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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtauen einer Solarzellen
aufweisenden Dachfläche eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 36 17 439 C2 ist
ein Verfahren und eine Anordnung zum Abtauen eines Solarzellenpaneels
an einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Stromfluss aus der Batterie
in die Solarzellenfelder geleitet wird, der größer
ist, als der momentan generierte Solarstrom, und somit ein Rückstrom
erzeugt wird, der das Solarzellenpaneel erwärmt. Dabei
wird das Entriegeln des Zündschlosses und/oder das Einschalten
des Batteriehauptschalters als Auslöser des Abtauvorgangs
verwendet, was gleichzeitig auch eine Zeitautomatik in Betrieb setzt,
die die Zeitspanne des Abtauvorgangs begrenzt.
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Nachteilig
ist, dass die Solarzellen entweder dem Strom, den sie selbst produzieren
oder dem für den Abtauvorgang benötigten Rückstrom
ausgesetzt sind und dadurch einem erhöhten Verschleiß und
einhergehender Lebensdauerverkürzung unterliegen. Des Weiteren
ist der Abtauvorgang so ausgelegt, dass er nur manuell in Gang gesetzt
werden kann. Das bedingt, dass das Fahrzeug ständig überwacht wird
und das Bedienpersonal in eigener Verantwortung entscheiden muss,
ob die Anordnung zum Abtauen in Betrieb genommen werden soll. Eine
Beendigung des Abtauvorgangs erfolgt nicht nach Bedarf, sondern
nach einer vorgegebenen Zeitspanne, unabhängig davon, ob
ein zufrieden stellendes Ergebnis erreicht wurde oder nicht.
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In
der gattungsbildenden
DE
101 27 847 A1 ist eine transparente Scheibe für
ein Fahrzeugdach mit wenigstens einem Dachelement beschrieben. Dieser
Anmel dung liegt die Aufgabe zu Grunde, durch eine metallische Schicht
hervorgerufene, unerwünschte Reflexionen auf einer Scheibe
durch Abtauen zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, dass die
metallische Schicht mit elektrischen Anschlüssen oder Heizleitern
versehen ist, so dass sie durch eine Batterie oder durch Solarzellen
erwärmt werden kann. Ob ein Abtauvorgang notwendig ist,
wird durch einen Temperatur- und Feuchtesensor ermittelt. Die Erwärmung
wird durch einen Zeitgeber limitiert.
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Ein
Nachteil an dieser Lösung ist, dass die Batterie unnötig
stark belastet wird, wenn zu Zeiten abgetaut wird, zu denen keine
Lichtenergie zur Regeneration bereit steht. Dies kann dazu führen,
dass die Batterie bei einer langen Standzeit des Fahrzeugs und häufig
auftretenden Abtauvorgängen derart entladen ist, dass der
Start der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist oder
andere wichtige Komponenten versagen. Weiterhin nachteilig ist,
dass die Abtauvorrichtung nicht dazu ausgebildet ist, um die durch
Feuchtigkeit gleichermaßen beeinträchtigten Solarzellen
schnell abzutauen, so dass die regenerative Stromproduktion erst
stark verzögert wieder beginnen kann.
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Aufgabe
der nachfolgenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zum Abtauen
einer Solarzellen aufweisenden Dachfläche eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen,
die selbstständig erkennt, ob ein Abtauvorgang notwendig
und auch sinnvoll ist, den Abtauvorgang erst dann beendet, wenn
ein zufrieden stellendes Ergebnis erreicht wurde und gleichzeitig die
Fahrzeugbatterie schont.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß hat
eine Vorrichtung zum Abtauen einer Solarzellen aufweisenden Dachfläche eines
Kraftfahrzeugs eine Steuerungseinrichtung, die anhand der Ausgangssignale
eines Temperatursensors, eines Feuchtesensors und eines Zeitgebers
einen Stromfluss aus einer Fahrzeugbatterie durch mindestens ein
Heizelement in der Dachfläche auslöst, wobei zusätzlich
noch eine Einrichtung zur Ermittlung des Ladezustands der Fahrzeugbatterie
vorgesehen ist und der Zeitgeber ein der momentanen Uhrzeit entsprechendes
Ausgangssignal ausgibt und die Steuerungseinrichtung einen Stromfluss
durch das Heizelement dann auslöst, wenn ein Ausgangssignal
des Temperatursensors und/oder des Feuchtesensors und/oder des Zeitgebers
als Abtausignal vorliegt, sowie wenn ein Istwert des Ausgangsstroms aus
den Solarzellen kleiner als ein Schwellwert ist und wenn der Istwert
des Ladezustands der Fahrzeugbatterie größer als
ein Schwellwert ist. Dadurch wird das Potential der Solarzellen,
regenerative und daher umweltfreundliche Energie zu generieren, auch
dann genutzt, wenn mit bisherigen Systemen keine Energie mehr generiert
werden konnte, da sich eine Flüssigkeitsschicht auf der
Dachfläche befindet, die den Lichteinfall behindert. Diese
wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei
Bedarf abgetaut.
