DE19637633C2 - Solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung - Google Patents
Solarbetriebene BeleuchtungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung die
mehrere Beleuchtungselemente, einen Energiespeicher und eine Steuereinheit
enthält.
Derartige Beleuchtungssysteme sind vorzugsweise zur Beleuchtung flächen
hafter Außenwerbeträger zu vielfältigen anderen Zwecken eingesetzt werden.
Im Stand der Technik sind Beleuchtungseinrichtungen für flächenhafte
Außenwerbeträger bekannt, die durch den Anschluss an öffentliche Energie
netze betrieben werden. Es ist dabei ebenfalls bekannt, Beleuchtungseinrich
tungen ortsfest an den Außenwerbeträgern oder Hinweistafeln zu installieren
und für deren Stromversorgung bei peripherer Aufstellung separate Erdan
schlusskabel zu verlegen. Bei derartigen Beleuchtungseinrichtungen werden
Energiemess- und Regeleinrichtungen verwendet, die nicht unmittelbar an
den flächenhaften Außenwerbeträgern montiert sind.
Einrichtungen mit Netzanschluss erfordern einen hohen Aufwand für Installa
tion und laufende Kosten. Diese Einrichtungen sind besonders in solchen
Fällen nachteilbehaftet, in denen am Aufstellungsort des flächenhaften
Außenwerbeträgers eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Netz
sowohl technisch als auch genehmigungsrechtlich schwierig oder nicht reali
siert werden kann.
Bekannte Beleuchtungseinrichtungen weisen weiterhin den Nachteil auf, dass
sie an den Außenwerbeträgern fest installiert sind, so dass beim Wegfall eines
bestehenden Beleuchtungsauftrages, beispielsweise bei Wechsel der Vermie
tung eines flächenhaften Außenwerbeträgers und den daraus resultierenden
geänderten Wünschen eines Nachmieters, aufwendige bauliche Veränderun
gen für Montage- und Demontagearbeiten notwendig sind.
Für derartige Beleuchtungssysteme sind aus DE 32 14 790 A1 und DE 94 12 069 U1
einfache Steuerungen bekannt, mit denen das Ein- und Ausschalten
der Beleuchtung über eine Schaltuhr und/oder einen Dämmerungsschalter
möglich ist.
Eine nach DE 41 07 107 A1 bekannte Beleuchtungseinrichtung verwendet
ein System, in dem die elektronische Steuereinrichtung als lernendes System
ausgebildet ist, das in Abhängigkeit vom Ladepegel der Batterie und/oder der
tagsüber durch die photovoltaische Anordnung aufgenommenen Lichtmenge
die Vorgabe der nächtlichen Brenndauer wenigstens einer Leuchte im
gleichen Sinne verändert. Dies entspricht jedoch nicht den Zielen einer solar
betriebenen Beleuchtungseinrichtung für flächenhafte Außenwerbeträger.
Die bekannten Beleuchtungseinrichtungen für flächenhafte Außenwerbeträ
ger benötigen beim Einsatz in mittleren geographischen Breiten für eine
längere Betriebszeit oftmals einen zusätzlichen Anschluss an das elektrische
Energienetz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarbetriebenen Beleuch
tungseinrichtung anzugeben, die für flächenhafte Außenwerbeträger einsetz
bar ist, die unabhängig von einem Netzanschluss betreibbar ist, mit geringem
Aufwand an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden kann und
dabei eine hohe Werbewirkungsleistung ermöglicht.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit einer Beleuchtungs
einrichtung, die die Merkmale von Anspruch 1 enthält.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrich
tung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der für die Steuerung der autarken Beleuchtungseinrichtung eingesetzte
Microrechner kann den konkreten Standortbedingungen vor Ort angepasst
werden.
Die dazu erforderliche Programmierung wird über eine serielle Schnittstelle
ermöglicht, wodurch die Steuerung in einfacher Weise an unterschiedliche
Anwendungsfälle angepasst werden kann. Diese Änderungen können vor Ort
ausgeführt werden, ohne dass gerätetechnische oder schaltungstechnische
Veränderungen erforderlich sind.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung verfügt über zwei verschie
dene Anwendungsprogramme, einem Main-Programm und einem
Application-Programm.
In beiden Programmen können die eingegebenen Werte in den zulässigen
Grenzen geändert werden. Vorteilhaft ist die Bedingung, dass im Main-Pro
gramm Änderungen von Werten ausschließlich von Fachleuten, die sowohl
mit der Rechnerprogrammierung vertraut sind als auch umfangreiche Kennt
nisse über die Abläufe innerhalb der Systemsteuerung besitzen, vorgenom
men werden können.
