CN110160486A - 太阳位置传感器 - Google Patents

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Abstract

用于确定太阳光的入射角的太阳位置传感器具有光学本体和半导体衬底，所述半导体衬底具有平坦的下侧并且具有上侧，并且具有构造在所述半导体衬底的上侧处的至少三个太阳能电池，并且所述太阳能电池中的每个具有平坦的接收面和在所述接收面处的第一电连接端，并且所述太阳能电池的第二电连接端共同地构造在所述半导体衬底的下侧处，并且所述光学本体包括凸地构造的透明的表面区域，并且入射穿过表面区域的直接的太阳光借助所述光学本体在所述太阳能电池的平坦的接收面上形成焦斑，并且所述太阳能电池的平坦的接收面布置在共同的平面中，并且每个接收面整面地邻接光学本体。

Description

太阳位置传感器
技术领域
本发明涉及一种太阳位置传感器(Sonnenstandssensor)。
背景技术
由Kianoosh Azizi和Ali Ghaffari的《Design and Manufacturing of a High-Precision Sun Tracking System Based on Image Processing》(国际光能杂志，卷2013，ID 754549)已知一种用于光伏设备的太阳跟踪设备，该太阳跟踪设备将四个光电阻的装置与摄像机组合，其中，在第一模式中借助光电阻进行光伏设备的大致取向，并且接下来根据摄像机数据和图像处理方法执行取向的优化。
由US 8,592,738B1已知一种用于求取太阳位置的探测器单元，该探测器单元在一个端部处具有凸的表面并且在相对置的端部处具有光探测器。
尤其对于所谓的CPV光伏设备，用于准确跟踪的太阳位置传感器对于提高效率是特别重要的，以便使太阳辐射优选地恰好垂直地照射到CPV模块的菲涅尔镜上。
发明内容
在这些背景下，本发明的任务在于提出一种改善现有技术的设备。
该任务通过一种具有权利要求1的特征的太阳位置传感器解决。本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的主题提供一种用于确定太阳光的入射角的太阳位置传感器，该太阳位置传感器具有光学本体和半导体衬底。
半导体衬底具有平坦的下侧并且具有上侧。在半导体衬底的上侧处构造有至少三个至最多八个太阳能电池。
太阳能电池中的每个具有平坦的接收面并且具有在接收面处的第一电连接端。
太阳能电池的第二电连接端共同地构造在半导体衬底的下侧处。
光学本体包括凸地构造的透明的表面区域，并且入射穿过表面区域的直射的太阳光借助光学本体在太阳能电池的平坦的接收面上形成焦斑(Brennfleck)。
太阳能电池的平坦的接收面布置在共同的平面中。
每个接收面整面地邻接光学本体并且与光学本形状锁合且力锁合地连接。
光学本体包括具有至少1.1的折射率的透明材料或由具有至少1.1的折射率的透明材料构成。
应注意到，在进行聚焦的系统(所谓的CPV系统)的情况下，由于光学错误成像，与面法线(即垂直的辐射)小的偏差已经导致剧烈的效率损失。
此外应注意到，概念“邻接”优选地包括直接邻接。换句话说，在光学本体与接收面之间没有构造空气隙。
可以理解，名称“焦斑”表示在太阳能电池的接收面上的面积。在此，在太阳光垂直入射到光学本体的表面区域上的情况下，焦斑覆盖多个太阳能电池的或所有太阳能电池的面积。
根据本发明的设备的特征在于特别紧凑的结构以及简单且成本有利的制造。
“小的偏差”在此理解为小于1.5°、优选小于1°、最高优选小于0.5°、最高优选小于0.1°、最高优选小于0.05°的角度。换句话说，为了使CPV系统的光学损耗尤其保持得小，需要借助太阳位置传感器确保太阳能电池相对于太阳的最精确的取向和可靠的跟踪。
由接收面之间的强度分布可以确定太阳光的入射方向，并且光伏设备借助控制单元进行跟踪，从而太阳光与太阳的方位角不相关地垂直地照射到光伏设备的模块的表面上。
