WO2014027043A1 - Autarke sensoreinheit für solarmodule - Google Patents

Autarke sensoreinheit für solarmodule Download PDF

Info

Publication number
WO2014027043A1
WO2014027043A1 PCT/EP2013/067032 EP2013067032W WO2014027043A1 WO 2014027043 A1 WO2014027043 A1 WO 2014027043A1 EP 2013067032 W EP2013067032 W EP 2013067032W WO 2014027043 A1 WO2014027043 A1 WO 2014027043A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor unit
control
sensor
solar
evaluation unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/067032
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tolgay Ungan
Michael FREUNEK
Leonhard Reindl
Original Assignee
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert-Ludwigs-Universität Freiburg filed Critical Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Publication of WO2014027043A1 publication Critical patent/WO2014027043A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0219—Electrical interface; User interface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0247—Details using a charging unit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4204—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors with determination of ambient light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/064—Ambient temperature sensor; Housing temperature sensor; Constructional details thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J2001/4266—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors for measuring solar light

Definitions

  • FIG 2 shows schematically the structure of a sensor element, by means of which in the known arrangement of Figure 1, the measurement of the temperature difference between a solar module and the environment is performed in response to the solar radiation.
  • each sensor element requires its own power supply and data component for pre-processing and transmission of the measured values to an external component, eg. B. a controller.
  • the power supply consists for example of a battery or a wired connection to an external power supply.
  • the environmental quantity acts on the sensor, for example due to a temperature change.
  • a plurality of sensors are used for detecting the associated environmental variables, as well as for each sensor its own energy supply and, if appropriate, also its own signal processing.
  • 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.
  • the number of components is high, making the system also expensive and more susceptible to component failure.
  • US Pat. No. 4,253,764 shows an example of a known measuring and recording system for solar radiation in accordance with "Sensor B" from Figure 1.
  • this sensor is only for the detection of the solar radiation, but not for the measurement of the module temperature or Ambient temperature.
  • 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.
  • the invention solves this problem by the use of an energy converter, which serves both as a sensor and for energy 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.
  • thermoelectric energy converter TEW
  • the sensor is also used as a transducer and as a power supply, which is operated by the ambient energy.
  • the energy transducer sensor element can be characterized in such a way that its change in state can be set in relation to the measuring environment variable, so that the second sensor which was previously required especially for photovoltaic modules is eliminated.
  • the sensor element according to the invention can be used for example for measuring module and ambient temperature and the intensity of the solar radiation. Due to the precise characterization of the voltage changes, for example, of a thermoelectric generator in relation to the solar radiation, two sensors can be dispensed with in comparison to the arrangement shown in FIG.
  • thermoelectric generator see the associated intensity of the solar radiation can be linked.
  • the inventive integrated unit of transducer and power generation unit results in the following advantages for the user.
  • thermoelectric generator a thermoelectric generator
  • the self-sufficiency of the system also opens up completely new fields of application, such as: As the use of a solar module or a solar collector. Although below usually only one photovoltaic module is mentioned, however, in the context of the present invention, it is always intended to include the application together with any other type of solar power generation module.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a photovoltaic module with three different sensors for the ambient temperature, the solar radiation and the module temperature;
  • Figure 2 is a schematic representation of a conventional sensor with separate
  • Figure 3 is a schematic representation of a sensor unit according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a photovoltaic module with a sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a thermoelectric generator according to the present invention
  • FIG. 6 shows a flowchart for explaining a first evaluation algorithm
  • FIG. 7 shows a flow chart for explaining a second evaluation algorithm.
  • the ambient energy that is on the sensor unit 100 acts, at least partially received by a power-generating element 102 in order to obtain both the information about the actual measured variable and the energy required to operate the sensor unit 100.
  • the sensor unit 100 has a control and evaluation unit 104 which, from certain operating variables of the energy generating element 102, generates the required sensor signal as a function of the measured variable and, in particular, carries out the signal processing.
  • a communication interface 106 which is preferably set up for wireless communication, is provided to transmit the generated measurement data to an external evaluation unit 105, for example a control computer, a heating control system or a PDA (personal digital assistant).
  • an external evaluation unit 105 for example a control computer, a heating control system or a PDA (personal digital assistant).
