WO2022234091A1 - Apparatus for capturing the solar potential and methods for producing and using said apparatus - Google Patents

Apparatus for capturing the solar potential and methods for producing and using said apparatus Download PDF

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WO2022234091A1
WO2022234091A1 PCT/EP2022/062293 EP2022062293W WO2022234091A1 WO 2022234091 A1 WO2022234091 A1 WO 2022234091A1 EP 2022062293 W EP2022062293 W EP 2022062293W WO 2022234091 A1 WO2022234091 A1 WO 2022234091A1
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signal processing
processing device
measuring cell
cell
operating state
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PCT/EP2022/062293
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Braun
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification

Definitions

  • the invention relates to a device for recording the solar potential with at least one measuring cell and at least one signal processing device in a time- and location-resolved manner. Furthermore, the invention relates to methods for producing and using such devices. Finally, the invention relates to a plurality of such devices.
  • a device for detecting the light intensity is known from US 2010/0045971 A1, which uses one or more solar cells as a measuring cell.
  • the output power of the solar cells is fed to a signal processing device.
  • the signal processing device generates a visually perceptible output signal that represents the light intensity via one or more light-emitting diodes.
  • This known device has the disadvantage that the intensity of incident light can only be read very imprecisely in rough steps. In addition, the device does not record the location or time of the measurement. These would have to be noted manually by the user. However, there is a need to record the amount of usable solar radiation energy along traffic routes. Furthermore, there is a need not only to record this data in a spatially resolved manner, but also to record changes over the course of the day or year. Knowing this data allows the possible yield of vehicle-mounted photovoltaic modules to be determined along predefinable routes and/or travel times. Proceeding from the state of the art, the object of the present invention is to record the amount of usable solar radiation energy along traffic routes as a function of the time of day and/or year.
  • the measuring cell used according to the invention can be a photovoltaic cell with a first connection contact and a second connection contact.
  • the photovoltaic cell can be a CuInS 2 cell, or a silicon cell, or an InGaAs cell, or a perovskite cell, or a tandem cell.
  • a tandem cell can be a perovskite/Si cell or another cell made of two materials with different band gaps.
  • the photovoltaic cell can provide electrical energy in a manner known per se via rear side and/or front side contacts.
  • the electrical voltage generated here can be between about 0.3 and 0.5 volts or between about 0.4 and about 0.5 volts.
  • the electrical voltage generated by the measuring cell can be essentially independent of the radiation intensity, with the electrical current provided by the measuring cell increasing as a function of the incoming radiation intensity or amount of light.
  • the light entry surface of the photovoltaic cell used as the measuring cell can have a length and/or a width of approximately 1 cm to approximately 5 cm or from approximately 2 cm to approximately 4 cm or from approximately 1 cm to about 4 cm. Accordingly, in some embodiments of the invention, the area is between approximately 1 cm 2 and approximately 16 cm 2 or between approximately 4 cm 2 and approximately 8 cm 2 .
  • the first and second connection contacts of the photovoltaic cell are each connected to the contacts of a measuring resistor.
  • the measuring resistor can have a value from about 0.01 to about 1 W or from about 0.02 to about 0.1 W.
  • the low value of the measuring resistor means that the photovoltaic cell is operated close to the short-circuit point.
  • the voltage generated by the photovoltaic cell remains essentially constant.
  • the voltage drop across the measuring resistor is therefore proportional to the current supplied by the photovoltaic cell, which is a measure of the light intensity radiating onto the photovoltaic cell. Since the power loss of the measuring resistor is low, the device can be easily cooled.
  • An amplifier can be provided to detect the electrical voltage drop across the measuring resistor.
  • the amplifier can have a high-impedance input, for example in the form of at least one field effect transistor and/or at least one operational amplifier. Due to the high-impedance input of the amplifier, its input is almost without current, so that a falsification of the measured value is avoided. At the output of the amplifier, an electrical signal representing the irradiation of the measuring cell is available, which can then be further processed.
  • the device according to the invention has at least one micromechanical acceleration sensor.
  • the acceleration sensor can be used to optimize the measurement data for detection, for example by reducing the measurement interval when the device is in motion or increasing it when the device is stationary.
  • the transmission frequency of an electronic data transmission can also be controlled or regulated as a function of the measured values of the acceleration sensor.
  • the measurement or transmission interval can be selected as a function of the speed.
  • a speed can be determined by integrating the acceleration values.
  • the speed data can be integrated again in order to determine the location of the device according to the invention starting from a starting point.
  • the micromechanical acceleration sensor can be a multi-axis acceleration sensor, which can determine an acceleration in two or three directions, for example. As a result, the location and the speed can be determined with greater accuracy.
  • the signal processing device and/or at least one component connected thereto can have at least one first operating state and at least one second operating state, with the number of executable functions being reduced in the second operating state compared to the first operating state and the energy consumption being reduced.
  • the service life of the battery in the device can be increased, since the full range of functions is only available and the full energy consumption occurs when the device is actually being moved.
  • the number of executable functions in the second operating state which can also be referred to as the energy-saving state, can be reduced to such an extent that the components only monitor the use of the device in order to switch back to the first operating state.
  • the operating state can be switched over by the micromechanical acceleration sensor, which then switches to the second operating state if no acceleration is registered during a specifiable time and which switches to the first operating state when acceleration is registered again for the first time.
  • the signal processing means may include an amplifier with adjustable gain.
  • the signal processing device can contain an amplifier whose gain can be adjusted between approximately 35 dB and approximately 40 dB.
  • the signal processing device can contain an amplifier whose gain can be adjusted between approximately 22 dB and approximately 27 dB or between approximately 24 dB and approximately 25 dB.
  • the measuring cell can also contain a temperature sensor which is in thermal contact with the photovoltaic cell. It is known that photovoltaic cells deliver lower yields in the form of a lower output current due to the phonon scattering that occurs at higher temperatures. According to the invention, it was therefore recognized that the measuring accuracy of the device can be further increased if the temperature of the photovoltaic cell is detected and the measured values obtained from the photovoltaic cell are normalized to the temperature.
  • the temperature sensor can be a thermal resistor, for example of the PT100 or PT1000 type. In other embodiments of the invention, the temperature sensor can be a semiconductor sensor or a thermocouple.
  • the device can contain additional sensors in order in this way to record and store or transmit additional measured variables as a function of location and time.
  • the device contains at least one solar module for supplying electrical energy to the device.
  • the device can contain an optional battery or an accumulator, which also enables the device to be operated when the solar module used for the energy supply does not deliver sufficient output power due to the weather conditions. Due to the solar energy supply, the device according to the invention can be operated completely independently and maintenance-free, without the user having to worry about regular battery changes or charging cycles.
  • the signal processing device may further include a location determination device.
  • the location determination device can be, for example, a satellite navigation system, for example GPS and/or GLONASS and/or Galileo.
  • several location determination devices can also be present in order to increase the accuracy of the location determination and/or the speed of the location determination.
  • the signal processing means may further include an A/D converter. This enables the digitization of the data supplied by the amplifier, the irradiation of the measuring cell representative measured value. This can then be further processed digitally, for example by writing to a database, storing in a memory or transmission via a computer network, in particular a wireless one.
  • the signal processing device may further include a time recording device.
  • the time recording device can determine the time, for example by means of a local oscillator and/or a DCF77 receiver and/or satellite navigation, and store this together with the measured value representing the irradiation and optionally the location of the measurement.
  • the signal processing means may include a radio modem.
  • the radio modem can be set up to send the measured values recorded by the device via a computer network to a central database for further processing and evaluation.
  • the radio modem can be operated bidirectionally. This makes it possible to receive control data which, for example, affect the frequency of measurement, the time of data transmission, the operating state of the device or other control or regulation tasks.
  • the signal processing device can contain a micromechanical acceleration sensor.
  • the data from the acceleration sensor can be used to control or regulate the respective operating state of the device. For example, readings may be taken closer together when the device is in motion and more distantly when the device is at rest.
  • the data from the acceleration sensor can be used to put the device into a stand-by mode in the event of a longer standstill.
  • the data of the Acceleration sensor are used by integration to determine the speed and location of the device even if a satellite-based Ortsbe mood is not possible, for example when driving in tunnels or in narrow valleys.
  • a plurality of the devices described above are used in order to simultaneously acquire measured values from different traffic routes and/or at different times.
