundplatte (Fuß) 1 das Gehäuse 2, z. B. aus Aluminium, befestigt. Statt aus Aluminium kann Jas Gehäuse 2 auch aus einem anderen Stoff bestehen und zur Vermeidung einer zu großen Erwärmung bei Sonneneinstrahlung äußerlich metallisiert, z. B. versilbert sein. Seine Vorder- und Rückwand bestehen aus den mit vorzugsweise ebenen Fenstern versehenen verspiegelten Glasscheiben 3. Die Solarzelle 4, z. B. aus Silizium, und der zu ihr parallel geschaltete Widerstand 5 sind an den Umpolschalter 6 angeschlossen, dessen Betätigungsstift wasserdicht durch die Wand des Gehäuses 2 nach außen geführt und durch eine wasserdichte Gummihülse 7 noch zusätzlich nach außen abgedichtet ist. 8 ist ein Erdungsdraht und 9 ein Eichdraht; 10 sind Befestigungslöcher im Gehäuse und 16 ein Befestigungsloch im Fuß 1.
Das Coulombmetergehäuse 11 umschließt das in ähnlicher Form, aber für andere Verwendungszwecke
aus der Fachliteratur an sich bekannte Mikrocoulombmeter
ί2 mit der Strichskala 13 und dem die beiden Quecksilberelektroden bildenden Quecksilberfaden 14
in der Glaskapillare 15. Diese Glaskapillare mit den beiden Quecksilberelektroden und dem Elektrolyten ist
im interesse einer besseren Ablesbarkeit (d. h. eines
breiteren Ablesefadens) wie an sich bekannt dreieckförmig und enthält an jedem Ende je eine DrahtdurchführL'ig,
wodurch die elektrische Verbindung mit den beiden Quecksilberelektroden hergestellt wird. Die
Glaskapillare 15 ist an das Fenster dir einen Glasscheibe 3 und ebenso die Solarzelle 4 an das
Fenster der anderen der Sonnenseite zugewandten Glasscheibe 5 von innen angeklebt.
Über den Reihenwiderstand 17 sind je ein Pol des Mikro-Coulombmeters 12 und des Umpolschalters 6
miteinander verbunden; deren beiden anderen Pole sind direkt miteinander verbunden. Die wetterfeste Füllmasse
18 z. B. aus Silikonkautschuk oder einer anderen geeigneten wetterfesten Masse füllt das Gehäuse 2 ganz
aus. Die beiden rechteckigen Klötze 19, die zu beiden Seiten des Gehäuses 2 an den Außenkanten der
Grundplatte 1 sitzen (sogenannte Umpolklötze), haben abgeschrägte, von außen nach innen abfallende
Oberflächen. Der Lichteinfall in die Vorrichtung bzw. das Gehäuse 2 ist durch die Pfeile 20 angezeigt.
* In Fig.2, die den elektrischen Schaltplan der ,Vorrichtung nach F i g. 1 im Prinzip zeigt, sind die ■ beiden Klemmen, an denen die bei Sonneneinstrahlung am Widerstand 17 auftretende Potentialdifferenz • gemessen werden kann, nicht besonders bezeichnet.
* In Fig.2, die den elektrischen Schaltplan der ,Vorrichtung nach F i g. 1 im Prinzip zeigt, sind die ■ beiden Klemmen, an denen die bei Sonneneinstrahlung am Widerstand 17 auftretende Potentialdifferenz • gemessen werden kann, nicht besonders bezeichnet.
Zum besseren Verständnis der Vorrichtung gemäß der Erfindung dienen auch die nachfolgenden allgemeiner
gehaltenen Überlegungen, bei denen die elektrischen Widerstandswerte wie üblich generell nicht mit
Zahlen, sondern mit Buchstaben bezeichnet sind, damit sie nicht mit den Bezugszeichen verwechselt werden
können, nämlich der innere Widerstand der Solarzelle 4 mit Ri, der zu ihr parallele Widerstand 5 mit R1- und der
mit ihr in Reihe liegende Widerstand 17 mit /?μ
Der von der Solarzelle z. B. mit einer Fläche von 360 mm2 bei Bestrahlung gelieferte Kurzschlußstrom ist
der zu messender, Bestrahlungsstärke proportional und fließt durch die beiden Quecksilbereiektroden und den
zwischen ihnen befindlichen, aus der Quecksilbersalzlösung bestehenden Elektrolyten. Der Elektrolyt, der sich
also mit und zwischen den beiden Quecksilberelektro-
<jen in der Glaskapillare befindet, ist in ihr als kurze
etwa 1 oder 2 mm lange Unterbrechung eines etwa 50 mm langen Quecksilberfadens deutlich sichtbar. Die
extreme Kleinheit der elektrolyt'schen Zelle hat zur ■folge, daß schon nach Einwirkung von v/enigen
Milliamperestunden eine Bewegung der elektrolytischen Flüssigkeit über die ganze Skala erfolgt ist. Dies
würde einer Sonnenbestrahlung von wenigen Stunden an einem klären Sommertag entsprechen. Bei Stromdurchfluß
wandern hierbei Hg-Ionen im Elektrolyten und scheiden sich an der Kathode ab, während von der
Anode ebensoviele Ionen in Lösung gehen und die Anode verkürzen. Bei Stromdurchfluß wandert somit
die als Unterbrechung des Ouecksilberfadens sichtbare wässerige Lösung des Hg-3alzes. ohne daß sich die
^Konzentration der Lösung ändert. Die Wanderungsgeschwindigkeit der beiden Grenzen Quecksilber/Elektrolyt
ist dem Strom und der zurückgelegte Weg ist dem Strom-Zeit-Integral proportional. Die Strichskala auf
oder neben der Kapillare ermöglicht die Ablesung des Weges nach einer frei gewählten Zeit, z. B. nach einem
Tag oder einem Monat. So kann die Summe der aufgestrahlten Sonnenenergie nach einer bestimmten
Sestrahlungszeit einfach durch Multiplikation mit einer vorher einmal bestimmen Konstanten erfaßt werden.