  • a bidirectional communication interface 106 may be provided which is also capable of receiving communication signals from the external unit 105. This can be used, for example, for feeding in calibration data or for driving the sensor in sampling routines.
  • the sensor unit 100 extracts both the information about the measured variable to be measured, for example the temperature or a radiation density, and the energy required for its operation directly from the ambient energy, complete self-sufficiency of the sensor unit is possible and with correspondingly robust Manufacture can also be limited to the maintenance of such a sensor unit to a minimum.
  • a sensor unit whose energy supply is ensured by the same principle as the detection of the environmental variable can be achieved for example by the use of the thermoelectric effect in the case of a thermoelectric generator (TEG).
  • TEG thermoelectric generator
  • the thermal energy due to temperature changes is converted into electrical energy, which can be used to operate the signal processing and data transmission.
  • electrical level and its change in the power supply such as the voltage in the case of a thermoelectric generator or the short-circuit current in the case of photovoltaic converters
  • the state of the environment size such as the solar irradiance
  • the sensor unit 100 can be attached to a PV module 108 in order to measure both the temperature of the module as well as the environment and, in addition, the incident solar radiation.
  • this measurement task can be taken over by a thermoelectric generator 110, as sketched in FIG.
  • a thermoelectric generator 110 for example, for use in energy harvesting microsystems, conversion of thermal energy to electrical power is known.
  • thermoelectric generator as is known, for example, from DE 10 2009 016 154 A1, is based on the Seebeck effect and generates an electrical voltage from a temperature gradient.
  • the region with the higher temperature is designated as the heat bath 1 12, while the heat sink 1 14 with the temperature T 0 denotes the area with the lower temperature Ti.
  • the heat bath 112 may be the sun heated surface of the PV module 108 to which the sensor unit 100 is attached, while the heat sink 114 is formed by the ambient air on the back side of the sensor unit 100 ,
  • the load voltage Ui of the TEG 1 10 is calculated from the temperatures T 0 and Ti, the thermal coupling K, the ohmic load resistance R
  • equation (1) for Ui there are three indefinite quantities: the temperatures T 0 , Ti and the thermal coupling K. Since the Ul characteristic curve of thermoelectric transducers is approx. is linear, this is already determined by the measurement of two points, so that for one of the three unknown variables an assumption must be made.
  • the parameter dT is determined, which is directly related to the radiated heat radiation.
  • the sensor unit 100 according to the present invention is thus able to directly determine the temperature difference dT between a first and a second region of the sensor unit and to deduce the solar irradiance therefrom.
  • the energy required for this measurement process is generated directly from the radiated heat and the temperature gradient generated thereby.
  • no external power sources are needed and the sensor unit 100 can independently obtain the required information and communicate it wirelessly to an external control unit 105.
  • the determination of the irradiance is carried out in an external evaluation unit, in which the idling chip measured over the day is distributed.
  • U 0 of the TEG are collected and evaluated.
  • the calibration of the irradiance measurement system can be done via a reference measurement using a pyranometer or a reference cell, followed by calibration algorithms.
  • an adaptive algorithm can also be used which, by means of an iterative approach, enables a more and more accurate calibration and is sufficient for the identification of degradation phenomena at the photovoltaic module.
  • the evaluation unit can be a control computer or a server in the Internet, which transmits the measured sensor data via any gateway to a server with a database function and thus also to the Internet. From there, the transmitted data can be visualized by mobile devices such as smartphones or tablet PCs, and alarm messages can be sent in the form of SMS or email.
  • FIG. 6 first of all, in step 601, the measurement of the training running voltage U 0 on the thermoelectric generator takes place.
  • the data is then forwarded to the evaluation unit or a corresponding gateway (step 602) and transmitted from there to a server or a database (step 603).
  • the measured irradiance can be visualized in an online portal (step 604).
  • a reference measurement can be performed (step 605) and the obtained measurement data can be made available to the evaluation unit in step 602.
  • the server or database may perform the data analysis and calibration as shown in step 606.
  • a correction function can be determined with the aid of a fit function and this correction function can be applied to all measurements. If it is not desired or possible to perform a separate reference measurement of irradiance as shown in step 605, additional functions may be swapped to step 606.
  • FIG. 7 shows, analogously to the procedure according to FIG. 6, an embodiment in which the processing by the server or a database comprises the step of data analysis and calibration 705, wherein in particular an angular correction is performed and the position of the sun is taken into account.
  • the correction function is determined by means of a fit function and taking into account the output energy of the system to be measured and its characteristics. Subsequently, the correction turfunktion applied to all measurements and it is again in step 704, the irradiance visualized in the online portal.
  • this procedure offers the possibility of centrally monitoring a solar power generation plant with the aid of remote diagnostics and control.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

