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Die Erfindung betrifft ein Anemometer zur vollständig autarken Ermittlung und Übermittlung einer Windgeschwindigkeit an ein übergeordnetes System.
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In Europa sind allein Gebäude für 36 % der Treibhausgasemissionen sowie rund 40 % des Energieverbrauchs verantwortlich.
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In den letzten Jahren sind daher die Anforderungen an neue Gebäude sowie die Anforderungen beim Umbau von Gebäuden bezüglich deren Energieeffizienz bzw. deren Energieeinsparpotential zunehmend gestiegen und werden auch in Zukunft weiter steigen. Das gilt sowohl für private Bauherren als auch für Unternehmen.
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Um diese Ziele zu erreichen gibt der Gesetzgeber strikte Richtlinien bzw. Verordnungen vor. Insbesondere ist hierbei auch die Energieeinsparverordnung (EnEv) zu nennen. Durch diese Richtlinien und Verordnungen sollen zukünftig flächendeckend energieeffiziente Gebäude entstehen und durch den verminderten Energieverbrauch zum Umweltschutz beitragen.
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Sogenannte Passivhäuser müssen demnach grundsätzlich mit äußerst geringem Energieverbrauch auskommen und können zusätzliche Energie nur noch mit Sonnenenergie und Biomasse abdecken. Dies gilt für alle Passivhaus-Privatbauten, die ab dem Jahr 2020 errichtet werden. Damit werden Bauherren zu Gunsten des Umweltschutzes in die Pflicht genommen.
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Sowohl energieeffiziente Gebäude allgemein als auch Passivhäuser müssen zur Reduzierung der Energieverluste gemäß der geltenden Richtlinien und Verordnungen eine möglichst und vorzugsweise völlig dichte Gebäudehülle aufweisen. Insbesondere im Sommer kann es jedoch durch Sonneneinstrahlung und die dichte Gebäudehülle leicht dazu kommen, dass das Gebäudeinnere überhitzt.
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Um dem Überhitzen entgegenzuwirken, sind meist Außenjalousien, Rollläden, Markisen und andere Maßnahmen zur Beschattung vorgesehen, welche bei entsprechenden Wetterverhältnissen bzw. bei einer entsprechenden Sonneneinstrahlung in eine schattenspendende Position gefahren werden.
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Problematisch hierbei ist jedoch, dass es bei zu hohen Windgeschwindigkeiten und insbesondere Windgeschwindigkeiten oberhalb 70 km/h zu Schäden an den Maßnahmen zur Beschattung, also an den Außenjalousien, Rollläden und Markisen kommen kann (Windstärke 8 entsprechend der Beaufort-Skala).
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Um solche Schäden zu vermeiden, wird bei Neubauten sowie auch bei modernisierten Häusern oftmals eine entsprechende Steuerung mit zugehörigen Sensoren vorgesehen, durch welche die Außenjalousien, Rollläden, Markisen und dergleichen bei zu hohen Windgeschwindigkeiten automatisiert eingefahren werden.
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Als Sensoren sind insbesondere Anemometer, also Windmesser bzw. Windsensoren zu nennen, welche üblicherweise an höherer exponierter Stelle am Haus wie dem Dach, Dachgiebel oder Dachfirst angebracht sind.
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Solche im Stand der Technik bekannten Anemometer sind jedoch oftmals zur Signalübertragung und zur Spannungsversorgung mit entsprechenden Versorgungsleitungen versehen, so dass es erforderlich ist, die ansonsten dichte Hülle des Gebäudes zum Anschluss der Anemometer zu durchbrechen, um die Versorgungsleitungen in das Gebäudeinnere zu führen.
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Entsprechend müssen solche Durchführungen oder dafür geeignete Bohrungen aufwändig abgedichtet werden, um die Dichtheit der Gebäudehülle erhalten und sicherstellen zu können.
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Alternativ sind im Stand der Technik batteriebetriebene Anemometer bekannt, welche die Daten per Funk übertragen. Durch die exponierte und vorzugsweise erhöhte Positionierung des Anemometers ist jedoch ein regelmäßiger Batteriewechsel nicht oder nur erschwert möglich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein Anemometer bereitzustellen, welches einfach und wartungsarm bzw. wartungsfrei an einem Gebäude vorgesehen und betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird daher ein Anemometer zur vollständig autarken Ermittlung und Übermittlung einer Windgeschwindigkeit an ein übergeordnetes System vorgeschlagen, welches entsprechend auch als Windgeschwindigkeitsmesser oder Windsensor bezeichnet werden kann. Weiter kann ein solches Anemometer auch als dynamisches Anemometer mit intelligenter Autarkie Nutzung oder kurz als DAMIAN bezeichnet werden. Das Anemometer weist eine Vielzahl von an einem rotierbaren Zentralelement fixierten Windaufnehmern auf, welche mit dem Zentralelement durch Wind angetrieben um eine Rotationsachse rotierbar sind. Ferner verfügt das Anemometer über ein Funkmodul und einen Generator, der durch das Zentralelement mit den daran fixierten Windaufnehmern spannungserzeugend antreibbar ist. Hierfür ist das Zentralelement vorzugsweise unmittelbar mechanisch und beispielsweise über eine zu der Rotationsachse koaxiale Antriebswelle mit dem Generator verbunden, so dass ein Rotor des Generators gegenüber einem Stator des Generators eine elektrische Spannung erzeugend rotiert werden kann. Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Generator eine Spannung zum Betrieb des Funkmoduls bereitstellend elektrisch mit dem Funkmodul verbunden ist, wobei das Funkmodul ausgebildet ist, eine ermittelte Windgeschwindigkeit über Funk an das übergeordnete System zu übermitteln.
