Zur Messung des Zustandes und der Änderung physikalischer Größen, etwa von Temperaturen und Temperaturdifferenzen, in Abhängigkeit von einer physikalischen Umgebungsgröße, etwa der mit der Temperaturänderung verknüpften Intensität der Solarstrahlung, sind zum jetzigen Zeitpunkt bei bekannten Systemen mehrere entsprechende Sensoren sowie eine elektronische Auswertung und eine sichere Energieversorgung des gesamten Systems notwendig, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. In dieser Figur sind beispielhaft die Messung der Modul- und Umgebungstemperatur sowie eine Intensitätsmessung der Solarstrahlung in der Photovoltaik gezeigt. Es werden drei Sensorelemente benötigt, um diese Information zu ge- Winnen.

Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Sensorelementes, mit dessen Hilfe bei der bekannten Anordnung aus Figur 1 die Messung der Temperaturdifferenz zwischen einem Solarmodul und der Umgebung in Abhängigkeit von der Solarstrahlung durchgeführt wird. In der Regel benötigt jedes Sensorelement eine eigene Energieversorgung und Datenkompo- nente zur Vorverarbeitung und Übertragung der gemessenen Werte an eine externe Komponente, z. B. eine Steuerung. Die Energieversorgung besteht beispielsweise aus einer Batterie oder einem kabelgebundenen Anschluss an eine externe Stromversorgung. Die Umgebungsgröße wirkt, etwa durch eine Temperaturänderung, auf den Sensor ein.

Zur Erfassung diverser Messgrößen bei bekannten Anordnungen wie beispielsweise Photo- voltaikmodulen werden mehrere Sensoren zur Detektion der verknüpften Umgebungsgrößen sowie für jeden Sensor eine eigene Energieversorgung und gegebenenfalls auch eine eigene Signalverarbeitung eingesetzt.

Kabel und Batterien zur Energieversorgung sind durch Material- und Installationskosten teuer, beziehungsweise bedürfen der Wartung und schränken damit die Autarkie des Systems ein. Darüber hinaus ist die Anzahl der Komponenten (Sensoreinheiten, Energieversorgung usw.) hoch, wodurch das System ebenfalls teuer und anfälliger für Ausfälle von Komponenten wird.

In dem US-Patent US 4,253,764 ist ein Beispiel für ein bekanntes Mess- und Aufzeichnungssystem für Solarstrahlung entsprechend dem„Sensor B" aus Figur 1 gezeigt. Dieser Sensor ist aber nur für die Erfassung der Solarstrahlung, nicht jedoch für die Messung der Modultemperatur oder der Umgebungstemperatur eingerichtet. Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Sensoreinheit für die Messung mindestens einer Messgröße anzugeben, die weitgehend wartungsfrei, robust und kostengünstig ist, aber dennoch eine hohe Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit sicherstellt. Die Erfindung löst dieses Problem durch den Einsatz eines Energiewandlers, der sowohl als Sensor als auch zur Energieversorgung dient. Dadurch werden eine sichere Energieversorgung sowie eine vollkommene Autarkie des Systems sicher gestellt, die Funktionssicherheit erhöht, und die Gesamtkosten des Systems inklusive Folgekosten etwa durch Wartung, reduziert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit wird ein thermoelektrischer Energiewandler (TEW) als ein Sensor betrieben, der sich selbst mit der benötigten Energie versorgt. Erfindungsgemäß wird also der Sensor zugleich als Messwandler und als Energieversorgung genutzt, der von der Umgebungsenergie betrieben wird.

Des Weiteren kann das Energiewandler-Sensorelement so charakterisiert werden, dass sei- ne Zustandsänderung in Relation zur messenden Umgebungsgröße gesetzt werden kann, so dass der speziell bei Photovoltaikmodulen bislang benötigte zweite Sensor entfällt. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Sensorelement beispielsweise zur Messung von Modul- und Umgebungstemperatur sowie der Intensität der Solarstrahlung herangezogen werden. Durch die genaue Charakterisierung der Spannungsänderungen beispielsweise eines thermoelektrischen Generators in Relation zur Solarstrahlung können zwei Sensoren im Vergleich zu der in Figur 1 gezeigten Anordnung entfallen.