Demgegenüber besteht im Application-Programm für den Betreiber der
autarken Beleuchtungseinrichtung die Möglichkeit, jeweils ein speziell
angepasstes Programm zu realisieren. Dabei können variiert werden:
- - die Ein- und Ausschaltzeit der Basisbeleuchtung,
- - die Ein- und Ausschaltzeit der Zusatzbeleuchtung,
- - die Anzahl und die Dauer der Einschaltungen,
- - das Programm zur Auswahl der Sprachspeicher und zur Aktivierung eines Datenspeichers, mit dem die Programmierung der Reihenfolge der Ausgabe und der Ausgabezeiten erfolgt,
- - die Zuordnung von Sprachspeicherchips zu bestimmten Gruppen wie Geräuschkulissen, Musik, Werbebotschaften, Infos sowie News und dergleichen,
- - die Auswahl der Aktivierungsart des Datenspeichers, beispielsweise bei Annäherung von Personen oder zu voreingestellten Zeiten,
- - die Programmierung einer im Tafelträger integrierten LCD-Anzeige zur Ausgabe von Texten,
- - die Programmierung des LED-Laufschrifterzeugers, z. B. die Reihenfolge der Aussendung der Textblöcke und die Auswahl der Texte entweder zeitge steuert oder bei Annäherung von Zielpersonen,
- - die Aktivierung von Zähleinrichtungen zur Überprüfung der Werbewirk samkeit, z. B. die Registrierung der Schaltvorgänge, die durch Betätigen der Folientastatur im Tafelträger ausgelöst werden.
Die einzelnen Werte werden im Programm geändert und dann per Datenka
bel über die serielle Schnittstelle an den Microrechner übertragen.
Da die gesamte Systemsteuerung auf der Basis eines Microrechners realisiert
wird, in dem ein Laderegler für das getrennte Laden von zwei Akkumulato
ren integriert ist und eine getrennte Entladesteuerung mit integriertem
Tiefentladeschutz und Batteriecontroller vorgesehen ist, kann das Laden und
Entladen der Akkumulatoren so gesteuert werden, dass ein Hauptakkumula
tor für den Normalbetrieb, der ein größeres Speichervermögen und damit ein
größeres Gewicht aufweist im unteren Bereich des flächenhaften Außenwer
beträgers angeordnet ist, zuerst entladen wird und ein weiterer als Reserve
akkumulator dienender Akkumulator, der ein geringeres Speichervermögen
und ein geringeres Gewicht aufweist und zusammen mit der Steuerung im
oberen Bereich des flächenhafte Außenwerbeträgers angeordnet ist, zuerst
geladen wird. Dadurch ist gewährleistet, daß der im oberen Bereich
angebrachte Reserveakkumulator ständig geladen ist und nur im Fall eines
sehr niedrigen Energieniveaus entladen wird. Zusätzlich ist jederzeit das
externe Nachladen der Akkumulatoren vor Ort oder der Austausch eines
entladenen Akkumulators gegen einen geladenen Akkumulator möglich.
Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung wird für die im Micro
rechner realisierte programmierbare Wochenschaltuhr als Zeitbasis ein
Funkuhr-Modul eingesetzt, welches über ein eingebautes Antennensystem
vollautomatisch das Zeitnormal vom Sender in Mainflingen empfangen kann.
Damit werden die obengenannten Nachteile vermieden.
In vorteilhafter Weise können bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsein
richtung nach dem Master-Slave-Funktionsprinzip die Schaltvorgänge in
verschiedenen, parallel geschalteten Systemen gleichzeitig ausgelöst werden,
ohne dass eine direkte Kopplung der Systeme miteinander erforderlich ist.
Weiterhin entfällt das Stellen der Uhr nach einem Versorgungsspannungsaus
fall. Die Wochenschaltuhr wird als Mehrkanal-Schaltuhr ausgeführt. Pro
Kanal steht ein Open-Collector-Ausgang zur Verfügung. Die Schaltzeiten
werden im Application-Programm des Microrechners eingestellt und können
dort jederzeit geändert werden.
Vom Microrechners werden zwei Schaltkanäle für anzuschließende Beleuch
tungseinrichtungen bereitgestellt, wobei einem der beiden Kanäle ein Dimmer
und ein Zufallsgenerator nachgeordnet sind. Dadurch wird ein optisch
wirkungsvolles Ein- und Ausschalten der Zusatzbeleuchtung erreicht.