  • the plurality of devices may include, for example, between about 50 and about 500, or between about 100 and about 200 individual devices.
  • the measured values can be recorded in parallel with a large number of devices at different locations and/or at different times and can nevertheless be compared with one another.
  • the measuring cell can be irradiated with a light flash for calibration, the duration of which is between approximately 1 ms and approximately 30 ms and which has a light spectrum corresponding to AirMass AMI.5.
  • the AirMass is a relative measure of the length of the path that the sun's light travels through the earth's atmosphere to the ground. Since the light path influences the scattering and absorption of sunlight, the specification is used of the light path also the specification of the spectral composition of the light.
  • the specification AMI,5 designates an angle of incidence of 48° in relation to the vertical.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device according to the invention for detecting the solar potential in a time- and location-resolved manner.
  • FIG. 2 shows the current/voltage characteristic of a photovoltaic cell.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an amplifier which can be used in a signal processing device.
  • FIG. 4 shows a view of a device according to the invention.
  • a device 1 for time- and location-resolved detection of the solar potential according to the present invention is explained with reference to the block diagram in FIG.
  • the radiation of the sunlight falling on a predeterminable area is recorded by means of a measuring cell 2 .
  • the measuring cell 2 contains a photovoltaic cell 21 with a first connection contact 211 and a second connection contact 212.
  • the photovoltaic cell 21 can, for example, be a silicon solar cell or contain one. This can have any known design.
  • FIG. 2 shows the current supplied by the photovoltaic cell 21 on the ordinate and the electrical voltage on the abscissa for different intensities of incident radiation.
  • the voltage that can be tapped off at the solar cell 21 is dependent on the semiconductor material. In the case of silicon, this is approximately 0.5 V.
  • the voltage which can be tapped off at the first and second connection contacts 211 and 212 is only slightly dependent on the light input. However, the current increases with higher illuminance.
  • the current supplied by the photovoltaic cell 21 is therefore a measure of the irradiation or the solar potential at the location and at the respective measuring time of the device 1.
  • the first and second connection contacts 211 and 212 of the photovoltaic cell 21 are each connected to the contacts 221 and 222 of a measuring resistor 22 in order to detect the current intensity.
  • the electrical voltage dropping across the measuring resistor 22 is proportional to the current flowing and can be detected by means of the amplifier 31 of the signal processing device 3 .
  • the measuring resistor can have a value between approximately 0.01 W and approximately 1 W or between approximately 0.02 W and 0.1 W. In this case, small resistance values generate only a small amount of power loss, so that the heat dissipation of the device according to the invention can be simplified.
  • FIG. 1 shows an optional temperature sensor 23 which is in thermal contact with the photovoltaic cell 21 .
  • the temperature of the photovoltaic cell 21 can be detected and supplied to the signal processing device 3 .
  • the signal processing device 3 can normalize the recorded measured values to the temperature in order to further increase the accuracy in this way.
  • the signal processing device 3 also optionally contains further elements, for example a location determination device 32, an A/D converter 33, a time recording device 34, a microcontroller 35, a radio modem 36 and/or a micromechanical acceleration sensor 37.
  • the microcontroller 35 can be used to control and monitor the acquisition of measured values by the device 1 .
  • the microcontroller 35 can also have working memory and/or mass storage available, in which the measured values are stored permanently or temporarily.
  • the device can contain a computer program which carries out a method for time- and location-resolved detection of the solar potential when this runs on the microcontroller or a microprocessor.
  • the measured values which are provided by the amplifier 31 and represent the irradiation, can optionally be digitized by means of the A/D converter 33 in order to store them more easily and process them further, for example in a database.
  • the measured values can be transmitted wirelessly via the radio modem 36 via a computer network.
  • the device can optionally contain a location determination device 32 and/or a time recording device 34, for example a satellite navigation system, a local oscillator and/or a DCF77 receiver.
  • a location determination device 32 for example a satellite navigation system, a local oscillator and/or a DCF77 receiver.
  • a time recording device 34 for example a satellite navigation system, a local oscillator and/or a DCF77 receiver.
  • the signal processing device 3 can have two operating states, it being possible for the energy consumption in one operating state to be reduced compared to the other operating state. Switching between the operating states can take place, for example, as a function of the measured values of a micromechanical acceleration sensor 37, so that the device consumes less electrical energy when it is at rest than when it is moving and/or less frequently or not at all when it is at rest Measured values are recorded and the frequency of the measured value recording is increased during movement.
  • the micro-mechanical acceleration sensor 37 can be used to determine the location of the device, starting from the last known location, independently of the satellite navigation system. For this purpose, the acceleration can be recorded in two or three axes. The speed can be determined from this by integration over time. The location can be determined by integrating the speed over time.
  • the device 1 can optionally be supplied with energy via an accumulator 5 and/or via a solar module 4 .
  • the solar module 4 can contain a plurality of solar cells connected in series in order to generate a desired voltage.
  • the electrical current provided in this way can be used to directly operate the signal processing device 3 or to charge the accumulator 5.
  • the amplifier 31 of the signal processing device 3 is explained again below with reference to FIG. Identical components of the invention are provided with the same reference symbols, so that the description can be limited to the essential differences.
  • the amplifier 31 is in the form of an instrumentation amplifier which contains three operational amplifiers.
  • the operational amplifiers OPI and OP3 work as inverting amplifier stages, whereas the operational amplifier OP2 is connected as a subtractor.
  • An amplifier designed in this way exhibits a high level of common-mode rejection with respect to coupled-in stray fields, and as a result enables high measurement accuracy. Since the input stages of the operational amplifiers OPI and OP3 have a high impedance and are therefore almost without current, the amplifier 31 does not affect the voltage drop across the measuring resistor 22, or only to a negligible extent.
  • the amplifier 31 is further characterized in that the amplification can be adjusted by one or more resistors 315 .
  • the photovoltaic cell 21 can be irradiated with a known light intensity and a known light spectrum and the resistance value of the resistor or resistors 315 can be changed until a predetermined measured value is obtained at the output 312 of the amplifier 31 .
  • several devices 1 can be set up and operated in such a way that with the same irradiation, the measured values output at the output 312 of the amplifier 31 differ by no more than 2% or more than 1% or differ by more than 0.5% or more than 0.25%.
  • components of the same technology and tolerance class are used for the measuring resistor 22 and the resistors 315 for setting the gain, so that the measured value at the output 312 of the amplifier 31 is only slightly influenced by temperature drifts.
  • FIG. 4 again shows a view of the device 1.
  • This has a housing 6 which has an entry window 65.
  • the housing 6 can be made of aluminum, plastic or stainless steel, for example. This results in a light and yet weatherproof design of the device 1.
  • the entry window 65 can be covered with a transparent or translucent material, for example polycarbonate, quartz or float glass.
  • the measuring cell 2 in the form of a photovoltaic cell 21 is located behind the entry window 65.
  • a solar module 4, which is used to supply electrical energy to the device 1, is arranged next to it.
  • the measuring cell 2 and the photovoltaic cell 4 can be fixed in the housing in a manner known per se by means of embedding foils.
  • the Embedding films can contain or consist of EVA, for example.

Abstract

The invention relates to an apparatus (1) for capturing the solar potential in a time-resolved and spatially resolved manner with at least one measurement cell (2) and at least one signal processing device (3), wherein the measurement cell (2) contains a photovoltaic cell (21) with a first connection contact (211) and a second connection contact (212), wherein the first and second connection contacts (211, 212) of the photovoltaic cell (21) are each connected to the contacts (221, 222) of a measurement resistor (22), and wherein the signal processing device (3) is configured to capture the electrical voltage dropped across the measurement resistor (22) and the signal processing device (3) also contains at least one micromechanical acceleration sensor (37). Furthermore, the invention relates to methods for producing and using this apparatus.

Description

Vorrichtung zur Erfassung des Solarpotentials sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung Device for detecting the solar potential and method for its manufacture and use
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeit- und orts aufgelösten Erfassung des Solarpotenzials mit zumindest einer Messzelle und zumindest einer Signalverarbeitungsein richtung. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Vorrichtungen. Schließ lich betrifft die Erfindung eine Mehrzahl solcher Vorrich tungen. The invention relates to a device for recording the solar potential with at least one measuring cell and at least one signal processing device in a time- and location-resolved manner. Furthermore, the invention relates to methods for producing and using such devices. Finally, the invention relates to a plurality of such devices.