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 Tempera- turänderung verknüpften Intensität der Solarstrahlung. Eine autarke Sensoreinheit zum Messen einer Bestrahlungsstärke eines Solarmoduls 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 Bestrahlungsstärke des Solarmoduls abhängt. Die Steuer- und Auswerteeinheit (104) ist so ausgebildet, dass sie eine Temperaturdifferenz und daraus eine solare Bestrahlungsstärke, die auf die Sensoreinheit einwirkt, bestimmt.

Description

AUTARKE SENSOREINHEIT FÜR SOLARMODULE
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 Figur 1 gezeigt ist. In dieser Figur sind beispielhaft die Messung der Modul- und Umgebungstemperatur sowie eine Intensitätsmessung der Solarstrahlung in der Photovoltaik gezeigt. Es werden drei Sensorelemente benötigt, um diese Information zu ge- Winnen.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Sensorelementes, mit dessen Hilfe bei der bekannten Anordnung aus Figur 1 die Messung der Temperaturdifferenz zwischen einem Solarmodul und der Umgebung in Abhängigkeit von der Solarstrahlung durchgeführt wird. In der Regel benötigt jedes Sensorelement eine eigene Energieversorgung und Datenkompo- nente zur Vorverarbeitung und Übertragung der gemessenen Werte an eine externe Komponente, z. B. eine Steuerung. Die Energieversorgung besteht beispielsweise aus einer Batterie oder einem kabelgebundenen Anschluss an eine externe Stromversorgung. Die Umgebungsgröße wirkt, etwa durch eine Temperaturänderung, auf den Sensor ein.
Zur Erfassung diverser Messgrößen bei bekannten Anordnungen wie beispielsweise Photo- voltaikmodulen werden mehrere Sensoren zur Detektion der verknüpften Umgebungsgrößen sowie für jeden Sensor eine eigene Energieversorgung und gegebenenfalls auch eine eigene Signalverarbeitung eingesetzt.
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.
In dem US-Patent US 4,253,764 ist ein Beispiel für ein bekanntes Mess- und Aufzeichnungssystem für Solarstrahlung entsprechend dem„Sensor B" aus Figur 1 gezeigt. Dieser Sensor ist aber nur für die Erfassung der Solarstrahlung, nicht jedoch für die Messung der Modultemperatur oder der Umgebungstemperatur eingerichtet. 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. Die Erfindung löst dieses Problem durch den Einsatz eines Energiewandlers, der sowohl als Sensor als auch zur Energieversorgung dient. 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. 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.
Des Weiteren kann das Energiewandler-Sensorelement so charakterisiert werden, dass sei- ne 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 Figur 1 gezeigten Anordnung entfallen.
Systeme, welche einen Energiewandler sowohl als Energieversorgung und als auch als Sensor nutzen, sind bisher in der Solarenergietechnik nicht bekannt. Ebenso ist kein System bekannt, in dem durch die Messung einer Temperaturdifferenz mittels eines thermoelektri- sehen Generators die damit verknüpfte Intensität der Solarstrahlung verknüpft werden kann.
Durch die erfindungsgemäße integrierte Einheit aus Messwandler und Energieerzeugungseinheit ergeben sich für den Anwender die folgenden Vorteile.