Möglich ist weiterhin, dass im Microrechner eine Ansteuerschaltung für
mehrere Sprachspeicher realisiert wird, die es ermöglicht, entsprechend des
im Microrechner programmierten Application-Programms die Ausgabe der
Werbebotschaften zu voreingestellten Zeiten, bei Annäherung von Personen
oder durch Auswahl über eine Tastatureingabe zu veranlassen.
Ferner ist es möglich, dass in der Beleuchtungsbox ein LED-Laufschrifter
zeuger integriert ist, der von der zentralen Steuereinheit aktiviert wird.
Der im Microrechner realisierte Laderegler arbeitet nach dem Prinzip der
Strom-Spannungs-Ladung. Eine vom Akkumulator-Hersteller vorgegebene
Ladekennlinie sowie eine Kennlinie zur Temperaturabhängigkeit der
Ladeschlußspannung wird im Speicherbereich der Microrechner-Steuerung
abgelegt und die Ladung entsprechend dieser Kennlinien durchgeführt. Ein
an der Batterie angeschlossener Temperatursensor dient zur Ermittlung der
aktuellen Batterietemperatur und damit der Festlegung der temperaturabhän
gigen Ladeschlußspannung. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik
bekannten Anordnungen können an die erfindungsgemäße Microrechner-
Steuerung zwei Akkumulatoren angeschlossen werden. Bei Erreichen des
Volladezustandes des Reserveakkumulators wird automatisch auf den
Hauptakkumulator umgeschaltet. Zur Verhinderung der Selbstentladung des
Reserveakkumulators wird dieser periodisch mit einem kleinen Ladestrom
nachgeladen. Erreicht auch der Hauptakkumulator den Volladezustand, so
wird der Ladestrom entsprechend reduziert und es fließt nur noch ein gerin
ger Ladestrom für die Erhaltungsladung.
Die im Microrechner realisierte Entladesteuerung regelt die Entladung der
Akkumulatoren. Je nach vorgegebenem Programm wird zunächst der
Hauptakkumulator bis zum Erreichen der Tiefentladeschwelle entladen und
dann auf den Reserveakkumulator umgeschaltet. Gleichzeitig erfolgt durch
einen im Microrechner realisierten Batteriecontroller eine Bilanzierung der in
den beiden Akkumulatoren tatsächlich vorhandenen Energiemengen. Diese
Bilanzierung erfolgt durch eine vorzeichenbehaftete Messung der Lade- und
Entladeströme mittels Shunt an beiden Akkumulatoren. Das Ergebnis dieser
Bilanzierung steht im Microrechner als Wert für weitere Schaltvorgänge zur
Verfügung und kann über Tastendruck auf ein zweizeiliges LCD-Display
ausgegeben werden. In Abhängigkeit vom Energieinhalt können dann stufen
los Komponenten des Gesamtsystems zu- oder abgeschaltet werden. Somit
ergibt sich ein gestaffelter Tiefentladeschutz, dessen Grenzen mit Hilfe der
Software des Microrechners stufenlos eingestellt werden können.
In der Beleuchtungsbox ist eine asymmetrische Leuchte angebracht, die mit
einer Leuchtstofflampe zur annähernd gleichmäßigen Grundbeleuchtung der
zu beleuchtenden Werbefläche ausgerüstet ist. Um die Energieausbeute zu
optimieren, kommen Niederspannungs-Leuchtstofflampen für Betriebsspan
nungen von 12 bis 24 V zur Anwendung.
Die ebenfalls in der Beleuchtungsbox angebrachten zusätzlich verstellbaren
auf einen Punkt gerichteten Strahler (Spot-Strahler) ermöglichen die Gestal
tung von Lichtinseln.
Um diese Spotstrahler optisch wirkungsvoll einsetzen zu können, wird im
Microrechner ein Zufallsgenerator realisiert, der es ermöglicht, die einzelnen
Halogen-Strahler in unterschiedlicher Reihenfolge zu- und abzuschalten.
Der in der Beleuchtungsbox integrierte LED-Laufschrifterzeuger wird von
der zentralen Steuerung zu vorprogrammierten Zeiten bzw. bei Annäherung
von Personen auf dem Gehweg durch einen Bewegungssensor aktiviert. In
dieser Schaltungsanordnung wird ein herkömmlicher LED-Laufschrifterzeu
ger mit serieller Schnittstelle eingesetzt. Die serielle Schnittstelle ermöglicht
eine direkte Kommunikation mit dem Microrechner und damit auch eine
direkte Programmierung und Steuerung des LED-Laufschrifterzeugers.
Weiterhin besteht über ein Funkmodem die Möglichkeit, eine Programmie
rung des LED-Laufschrifterzeugers von einer zentralen Stelle aus durchzu
führen.