Aus der US 2010/0045971 Al ist ein Gerät zur Erfassung der Lichtintensität bekannt, welches eine oder mehrere Solar zellen als Messzelle verwendet. Die Ausgangsleistung der Solarzellen wird einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. Die Signalverarbeitungseinrichtung erzeugt ein visuell wahrnehmbares, die Lichtintensität repräsentierendes Ausgangssignal über eine oder mehrere Leuchtdioden. A device for detecting the light intensity is known from US 2010/0045971 A1, which uses one or more solar cells as a measuring cell. The output power of the solar cells is fed to a signal processing device. The signal processing device generates a visually perceptible output signal that represents the light intensity via one or more light-emitting diodes.
Dieses bekannte Gerät weist den Nachteil auf, dass die Intensität einfallenden Lichtes nur sehr ungenau in groben Stufen ablesbar ist. Darüber hinaus erfasst das Gerät weder den Ort noch die Zeit der Messung. Diese müssten vom Benutzer manuell notiert werden. Es besteht jedoch ein Bedürfnis, die Menge nutzbarer solarer Strahlungsenergie entlang von Verkehrswegen zu erfassen. Weiterhin besteht ein Bedürfnis, diese Daten nicht nur ortsaufgelöst zu erfassen, sondern auch die Veränderung im Tages- oder Jahresgang zu erfassen. Die Kenntnis dieser Daten erlaubt die Ermittlung des möglichen Ertrages fahrzeuggetragener Photovoltaikmodule entlang vorgebbarer Fahrstrecken und/oder Fahrzeiten. Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung somit darin, die Menge nutzbarer solarer Strahlungsenergie entlang von Verkehrswegen in Abhängigkeit der Tages- und/oder Jahreszeit zu erfassen. This known device has the disadvantage that the intensity of incident light can only be read very imprecisely in rough steps. In addition, the device does not record the location or time of the measurement. These would have to be noted manually by the user. However, there is a need to record the amount of usable solar radiation energy along traffic routes. Furthermore, there is a need not only to record this data in a spatially resolved manner, but also to record changes over the course of the day or year. Knowing this data allows the possible yield of vehicle-mounted photovoltaic modules to be determined along predefinable routes and/or travel times. Proceeding from the state of the art, the object of the present invention is to record the amount of usable solar radiation energy along traffic routes as a function of the time of day and/or year.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Mehrzahl solcher Vorrichtungen nach Anspruch 7, ein Verfahren nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. The object is achieved according to the invention by a device according to claim 1, a plurality of such devices according to claim 7, a method according to claim 8 and a method according to claim 11. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur zeit- und ortsauf gelösten Erfassung des Solarpotenzials mit zumindest einer Messzelle und zumindest einer Signalverarbeitungseinrichtung vorgeschlagen. Die erfindungsgemäß verwendete Messzelle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine photo- voltaische Zelle mit einem ersten Anschlusskontakt und einem zweiten Anschlusskontakt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die photovoltaische Zelle eine CuInS2- Zelle oder eine Siliziumzelle oder eine InGaAs-Zelle oder eine Perowskit-Zelle oder eine Tandem-Zelle sein. Eine Tandemzelle kann eine Perowskit-/Si-Zelle oder eine andere Zelle aus zwei Materialien unterschiedlicher Bandlücke sein. Die photovoltaische Zelle kann in an sich bekannter Weise über Rückseiten- und/oder Vorderseitenkontakte elektrische Energie bereitstellen. Die hierbei erzeugte elektrische Spannung kann zwischen etwa 0,3 und 0,5 Volt oder zwischen etwa 0,4 und etwa 0,5 Volt betragen. Die von der Messzelle erzeugte elektrische Spannung kann von der Bestrahlungs stärke im Wesentlichen unabhängig von sein, wobei der von der Messzelle bereitgestellte elektrische Strom in Abhängig keit der eintreffenden Bestrahlungsintensität bzw. Licht menge ansteigt. According to the invention, a device for time- and location-resolved detection of the solar potential is proposed with at least one measuring cell and at least one signal processing device. In some embodiments of the invention, the measuring cell used according to the invention can be a photovoltaic cell with a first connection contact and a second connection contact. In some embodiments of the invention, the photovoltaic cell can be a CuInS 2 cell, or a silicon cell, or an InGaAs cell, or a perovskite cell, or a tandem cell. A tandem cell can be a perovskite/Si cell or another cell made of two materials with different band gaps. The photovoltaic cell can provide electrical energy in a manner known per se via rear side and/or front side contacts. The electrical voltage generated here can be between about 0.3 and 0.5 volts or between about 0.4 and about 0.5 volts. The electrical voltage generated by the measuring cell can be essentially independent of the radiation intensity, with the electrical current provided by the measuring cell increasing as a function of the incoming radiation intensity or amount of light.
Die Lichteintrittsfläche der als Messzelle verwendeten photovoltaischen Zelle kann in einigen Ausführungsformen eine Länge und/oder eine Breite von jeweils etwa 1 cm bis etwa 5 cm oder von etwa 2 cm bis etwa 4 cm oder von etwa 1 cm bis etwa 4 cm aufweisen. Die Fläche beträgt demnach in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 1 cm2 und etwa 16 cm2 Oder zwischen etwa 4 cm2 und etwa 8 cm2 . In some embodiments, the light entry surface of the photovoltaic cell used as the measuring cell can have a length and/or a width of approximately 1 cm to approximately 5 cm or from approximately 2 cm to approximately 4 cm or from approximately 1 cm to about 4 cm. Accordingly, in some embodiments of the invention, the area is between approximately 1 cm 2 and approximately 16 cm 2 or between approximately 4 cm 2 and approximately 8 cm 2 .
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den von der photo- voltaischen Zelle gelieferten Strom als Messsignal für die erfasste Strahlungsintensität zu verwenden. Hierzu werden die ersten und zweiten Anschlusskontakte der photo- voltaischen Zelle jeweils mit den Kontakten eines Messwider standes verbunden. Der Messwiderstand kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Wert von etwa 0,01 bis etwa 1 W oder von etwa 0,02 bis etwa 0,1 W betragen. Der geringe Wert des Messwiderstandes führt dazu, dass die photovoltaische Zelle nahe des Kurzschlusspunktes betrieben wird. Hierdurch bleibt die von der photovoltaischen Zelle erzeugte Spannung im Wesentlichen konstant. Die über dem Messwiderstand abfallende Spannung ist somit proportional zu dem von der photovoltaischen Zelle gelieferten Strom, welcher ein Maß für die auf die photovoltaischen Zelle einstrahlende Lichtintensität ist. Da die Verlustleistung des Messwiderstandes gering ist, kann die Vorrichtung einfach entwärmt werden. According to the invention, it is proposed to use the current supplied by the photovoltaic cell as a measurement signal for the detected radiation intensity. For this purpose, the first and second connection contacts of the photovoltaic cell are each connected to the contacts of a measuring resistor. In some embodiments of the invention, the measuring resistor can have a value from about 0.01 to about 1 W or from about 0.02 to about 0.1 W. The low value of the measuring resistor means that the photovoltaic cell is operated close to the short-circuit point. As a result, the voltage generated by the photovoltaic cell remains essentially constant. The voltage drop across the measuring resistor is therefore proportional to the current supplied by the photovoltaic cell, which is a measure of the light intensity radiating onto the photovoltaic cell. Since the power loss of the measuring resistor is low, the device can be easily cooled.
