DE202004001246U1

DE202004001246U1 - Solar radiation monitor for power installation planning and evaluation has solar cell sensor with self powered supply and radio data transmission

Info

Publication number: DE202004001246U1
Application number: DE202004001246U
Authority: DE
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Universitaet Kassel
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2014-01-28

Abstract

A solar radiation monitor has a crystalline thin film solar cell sensor (1) supplying a power supply (2,3) with energy store (4), charge current controller (5) and power regulator (8) driving a transmitter (15) with antenna (17) and DC to high frequency coupling network (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebnen Gattung.The invention relates to a device the genus specified in the preamble of claim 1.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art werden dazu verwendet, die solare Bestrahlungsstärke G_i (global irradiation) an ausgesuchten Messorten oder in Messprogrammen für Photovoltaik (PV) -Anlagen zu bestimmen, um daraus Schlussfolgerungen auf das solare Strahlungsangebot unter zeitlichen und geographischen Kriterien zu ziehen und/oder mit der aktuellen elektrischen Leistung einer bereits installierten PV -Anlage vergleichen zu können.Known devices of this type are used to determine the solar irradiance G _i (global irradiation) at selected measurement sites or in measurement programs for photovoltaic (PV) systems, in order to draw conclusions from this on the solar radiation offer based on temporal and geographic criteria and / or to be able to compare with the current electrical output of an already installed PV system.

Damit die mit dem neuen erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Ergebnisse mit anderen, bereits bekannt gemachten Strahlungssensoren vergleichbar sind, werden diese unter Standard Test Bedingungen (Standard Test Conditions – STC) entsprechend kalibriert.So that with the new device according to the invention results obtained with other radiation sensors that have already been made known are comparable, they are under standard test conditions (Standard Test Conditions - STC) calibrated accordingly.

Insbesondere bekannte Strahlungssensoren auf PV-Zellenbasis (Gebrauchsmuster Nr. 299 09 648) benötigen zur exakten Kalibrierung gleichzeitig die Erfassung der PV-Zellen Temperatur, um die Temperaturabhängigkeit des Messwertes unter STC berücksichtigen zu können. Verschiedene auf dem Markt angebotene Strahlungssensoren bieten entsprechende zusätzliche Kalibrierkurven (Nomogramme) an oder berücksichtigen diese Temperaturabweichungen durch zusätzliche Korrekturnetzwerke für eine Temperaturkompensation.In particular, known radiation sensors PV cell base (utility model No. 299 09 648) need for exact calibration at the same time the detection of the PV cell temperature, about the temperature dependence of the measured value under STC to be able to. Offer various radiation sensors available on the market corresponding additional Calibration curves (nomograms) or take these temperature deviations into account by additional Correction networks for one Temperature compensation.

Trotz des ständig wachsenden PV-Marktes stehen bis heute keine Strahlungssensoren zur Verfügung, die die Bestrahlungsstärke G_i im direkten Vergleich mit der Leistung eines PV-Moduls bzw. eines PV-Generators im Punkt maximaler Leistung (maximum power point – MPP) ohne gleichzeitige Temperaturerfassung messen können und zusätzlich die benötigte Betriebsenergie selbst generieren.Despite the constantly growing PV market, there are still no radiation sensors available that measure the irradiance G _i in direct comparison with the power of a PV module or a PV generator in terms of maximum power (maximum power point - MPP) without simultaneous temperature detection can measure and also generate the required operating energy yourself.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur optimierten Leistungsregelung und zur Bereitstellung der Betriebsenergie für einen Strahlungssensor so auszubilden, dass die Bestrahlungsstärke G; in direktem Vergleich mit der Leistung eines PV-Moduls oder eines PV-Generators im Punkt maximaler Leistung (MPP) gemessen, an marktübliche und in Entwicklung befindliche unterschiedliche Solarzellentechnologien, z.B. monokristallin, multikristallin, amorph-Si, double- und triple- Si, CdTe, CIS, EFG angepasst und je nach Bedarf für unterschiedliche Einbausituationen mit funktechnischen Datentransfer angewendet werden kann.The invention is therefore the object based on a circuit arrangement for optimized power control and to provide the operating energy for a radiation sensor train that the irradiance G; in direct comparison with the performance of a PV module or a PV generator in the point maximum performance (MPP) measured against standard and under development different solar cell technologies, e.g. monocrystalline, multicrystalline, amorphous-Si, double- and triple-Si, CdTe, CIS, EFG adapted and depending on requirements for different installation situations can be used with radio data transfer.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 7.Serve to solve this task the characterizing features of claims 1 to 7.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet ist, dass keine Korrekturparameter, z.B. die Zellentemperatur, mehr gemessen und in der Messwertaufbereitung berücksichtigt werden müssen. Für den Messvorgang, für die Messwertaufbereitung und funktechnische Abstrahlung ist keine Fremdenergie mehr erforderlich.The invention has the advantage with itself that the device according to the invention is designed so that no correction parameters, e.g. the cell temperature, measured more and taken into account in the processing of measured values Need to become. For the Measuring process, for the processing of measured values and radio transmission is not External energy required more.