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Als übergeordnetes System wird vorliegend ein technisches System verstanden, welches zumindest einen Funkempfänger aufweist.
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Das übergeordnete System kann beispielsweise eine Komponente eines Smart-Home-Systems, wie ein Gateway, oder eine Komponente einer Netzwerk-Infrastruktur, wie ein Router oder Repeater, sein. Zudem kann das Funkmodul ausgebildet sein, über W-LAN, Bluetooth oder einen anderen dafür geeigneten Funkstandard mit dem übergeordneten System zu kommunizieren bzw. Daten und insbesondere die Windgeschwindigkeit zu übermitteln. Als weitere geeignete Funkstandards sind insbesondere die zum Anmeldezeitpunkt unter der Bezeichnung „ZigBee“ und „EnOcean“ bekannten Funkstandards zu nennen, wobei insbesondere „EnOcean“ aufgrund des sehr geringen Energie- bzw. Strombedarfs vorteilhaft ist.
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Das erfindungsgemäße Anemometer kann zudem neben der Energiegewinnung aus der Windenergie mittels der Nutzung der an dem Anemometer ohnehin vorhandenen Rotationsenergie auch weitere Systeme zur Energiegewinnung aus der Umgebung vorsehen. Dieses Prinzip wird generell als „Energy Harvesting“ bezeichnet. Beispielsweise kann das Anemometer zusätzlich Solarzellen aufweisen, welche aufgrund der meist exponierten Positionierung eines Anemometers ebenfalls als zuverlässige Energiequelle dienen können. So kann beispielsweise ein Grundbetrieb des Anemometers zur Aufzeichnung von Messdaten (Windgeschwindigkeit) über eine von den Solarzellen bereitgestellte Versorgungsspannung sichergestellt werden, wobei eine Funkübertragung nur bei ausreichender Spannungs- bzw. Stromversorgung über den von Wind angetriebenen Generator erfolgt.
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Das Funkmodul weist vorzugsweise neben einer Sendeeinrichtung auch eine Empfangseinrichtung und eine zugehörige Elektronik zu Steuerung des Funkmoduls auf, wobei durch die Elektronik auch eine Steuerung des Anemometers implementiert sein kann, so dass beispielsweise Daten bzw. die Windgeschwindigkeit auf eine durch die Empfangseinrichtung empfangene Anfrage oder bei Über- / Unterschreiten eines vorbestimmten (Windgeschwindigkeits-) Schwellwertes übermittelt werden bzw. wird.
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Die eingangs genannten Probleme bezüglich eines Kabels durch die Hauswand oder einer nötigen Batterie bei Funksystemen können dadurch gelöst werden, dass ein erfindungsgemäßes und somit autarkes Anemometer mit dem Funkmodul als Funksignalgeber bereitgestellt wird, in welchem vorzugsweise keine Batterie im Sinne eines nicht wieder aufladbaren Energiespeichers vorhanden ist. Durch die Drehung der Windaufnehmer des Anemometers wird durch Windkraft über den Generator (Dynamo) ausreichend Strom erzeugt, um das Funkmodul mit einer Betriebsspannung zu versorgen, so dass eine Nachricht bzw. ein Signal an das übergeordnete System gesendet werden kann bzw. allgemein Daten an das übergeordnete System gesendet werden können.
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Durch die Übermittlung der Windgeschwindigkeit an das übergeordnete System, kann dieses die Außenjalousien, Rollläden, Markisen und dergleichen derart ansteuern, dass diese angepasst an die aktuelle Windgeschwindigkeit in eine vorbestimmte Stellung bewegt werden. Beispielsweise können Markisen bei zu hohen Windgeschwindigkeiten vollständig eingefahren werden.