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In
einer bevorzugten Ausführung fragt die Steuerungseinrichtung
vor dem Auslösen und/oder während des Leitens
des Stromflusses durch das Heizelement zunächst das Ausgangssignal
des Zeitgebers ab, danach wird der Istwert des Stromflusses aus
den Solarzellen mit dem Schwellwert verglichen, danach wird der
Istwert des Ladezustands der Fahrzeugbatterie mit dem Schwellwert
verglichen, danach das Ausgangssignal des Temperatursensors und/oder
das Ausgangssignal des Feuchtesensors abgefragt. In dieser Reihenfolge
kann besonders effizient festgestellt werden, ob ein Abtauvorgang
nötig und sinnvoll ist. An erster Stelle steht dabei die
Frage, ob es nach der momentanen Tageszeit wahrscheinlich ist, dass
Lichteinfall durch Solarstrahlung vorhanden ist. Ist dies der Fall,
so wird geprüft, ob der Istwert des Stromflusses aus den
Solarzellen höher ist als der Schwellwert. Ist der Istwert
größer als der Schwellwert, so sind mit Sicherheit
keine den Lichteinfall behindernden Flüssigkeiten auf der
Dachfläche. Ist der Stromfluss jedoch geringer, so wird
als nächstes der Istwert des Ladezustands der Fahrzeugbatterie
mit einem Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob ein Abtauvorgang
gestartet werden kann. Ist der Istwert kleiner als der Schwellwert,
so stoppt die Steuerungseinrichtung alle weiteren Vorgänge
und prüft den Ladezustand der Fahrzeugbatterie in einer
besonders vorteilhaften Ausführung erst wieder, wenn dieser
mittlerweile durch den Betrieb der Brennkraftmaschine wieder erhöht
sein könnte. Ist der Ladezustand der Fahrzeugbatterie jedoch ausreichend,
so wird das Ausgangssignal des Feuchtesensors und/oder des Temperatursensor
abgefragt, um sicher zu gehen, dass sich die Flüssigkeit in
einem Aggregatszustand befindet, bei dem der Lichteinfall behin dert
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung löst die Steuerungseinrichtung
den Stromfluss durch das Heizelement in Intervallen aus. Dadurch
lässt sich die Fahrzeugbatterie in besonderem Maße
schonen, da sie bei einem besonders hohem Flüssigkeitsaufkommen
auf der Dachfläche nicht mehrere Stunden unentwegt Strom
bereitstellen muss, um diese abzutauen.
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In
einer bevorzugten Ausführung weist ein von der Steuerungseinrichtung
ausgelöstes Intervall abwechselnd 10 bis 45 Minuten Heizphase
und 10 bis 60 Minuten Ruhephase auf.