Die Steuerung wird zweckmäßigerweise ergänzt durch ein internes Ladege
rät zum Anschluß der Anlage an ein externe Spannungsquelle um das
Nachladen des Energiespeichers bei unzureichendem Energieangebot zu
gewährleisten sowie durch einen Überschußmanager, der die sofortige
Freigabe von Verbrauchern bei vollem Energiespeicher garantiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung kann mehrfach nebeneinan
der an einem flächenhaften Außenwerbeträger angebracht werden, wobei in
diesem Fall nur einer der Basisblöcke mit einer vollständigen Systemsteue
rung versehen sein muss und die übrigen Beleuchtungseinrichtungen von
dieser Steuerung betätigt werden. Zweckmäßigerweise sind dann die Basis
blöcke der einzelnen Beleuchtungseinrichtungen über ein Datenkabel mitein
ander verbunden (Master-Slave-Funktionsprinzip).
Um das Solarpaneel in die günstigste Bestrahlungsrichtung ausrichten zu
können, ist auf der Oberseite des Basisblocks eine drehbar gelagerte, arretier
bare Halterung für die Paneelbox befestigt, in dessen Innerem das Verbin
dungskabel zu der zentralen Steuerung verlegt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von
Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
- - die Unabhängigkeit des Einsatzortes von einer Netzspannungsanschlußmöglichkeit,
- - die Vielseitigkeit der Steuerungsmöglichkeiten durch die Programmierbar keit des Microrechners,
- - die Möglichkeit der unbegrenzten Anzahl an Schaltspielen,
- - die gemeinsame Steuerungsmöglichkeit mehrerer technischer Effekte wie beispielsweise das Zusammenspiel von speziellen Strahleranordnungen für Lichtinselbildungen,
- - die energiesparende Lichterzeugung durch Niederspannungs-Leucht stofflampen, die längere Zeit unabhängig von einer Netzstromversorgung mit regenerativer Energie aus Solarpaneelen in Verbindung mit einem Solarakku mulator betrieben werden,
- - die einfache Montage und Demontage der Beleuchtungseinrichtung,
- - der Aufbau der Gesamtanlage als Bausteinsystem, wodurch je nach Erfor dernissen einzelne Komponenten der Beleuchtungseinrichtung zu einem System kombiniert werden können,
- - die durch den Einsatz des Microrechners ermöglichte einfache Kopplung von mehreren autarken Beleuchtungseinrichtungen nach dem Master-Slave- Funktionsprinzip, wodurch der Schaltungsaufwand bei der Parallelschaltung mehrerer solarbetriebener Beleuchtungseinrichtungen reduziert wird,
- - die Aufstellungsmöglichkeit der Beleuchtungseinrichtung ohne die erforder lichen Genehmigungsverfahren für Erdarbeiten sowie der Wegfall der sonst notwendigen Installationen für den Netzanschluß, wodurch die Kosten für Verlegung und Material sowie die Kosten für Stromverbrauch entfallen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert, bei dem die Beleuchtungseinrichtung an einem flächenhaften
Werbeträger angebracht ist. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Beleuch
tungseinrichtung in montierter Form;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Beleuchtungseinrichtung;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Tafelträger mit
Zusatzeinrichtungen;
Fig. 4 die Unteransicht der Beleuchtungsbox;
Fig. 5 die Seitenansicht der Beleuchtungsbox und
Fig. 6 ein Blockschaltbild der Gesamtanordnung.
In den Fig. 1 und 2 ist die Gesamtanordnung dargestellt. Die erfindungs
gemäße Beleuchtungseinrichtung enthält die Bausteine Paneelbox 1, Basis
block 2 und Beleuchtungsbox 3, die untereinander und mit dem Tafelträger
14 durch stabile Profilschienen verbunden und je nach Bedarf montier- bzw
demontierbar sind. Der Basisblock 2 bildet den Grundbaustein der autarken
Beleuchtungseinrichtung und enthält im Inneren den wechselbaren Reserve
akkumulator 5 und die zentrale Steuereinheit 6 für die gesamte Anlage.
Auf der Deckfläche 7 des Basisblocks 2 befindet sich im vorderen Bereich
ein Dämmerungsschalter 21 und dahinter eine mittels Schwenklager 8
drehbar angeordnete Paneelbox 1, in der ein Solarmodul integriert ist, das in
die für die Energieerzeugung optimale Sonneneinstrahlungsrichtung gedreht
werden kann. Die zur Speisung der Anlage erzeugte Solarenergie wird in
dem im Basisblock 2 befindlichen Reserveakkumulator 5
zwischengespeichert.