Zur Erfassung der über den Messwiderstand abfallenden elektrischen Spannung kann ein Verstärker vorgesehen sein. Der Verstärker kann einen hochohmigen Eingang aufweisen, beispielsweise in Form von zumindest einem Feldeffekt transistor und/oder zumindest einem Operationsverstärker. Durch den hochohmigen Eingang des Verstärkers ist dessen Eingang nahezu stromlos, sodass eine Verfälschung des Mess wertes vermieden wird. Am Ausgang des Verstärkers steht ein die Bestrahlung der Messzelle repräsentierendes elektrisches Signal zur Verfügung, welches nachfolgend weiterverarbeitet werden kann. An amplifier can be provided to detect the electrical voltage drop across the measuring resistor. The amplifier can have a high-impedance input, for example in the form of at least one field effect transistor and/or at least one operational amplifier. Due to the high-impedance input of the amplifier, its input is almost without current, so that a falsification of the measured value is avoided. At the output of the amplifier, an electrical signal representing the irradiation of the measuring cell is available, which can then be further processed.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest einen mikromechanischen Beschleunigungssensor auf. Der Beschleunigungssensor kann zur Optimierung der Messdaten- erfassung dienen, indem beispielsweise das Messintervall verringert wird, wenn sich die Vorrichtung in Bewegung befindet oder vergrößert wird, wenn die Vorrichtung ruht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die Sende frequenz einer elektronischen Datenübertragung in Abhängig keit von den Messwerten des Beschleunigungssensors gesteuert oder geregelt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Mess- oder Sendeintervall geschwindig- keitsabhängig gewählt werden. Hierzu kann durch Integration der Beschleunigungswerte eine Geschwindigkeit bestimmt werden. Zur Ortserfassung können die Geschwindigkeitsdaten nochmals integriert werden, um ausgehend von einem Start punkt den Ort der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bestimmen. Furthermore, the device according to the invention has at least one micromechanical acceleration sensor. The acceleration sensor can be used to optimize the measurement data for detection, for example by reducing the measurement interval when the device is in motion or increasing it when the device is stationary. In some embodiments of the invention, the transmission frequency of an electronic data transmission can also be controlled or regulated as a function of the measured values of the acceleration sensor. In some embodiments of the invention, the measurement or transmission interval can be selected as a function of the speed. For this purpose, a speed can be determined by integrating the acceleration values. To determine the location, the speed data can be integrated again in order to determine the location of the device according to the invention starting from a starting point.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der mikro mechanische Beschleunigungssensor ein mehrachsiger Beschleunigungssensor sein, welcher eine Beschleunigung beispielsweise in zwei oder drei Richtungen bestimmen kann. Hierdurch kann die Bestimmung des Ortes und der Geschwindig keit mit höherer Genauigkeit erfolgen. In some embodiments of the invention, the micromechanical acceleration sensor can be a multi-axis acceleration sensor, which can determine an acceleration in two or three directions, for example. As a result, the location and the speed can be determined with greater accuracy.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung und/oder zumindest eine damit verbundene Komponente zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, wobei im zweiten Betriebszustand gegenüber dem ersten Betriebszustand die Anzahl ausführbarer Funktionen reduziert und der Energieverbrauch vermindert ist. Hierdurch kann die Lebensdauer der Batterie in der Vorrichtung vergrößert sein, da nur dann die volle Funktionsvielfalt zur Verfügung steht und der volle Energieverbrauch anfällt, wenn die Vorrichtung tatsächlich bewegt wird. Die Anzahl ausführbarer Funktionen im zweiten Betriebszustand, welcher auch als Energiespar zustand bezeichnet sein kann, kann soweit reduziert werden, dass die Komponenten lediglich die Benutzung der Vorrichtung überwachen, um wieder in den ersten Betriebszustand zurück zu schalten. Auf diese Weise kann, ohne dass der Benutzer aktiv das System einschalten muss, eine stetige Verfüg barkeit sichergestellt werden, ohne dass die Batterien rasch, beispielsweise über Nacht, entladen sind. Das Umschalten des Betriebszustandes kann durch den mikromechanischen Beschleunigungssensor erfolgen, welcher dann in den zweiten Betriebszustand schaltet, wenn während einer vorgebbaren Zeit keine Beschleunigung registriert wird und welcher in den ersten Betriebszustand schaltet, wenn erstmals wieder eine Beschleunigung registriert wird. In some embodiments of the invention, the signal processing device and/or at least one component connected thereto can have at least one first operating state and at least one second operating state, with the number of executable functions being reduced in the second operating state compared to the first operating state and the energy consumption being reduced. As a result, the service life of the battery in the device can be increased, since the full range of functions is only available and the full energy consumption occurs when the device is actually being moved. The number of executable functions in the second operating state, which can also be referred to as the energy-saving state, can be reduced to such an extent that the components only monitor the use of the device in order to switch back to the first operating state. In this way, without the user the system has to be actively switched on, constant availability can be ensured without the batteries being quickly discharged, for example overnight. The operating state can be switched over by the micromechanical acceleration sensor, which then switches to the second operating state if no acceleration is registered during a specifiable time and which switches to the first operating state when acceleration is registered again for the first time.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Verstärker enthalten, dessen Verstärkung zwischen etwa 35 dB und etwa 40 dB einstellbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Verstärker enthalten, dessen Verstärkung zwischen etwa 22 dB und etwa 27 dB oder zwischen etwa 24 dB und etwa 25 dB einstellbar ist. Dies ermöglicht eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sodass einzelne Vorrichtungen aus einer Mehrzahl von Vorrichtungen am Ausgang des Verstärkers stets ein identisches Ausgangssignal bereitstellen, wenn die Messzelle mit der identischen Lichtintensität bestrahlt wird. Hierdurch kann die Messwert erfassung parallelisiert werden, indem eine Mehrzahl von Vorrichtungen gleichzeitig eingesetzt wird, welche gleich wohl vergleichbare Ergebnisse liefern. In some embodiments of the invention, the signal processing means may include an amplifier with adjustable gain. In some embodiments of the invention, the signal processing device can contain an amplifier whose gain can be adjusted between approximately 35 dB and approximately 40 dB. In other embodiments of the invention, the signal processing device can contain an amplifier whose gain can be adjusted between approximately 22 dB and approximately 27 dB or between approximately 24 dB and approximately 25 dB. This enables the device according to the invention to be calibrated, so that individual devices from a plurality of devices always provide an identical output signal at the output of the amplifier when the measuring cell is irradiated with the identical light intensity. As a result, the acquisition of measured values can be parallelized by using a plurality of devices at the same time, which nonetheless deliver comparable results.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mess zelle weiterhin einen Temperatursensor enthalten, welcher im thermischen Kontakt mit der photovoltaischen Zelle steht. Es ist bekannt, dass photovoltaischen Zellen aufgrund der auftretenden Phonon-Streuung bei höheren Temperaturen niedrigere Erträge in Form eines niedrigeren Ausgangsstromes liefern. Erfindungsgemäß wurde daher erkannt, dass die Mess genauigkeit der Vorrichtung weiter gesteigert werden kann, wenn die Temperatur der photovoltaischen Zelle erfasst und die von der photovoltaischen Zelle erhaltenen Messwerte auf die Temperatur normiert werden. Der Temperatursensor kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Thermowiderstand sein, beispielsweise vom Typ PT100 oder PT1000. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Temperatursensor ein Halbleitersensor oder ein Thermoelement sein. In some embodiments of the invention, the measuring cell can also contain a temperature sensor which is in thermal contact with the photovoltaic cell. It is known that photovoltaic cells deliver lower yields in the form of a lower output current due to the phonon scattering that occurs at higher temperatures. According to the invention, it was therefore recognized that the measuring accuracy of the device can be further increased if the temperature of the photovoltaic cell is detected and the measured values obtained from the photovoltaic cell are normalized to the temperature. In some embodiments of the invention, the temperature sensor can be a thermal resistor, for example of the PT100 or PT1000 type. In other embodiments of the invention, the temperature sensor can be a semiconductor sensor or a thermocouple.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrich tung weitere Sensoren enthalten, um auf diese Weise weitere Messgrößen in Abhängigkeit von Ort und Zeit zu erfassen und zu speichern oder zu übertragen. In some embodiments of the invention, the device can contain additional sensors in order in this way to record and store or transmit additional measured variables as a function of location and time.