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 Bat- terien und damit eine erhebliche Reduktion der Wartungskosten sowie kein Anfall von Batteriemüll und Reduktion der Anzahl der benötigten Komponenten, und damit eine weitere Kostenreduktion.
Durch die Autarkie des Systems ergeben sich außerdem völlig neue Anwendungsfelder, wie z. B. der Einsatz an einem Solarmodul oder einem Solarkollektor. Obwohl nachfolgend meist nur von einem Photovoltaikmodul die Rede ist, ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer beabsichtigt, auch die Anwendung zusammen mit jeder anderen Art von Solar- energieerzeugungsmodul einzuschließen.
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.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Photovoltaikmoduls mit drei verschiedenen Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Solarstrahlung und die Modultemperatur;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines konventionellen Sensors mit getrennter
Energieversorgung und Messgrößenverarbeitung; Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Photovoltaikmoduls mit einem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines thermoelektrischen Generators gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines ersten Auswertealgorithmus;
Figur 7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines zweiten Auswertealgorithmus.
Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 100 wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 3 näher erläutert. Wie in dieser Figur gezeigt, wird die Umgebungsenergie, die auf die Sensoreinheit 100 einwirkt, von einem Energieerzeugungselement 102 wenigstens teilweise aufgenommen, um daraus sowohl die Information über die eigentliche Messgröße, wie auch die zum Betrieb der Sensoreinheit 100 erforderliche Energie zu gewinnen.
Hierfür besitzt die Sensoreinheit 100 eine Steuer- und Auswerteeinheit 104, die aus be- stimmten Betriebsgrößen des Energieerzeugungselements 102 das benötigte Sensorsignal in Abhängigkeit von der Messgröße erzeugt und insbesondere die Signalverarbeitung durchführt.
Eine Kommunikationsschnittstelle 106, die vorzugsweise für eine drahtlose Kommunikation eingerichtet ist, ist vorgesehen, um die erzeugten Messdaten an eine externe Auswerteein- heit 105, beispielsweise einen Steuercomputer, eine Heizungssteuerungsanlage oder einen PDA (personal digital assistant), zu übertragen. Selbstverständlich kann eine bidirektional arbeitende Kommunikationsschnittstelle 106 vorgesehen sein, die auch in der Lage ist, Kommunikationssignale von der externen Einheit 105 zu empfangen. Dies kann beispielsweise zum Einspeisen von Kalibrierungsdaten oder zum Ansteuern des Sensors bei Abfra- geroutinen genutzt werden.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Sensoreinheit 100 sowohl die Information über die zu messende Messgröße, also beispielsweise die Temperatur oder eine Strahlungsdichte, wie auch die zu ihrem Betrieb notwendige Energie unmittelbar aus der Umgebungsenergie entnimmt, ist eine vollständige Autarkie der Sensoreinheit möglich und bei entsprechend robus- ter Fertigung kann auch die Wartung einer solchen Sensoreinheit auf ein Minimum beschränkt bleiben.
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 Umge- bungsgröße, etwa der solaren Bestrahlungsstärke, geschlossen und das Element so zugleich als Sensor verwendet werden. Figur 4 zeigt schematisch ein Photovoltaik (PV)-Modul 108 mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit 100.