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Eine vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass das Anemometer ein Flügelradanemometer oder ein Schalenanemometer ist. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass die Windaufnehmer bei einem Flügelradanemometer steil angestellter (Rotor-) Blätter und bei einem Schalenanemometer offene Halbschalen sind. Ein Schalenanemometer, welches auch als Schalensternanemometer oder Kugelschalenanemometer bezeichnet werden kann, hat insbesondere den Vorteil, dass eine Windrichtungsnachführung, also die Ausrichtung des Anemometers entsprechend der Windrichtung, nicht nötig ist.
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Entsprechend ist ein Anemometer gemäß diesen Varianten eine Art „umgekehrter Lüfter“, bei welchem nicht der Motor das Lüfterrad, sondern das Lüfterrad aus den mit dem Zentralelement verbundenen Windaufnehmern den Generator antreibt. Der Generator erzeugt dadurch Signale, um die Windstärke zu messen und an das übergeordnete System zu übermitteln.
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Dem grundlegenden Autarkie-Gedanken entsprechend sieht eine vorteilhafte Ausführungsform zudem vor, dass das Anemometer eine vollständig abgeschlossene Baueinheit bildet, die frei von aus der Baueinheit führenden Signalleitungen und/oder Versorgungsleitungen ist. Entsprechend kann das vorgeschlagene Anemometer völlig frei und unabhängig von Versorgungsleitungen positioniert werden, soweit eine Funkreichweite des Funkmoduls ausreicht, um sich mit dem übergeordneten System zu verbinden bzw. an dieses Daten zu übermitteln.
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Um eine möglichst gleichmäßige Versorgungs- bzw. Betriebsspannung an dem Funkmodul bereitstellen zu können, weist das Anemometer vorzugsweise ferner einen mit dem Generator und dem Funkmodul elektrisch verbundenen Kondensator zur Stabilisierung der Spannung zum Betrieb des Funkmoduls auf.
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Zudem weist das Anemometer gemäß einer Weiterbildung ein elektrisch zwischen den Generator und das Funkmodul geschaltetes Energiemanagementmodul auf, welches ausgebildet ist, die durch den Generator erzeugte Spannung zu wandeln, zu glätten und/oder zu speichern und an das Funkmodul als Betriebsspannung zum Betrieb des Funkmoduls weiterzuleiten. Ist ein Kondensator zur Stabilisierung der Spannung vorgesehen, kann dieser zur Glättung und kurzzeitigen Zwischenspeicherung in das Energiemanagementmodul integriert sein. Zur Spannungswandlung kann das Energiemanagementmodul zudem beispielsweise einen Tiefsetzsteller („buck converter“) aufweisen. Ferner kann ein Akkumulator zur Speicherung der durch den Generator erzeugten elektrischen Energie vorgesehen sein.
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Besonders vorteilhaft ist zudem eine Variante, bei welcher das Anemometer ferner ein elektrisch zwischen den Generator und das Funkmodul geschaltetes Auswertemodul aufweist, welches ausgebildet ist, die Windgeschwindigkeit aus der durch den Generator erzeugten Spannung zu bestimmen und die Windgeschwindigkeit als Messsignal bzw. Messspannung an das Funkmodul weiterzuleiten. Entsprechend ist der Generator ausgebildet, als generatorischer Geber bzw. Tachogenerator zu dienen, so dass durch das Auswertemodul aus einer von dem Generator erzeugten Spannung eine Drehzahl um die Rotationsachse und daraus die Windgeschwindigkeit bestimmbar sind. Die Windgeschwindigkeit kann dann als analoges oder digitales (Mess-) Signal an das Funkmodul übermittelt werden.
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Um neben der aktuell gemessenen Windgeschwindigkeit auch vergangene Windgeschwindigkeiten übermitteln zu können, kann das Anemometer bzw. das Auswertemodul einen Datenspeicher zur Aufzeichnung der Windgeschwindigkeiten aufweisen. Dieser kann beispielsweise ausgebildet sein, die Windgeschwindigkeiten einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. der letzten Stunde oder des letzten Tages) oder seit der letzten Übermittlung von Windgeschwindigkeiten an das übergeordnete System durch das Funkmodul zu speichern. Entsprechend können bei der Übermittlung der Windgeschwindigkeit durch das Funkmodul nicht nur die aktuell gemessene Windgeschwindigkeit, sondern auch gespeicherte Windgeschwindigkeiten übermittelt werden.
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Das Funkmodul kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des Anemometers ausgebildet sein, die Windgeschwindigkeit in einem vorbestimmten Intervall und/oder bei einer für den Betrieb des Funkmoduls ausreichenden Betriebsspannung zu übertragen, was beispielsweise durch die Elektronik des Funkmoduls oder auch durch die Auswerteelektronik implementiert sein kann.