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Vor richtung zumindest ein Solarmodul zur elektrischen Energie versorgung der Vorrichtung. Darüber hinaus kann die Vorrich tung eine optionale Batterie oder einen Akkumulator enthal ten, welcher den Betrieb der Vorrichtung auch dann ermög licht, wenn das zur Energieversorgung eingesetzte Solarmodul aufgrund der Witterungsbedingungen keine ausreichende Aus gangsleistung liefert. Durch die solare Energieversorgung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vollständig autark und wartungsfrei betrieben werden, ohne dass sich der Benutzer um regelmäßige Batteriewechsel oder Ladezyklen kümmern muss. In some embodiments of the invention, the device contains at least one solar module for supplying electrical energy to the device. In addition, the device can contain an optional battery or an accumulator, which also enables the device to be operated when the solar module used for the energy supply does not deliver sufficient output power due to the weather conditions. Due to the solar energy supply, the device according to the invention can be operated completely independently and maintenance-free, without the user having to worry about regular battery changes or charging cycles.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung weiterhin eine Ortsbestimmungsein richtung enthalten. Die Ortsbestimmungseinrichtung kann beispielsweise ein Satellitennavigationssystem sein, beispielsweise GPS und/oder GLONASS und/oder Galileo. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können auch mehrere Ortsbestimmungseinrichtungen vorhanden sein, um die Genauigkeit der Ortsbestimmung und/oder die Geschwindigkeit der Ortsbestimmung zu erhöhen. In some embodiments of the invention, the signal processing device may further include a location determination device. The location determination device can be, for example, a satellite navigation system, for example GPS and/or GLONASS and/or Galileo. In some embodiments of the invention, several location determination devices can also be present in order to increase the accuracy of the location determination and/or the speed of the location determination.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung weiterhin einen A/D-Wandler enthalten. Dieser ermöglicht die Digitalisierung des vom Verstärker gelieferten, die Bestrahlung der Messzelle repräsentierenden Messwertes. Dieser kann daraufhin digital weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Schreiben in eine Datenbank, Ablegen in einem Speicher oder Übertragung über ein insbesondere drahtloses Computernetzwerk. In some embodiments of the invention, the signal processing means may further include an A/D converter. This enables the digitization of the data supplied by the amplifier, the irradiation of the measuring cell representative measured value. This can then be further processed digitally, for example by writing to a database, storing in a memory or transmission via a computer network, in particular a wireless one.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung weiterhin eine Zeiterfassungsein richtung enthalten. Die Zeiterfassungseinrichtung kann beispielsweise mittels eines Lokaloszillators und/oder eines DCF77-Empfängers und/oder einer Satellitennavigation die Zeit bestimmen, und diese zusammen mit dem die Bestrahlung repräsentierenden Messwert und optional dem Ort der Messung speichern . In some embodiments of the invention, the signal processing device may further include a time recording device. The time recording device can determine the time, for example by means of a local oscillator and/or a DCF77 receiver and/or satellite navigation, and store this together with the measured value representing the irradiation and optionally the location of the measurement.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung ein Funkmodem enthalten. Das Funkmodem kann dazu eingerichtet sein, die von der Vorrich tung erfassten Messwerte über ein Computernetzwerk an eine zentrale Datenbank zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zu senden. Darüber hinaus kann das Funkmodem bidirektional betrieben werden. Dies ermöglicht, Steuerdaten zu empfangen, welche beispielsweise die Häufigkeit der Messung, den Zeitpunkt der Datenübertragung, den Betriebszustand der Vorrichtung oder andere Steuer- oder Regelaufgaben beeinflussen . In some embodiments of the invention, the signal processing means may include a radio modem. The radio modem can be set up to send the measured values recorded by the device via a computer network to a central database for further processing and evaluation. In addition, the radio modem can be operated bidirectionally. This makes it possible to receive control data which, for example, affect the frequency of measurement, the time of data transmission, the operating state of the device or other control or regulation tasks.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung einen mikromechanischen Beschleunigungssensor enthalten. Die Daten des Beschleunigungssensors können dazu verwendet werden, den jeweiligen Betriebszustand der Vorrichtung zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise können Messwerte im kürzeren Abstand erfasst werden, wenn sich die Vorrichtung in Bewegung befindet und in längerem Abstand, wenn sich die Vorrichtung in Ruhe befindet. Darüber hinaus können die Daten des Beschleunigungssensors dazu verwendet werden, die Vorrichtung bei längerem Stillstand in einen Stand-by-Modus zu versetzen. Schließlich können die Daten des Beschleunigungssensors durch Integration dazu herangezogen werden, die Geschwindigkeit und den Ort der Vorrichtung auch dann zu bestimmen, wenn eine satellitengestützte Ortsbe stimmung nicht möglich ist, beispielsweise bei Fahrten im Tunnel oder in engen Tälern. In some embodiments of the invention, the signal processing device can contain a micromechanical acceleration sensor. The data from the acceleration sensor can be used to control or regulate the respective operating state of the device. For example, readings may be taken closer together when the device is in motion and more distantly when the device is at rest. In addition, the data from the acceleration sensor can be used to put the device into a stand-by mode in the event of a longer standstill. Finally, the data of the Acceleration sensor are used by integration to determine the speed and location of the device even if a satellite-based Ortsbe mood is not possible, for example when driving in tunnels or in narrow valleys.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine Mehr zahl der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen eingesetzt, um gleichzeitig Messwerte von unterschiedlichen Verkehrs wegen und/oder zu unterschiedlichen Zeiten zu erfassen. Die Mehrzahl von Vorrichtungen kann beispielsweise zwischen etwa 50 und etwa 500 oder zwischen etwa 100 und etwa 200 einzelne Vorrichtungen umfassen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Verstärkung des Verstärkers der Signalverarbeitungsein richtung so zu wählen, dass bei gleicher Bestrahlung der jeweiligen Messzelle die jeweils ausgegebenen, die Bestrahlung repräsentierenden Messwerte nicht mehr als etwa 2 % oder mehr als etwa 1 % oder mehr als etwa 0,5 % oder mehr als etwa 0,25 % voneinander abweichen. Hierdurch können die Messwerte parallel mit einer Vielzahl von Vorrichtungen an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen werden und sind gleichwohl miteinander vergleichbar . In some embodiments of the invention, a plurality of the devices described above are used in order to simultaneously acquire measured values from different traffic routes and/or at different times. The plurality of devices may include, for example, between about 50 and about 500, or between about 100 and about 200 individual devices. According to the invention, it is proposed to select the gain of the amplifier of the signal processing device in such a way that with the same irradiation of the respective measuring cell, the measured values that are output and represent the irradiation are not more than about 2% or more than about 1% or more than about 0.5%. or differ by more than about 0.25%. As a result, the measured values can be recorded in parallel with a large number of devices at different locations and/or at different times and can nevertheless be compared with one another.
Zur Herstellung einer Mehrzahl von Vorrichtungen kann jeweils zumindest die Signalverarbeitungseinrichtung, die Messzelle und der Messwiderstand miteinander verschaltet werden und nachfolgend eine Kalibrierung erfolgen, bei welcher die Verstärkung des Verstärkers der Signalver arbeitungseinrichtung eingestellt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Kalibrierung die Messzelle mit einem Lichtblitz bestrahlt werden, dessen Dauer zwischen etwa 1 ms und etwa 30 ms beträgt und welcher ein Lichtspektrum entsprechend AirMass AMI,5 aufweist. Die AirMass ist dabei ein relatives Maß für die Länge des Weges, den das Licht der Sonne durch die Erdatmosphäre bis zum Erdboden zurücklegt. Da der Lichtweg die Streuung und Absorption des Sonnenlichtes beeinflusst, dient die Angabe des Lichtweges auch der Angabe der spektralen Zusammen setzung des Lichtes. Die Angabe AMI,5 bezeichnet dabei einen Einfallswinkel von 48° bezogen auf die Senkrechte. To produce a plurality of devices, at least the signal processing device, the measuring cell and the measuring resistor can be connected to one another and calibration can then take place, in which the gain of the amplifier of the signal processing device is adjusted. In some embodiments of the invention, the measuring cell can be irradiated with a light flash for calibration, the duration of which is between approximately 1 ms and approximately 30 ms and which has a light spectrum corresponding to AirMass AMI.5. The AirMass is a relative measure of the length of the path that the sun's light travels through the earth's atmosphere to the ground. Since the light path influences the scattering and absorption of sunlight, the specification is used of the light path also the specification of the spectral composition of the light. The specification AMI,5 designates an angle of incidence of 48° in relation to the vertical.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt The invention is to be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea. while showing
Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur zeit- und ortsaufgelösten Erfassung des Solarpotenzials . FIG. 1 shows a block diagram of a device according to the invention for detecting the solar potential in a time- and location-resolved manner.
Figur 2 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie einer photo- voltaischen Zelle. FIG. 2 shows the current/voltage characteristic of a photovoltaic cell.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines in einer Signalver arbeitungseinrichtung verwendbaren Verstärkers. FIG. 3 shows a circuit diagram of an amplifier which can be used in a signal processing device.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Ansicht . FIG. 4 shows a view of a device according to the invention.