Du die Solarzelle nicht beliebig klein gemacht werden kann, ist es zweckmäßig, um auch über eine längere Zeil,
z. B. mehr als einen Tag oder sogar mehrere Monate integrieren zu können, einen entsprechend großen
Widerstand /?„ /. B. von der Größenordnung ein bis
zehn Ohm. parallel zur Solarzelle zu schalten. Die Berechnung der Größe dieses Widerstandes wird an
einem Beispiel noch gezeigt.
ίο Eine Solar/eile hat eine bestimmte spektrale Empfindlichkeitsverteilung.
Eine genaue Proportionalität zwischen Strom und aufgefallener Sfahlung ist
vornanden. wenn die spektrale Zusammensetzung des auffallenden Lichts sich nicht ändert. Dies isi dann der
Fall, wenn das direkte Sonnenlicht auf die Solarzelle fällt. Ist dagegen eine leichte Wolkenschicht vorhanden.
so daß überwiegend diffuses Streulicht auf die Solarzelle auffällt, dann ist einerseits die Bestrahlungsstärke
kleiner und andererseits das Spektrum des Lichts μ verschoben, und zwar in dem Sinn, daß eine
Siliziumsolarzelle bis zu 16% zuviel an Strom abgibt, was die Messung unerwünscht beeinflußt.
Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung nach Unteranspruch 2 wird diese Abweichung von der
Proportionalität bei kleinen Bestrahlungsstärken durch den Einbau eines Widerstandes Rs in Reihe mit dem
Elektrolyten bzw. der Solarzelle und durch ein bestimmtes Verhältnis von (Rs + R)IRc vermieden.
Dies ist dadurch möglich, daß der innere Widerstand R, des Elektrolyten bei kleinen Stromdichten ansteigt. Er
ist z. B. bei einer Versuchsausführung der Erfindung bei
einem Strom oberhalb von 10 μΑ gleichbleibend etwa 600 Ohm; unterhalb von 10 μΑ steigt er dagegen mit
abnehmendem Strom bis auf 2000 Ohm bei sehr kleinen Strömen an. Wählt man einen Vorschaltwiderstand /?,
geeigneter Größe, dann kann die Summe /?i + R^ die
bei kleinen Bestrahlungsstärken und entsprechend kleinen Strömen größer ist als bei direkter Sonneneinstrahlung,
den zu zohen Wert der Empfindlichkeit der Solarzelle gerade ausgleichen. Das folgende an einem
Versuchsmuster durchgeführte Beispiel zeigt dies, wöbe« der Elektrolyt mit den beiden Quecksilberelektroden
und der Strichskala weiterhin einfach »Mikro-Coulombmeter«
genannt wird.
Gewünscht ist eine Anordnung, die im Sommer bei
vollem Sonnenschein während eines Monats eine volle Bewegung des Elektrolyten über die ganze Skala
anzeigt. Die Sonne liefert während eines Monats 280 kWh/m2, das Mikro-Coulombmeter verbraucht für
die ganze Skala 6,48 mAh, man braucht also eine Empfindlichkeit -'er Anzeige von 23,14μΑιτϊ2/^. Die
Solarzelle liefert einen Kurzschlußstrom von 100 mA bei einer auffallenden Strahlungsleistung von 1 kW/m2;
sie hat somit eine Empfindlichkeit von 100 mAm2/kW.
Diese Empfindlichkeit ist damit 4321 mal so groß wie die des Mikro-Coulombmeters. Das Verhältnis der Widerstände
(7?s + R1)ZRc muß als 4321 sein.