Systeme, welche einen Energiewandler sowohl als Energieversorgung und als auch als Sensor nutzen, sind bisher in der Solarenergietechnik nicht bekannt. Ebenso ist kein System bekannt, in dem durch die Messung einer Temperaturdifferenz mittels eines thermoelektri- sehen Generators die damit verknüpfte Intensität der Solarstrahlung verknüpft werden kann.

Durch die erfindungsgemäße integrierte Einheit aus Messwandler und Energieerzeugungseinheit ergeben sich für den Anwender die folgenden Vorteile.

Der Einsatz eines Energiewandlers, etwa eines thermoelektrischen Generators, zur Energieversorgung der Elektronik sowie als Sensor bietet die klassischen Vorteile der Micro-Energy- Harvesting (MEH) Technologie: Verzicht auf Kabel und damit die Reduktion von Installationskosten, einfache Nachrüstung und vollkommene Autarkie des Systems, Verzicht auf Bat- terien und damit eine erhebliche Reduktion der Wartungskosten sowie kein Anfall von Batteriemüll und Reduktion der Anzahl der benötigten Komponenten, und damit eine weitere Kostenreduktion.

Durch die Autarkie des Systems ergeben sich außerdem völlig neue Anwendungsfelder, wie z. B. der Einsatz an einem Solarmodul oder einem Solarkollektor. Obwohl nachfolgend meist nur von einem Photovoltaikmodul die Rede ist, ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer beabsichtigt, auch die Anwendung zusammen mit jeder anderen Art von Solar- energieerzeugungsmodul einzuschließen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Photovoltaikmoduls mit drei verschiedenen Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Solarstrahlung und die Modultemperatur;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines konventionellen Sensors mit getrennter

Energieversorgung und Messgrößenverarbeitung; Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Photovoltaikmoduls mit einem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines thermoelektrischen Generators gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines ersten Auswertealgorithmus;

Figur 7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines zweiten Auswertealgorithmus.

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 100 wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 3 näher erläutert. Wie in dieser Figur gezeigt, wird die Umgebungsenergie, die auf die Sensoreinheit 100 einwirkt, von einem Energieerzeugungselement 102 wenigstens teilweise aufgenommen, um daraus sowohl die Information über die eigentliche Messgröße, wie auch die zum Betrieb der Sensoreinheit 100 erforderliche Energie zu gewinnen.

Hierfür besitzt die Sensoreinheit 100 eine Steuer- und Auswerteeinheit 104, die aus be- stimmten Betriebsgrößen des Energieerzeugungselements 102 das benötigte Sensorsignal in Abhängigkeit von der Messgröße erzeugt und insbesondere die Signalverarbeitung durchführt.

Eine Kommunikationsschnittstelle 106, die vorzugsweise für eine drahtlose Kommunikation eingerichtet ist, ist vorgesehen, um die erzeugten Messdaten an eine externe Auswerteein- heit 105, beispielsweise einen Steuercomputer, eine Heizungssteuerungsanlage oder einen PDA (personal digital assistant), zu übertragen. Selbstverständlich kann eine bidirektional arbeitende Kommunikationsschnittstelle 106 vorgesehen sein, die auch in der Lage ist, Kommunikationssignale von der externen Einheit 105 zu empfangen. Dies kann beispielsweise zum Einspeisen von Kalibrierungsdaten oder zum Ansteuern des Sensors bei Abfra- geroutinen genutzt werden.

Dadurch, dass die erfindungsgemäße Sensoreinheit 100 sowohl die Information über die zu messende Messgröße, also beispielsweise die Temperatur oder eine Strahlungsdichte, wie auch die zu ihrem Betrieb notwendige Energie unmittelbar aus der Umgebungsenergie entnimmt, ist eine vollständige Autarkie der Sensoreinheit möglich und bei entsprechend robus- ter Fertigung kann auch die Wartung einer solchen Sensoreinheit auf ein Minimum beschränkt bleiben.