Anhand des Blockschaltbildes der Figur 1 wird eine Vor richtung 1 zur zeit- und ortsaufgelösten Erfassung des Solarpotenzials gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die auf eine vorgebare Fläche einfallende Strahlung des Sonnenlichtes wird mittels einer Messzelle 2 erfasst. Die Messzelle 2 enthält im dargestellten Ausführungsbeispiel eine photovoltaische Zelle 21 mit einem ersten Anschluss kontakt 211 und einem zweiten Anschlusskontakt 212. Die photovoltaische Zelle 21 kann beispielsweise eine Silizium- Solarzelle sein oder eine solche enthalten. Diese kann jede an sich bekannte Bauform aufweisen. A device 1 for time- and location-resolved detection of the solar potential according to the present invention is explained with reference to the block diagram in FIG. The radiation of the sunlight falling on a predeterminable area is recorded by means of a measuring cell 2 . In the exemplary embodiment shown, the measuring cell 2 contains a photovoltaic cell 21 with a first connection contact 211 and a second connection contact 212. The photovoltaic cell 21 can, for example, be a silicon solar cell or contain one. This can have any known design.
Figur 2 zeigt den von der photovoltaische Zelle 21 gelieferten Strom auf der Ordinate und die elektrische Spannung auf der Abszisse für unterschiedliche Intensitäten einfallender Strahlung. Wie Figur 2 zeigt, ist die an der Solarzelle 21 abgreifbare Spannung abhängig vom Halbleiter- material. Bei Silizium beträgt diese etwa 0,5 V. Die an den ersten und zweiten Anschlusskontakten 211 und 212 abgreif bare Spannung ist nur in geringem Maß von der Lichtein strahlung abhängig. Jedoch steigt die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke an. Der von der photovoltaischen Zelle 21 gelieferte Strom ist daher ein Maß für die Bestrahlung bzw. das Solarpotenzial am Ort und zur jeweiligen Messzeit der Vorrichtung 1. FIG. 2 shows the current supplied by the photovoltaic cell 21 on the ordinate and the electrical voltage on the abscissa for different intensities of incident radiation. As FIG. 2 shows, the voltage that can be tapped off at the solar cell 21 is dependent on the semiconductor material. In the case of silicon, this is approximately 0.5 V. The voltage which can be tapped off at the first and second connection contacts 211 and 212 is only slightly dependent on the light input. However, the current increases with higher illuminance. The current supplied by the photovoltaic cell 21 is therefore a measure of the irradiation or the solar potential at the location and at the respective measuring time of the device 1.
Zur Erfassung der Stromstärke sind die ersten und zweiten Anschlusskontakte 211 und 212 der photovoltaischen Zelle 21 jeweils mit den Kontakten 221 und 222 eines Messwiderstandes 22 verbunden. Die über den Messwiderstand 22 abfallende elektrische Spannung ist proportional zum fließenden Strom und kann mittels des Verstärkers 31 der Signalverarbeitungs einrichtung 3 erfasst werden. Hierzu kann der Messwiderstand einen Wert zwischen etwa 0,01 W und etwa 1 W oder zwischen etwa 0,02 W und 0,1 W aufweisen. Kleine Widerstandswerte erzeugen dabei nur eine geringe Verlustleistung, sodass die Entwärmung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht sein kann. The first and second connection contacts 211 and 212 of the photovoltaic cell 21 are each connected to the contacts 221 and 222 of a measuring resistor 22 in order to detect the current intensity. The electrical voltage dropping across the measuring resistor 22 is proportional to the current flowing and can be detected by means of the amplifier 31 of the signal processing device 3 . For this purpose, the measuring resistor can have a value between approximately 0.01 W and approximately 1 W or between approximately 0.02 W and 0.1 W. In this case, small resistance values generate only a small amount of power loss, so that the heat dissipation of the device according to the invention can be simplified.
Weiterhin zeigt Figur 1 einen optionalen Temperatursensor 23, welcher in thermischem Kontakt mit der photovoltaischen Zelle 21 steht. Hierdurch kann die Temperatur der photo voltaischen Zelle 21 erfasst und der Signalverarbeitungsein richtung 3 zugeführt werden. Die Signalverarbeitungseinrich tung 3 kann auf diese Weise eine Normierung der erfassten Messwerte auf die Temperatur vornehmen, um auf diese Weise die Genauigkeit weiter zu erhöhen. Furthermore, FIG. 1 shows an optional temperature sensor 23 which is in thermal contact with the photovoltaic cell 21 . In this way, the temperature of the photovoltaic cell 21 can be detected and supplied to the signal processing device 3 . In this way, the signal processing device 3 can normalize the recorded measured values to the temperature in order to further increase the accuracy in this way.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 enthält darüber hinaus optional weitere Elemente, beispielsweise eine Orts bestimmungseinrichtung 32, einen A/D-Wandler 33, eine Zeit erfassungseinrichtung 34, einen Mikrocontroller 35, ein Funkmodem 36 und/oder einen mikromechanischen Beschleunigungssensor 37. Der Mikrocontroller 35 kann dazu eingesetzt werden, die Messwerterfassung durch die Vorrichtung 1 zu steuern und zu überwachen. Hierzu kann dem Mikrocontroller 35 zusätzlich Arbeitsspeicher und/oder Massenspeicher zur Verfügung stehen, in welchem die Messwerte dauerhaft oder vorüber gehend abgelegt werden. Weiterhin kann die Vorrichtung ein Computerprogramm enthalten, welches ein Verfahren zur zeit- und ortsaufgelösten Erfassung des Solarpotentials durchführt, wenn dieses auf dem Mikrocontroller oder einem Mikroprozessor läuft. The signal processing device 3 also optionally contains further elements, for example a location determination device 32, an A/D converter 33, a time recording device 34, a microcontroller 35, a radio modem 36 and/or a micromechanical acceleration sensor 37. The microcontroller 35 can be used to control and monitor the acquisition of measured values by the device 1 . For this purpose, the microcontroller 35 can also have working memory and/or mass storage available, in which the measured values are stored permanently or temporarily. Furthermore, the device can contain a computer program which carries out a method for time- and location-resolved detection of the solar potential when this runs on the microcontroller or a microprocessor.
Die vom Verstärker 31 bereitgestellten, die Bestrahlung repräsentierenden Messwerte können optional mittels des A/D- Wandlers 33 digitalisiert werden, um diese einfacher zu speichern und weiterzuverarbeiten, beispielsweise in einer Datenbank. Hierzu können die Messwerte über das Funkmodem 36 über ein Computernetzwerk drahtlos übertragen werden. The measured values, which are provided by the amplifier 31 and represent the irradiation, can optionally be digitized by means of the A/D converter 33 in order to store them more easily and process them further, for example in a database. For this purpose, the measured values can be transmitted wirelessly via the radio modem 36 via a computer network.
Schließlich kann die Vorrichtung optional eine Orts bestimmungseinrichtung 32 und/oder eine Zeiterfassungsein richtung 34 enthalten, beispielsweise ein Satelliten navigationssystem, einen Lokaloszillator und/oder einen DCF77-Empfänger . Diese Elemente erlauben eine präzise Erfassung von Ort und Zeit der Messung, sodass das Solar potenzial orts- und zeitaufgelöst erfasst werden kann, beispielsweise entlang eines Verkehrsweges, wie beispiels weise einer Fernstraße, einer Bahnlinie oder einer Wasser straße. Finally, the device can optionally contain a location determination device 32 and/or a time recording device 34, for example a satellite navigation system, a local oscillator and/or a DCF77 receiver. These elements allow precise recording of the location and time of the measurement, so that the solar potential can be recorded with spatial and temporal resolution, for example along a traffic route such as a highway, a railway line or a waterway.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal- Verarbeitungseinrichtung 3 zwei Betriebszustände aufweisen, wobei in einem Betriebszustand der Energieverbrauch gegen über dem anderen Betriebszustand verringert sein kann. Das Umschalten zwischen den Betriebszuständen kann beispiels weise in Abhängigkeit der Messwerte eines mikromechanischen Beschleunigungssensors 37 erfolgen, sodass die Vorrichtung in Ruhe weniger elektrische Energie verbraucht als in Bewegung und/oder im Ruhezustand seltener oder gar keine Messwerte erfasst und in Bewegung die Frequenz der Mess werterfassung erhöht ist. Darüber hinaus kann der mikro mechanische Beschleunigungssensor 37 dazu verwendet werden, den Ort der Vorrichtung ausgehend vom letzten bekannten Ort auch unabhängig vom Satellitennavigationssystem zu erfassen. Hierzu kann die Beschleunigung in zwei oder drei Achsen erfasst werden. Durch Integration über die Zeit kann daraus die Geschwindigkeit bestimmt werden. Durch Integration der Geschwindigkeit über die Zeit kann der Ort bestimmt werden. In some embodiments of the invention, the signal processing device 3 can have two operating states, it being possible for the energy consumption in one operating state to be reduced compared to the other operating state. Switching between the operating states can take place, for example, as a function of the measured values of a micromechanical acceleration sensor 37, so that the device consumes less electrical energy when it is at rest than when it is moving and/or less frequently or not at all when it is at rest Measured values are recorded and the frequency of the measured value recording is increased during movement. In addition, the micro-mechanical acceleration sensor 37 can be used to determine the location of the device, starting from the last known location, independently of the satellite navigation system. For this purpose, the acceleration can be recorded in two or three axes. The speed can be determined from this by integration over time. The location can be determined by integrating the speed over time.