Gemäß der Figur 4 kann die Sensoreinheit 100 an einem PV-Modul 108 angebracht werden um sowohl die Temperatur des Moduls, wie auch der Umgebung und darüber hinaus auch die einfallende Solarstrahlung zu messen. Insbesondere kann diese Messaufgabe durch einen thermoelektrischen Generator 1 10 übernommen werden, wie er in Figur 5 skizziert ist. Es ist beispielsweise für den Einsatz in Energy-Harvesting-Mikrosystemen eine Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Leistung bekannt. Insbesondere basiert ein solcher ther- moelektrische Generator, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2009 016 154 A1 bekannt ist, auf dem Seebeck- Effekt und erzeugt aus einem Temperaturgradienten eine elektrische Spannung.
In der Figur 5 ist die Region mit der höheren Temperatur als Wärmebad 1 12 bezeichnet, während die Wärmesenke 1 14 mit der Temperatur T0 das Gebiet mit der niedrigeren Temperatur Ti bezeichnet. In Bezug auf die Figur 4 kann das Wärmebad 1 12 beispielsweise die von der Sonne erwärmte Fläche des PV-Moduls 108, an welcher die Sensoreinheit 100 angebracht ist, sein, während die Wärmesenke 1 14 durch die Umgebungsluft auf der Rückseite der Sensoreinheit 100 gebildet ist.
Damit berechnet sich die Lastspannung Ui des TEG 1 10 aus den Temperaturen T0 und Ti , der thermischen Kopplung K, dem ohmschen Lastwiderstand R|, der Gütezahl Z, dem ther- mischen Widerstand Kg, dem elektrischen Widerstand Rg und dem Seebeck-Koeffizienten a gemäß der nachfolgenden Gleichung (1 ).
K
U, = a dT■ g R
(1 )
K + K R, + R
Dabei sind άΤ=Τ]-Τ0 und Re# der effektive Widerstand gemäß Gleichung (2).
Figure imgf000007_0001
In der Gleichung (1 ) für Ui gibt es drei unbestimmte Größen: Die Temperaturen T0, Ti sowie die thermische Kopplung K. Da die U-l Kennlinie von thermoelektrischen Wandlern annä- hernd linear ist, ist diese bereits durch die Messung zweier Punkte festgelegt, so dass für eine der drei unbekannten Variablen eine Annahme getroffen werden muss.
Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Temperatur T0 auf die Lastspannung gering ist. Dies ermöglicht deren Festlegung auf einen festen Wert.
Somit verbleiben die zwei Unbekannten dT und K, welche durch die Messung der U-l Kennlinie bestimmt werden können. Durch die Messung der Leerlaufspannung U0 ergibt sich für K der in Gleichung (3) gezeigte Zusammenhang.
Figure imgf000008_0001
Die anschließende Messung der Lastspannung Ui unter einem zuvor definierten ohmschen Widerstand ergibt schließlich die Werte für dT und K nach Gleichungen (4) und (5).
1 K_
dT ■u0 - 1 + (4)
Figure imgf000008_0002
Damit ist der Parameter dT bestimmt, welcher unmittelbar mit der eingestrahlten Wärmestrahlung im Zusammenhang steht. Die Sensoreinheit 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist also in der Lage, unmittelbar die Temperaturdifferenz dT zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich der Sensoreinheit zu ermitteln und daraus auf die solare Bestrahlungsstärke zu schließen. Die Energie, die für diesen Messvorgang benötigt wird, wird direkt aus der eingestrahlten Wärme und dem dadurch erzeugten Temperaturgradienten erzeugt. Somit sind