Fig. 3 zeigt die Tafelträger 14, in die jeweils ein Infoblock 9 als weiterer
Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung integriert ist. Der Infoblock 9
beinhaltet Anzeigeelemente für Systemdaten, z. B. ein Wetterstationsmodul
10, ein Funkuhr-Modul 12, ein LCD-Display 13 sowie eine Folientastatur 11
und zusätzlich einen Bewegungssensor 19.
Die Bedienbarkeit der zentralen Steuereinheit 6 und der Wechsel des Reser
veakkumulators 5 ist durch abdeckbare Öffnungen 7 im Basisblock 2
gewährleistet.
Am Basisblock 2 ist rechtwinklig zur Werbefläche 4 die in den Fig. 4 und
5 erläuterte Beleuchtungsbox 3 angeordnet. In ihr sind eine zur Lichterzeu
gung verwendete asymmetrische Leuchte 15 mit einer Niederspannungs-
Leuchtstofflampe, der zugehörige Reflektor 16 zur Strahlungskonzentration
auf die zu beleuchtende Werbefläche 4, bedarfsweise einschaltbare und in
ihrer Stellung steuerbare Spot-Strahler 17, ein Lautsprecher 18 zur Abgabe
akustischer Effekte und in der schräggestellten Stirnfläche der LED-Lauf
schrifterzeuger 20 angeordnet.
Eine umfassende Plastbeschichtung sämtlicher Gehäuseoberflächen der
Bausteine sorgt für eine weitgehende Witterungsresistenz der Anlage.
Das Zusammenwirken der Funktionselemente erläutert das in Fig. 6 darge
stellte Blockschaltbild.
1
Paneelbox
2
Basisblock
3
Beleuchtungsbox
4
Werbefläche
5
Reserveakkumulator
6
zentrale Steuerung
7
Deckfläche des Basisblocks
8
Schwenklager
9
Infoblock
10
Wetterstationsmodul
11
Folientastatur
12
Funkuhr-Modul
13
LCD-Display
14
Tafelträger
15
asymmetrische Leuchte
16
Reflektor
17
Spot-Strahler
18
Lautsprecher
19
Bewegungssensor
20
LED-Laufschrifterzeuger
21
Dämmerungsschalter
Claims (6)
1. Solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Beleuchtungsele
mente, einen Energiespeicher und eine Steuereinheit enthält, dadurch
gekennzeichnet, dass
- - die Beleuchtungselemente als modularen Baugruppe ausgebildet sind, die jeweils aus einem Basisblock (2), der den Energiespeicher und die Steuerein heit enthält, einer Beleuchtungsbox (3), die mindestens eine asymmetrische Leuchte (15) und einen Spot-Strahler (17) enthält, und einer Paneelbox (1), die ein Solarpaneel enthält, bestehen,
- - die Beleuchtungseinrichtung über eine zentrale Systemsteuerung (6) mit Microcontroller gesteuert wird und
- - der Energiespeicher zwei getrennt ansteuerbaren Akkumulatoren enthält, in denen die Solarenergie gespeichert wird.
2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Paneelbox (1) um eine horizontale Achse schwenkbar angeordnet
ist und eine Feststellmöglichkeit aufweist.
3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass die Akkumulatoren mit Batteriecontrollern zur Überwachung des
Ladezustandes und mit Temperatursensoren zur Überwachung der Betrieb
stemperatur gekoppelt sind und dass im Microcontroller der zentralen
Systemsteuerung (6) ein Laderegler für die Akkumulatoren und eine Entla
desteuerung mit Tiefentladeschutz und Batteriecontroller integriert ist.
4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Leuchte (15) und der
Spot-Strahler (17) der Beleuchtungsbox (3) über zwei Schaltkanäle
angesteuert werden, wobei einem der beiden Kanäle ein Dimmer und ein
Zufallsgenerator zugeordnet ist.
5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung nach einem im
Microcontroller gespeicherten Programm zu voreingestellten Zeiten
und/oder bei Annäherung von Personen mit Hilfe eines PIR-Sensors gesteu
ert wird.
6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerung (6) und einer der
Akkumulatoren in einem mit verschließbaren Öffnungen versehenem
Gehäuse angeordnet sind, welches durch Trennwände unterteilte Fächer
aufweist, wobei der Reserveakkumulator (5) sich in einem Fach auf einem
beweglichen Schlitten befindet und die zentrale Steuerung (6) in einem Fach
angeordnet ist, dessen Öffnung kleiner als die Abmessungen der zentralen
Steuerung (6) ist.
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