Unter Berücksichtigung der elektrischen Leitfähigkeit des Strahlungssensorgehäuses ist die Nutzung des Strahlungssensorelementes als Teil einer solaren Planarantenne, Vorrichtung einer bereits bekannt gemachten erfinderischen Lösung nach DE P 199 38 199, möglich, um den Messwert gleichfalls über Funk an eine zentrale Auswerte- und Visualisierungseinheit zu übertragen.Taking into account the electrical conductivity of the radiation sensor housing is the use of the radiation sensor element as part of a solar Planar antenna, device of an inventive disclosed solution according to DE P 199 38 199, possible around the measured value To be transmitted wirelessly to a central evaluation and visualization unit.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Other advantageous features of Invention result from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:The invention is hereinafter in Connection with the accompanying drawing of an embodiment explained in more detail. It shows:

1 Schematischer Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 Schematic overall structure of the device according to the invention.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den 1 unterscheidet zwischen Lade- und Messzyklus.The function of the device according to the invention 1 differentiates between charging and measuring cycle.

Beim Ladezyklus trifft die zu messende Solarstrahlung mit der Bestrahlungsstärke G_i auf das Strahlungssensorelement 1, z.B. aus kristallinem oder amorphem Silizium oder anderen bekannten marktüblichen dünnfilm- bzw. dünnschichtartigen Solarzellenmaterialien wie CdTe oder CIS. Das Strahlungssensorelement 1 hat einen nahezu identischen Aufbau wie die zur vergleichenden Messung vorgesehenen Photovoltaik – Generatormodule, so dass die physikalischen Eigenschaften wie Temperaturverhalten, Reflexionsverhalten und spektrale Empfindlichkeit ebenfalls nahezu identisch sind. Im Strahlungssensorelement 1 wird ein Strom I mit einer Spannung U generiert. Über den Gleichspannungswandler 2 wird die Spannung U auf die Ladespannung U_L angehoben. Der Ladestrom I_L fließt anteilig, in Abhängigkeit von der Ladestromkontrolleinheit 5, über die Sperrdiode 3 in den Speicher 4. Vorrangig wird jedoch über den Gleichspannungswandler 9 die Versorgungsspannung U_V/12 für die Regel- und Steuerelektronik 6 sichergestellt.During the charging cycle, the solar radiation to be measured strikes the radiation sensor element with the irradiance G _i 1 , for example made of crystalline or amorphous silicon or other known commercially available thin-film or thin-film-like solar cell materials such as CdTe or CIS. The radiation sensor element 1 has an almost identical structure to the photovoltaic generator modules intended for comparative measurement, so that the physical properties such as temperature behavior, reflection behavior and spectral sensitivity are also almost identical. In the radiation sensor element 1 a current I with a voltage U is generated. Via the DC converter 2 the voltage U is raised to the charging voltage U _L. The charging current I _L flows proportionally, depending on the charging current control unit 5 , via the blocking diode 3 in the store 4 , However, priority is given to the DC / DC converter 9 the supply voltage U _V / 12 for the regulating and control electronics 6 ensured.

Während der Messzyklusphase wird die Ladung des Speichers 4 unterbrochen. Der Gleichspannungswandler 2 wird über die Regel- und Steuerelektronik 6 abgeschaltet. Gemäß erfindungsmäßiger Vorrichtung wird nunmehr die Versorgungsspannung U_v/12 mit dem Versorgungsstrom I_V über den Speicher 4 und den Gleichspannungswandler 9 bereitgestellt. Mit dem Leistungsregler 8 wird das Strahlungssensorelement 1 in den Punkt der maximalen Leistung (Maximum Power Point – MPP) geregelt. Mit der Regel- und Steuereinheit 6 wird die Spannung U/11 des Strahlungssensorelementes (1) und die Differenzspannung DU/10 über den Messwiderstand 7 gemessen und mit dem Messstrom I_M die momentane Leistung ermittelt. Somit kann bei entsprechender Kalibrierung unter Standard Testbedingungen (STC – Standard Test Conditions) auf die Bestrahlungsstärke G, geschlossen werden, die als analoger Messwert MW_ANA/13 von der Regel- und Steuereinheit 6 bereitgestellt wird.During the measuring cycle phase, the charge of the memory 4 interrupted. The DC-DC converter 2 is about the control electronics 6 off. According to the device of the invention, the supply voltage U _v / 12 is now supplied with the supply current I _V via the memory 4 and the DC-DC converter 9 provided. With the power regulator 8th becomes the radiation sensor element 1 regulated in the point of maximum power (Maximum Power Point - MPP). With the regulating and control unit 6 the voltage U / 11 of the radiation sensor element ( 1 ) and the differential voltage DU / 10 via the measuring resistor 7 measured and the instantaneous power determined with the measuring current I _M. Thus, with appropriate calibration under standard test conditions (STC - Standard Test Conditions), the irradiance G, can be deduced, which as an analog measured value MW _ANA / 13 from the regulating and control unit 6 provided.