keine externen Energiequellen nötig und die Sensoreinheit 100 kann autark die benötigte Information gewinnen und diese drahtlos an eine externe Steuereinheit 105 kommunizieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der Bestrahlungsstärke in einer externen Auswerteeinheit, in der die über den Tag verteilt gemessenen Leerlaufspan- nungen U0 des TEG gesammelt und ausgewertet werden. Ausgehend von den ausgewerteten Rohdaten kann die Kalibrierung des Bestrahlungsstärke-Messsystems über eine Referenzmessung mithilfe eines Pyranometers oder einer Referenzzelle und anschließender Anwendung von Kalibrierungsalgorithmen erfolgen. Hierzu kann auch ein lernfähiger Algorith- mus eingesetzt werden, der durch einen iterativen Ansatz eine immer genauer werdende Kalibrierung ermöglicht und für die Identifikation von Degradationserscheinungen am Photo- voltaikmodul ausreichend ist.
Die Auswerteeinheit kann ein Steuercomputer oder ein Server im Internet sein, der die gemessenen Sensordaten über ein beliebiges Gateway an einen Server mit Datenbankfunktion und somit auch ins Internet übermittelt. Die übermittelten Daten können von dort aus von mobilen Geräten wie Smartphones oder Tablet-PCs visualisiert und Alarmmeldungen in Form von SMS oder Email abgesetzt werden.
Die Figuren 6 und 7 illustrieren diese Ausführungsform. Wie in Figur 6 gezeigt, erfolgt zunächst im Schritt 601 die Messung der Lehrlaufspannung U0 an dem thermoelektrischen Ge- nerator. Die Daten werden dann an die Auswerteeinheit oder ein entsprechendes Gateway weitergegeben (Schritt 602) und von dort an einen Server bzw. eine Datenbank übermittelt (Schritt 603). Die gemessene Bestrahlungsstärke kann in einem Online-Portal visualisiert werden (Schritt 604). Für die Kalibrierung kann beispielsweise mit Hilfe eines Pyranometers eine Referenzmessung durchgeführt werden (Schritt 605) und die gewonnenen Messdaten können der Auswerteeinheit in Schritt 602 zur Verfügung gestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Server bzw. die Datenbank in Schritt 603 die Datenanalyse und Kalibrierung wie in Schritt 606 gezeigt, vornehmen. Insbesondere kann eine Korrekturfunktion mit Hilfe einer Fitfunktion ermittelt werden und diese Korrekturfunktion auf alle Messungen angewendet werden. Wenn es nicht gewünscht oder möglich ist, eine separate Referenzmessung der Bestrahlungsstärke wie in Schritt 605 gezeigt, durchzuführen, können weitere Funktionen in den Schritt 606 ausgelagert werden. Figur 7 zeigt analog zu dem Vorgehen gemäß der Figur 6 eine Ausführungsform, bei der die Verarbeitung durch den Server oder eine Datenbank den Schritt der Datenanalyse und Kalibrierung 705 umfasst, wobei insbesondere eine Winkelkor- rektur vorgenommen wird und der Sonnenstand dabei berücksichtigt wird. Die Korrekturfunktion wird mit Hilfe einer Fitfunktion und unter Berücksichtigung der Ausgangsenergie des zu vermessenden Systems und dessen Kenngrößen bestimmt. Anschließend wird die Korrek- turfunktion auf alle Messungen angewendet und es wird in Schritt 704 wiederum die Bestrahlungsstärke im Online-Portal visualisiert.
Diese Vorgehensweise bietet unter anderem die Möglichkeit, eine solare Energieerzeugungsanlage auch mit Hilfe einer Ferndiagnose und Steuerung zentral zu überwachen.