Die Energieversorgung der Vorrichtung 1 kann optional über einen Akkumulator 5 und/oder über ein Solarmodul 4 erfolgen. Das Solarmodul 4 kann eine Mehrzahl seriell verschalteter Solarzellen enthalten, um eine gewünschte Spannung zu erzeugen. Der hierdurch bereitgestellte elektrische Strom kann einerseits zum direkten Betrieb der Signalverarbei tungseinrichtung 3 verwendet werden oder zum Laden des Akkumulators 5. The device 1 can optionally be supplied with energy via an accumulator 5 and/or via a solar module 4 . The solar module 4 can contain a plurality of solar cells connected in series in order to generate a desired voltage. The electrical current provided in this way can be used to directly operate the signal processing device 3 or to charge the accumulator 5.
Anhand der Figur 3 wird nachfolgend der Verstärker 31 der Signalverarbeitungseinrichtung 3 nochmals erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann. The amplifier 31 of the signal processing device 3 is explained again below with reference to FIG. Identical components of the invention are provided with the same reference symbols, so that the description can be limited to the essential differences.
Wie in Figur 3 ersichtlich, ist der Verstärker 31 als Instrumentenverstärker ausgebildet, welcher drei Operations verstärker enthält. Die Operationsverstärker OPI und OP3 arbeiten dabei als invertierende Verstärkerstufen, wohin gegen der Operationsverstärker OP2 als Subtrahierer geschaltet ist. Ein solchermaßen ausgebildeter Verstärker zeigt eine hohe Gleichtaktunterdrückung gegenüber einge koppelten Streufeldern und ermöglicht hierdurch eine hohe Messgenauigkeit. Da die Eingangsstufen der Operations verstärker OPI und OP3 hochohmig und damit nahezu stromlos sind, beeinflusst der Verstärker 31 die am Messwiderstand 22 abfallende Spannung nicht oder nur in einem vernachlässig baren Umfang. Der Verstärker 31 zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass durch einen oder mehrere Widerstände 315 die Verstärkung einstellbar ist. Somit kann zur Kalibrierung der Vorrichtung die photovoltaische Zelle 21 mit einer bekannten Licht intensität und einem bekannten Lichtspektrum bestrahlt werden und der Widerstandswert des oder der Widerstände 315 so lange verändert werden, bis am Ausgang 312 des Ver stärkers 31 ein vorgebbarer Messwert erhalten wird. Auf diese Weise lassen sich selbst bei deutlichen Streuungen der als Messzelle 2 verwendeten photovoltaischen Zellen 21 mehrere Vorrichtungen 1 so aufbauen und betreiben, dass bei gleicher Bestrahlung die am Ausgang 312 des Verstärkers 31 ausgegebenen Messwerte um nicht mehr als 2% oder mehr als 1% oder mehr als 0,5% oder mehr als 0,25% voneinander ab weichen. As can be seen in FIG. 3, the amplifier 31 is in the form of an instrumentation amplifier which contains three operational amplifiers. The operational amplifiers OPI and OP3 work as inverting amplifier stages, whereas the operational amplifier OP2 is connected as a subtractor. An amplifier designed in this way exhibits a high level of common-mode rejection with respect to coupled-in stray fields, and as a result enables high measurement accuracy. Since the input stages of the operational amplifiers OPI and OP3 have a high impedance and are therefore almost without current, the amplifier 31 does not affect the voltage drop across the measuring resistor 22, or only to a negligible extent. The amplifier 31 is further characterized in that the amplification can be adjusted by one or more resistors 315 . Thus, to calibrate the device, the photovoltaic cell 21 can be irradiated with a known light intensity and a known light spectrum and the resistance value of the resistor or resistors 315 can be changed until a predetermined measured value is obtained at the output 312 of the amplifier 31 . In this way, even with significant scattering of the photovoltaic cells 21 used as the measuring cell 2, several devices 1 can be set up and operated in such a way that with the same irradiation, the measured values output at the output 312 of the amplifier 31 differ by no more than 2% or more than 1% or differ by more than 0.5% or more than 0.25%.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung werden für den Messwiderstand 22 sowie die Widerstände 315 zur Einstellung der Verstärkung Bauelemente gleicher Technologie und Toleranzklasse verwendet, sodass der Messwert am Ausgang 312 des Verstärkers 31 von Temperaturdriften nur wenig beein flusst wird. In some embodiments of the invention, components of the same technology and tolerance class are used for the measuring resistor 22 and the resistors 315 for setting the gain, so that the measured value at the output 312 of the amplifier 31 is only slightly influenced by temperature drifts.
Figur 4 zeigt nochmals eine Ansicht der Vorrichtung 1. Diese weit ein Gehäuse 6 auf, welches ein Eintrittsfenster 65 besitzt. Das Gehäuse 6 kann beispielsweise aus Aluminium, Kunststoff oder Edelstahl gefertigt sein. Hierdurch ergibt sich eine leichte und gleichwohl wetterfeste Ausführung der Vorrichtung 1. Das Eintrittsfenster 65 kann mit einem transparenten oder transluzenten Material bedeckt sein, beispielsweise Polycarbonat, Quarz oder Floatglas. Hinter dem Eintrittsfenster 65 befindet sich die Messzelle 2 in Form einer photovoltaischen Zelle 21. Daneben ist ein Solarmodul 4 angeordnet, welches der elektrischen Energie versorgung der Vorrichtung 1 dient. Die Messzelle 2 und die photovoltaische Zelle 4 können in an sich bekannter Weise mittels Einbettungsfolien im Gehäuse befestigt werden. Die Einbettungsfolien können beispielsweise EVA enthalten oder daraus bestehen. FIG. 4 again shows a view of the device 1. This has a housing 6 which has an entry window 65. FIG. The housing 6 can be made of aluminum, plastic or stainless steel, for example. This results in a light and yet weatherproof design of the device 1. The entry window 65 can be covered with a transparent or translucent material, for example polycarbonate, quartz or float glass. The measuring cell 2 in the form of a photovoltaic cell 21 is located behind the entry window 65. A solar module 4, which is used to supply electrical energy to the device 1, is arranged next to it. The measuring cell 2 and the photovoltaic cell 4 can be fixed in the housing in a manner known per se by means of embedding foils. the Embedding films can contain or consist of EVA, for example.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen. Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. It is to be understood in the following claims that a specified feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the claims and the above description define “first” and “second” embodiments, this designation is used to distinguish between two similar embodiments without establishing a ranking.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung (1) zur zeit- und ortsaufgelösten Erfassung des Solarpotentials mit zumindest einer Messzelle (2) und zumindest einer Signalverarbeitungseinrichtung (3), wobei die Messzelle (2) eine photovoltaische Zelle (21) mit einem ersten Anschlusskontakt (211) und einem zweiten Anschlusskontakt (212) enthält, wobei die ersten und zweiten Anschlusskontakte (211, 212) der photovoltaischen Zelle (21) jeweils mit den Kontakten (221, 222) eines Messwiderstandes (22) verbunden sind, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, die über dem Messwiderstand (22) abfallende elek trische Spannung zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (3) weiterhin zumindest einen mikromechanischen Beschleunigungssensor (37) enthält. 1. Device (1) for time- and location-resolved detection of the solar potential with at least one measuring cell (2) and at least one signal processing device (3), wherein the measuring cell (2) is a photovoltaic cell (21) with a first connection contact (211) and a second connection contact (212), wherein the first and second connection contacts (211, 212) of the photovoltaic cell (21) are each connected to the contacts (221, 222) of a measuring resistor (22), and wherein the signal processing device (3) is set up for this purpose is to detect the electrical voltage dropping across the measuring resistor (22), characterized in that the signal processing device (3) also contains at least one micromechanical acceleration sensor (37).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (2) weiterhin einen Temperatursensor (23) enthält, welcher in thermischem Kontakt mit der photo voltaischen Zelle (21) steht. 2. Device according to claim 1, characterized in that the measuring cell (2) further contains a temperature sensor (23) which is in thermal contact with the photovoltaic cell (21).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (3) einen Verstärker (31) mit einstellbarer Verstärkung enthält oder dass die Signalverarbeitungseinrichtung (3) einen Ver stärker (31) enthält, dessen Verstärkung zwischen etwa 35 dB und etwa 40 dB oder zwischen etwa 22 dB und etwa 27 dB oder zwischen etwa 24 dB und etwa 25 dB einstellbar ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the signal processing device (3) contains an amplifier (31) with adjustable gain or that the signal processing device (3) contains an amplifier (31) whose gain is between about 35 dB and about 40 dB, or between about 22 dB and about 27 dB, or between about 24 dB and about 25 dB.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin enthaltend zumindest ein Solarmodul (4) zur elektrischen Energieversorgung der Vorrichtung. 4. Device according to one of claims 1 to 3, further comprising at least one solar module (4) for supplying electrical energy to the device.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (3) weiterhin eine Ortsbestimmungseinrichtung (32) und/oder einen A/D-Wandler (33) und/oder eine Zeiterfassungsein richtung (34) und/oder einen Microcontroller (35) und/oder ein Funkmodem (36) enthält. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the signal processing device (3) also has a location determination device (32) and/or an A/D converter (33) and/or a time recording device (34) and/or or contains a microcontroller (35) and/or a radio modem (36).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung und/oder zumindest eine damit verbundene Komponente zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, wobei im zweiten Betriebszustand gegenüber dem ersten Betriebszustand die Anzahl ausführbarer Funktionen reduziert und der Energieverbrauch vermindert ist. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the signal processing device and/or at least one component connected thereto have at least one first operating state and at least one second operating state, the number of executable functions being reduced in the second operating state compared to the first operating state and energy consumption is reduced.
7. Mehrzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungs einrichtungen (3) jeweils dazu eingerichtet sind, bei gleicher Bestrahlung der jeweiligen Messzelle (2) jeweils die Bestrahlung repräsentierende Messwerte auszugeben, welche nicht mehr als etwa 2% oder nicht mehr als etwa 1,5% oder nicht mehr als etwa 1% oder nicht mehr als etwa 0,5% voneinander abweichen. 7. A plurality of devices according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the signal processing devices (3) are each set up to output measurement values representing the radiation, which do not exceed approximately 2 %, or no more than about 1.5%, or no more than about 1%, or no more than about 0.5%.
8. Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von8. Method of producing a plurality of
Vorrichtungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest die Signalverarbeitungseinrichtung (3), die Messzelle (2) und der Messwiderstand (22) miteinander verschaltet werden und nachfolgend eine Kalibrierung erfolgt, bei welcher die Verstärkung des Verstärkers (31) der Signalverarbeitungseinrichtung (3) eingestellt wird. Device according to Claim 7, characterized in that at least the signal processing device (3), the measuring cell (2) and the measuring resistor (22) are connected to one another and a calibration then takes place, in which the amplification of the amplifier (31) of the signal processing device (3 ) is set.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (2) zur Kalibrierung mit zumindest einem Lichtblitz bestrahlt wird, dessen Dauer zwischen etwa 1 ms und etwa 30 ms beträgt und welcher ein Lichtspektrum entsprechend Air Mass AMI,5 aufweist. 9. The method according to claim 8, characterized in that the measuring cell (2) is irradiated for calibration with at least one flash of light, the duration of which is between approximately 1 ms and approximately 30 ms and which has a light spectrum corresponding to Air Mass AMI.5.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verstärkung des Verstärkers (31) der Signalverarbeitungseinrichtung (3) so eingestellt wird, dass zwei Vorrichtungen (1) bei gleicher Bestrahlung der jeweiligen Messzelle (2) die Bestrahlung repräsentierende Messwerte ausgeben, welche nicht mehr als etwa 2% oder mehr als etwa 1% oder mehr als etwa 0,5% oder mehr als etwa 0,25% voneinander abweichen. 10. The method according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the gain of the amplifier (31) of the signal processing device (3) is adjusted so that two devices (1) with the same irradiation of the respective measuring cell (2) representing the irradiation Output readings that differ by no more than about 2%, or more than about 1%, or more than about 0.5%, or more than about 0.25%.
11.Verfahren zur zeit- und ortsaufgelösten Erfassung des Solarpotentials, bei welchem zumindest einer Messzelle (2) bestrahlt wird und das Signal der Messzelle (2) zumindest einer Signalverarbeitungseinrichtung (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (2) eine photovoltaische Zelle (21) mit einem ersten Anschlusskontakt (211) und einem zweiten Anschlusskontakt (212) enthält, wobei die ersten und zweiten Anschlusskontakte (211, 212) der photovoltaischen Zelle (21) jeweils mit den Kontakten (221, 222) eines Messwiderstandes (22) verbunden sind, und wobei die über dem Messwiderstand (22) abfallende elektrische Spannung mit der Signalverarbeitungseinrichtung (3) erfasst wird und weiterhin mittels eines mikro mechanischen Beschleunigungssensors (37) eine Beschleuni gung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder ein Ort erfasst wird. 11. Method for detecting the solar potential with time and spatial resolution, in which at least one measuring cell (2) is irradiated and the signal from the measuring cell (2) is fed to at least one signal processing device (3), characterized in that the measuring cell (2) is a photovoltaic Cell (21) with a first connection contact (211) and a second connection contact (212), the first and second connection contacts (211, 212) of the photovoltaic cell (21) each having the contacts (221, 222) of a measuring resistor (22 ) are connected, and the electrical voltage dropping across the measuring resistor (22) is detected by the signal processing device (3) and an acceleration and/or a speed and/or a location is also detected by means of a micromechanical acceleration sensor (37).
12.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Messzelle (2) erfasst und der Messwert auf die Temperatur der Messzelle (2) normiert wird. 12. Method according to claim 11, characterized in that the temperature of the measuring cell (2) is recorded and the measured value is normalized to the temperature of the measuring cell (2).
13.Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Zeit der Messung erfasst wird und/oder dass die von der Signalverarbeitungseinrichtung (3) erfasste, über den Messwiderstand (22) abfallende elek trische Spannung digitalisiert wird und/oder dass Messwerte über ein Funkmodem übertragen oder gespeichert werden. 13. Method according to one of claims 11 or 12, characterized in that a time of the measurement is also recorded and/or that the electrical voltage dropping across the measuring resistor (22) recorded by the signal processing device (3) is digitized and/or that measured values are transmitted or stored via a radio modem.
14.Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Vorrichtungen verwendet wird, welche jeweils zumindest eine Messzelle (2) und eine Signalverarbeitungseinrichtung (3) enthalten, und dass die Signalverarbeitungseinrichtungen (3) jeweils dazu eingerichtet sind, bei gleicher Bestrahlung der jeweiligen Messzelle (2) die Bestrahlung repräsentierende Messwerte auszugeben, welche nicht mehr als etwa 2% oder nicht mehr als etwa 1,5% oder nicht mehr als etwa 1% oder nicht mehr als etwa 0,5% voneinander abweichen. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that a plurality of devices are used, each containing at least one measuring cell (2) and a signal processing device (3), and that the signal processing devices (3) are each set up for this purpose , with the same irradiation of the respective measuring cell (2), to output measured values representing the irradiation, which differ from one another by no more than about 2% or no more than about 1.5% or no more than about 1% or no more than about 0.5% .
15.Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung und/oder zumindest eine damit verbundene Komponente zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, wobei im zweiten Betriebszustand gegenüber dem ersten Betriebszustand die Anzahl ausführbarer Funktionen reduziert und der Energieverbrauch vermindert ist. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the signal processing device and/or at least one component connected thereto have at least one first operating state and at least one second operating state, the number of executable functions being reduced in the second operating state compared to the first operating state and energy consumption is reduced.
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