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In
einer bevorzugten Ausführung unterbricht die Steuerungseinrichtung
den Stromfluss durch das Heizelement, wenn der Istwert des Stromflusses
aus den Solarzellen größer ist als der Schwellwert und/oder
der Istwert des Ladezustands der Fahrzeugbatterie kleiner ist als
der Schwellwert und/oder das Ausgangssignal des Zeitgebers und/oder
das Ausgangssignal des Temperatursensors und/oder das Ausgangssignal
des Feuchtesensors kein Abtausignal mehr aufweist. Dies stellt sicher,
dass der Abtauvorgang erst wieder beendet wird, wenn ein zufrieden
stellendes Ergebnis erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn diese Abfrageroutine zum Ende eines jeden Heizintervalls ausgeführt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung liefert der Zeitgeber in einem
Zeitintervall, zu dem Lichtenergie zu erwarten ist, insbesondere
zwischen 6 und 20 Uhr, ein Abtausignal als Ausgangssignal. Dadurch
wird sichergestellt, dass die entsprechende Dachfläche
nur abgetaut wird, wenn die Möglichkeit besteht, den zum
Abtauen benötigten Strom durch die Solarzellen wieder zu
generieren. Auch ein eventuell bereits vorhandener Sonnenstandssensor
kann zusätzlich das Vorhandensein von Sonnenlicht verifizieren.
Das hat zur Folge, dass die Fahrzeugbatterie in besonders vorteilhafter
Weise geschont wird, da sie im Anschluss an den Abtauvorgang mit
hoher Wahrscheinlichkeit wieder aufgeladen werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist der Zeitgeber eine Borduhr.
Dadurch lässt sich eine solche Vorrichtung besonders kostengünstig
implementieren, da in na hezu allen Kraftfahrzeugen Borduhren serienmäßig
verbaut werden, die ein digitales Signal liefern. Eine Benutzung
dieses Signals zu vorher genanntem Zweck ist in den meisten Fällen
ohne großen Aufwand möglich.
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In
einer bevorzugten Ausführung liefert der Temperatursensor
ein Abtausignal als Ausgangssignal, wenn die Außentemperatur
unter einem Schwellwert von 4° Celsius liegt. Dadurch wird
sichergestellt, dass es sich bei der vom Feuchtesensor erkannten Flüssigkeit
mit hoher Wahrscheinlichkeit um Wasser handelt, welches sich in
einem Aggregatszustand befindet, der den Lichteinfall auf die Solarzellen
behindert. Ansonsten würde die Vorrichtung beispielsweise
einen Abtauvorgang einleiten, wenn sich das Fahrzeug im Sommer in
einer Waschanlage oder etwas ähnlichem befindet, was aus ökonomischer Sicht
kontraproduktiv wäre. Ein solcher Temperatursensor ist
in einer besonders vorteilhaften Ausführung ein bereits
serienmäßig verbauter Außentemperatursensor.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die Steuerungseinrichtung
als Mikroprozessor ausgebildet. Dies spart durch die kleine Bauform
sowohl Gewicht als auch Platz im Fahrzeug.
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In
einer bevorzugten Ausführung besteht der Feuchtesensor
aus mindestens zwei voneinander beabstandeten und gegenseitig isolierten
Leitern, deren Enden mit der Umgebung in Kontakt stehen. Dadurch
lässt sich ein Feuchtesensor besonders kostengünstig
in die Dachfläche implementieren.
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In
einer bevorzugten Ausführung sind die Enden der mindestens
zwei Leiter des Feuchtesensors auf der Dachfläche flächig
ausgebildet.
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In
einer alternativen Ausführung sind die Enden der mindestens
zwei Leiter des Feuchtesensors auf der Dachfläche linienförmig
ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführung liegt an mindestens einem
Leiter des Feuchtesensors zumindest zeitweise ein Strom von der
Fahrzeugbatterie an.
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In
einer bevorzugten Ausführung liefert der Feuchtesensor
ein Abtausignal als Ausgangssignal, wenn eine Flüssigkeit
den Stromkreis zwischen einem stromführenden und einem
nicht-stromführenden Leiter schließt. Eine derartige
Flüssigkeit ist in der Regel Schnee, Eis, Reif, Tau, oder ähnliches.
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In
einer bevorzugten Ausführung wird an den Feuchtesensor
erst ein Strom angelegt, wenn der Istwert des Stromflusses aus den
Solarzellen kleiner ist als der Schwellwert und der Istwert des
Ladezustands der Fahrzeugbatterie größer ist als
der Schwellwert und alle abzufragenden Ausgangssignale, bis auf
das Ausgangssignal des Feuchtesensors, bereits Abtausignale aufweisen.