Eine Sensoreinheit, deren Energieversorgung durch dasselbe Prinzip gewährleistet wird wie die Detektion der Umgebungsgröße, kann beispielsweise durch die Nutzung des thermoelektrischen Effektes im Falle eines thermoelektrischen Generators (TEG) erreicht werden. Die durch Temperaturänderungen vorliegende thermische Energie wird dabei in elektrische Energie gewandelt, die zum Betrieb der Signalverarbeitung und Datenübertragung genutzt werden kann. Gleichzeitig kann über das elektrische Niveau und dessen Änderung der Energieversorgung, etwa der Spannung im Falle eines thermoelektrischen Generators oder des Kurzschlussstromes im Falle photovoltaischer Wandler, auf den Zustand der Umge- bungsgröße, etwa der solaren Bestrahlungsstärke, geschlossen und das Element so zugleich als Sensor verwendet werden. Figur 4 zeigt schematisch ein Photovoltaik (PV)-Modul 108 mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit 100.

Gemäß der Figur 4 kann die Sensoreinheit 100 an einem PV-Modul 108 angebracht werden um sowohl die Temperatur des Moduls, wie auch der Umgebung und darüber hinaus auch die einfallende Solarstrahlung zu messen. Insbesondere kann diese Messaufgabe durch einen thermoelektrischen Generator 1 10 übernommen werden, wie er in Figur 5 skizziert ist. Es ist beispielsweise für den Einsatz in Energy-Harvesting-Mikrosystemen eine Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Leistung bekannt. Insbesondere basiert ein solcher ther- moelektrische Generator, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2009 016 154 A1 bekannt ist, auf dem Seebeck- Effekt und erzeugt aus einem Temperaturgradienten eine elektrische Spannung.

In der Figur 5 ist die Region mit der höheren Temperatur als Wärmebad 1 12 bezeichnet, während die Wärmesenke 1 14 mit der Temperatur T ₀ das Gebiet mit der niedrigeren Temperatur Ti bezeichnet. In Bezug auf die Figur 4 kann das Wärmebad 1 12 beispielsweise die von der Sonne erwärmte Fläche des PV-Moduls 108, an welcher die Sensoreinheit 100 angebracht ist, sein, während die Wärmesenke 1 14 durch die Umgebungsluft auf der Rückseite der Sensoreinheit 100 gebildet ist.

Damit berechnet sich die Lastspannung Ui des TEG 1 10 aus den Temperaturen T ₀ und Ti , der thermischen Kopplung K, dem ohmschen Lastwiderstand R|, der Gütezahl Z, dem ther- mischen Widerstand K _g , dem elektrischen Widerstand R _g und dem Seebeck-Koeffizienten a gemäß der nachfolgenden Gleichung (1 ).

K

U, = a dT ^■ g R

(1 )

K + K R, + R

Dabei sind άΤ=Τ]-Τ ₀ und R _e # der effektive Widerstand gemäß Gleichung (2). In der Gleichung (1 ) für Ui gibt es drei unbestimmte Größen: Die Temperaturen T ₀ , Ti sowie die thermische Kopplung K. Da die U-l Kennlinie von thermoelektrischen Wandlern annä- hernd linear ist, ist diese bereits durch die Messung zweier Punkte festgelegt, so dass für eine der drei unbekannten Variablen eine Annahme getroffen werden muss.

Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Temperatur T ₀ auf die Lastspannung gering ist. Dies ermöglicht deren Festlegung auf einen festen Wert.

Somit verbleiben die zwei Unbekannten dT und K, welche durch die Messung der U-l Kennlinie bestimmt werden können. Durch die Messung der Leerlaufspannung U ₀ ergibt sich für K der in Gleichung (3) gezeigte Zusammenhang.

Die anschließende Messung der Lastspannung Ui unter einem zuvor definierten ohmschen Widerstand ergibt schließlich die Werte für dT und K nach Gleichungen (4) und (5).