Claims

Patentansprüche
1 . Autarke Sensoreinheit zum Messen einer Bestrahlungsstärke eines Solarmoduls (108) oder eines Solarkollektors, wobei die Sensoreinheit (100) aufweist: ein elektrisches Energieerzeugungselement (102) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus thermischer und/oder mechanischer Energie und eine Steuer- und Auswerteeinheit (104) zum Ansteuern des Energieerzeugungsele- ments(102), wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie aus gemessenen Betriebsgrößen des Energieerzeugungselements (102) ein Sensorsignal erzeugt, das von der Bestrahlungsstärke des Solarmoduls abhängt, und wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie eine Temperaturdifferenz und daraus eine solare Bestrahlungsstärke, die auf die Sensoreinheit einwirkt, bestimmt.
2. Sensoreinheit nach Anspruch 1 , weiterhin umfassend eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle (106) zum Übertragen und/oder Empfangen von Kommunikationssignalen.
3. Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Energieerzeugungselement (102) einen thermoelektrischen Energiewandler umfasst.
4. Sensoreinheit nach Anspruch 3, wobei die Temperaturdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des thermoelektrischen Energiewandlers die Messgröße bildet.
5. Sensoreinheit nach Anspruch 4, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie die Temperaturdifferenz aus einer Lastspannung des thermoelektrischen Energiewandlers ermittelt.
6. Verwendung einer Sensoreinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur kombinierten Ermittlung einer Modultemperatur und einer Umgebungstemperatur an einem Solarmodul (108) oder einem Solarkollektor. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Sensoreinheit (100) so angebracht ist, dass sie eine Temperaturdifferenz zwischen einem definierten Ort des Solarmoduls (108) oder des Solarkollektors und der Umgebung erfasst.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie weiterhin aus der gemessenen Temperaturdifferenz ein mit einer auf das Solarmodul (108) oder Solarkollektor einwirkenden Sonneneinstrahlung korreliertes Ausgangssignal berechnet.
Sensorsystem zum Messen einer Bestrahlungsstärke eines Solarmoduls, wobei das Sensorsystem aufweist: eine Sensoreinheit (100) mit einem elektrischen Energieerzeugungselement (102) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus thermischer und/oder mechanischer Energie und eine Steuer- und Auswerteeinheit (104) zum Ansteuern des Energieerzeugungselements, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie eine Temperaturdifferenz und daraus eine solare Bestrahlungsstärke, die auf die Sensoreinheit (100) einwirkt, bestimmt, und als externe Komponente entfernt von der Sensoreinheit (100) angeordnet ist.
0. Sensorsystem nach Anspruch 9, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (104) einen Steuercomputer oder einen Server im Internet umfasst.
1 . Sensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Sensoreinheit (100) einen ther- moelektrischen Generator aufweist und die externe Steuer- und Auswerteeinheit (104) so ausgebildet ist, dass sie Messwerte für eine Leerlaufspannung U0 des ther- moelektrischen Generators sammelt und daraus die Bestrahlungsstärke berechnet.
PCT/EP2013/067032 2012-08-14 2013-08-14 Autarke sensoreinheit für solarmodule WO2014027043A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012214468.4A DE102012214468A1 (de) 2012-08-14 2012-08-14 Autarke sensoreinheit für solarmodule
DE102012214468.4 2012-08-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014027043A1 true WO2014027043A1 (de) 2014-02-20

Family

ID=48986131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/067032 WO2014027043A1 (de) 2012-08-14 2013-08-14 Autarke sensoreinheit für solarmodule

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012214468A1 (de)
WO (1) WO2014027043A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107228717A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 太阳能安吉科技有限公司 导体温度检测器
CN107764430A (zh) * 2016-08-18 2018-03-06 太阳能安吉科技有限公司 导体温度检测器
US10658833B2 (en) 2016-03-23 2020-05-19 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
US11062588B2 (en) 2016-03-23 2021-07-13 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019206407A1 (de) * 2019-05-03 2020-11-05 Siemens Aktiengesellschaft Messverfahren und Messanordnung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4253764A (en) 1978-02-10 1981-03-03 Morrill Ralph A Solar energy metering and recording system
DE202004001246U1 (de) * 2004-01-27 2004-04-08 Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.V. Bestrahlungsstärkemessvorrichtung
DE102009016154A1 (de) 2009-04-03 2010-10-14 Hekatron Vertriebs Gmbh Thermogeneratoranordnung, thermischer Schalter und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Vorrichtung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE464595B (sv) * 1988-09-29 1991-05-13 Ffv Aerotech Ab Saett att med ett peltier-element med tvaa ytor bestaemma den ena eller baada ytornas temperatur
DE4307916C1 (de) * 1993-03-12 1994-09-29 Heraeus Sensor Gmbh Temperaturüberwachungsvorrichtung mit Energieversorgung durch Thermoelement
DE4425972A1 (de) * 1994-07-22 1996-03-14 Kundo Systemtechnik Gmbh Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für elektrisch betriebene Meßinstrumente
DE19724769A1 (de) * 1997-06-12 1998-12-17 D T S Ges Zur Fertigung Von Du Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4253764A (en) 1978-02-10 1981-03-03 Morrill Ralph A Solar energy metering and recording system
DE202004001246U1 (de) * 2004-01-27 2004-04-08 Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.V. Bestrahlungsstärkemessvorrichtung
DE102009016154A1 (de) 2009-04-03 2010-10-14 Hekatron Vertriebs Gmbh Thermogeneratoranordnung, thermischer Schalter und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Vorrichtung