Optionell wird der analoge Messwert MW_ANA/13 nochmals als digitaler Messwert MW_DIG/14 in der Regel- und Steuereinheit 6 so aufbereitet, dass er in Verbindung mit einer Sendeeinheit 15 über den Sperrfilter 16 mittels der Antenne 17 als Messwertsignal MW_HF in einem genehmigungsfreien Frequenzband abgestrahlt werden kann.The analog measured value MW _ANA / 13 is optionally again available as a digital measured value MW _DIG / 14 in the regulating and control unit 6 prepared so that it can be used in conjunction with a transmitter unit 15 via the notch filter 16 by means of the antenna 17 can be emitted as a measured value signal MW _HF in a frequency band that is not subject to approval.

UU: Spannung vom Strahlungssensorelementtension from the radiation sensor element
II: Strom vom Strahlungssensorelementelectricity from the radiation sensor element
U_L U _L: Ladespannungcharging voltage
I_L I _L: Ladestromcharging current
U_V U _V: Versorgungsspannungsupply voltage
I_V _IV: Versorgungsstromsupply current
IMIN THE: Messstrommeasuring current
MW_ANA MW _ANA: analoger Messwert analog reading
MW_DIG MW _DIG: digitaler Messwertdigital reading
MW_HF MW _HF: hochfrequentes Messwertsignalhigh frequency Reading Signal
11: StrahlungssensorelementRadiation sensor element
22: GleichspannungswandlerDC converter
33: Sperrdiodeblocking diode
44: SpeicherStorage
55: LadestromkontrolleinheitCharging current control unit
66: Regel- und SteuerelektronikRule- and control electronics
77: MessshuntShunt
88th: Leistungsreglerpower controller
99: GleichspannungswandlerDC converter
1010: DifferenzspannungsanschlussDifferential voltage connection
1111: ZellspannungsanschlussCell voltage connection
1212: VersorgungsspannungsanschlussSupply voltage connection
1313: Messwert _ANALOG – AnschlussMeasured value _ANALOG - connection
1414: Messwert _DIGITAL – AnschlussMeasured value _DIGITAL connection
1515: Sendeeinheittransmission unit
1616: Gleichspannung-/ HochfrequenzentkopplungsnetzwerkGleichspannung- / RF decoupling network
1717: Antenneantenna

Claims

Device for measuring, evaluating and transmitting the solar irradiance with a defined radiation sensor element ( 1 ) for recording the solar radiation, with the supply voltage conditioning units such as DC voltage converters ( 2 ), Blocking diode ( 3 ), Storage ( 4 ), Charging current control unit ( 5 ) and DC voltage converter ( 9 ), with the measured value evaluation units such as measuring shunt ( 7 ), Power controller ( 8th ) and regulating and control electronics ( 6 ) and the radio processing units such as transmitter unit ( 15 ), DC / RF decoupling network ( 16 ) and antenna ( 17 ), characterized in that the power controller ( 8th ) is constructed as an MPP controller and the radiation sensor element ( 1 ) a preferred series connection of solar cells in the optimized voltage range for processing measured values in the control and control electronics ( 6 ) having.

Device according to claim 1, characterized in that the supply energy from the radiation sensor element ( 1 ) is removed and the supply voltage conditioning units such as DC voltage converters ( 2 ), Blocking diode ( 3 ), Storage ( 4 ), Charging current control unit ( 5 ) and DC voltage converter ( 9 ) are designed in this combination in low-power technology.

Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the measured value evaluation units such as measuring shunt ( 7 ), Power controller ( 8th ) and regulating and control electronics ( 6 ) are designed in this combination in low-power technology.

Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the radio processing units such as transmitter unit ( 15 ), DC / RF decoupling network ( 16 ) and antenna ( 17 ) are designed in this combination in low-power technology.

Device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the charging current control unit ( 5 ), Regulation and control unit ( 6 ) and power controller ( 8th ) is designed in this combination as a holistic programmable component

Device according to claim 1 and 2, characterized in that the radiation sensor element ( 1 ) made of crystalline, thin-film or thin-layer solar cell material made known solar cell technologies.

Device according to claim 1, 2 and 4, characterized in that the radiation sensor element ( 1 ) is formed in this combination as part of the transmitting antenna.