Man findet, daß der Vorschaltwiderstand R5 zusammen
mit dem inneren Widerstand R1 des Mikro-Coulombmeters
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 sich
für den Widerstand Ra der parallel zur Solarzelle liegt,
ein Wert von 2,3 Ohm (nach Division durch 4321) und für den Vorschaltwiderstand Rs etwa 8 Kiloohm (nach
Abzug des inneren Widerstandes Ri des Mikro-Coulombmeters).
Die beiden Widerständen betragen also
mehrere Ohm bzw. mehrere Kiloohm.
Ist der Elektrolyt an einem Ende der Skala angekommen, dann kann durch den Umschalter
umgepolt werden. Dadurch kann die gleiche Messung beliebig oft fortgesetzt, also verlängert werden;
andererseits kann zwischendurch beliebig oft abgelesen werden. Die Umschaltung läßt sich auch automatisieren,
wenn dies erwünscht sein sollte.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Messung der zeitlichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie,
bei der die die Strahlung empfangende Fläche aus einer elektrischen Strom erzeugenden Solarzelle
besteht, der ein auf der elektrochemischen Wirkung des Stromes beruhendes integrierendes Strommeßgeriit
zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strommeßgerät (12) eine auf einer Strichskala (13) liegende Kapillare (15), in der eine
wässerige Quecksilbersalzlösung und zwei fadenförmige Quecksilberelektroden (14) vorgesehen sind,
umfaßt, und daß das Strommeßgerät (12) der Solarzelle (4) so zugeordnet ist, daß der von der
Solarzeile (4) ausgehende elektrische Strom die Elektrolyse der Quecksilbersalzlösung bewirkt, wobei
die Verlängerung der einen und die Verkürzung der anderen Quecksilberelektrode (14) zum Zweck
der Messung an den Grenzen Elektrolyt/Elektroden ablesbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Solarzelle (4) ein mehrere Ohm großer Widerstand (5) und in Reihe mit ihr und
dem Strommeßgerät (12) ein mehrere Kiloohm großer Widerstand (17) geschaltet ist, wobei das
Verhältnis der beiden Widerstände (5/17) so gewählt ist, daß eine Proportionalität zwischen eingestrahlter
Energie und abgeschiedener Quecksilbermenge sowohl für direkte wie für indirekte Sonnenbestrahlung
erreicht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung des Elektrolyten
durch einen Umpolschalter (6) umschaltbar ist, der an die Elektroden (14) angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle (4) wie an sich
bekannt aus Silizium besteht.
5. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß alle elektrischen
Teile und Drahtverbindungen in einem Gehäuse (2) mit zwei gegenüberliegenden, mit Fenstern versehenen
Glasscheiben (3) untergebracht und wasserdicht verschlossen sind, und daß die Solarzelle (4) und die
Elektrolytkapillare (15) mit den Quecksilberelektroden (14) je an einer der beiden Glasscheiben (3)
anliegen und durch deren Fenster von außen ganz sichtbar sind.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2925382A DE2925382C2 (de) | 1979-06-20 | 1979-06-20 | Vorrichtung zur Messung der zeitichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie |
| US06/114,006 US4373809A (en) | 1979-06-20 | 1980-01-21 | Solar energy flux integrator |
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|---|---|---|---|
| DE2925382A DE2925382C2 (de) | 1979-06-20 | 1979-06-20 | Vorrichtung zur Messung der zeitichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie |
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|---|---|
| DE2925382A1 DE2925382A1 (de) | 1981-01-15 |
| DE2925382C2 true DE2925382C2 (de) | 1982-09-02 |
Family
ID=6073965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2925382A Expired DE2925382C2 (de) | 1979-06-20 | 1979-06-20 | Vorrichtung zur Messung der zeitichen Summe der auf eine Fläche fallenden Sonnenstrahlungsenergie |
Country Status (2)
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| US8228492B2 (en) * | 2008-08-25 | 2012-07-24 | Regina Reimer | Solar-powered light intensity measurement device |
| US10585210B2 (en) | 2015-10-06 | 2020-03-10 | Arable Labs, Inc. | Apparatus for radiometric correction and orthorectification of aerial imagery |
| US9939319B2 (en) | 2016-07-05 | 2018-04-10 | Arable Labs, Inc. | Radiation measuring systems and methods thereof |
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| US3045178A (en) * | 1958-09-15 | 1962-07-17 | United Nuclear Corp | Operating time indicator |
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1979
- 1979-06-20 DE DE2925382A patent/DE2925382C2/de not_active Expired
-
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- 1980-01-21 US US06/114,006 patent/US4373809A/en not_active Expired - Lifetime
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| DE2925382A1 (de) | 1981-01-15 |
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Owner name: NTG NEUE TECHNOLOGIEN GMBH & CO KG, 6460 GELNHAUSE |
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Free format text: GOBRECHT, KLAUS H., 1000 BERLIN, DE |
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