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107228717A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 太阳能安吉科技有限公司 导体温度检测器
US10658833B2 (en) 2016-03-23 2020-05-19 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
US11062588B2 (en) 2016-03-23 2021-07-13 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
US11165241B2 (en) 2016-03-23 2021-11-02 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
US11652351B2 (en) 2016-03-23 2023-05-16 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
US11721981B2 (en) 2016-03-23 2023-08-08 Solaredge Technologies Ltd. Conductor temperature detector
CN107764430A (zh) * 2016-08-18 2018-03-06 太阳能安吉科技有限公司 导体温度检测器

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012214468A1 (de) 2014-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014027043A1 (de) Autarke sensoreinheit für solarmodule
EP1602163B1 (de) Anordnung und verfahren zur drahtlosen versorgung eines feldgerätes in einer verfahrenstechnischen anlage mit elektrischer energie
DE202004001246U1 (de) Bestrahlungsstärkemessvorrichtung
DE112012001446B4 (de) Energiemanagementsystem und Energiemanagementverfahren
EP2689466B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer von einer photovoltaischen anlage abgegebenen leistung
EP2461455B1 (de) Photovoltaikanlage
EP2580855B1 (de) Verfahren und system zur belastungsanpassung eines elektrischen und/oder elektronischen bauteils in einer windkraftanlage
AT512413B1 (de) Integrierter flexibler Eisdetektor
EP2591534A2 (de) Verfahren zur steuerung von pv-anlagen in einem stromversorgungsnetz
WO2017085174A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erkennung von fehlern in einem photovoltaik (pv)-generator
DE212017000192U1 (de) Leistungsregelsystem für Energiesammler
DE102015114174A1 (de) Übertragung von Daten von Windenergieanlagen und Windparks an eine Leitzentrale
DE102005043771A1 (de) Verfahren zur Energieversorgung eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik
DE102019109548A1 (de) Vorrichtung mit zumindest einem Sensor und einem Energiewandler zur Energieversorgung des zumindest einen Sensors
EP2295892A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer unter aktuellen Einstrahlungsbedingungen möglichen Einspeiseleistung
DE102011110217A1 (de) Schnittstelleneinrichtung und system mit einer schnittstelleneinrichtung
DE102008044350A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen und/oder Regeln und zur Übermittlung von Mess- und/oder Regeldaten
WO2020212206A1 (de) Verfahren zur steuerung einer kühleinrichtung einer photovoltaikanlage sowie photovoltaikanlage mit einer kühleinrichtung
DE19603942A1 (de) Datenerfassungsvorrichtung
DE202018003661U1 (de) Solarleistungssensor
DE102016118293A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung
DE102006061137A1 (de) Steuereinheit zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers
EP2839303B1 (de) Verfahren zum bestimmen der leistungsfähigkeit von photovoltaikanlagen
EP4012362B1 (de) System und verfahren zur ermittlung eines wärmebilds
EP3931443B1 (de) Sensorkit für eine windenergieanlage

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13750049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13750049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1