Dadurch wird sichergestellt, dass der Feuchtesensor nur mit Strom
aus der Fahrzeugbatterie beaufschlagt wird, wenn es bereits sehr
wahrscheinlich ist, dass sich Flüssigkeit auf der Dachfläche
befindet, die den Lichteinfall behindert. Hiermit werden Fehlströme
bei einer ungewollten Kontaktierung und somit ein unnötiges
Entladen der Fahrzeugbatterie verhindert.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die Solarzellen aufweisende
Dachfläche als Schiebedach ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist zusätzlich mindestens
eine elektrisch arbeitende Einrichtung zum Erwärmen des
Fahrzeug-Innenraums vorgesehen. Diese kann als Heizleiter ausgebildet
sein, der mit dem Strom aus den Solarzellen beaufschlagt wird. Dadurch
lässt sich die von den Solarzellen generierte Energie bei
kühler Witterung dazu nutzen, um den Innenraum des Fahrzeugs
im Stand zu beheizen und so für den Fahrer eine angenehme
Temperatur schon beim Betreten des Fahrzeugs bereitstellen.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist zusätzlich mindestens
eine elektrisch arbeitende Einrichtung zum Belüften des
Fahrzeug-Innenraums vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die Einrichtung zum Erwärmen
des Innenraums mit der Belüftung kombiniert. Dadurch kann
die von der Einrichtung zum Erwärmen des Fahrzeug-Innenraums
erwärmte Luft besonders vorteilhaft durch den gesamten
Innenraum des Fahrzeugs zirkuliert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung lädt die Steuerungseinrichtung
nach abgeschlossenem Erwärmen der Dachfläche mittels
des Stromflusses aus den Solarzellen die Fahrzeugbatterie auf und/oder betreibt
die Einrichtungen zum Erwärmen und/oder Belüften
des Innenraums. Dies trägt positiv zu einer Verbesserung
der Umweltbilanz des Gesamtfahrzeugs bei, da im Fahrbetrieb weniger
Kraft dazu verwendet werden muss, um die besonders bei kühler Witterung
stark beanspruchte Fahrzeugbatterie wieder zu beladen. Weiterhin
lässt sich vermeiden, dass Kraftstoff dazu verwendet wird,
um eine herkömmliche Standheizung zu betreiben, die bekanntlich ebenfalls
die Aufgabe hat, einen Fahrzeug-Innenraum zu beheizen.
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Im
Zusammenhang mit der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert werden.
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Hierbei
zeigt:
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1 die
schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit Vorrichtung zum Abtauen
einer Solarzellen aufweisenden Dachfläche.
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2 ein
Blockdiagramm der Abfrageroutine der Steuerungseinrichtung.
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Gemäß der 1 weist
das Kraftfahrzeug 1 ein Schiebedach 2 auf, welches
mit Solarzellen 3 versehen ist und aus Glas gefertigt ist,
die vorzugsweise teiltransparent ausgeführt sind. Über
die Fläche des Schiebedachs 2 erstrecken sich
die Heizelemente 4 derart, dass die Fläche möglichst
homogen erwärmt werden kann. Am zweckmäßigsten
ist es die Heizelemente als Widerstandsheizelemente und insbesondere
als hochohmige Leiter auszulegen. Die Kontaktfahnen der Heizelemente 4 befinden
sich in einem Bereich, in dem auch der Feuchtesensor 5 platziert ist,
so dass eine möglichst effiziente Ausnutzung des vorhandenen
Bauraums gewährleistet ist. Dieser Bereich wird von den
Heizelementen 4 in vergleichbar starker Weise beheizt,
wie die restliche Fläche des Schiebedachs 2, so
dass der Feuchtesensor 5 ein für das gesamte Schiebedach 2 repräsentatives
Ausgangssignal liefern kann. Weiterhin werden die beiden Enden der
Leiter 6 des Feuchtesensors 5 gezeigt, die so
auf der Oberfläche des Schiebedachs 2 liegen,
dass sie mit der Umgebung in Kontakt stehen. Aus Kosten- und optischen
Gründen wurden lediglich zwei Leiterenden 6 verwendet,
die erfindungsgemäß möglichst nahe beieinander
liegen, so dass eine einfache Überbrückung durch
Feuchtigkeit hergestellt werden kann. Die gegenseitige Isolierung
der Leiterenden 6 übernimmt das Glas des Schiebedachs 2. An
einem Leiterende 6 liegt zumindest zeitweise ein Strom
an, der von der Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Dieser sollte
so hoch gewählt werden, dass zwischen den Leiterenden eine
sichere Verbindung über die Flüssigkeit hergestellt
werden kann, ohne dass eine versehentliche Kontaktierung durch Lebewesen Gefahr
für diese auslösen kann. Die Höchstgrenze der
anliegenden Spannung wird zweckmäßig auf die Batteriespannung
von 12 V begrenzt, vorzugsweise ist aber eine geringere Spannung
im Bereich von 9 V zu wählen.