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Vorzugsweise ist der Generator ein als Generator wirkender Elektromotor und insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, welcher auch als BLDC-Motor bezeichnet werden kann. Die Ausführung als BLDC-Motor ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da derartige Motoren besonders wartungsarm sind, einen geringen mechanischen Widerstand aufweisen und es mangels Bürsten nicht zu einer Funkenbildung innerhalb des Motors kommt, durch welche eine zur Bestimmung der Drehzahl dienende Spannung verfälscht werden könnte.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Wetterstation mit einem erfindungsgemäßen Anemometer, bei welchen weitere Messinstrumente bzw. zumindest ein weiteres Messinstrument zur Ermittlung von Umgebungsdaten vorgesehen ist. Die Wetterstation ist vorzugsweise vollständig autark, so dass vorgesehen ist, dass die weiteren Messinstrumente - soweit diese eine Spannungsversorgung benötigen - durch den Generator bzw. durch das Anemometer mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Ferner ist vorgesehen, dass die weiteren Messinstrumente mit dem Funkmodul signaltechnisch verbunden sind und das Funkmodul ausgebildet ist, die von den Messinstrumenten ermittelten Umgebungsdaten an das übergeordnete System zu übermitteln. Solche Messinstrumente können beispielsweise Windrichtungsgeber, Helligkeitssensoren oder andere Vorrichtungen zur Ermittlung meteorologischer Daten sein.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 ein erfindungsgemäßes Anemometer.
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Gemäß 1 ist das Anemometer 1 als ein Schalenanemometer ausgebildet, welches vorliegend vier in Umfangsrichtung um die Rotationsachse R gleichmäßig angeordnete Schalen bzw. Halbschalen 11 als Windaufnehmer aufweist. Die Schalen 11 sind jeweils über Verbindungselemente 12 mit dem Zentralelement 13 verbunden, welches um die Rotationsachse R drehbar gelagert ist. Ein Windstoß bzw. Wind führt zu einem Antrieb der Schalen 11 mit dem Zentralelement 13 um die Rotationsachse R, so dass das Zentralelement 13 den Generator 20 über eine Antriebswelle 14 antreibt.
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Entsprechend rotiert ein Rotor des Generators 20 um die Rotationsachse R und erzeugt mit einem Stator des Generators 20 zusammenwirkend eine Spannung.
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Vorliegend ist der Generator 20 elektrisch mit einem Energiemanagementmodul 40 und einem Auswertemodul 50 verbunden.
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Die von dem Generator 20 an dem Energiemanagementmodul 40 bereitgestellte Spannung wird durch das Energiemanagementmodul 40 in eine Betriebsspannung für ein Funkmodul 30 und das Auswertemodul 50 gewandelt, zumindest kurzzeitig zwischengespeichert und an dem Funkmodul 30 sowie an dem Auswertemodul 50 durch elektrische Verbindungen (gestrichelte Verbindungslinien) als Betriebsspannung bereitgestellt.
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Ferner dient die von dem Generator 20 erzeugte und an dem Auswertemodul 50 anliegende Spannung als Messspannung, aus welcher das Auswertemodul 50 eine Drehzahl des Generators 20 bzw. des Rotors des Generators 20 und somit die Drehzahl des Zentralelements 13 um die Rotationsachse R und aus der Drehzahl die Windgeschwindigkeit bestimmt. Die so bestimmte Windgeschwindigkeit wird als analoges oder digitales Signal an das Funkmodul 30 übermittelt bzw. an diesem bereitgestellt.
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Das durch den Generator 20 mittels des Energiemanagementmoduls 40 mit einer Betriebsspannung versorgte Funkmodul 30 weist eine integrierte Steuerung auf, durch welche die von dem Auswertemodul 50 bereitgestellte bzw. bestimmte Windgeschwindigkeit per Funk an das übergeordnete System übertagen wird, sobald und solange das Funkmodul 30 mit einer ausreichend großen und mithin vorbestimmten Betriebsspannung versorgt ist.
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Ferner kann auch hierbei vorgesehen sein, dass die Windgeschwindigkeit in vorbestimmten Intervallen oder bei einem Über- / Unterschreiten von vorbestimmten Schwellwerten der Windgeschwindigkeit übermittelt wird, solange das Funkmodul 30 mit der vorbestimmten Betriebsspannung versorgt ist.
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Weiter weist das Anemometer 1 gemäß der gezeigten Ausführungsform ein Gehäuse 60 auf, durch welches der Generator 20, das Funkmodul 30, Energiemanagementmodul 40 und Auswertemodul 50 gekapselt und vorzugsweise wasserdicht eingehaust sind.
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Die das Anemometer 1 vollständig umgebende gestrichelte Linie deutet zudem die durch das Anemometer 1 gebildete Baueinheit an, in welche keine Versorgungsleitungen hinein und aus welcher keine Versorgungsleitungen hinaus führen, so dass das Anemometer 1 ein bis auf die Funkübertragung mittels des Funkmoduls 30 vollständig autarkes System bildet.