1 K_

dT ^■ u ₀ - 1 + (4)

Damit ist der Parameter dT bestimmt, welcher unmittelbar mit der eingestrahlten Wärmestrahlung im Zusammenhang steht. Die Sensoreinheit 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist also in der Lage, unmittelbar die Temperaturdifferenz dT zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich der Sensoreinheit zu ermitteln und daraus auf die solare Bestrahlungsstärke zu schließen. Die Energie, die für diesen Messvorgang benötigt wird, wird direkt aus der eingestrahlten Wärme und dem dadurch erzeugten Temperaturgradienten erzeugt. Somit sind keine externen Energiequellen nötig und die Sensoreinheit 100 kann autark die benötigte Information gewinnen und diese drahtlos an eine externe Steuereinheit 105 kommunizieren.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der Bestrahlungsstärke in einer externen Auswerteeinheit, in der die über den Tag verteilt gemessenen Leerlaufspan- nungen U ₀ des TEG gesammelt und ausgewertet werden. Ausgehend von den ausgewerteten Rohdaten kann die Kalibrierung des Bestrahlungsstärke-Messsystems über eine Referenzmessung mithilfe eines Pyranometers oder einer Referenzzelle und anschließender Anwendung von Kalibrierungsalgorithmen erfolgen. Hierzu kann auch ein lernfähiger Algorith- mus eingesetzt werden, der durch einen iterativen Ansatz eine immer genauer werdende Kalibrierung ermöglicht und für die Identifikation von Degradationserscheinungen am Photo- voltaikmodul ausreichend ist.

Die Auswerteeinheit kann ein Steuercomputer oder ein Server im Internet sein, der die gemessenen Sensordaten über ein beliebiges Gateway an einen Server mit Datenbankfunktion und somit auch ins Internet übermittelt. Die übermittelten Daten können von dort aus von mobilen Geräten wie Smartphones oder Tablet-PCs visualisiert und Alarmmeldungen in Form von SMS oder Email abgesetzt werden.

Die Figuren 6 und 7 illustrieren diese Ausführungsform. Wie in Figur 6 gezeigt, erfolgt zunächst im Schritt 601 die Messung der Lehrlaufspannung U ₀ an dem thermoelektrischen Ge- nerator. Die Daten werden dann an die Auswerteeinheit oder ein entsprechendes Gateway weitergegeben (Schritt 602) und von dort an einen Server bzw. eine Datenbank übermittelt (Schritt 603). Die gemessene Bestrahlungsstärke kann in einem Online-Portal visualisiert werden (Schritt 604). Für die Kalibrierung kann beispielsweise mit Hilfe eines Pyranometers eine Referenzmessung durchgeführt werden (Schritt 605) und die gewonnenen Messdaten können der Auswerteeinheit in Schritt 602 zur Verfügung gestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Server bzw. die Datenbank in Schritt 603 die Datenanalyse und Kalibrierung wie in Schritt 606 gezeigt, vornehmen. Insbesondere kann eine Korrekturfunktion mit Hilfe einer Fitfunktion ermittelt werden und diese Korrekturfunktion auf alle Messungen angewendet werden. Wenn es nicht gewünscht oder möglich ist, eine separate Referenzmessung der Bestrahlungsstärke wie in Schritt 605 gezeigt, durchzuführen, können weitere Funktionen in den Schritt 606 ausgelagert werden. Figur 7 zeigt analog zu dem Vorgehen gemäß der Figur 6 eine Ausführungsform, bei der die Verarbeitung durch den Server oder eine Datenbank den Schritt der Datenanalyse und Kalibrierung 705 umfasst, wobei insbesondere eine Winkelkor- rektur vorgenommen wird und der Sonnenstand dabei berücksichtigt wird. Die Korrekturfunktion wird mit Hilfe einer Fitfunktion und unter Berücksichtigung der Ausgangsenergie des zu vermessenden Systems und dessen Kenngrößen bestimmt. Anschließend wird die Korrek- turfunktion auf alle Messungen angewendet und es wird in Schritt 704 wiederum die Bestrahlungsstärke im Online-Portal visualisiert.

Diese Vorgehensweise bietet unter anderem die Möglichkeit, eine solare Energieerzeugungsanlage auch mit Hilfe einer Ferndiagnose und Steuerung zentral zu überwachen.