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Gemäß der 2 ermittelt
die Steuereinrichtung den Bedarf an Stromfluss durch die Heizelemente
anhand des gezeigten Ablaufplans. Im ersten Schritt wird das Ausgangssignal
des Zeitgebers abgefragt. Liegt der momentane Wert der Uhrzeit zwischen
20:01 und 5:59 Uhr so endet die Abfrageroutine. Befindet sich der
momentane Wert der Uhrzeit zwischen 6 und 20 Uhr, so geht die Abfrageroutine weiter
bei Schritt zwei. In Schritt zwei wird der Istwert des Stromflusses
aus den Solarzellen mit einem festgelegten Schwellwert verglichen,
der beispielsweise bei ca. einem Viertel der Höchstleistung
der Solarzellen liegt. Ist der Istwert größer
als der Schwellwert, so ist kein Abtauvorgang notwendig und die
Abfrageroutine endet. Ist der Istwert jedoch kleiner als der Schwellwert,
so wird der dritte Schritt ausgeführt und der Istwert des
Ladezustands der Fahrzeugbatterie mit dem festgelegten Schwellwert
verglichen, der vorzugsweise in einem Bereich liegt, bei dem beispielsweise
noch fünf Startzyklen der Brennkraftmaschine durchgeführt
werden können. Ist der Istwert kleiner als der Schwellwert,
so endet die Abfrageroutine. Ist der Istwert jedoch größer
als der Schwellwert, geht die Abfrageroutine zu Schritt vier. In
Schritt vier wird das Ausgangssignal des Temperatursensors überprüft.
Liegt dieser über 4° Celsius, so endet die Abfrageroutine.
Liegt dieser unter 4° Celsius, so geht die Abfrageroutine
weiter zu Schritt fünf. In diesem Schritt wird der Feuchtesensor
aktiviert und überprüft, ob ein Abtausignal als
Ausgangssignal vorliegt. Dies ist der Fall, wenn der Stromkreis
des Feuchtesensors durch eine Flüssigkeit geschlossen wurde. Liegt
kein Abtausignal vor, so wird die Abfrageroutine beendet. Liegt
jedoch ein Abtausignal vor, löst die Steuereinrichtung
einen Stromfluss durch die Heizelemente aus, vorzugsweise in Intervallen
mit abwechselnd 10 bis 45 Minuten Heizphase und 10 bis 60 Minuten
Ruhephase, insbesondere 30 Minuten Heizphase und 30 Minuten Ruhephase.
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Die
Dimensionierung der Systemgrößen wird beispielhaft
wie nachstehend erläutert vorgenommen, insbesondere unter
der Randbedingung, dass die auf der Erde auftreffende Solarstrahlung
in Deutschland im Maximum ungefähr 1 kW/m2,
pro Tag je nach Jahreszeit zwischen 0,5 kWh/m2 und
5,2 kWh/m2 und im gesamten Jahr ca. 1000
kWh/m2 beträgt.
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Da
die vorliegende Erfindung hauptsächlich in den Wintermonaten
zum Einsatz kommt, wird mit einer täglichen Solarstrahlung
von 1 kWh/m2 gerechnet.
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Bei
einer Fläche des Schiebedachs 2 des Kraftfahrzeugs 1 von
ca. 1 m2 und einem Wirkungsgrad der Solarzellen 3 von
bsp. 10% wird eine Tagesleistung von ca. 0,1 kWh erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10127847
A1 [0002, 0005]
- - DE 3617439 C2 [0003]