在一种扩展方案中，凸的表面区域的尺寸确定孔径面积。优选地，表面区域圆形地构造。
在另一扩展方案中，与表面区域邻接的区域完全地包围表面区域。优选地，邻接的区域不透明地构造。换句话说，不透明的区域防止太阳光渗透到邻接的区域中。
在一种实施方式中，不透明的材料包括浇铸料(Vergussmasse)，其中，凸的表面区域的一部分或整个凸的表面区域从浇铸料突起并且与周围环境空气邻接。
“突起”在此理解如下：太阳位置传感器的所有其他的部分沿光学轴线布置在凸的表面区域以下，即在表面区域的最下面的点或最下面的区域以下，或者没有太阳位置传感器的部分而且也没有太阳位置传感器的壳体的部分在垂直于光学轴线的方向上布置在凸的表面区域旁。
换句话说，优选地，没有太阳位置传感器的部分沿光学轴线布置在表面区域以上。
在一种实施方式中，太阳能电池构造为薄层太阳能电池。如下的光电模块称为薄层太阳能电池：所述光电模块具有通过大面积的薄层技术(例如借助化学或物理的气相沉积)沉积的薄的光电层。有效的层(即太阳能电池)通常由仅几微米薄的材料构成。
在一种优选的实施方式中，每个太阳能电池与一个电阻并联连接，该电阻由电流信号产生电压信号。最优选地，为此使用在下文中进一步提及的堆叠太阳能电池，所述堆叠太阳能电池由于其高电压允许2V和更大的信号电平，所述堆叠太阳能电池理想地适用于连接到成本有利的数/模转换器处。
在另一实施方式中，太阳能电池构造为光电二极管。应注意到，太阳能电池也可以通过施加外电压用作光电二极管。如果光照射到光电二极管上，那么光电二极管导通，并且可以探测到通过电流。
在另一实施方式中，太阳能电池包括超过60％的III-V族半导体材料和锗或者由III-V族半导体材料和锗构成。
在一种扩展方案中，光学本体由聚合物构成或包括聚合物。优选地，聚合物完全包围具有太阳能电池的半导体衬底，除了从光学本体引出的电连接端以外。
在一种扩展方案中，太阳能电池具有由多个部分太阳能电池构成的堆叠状的层结构，其中，堆叠状的层结构包括至少两个部分太阳能电池。优选地，部分太阳能电池具有不同的带隙。这种太阳能电池称为多结太阳能电池。
在一种扩展方案中，多结太阳能电池包括基于锗的部分电池。优选地，多结太阳能电池单片地(monolithisch)构造或包括晶圆接合或变质的缓冲结构。
在一种扩展方案中，太阳能电池与半导体衬底在半导体衬底上构成外延的单片集成的晶体复合结构。优选地，在太阳能电池之间(即在两个直接相邻的太阳能电池之间)构造台型凹槽(Mesagraben)。在此，台型凹槽构造到直至衬底上或衬底中。
在一种扩展方案中，每个光传感器的接收面形成每个光传感器的第一连接端接通部，并且半导体衬底形成用于所有太阳能电池的共同的第二连接端接通部。换句话说，在每个光传感器的接收面上分别构造第一连接端接通部。
在一种扩展方案中，至少三个太阳能电池的接收面相对于处于光学本体的光学轴线上的共同点具有距光学轴线最大1mm、尤其最大0.5mm、尤其最大0.2mm、尤其最大0.1mm或最大0.05mm的间距。
应注意到，接收面相对于光学轴线的间距越小，可以越快地确定与垂直的入射光的偏差。
在另一实施方式中，太阳能电池的成对地彼此(即光传感器的侧面与直接相邻的光传感器的平行延伸的侧面之间)的间距是最大1mm、或最大0.5mm、或最大0.2mm、或最大0.1mm。
通过太阳能电池之间尽可能小的间距确保：焦斑在传感器的经调节的取向上覆盖相邻的太阳能电池的部分面。换句话说，焦斑在传感器的经调节的取向上同时照射至少三个太阳能电池并且因此在所分配的至少三个连接端处产生电流信号。由电流信号的关系求取传感器的取向相对于直射的太阳光的偏差的方向和大小。
在另一实施方式中，太阳位置传感器具有最大50mm、或最大30mm、或最大20mm、或最大10mm的高度，以便实现尽可能紧凑的结构方式。由此可以节省制造成本和资源。
在一种扩展方案中，半导体衬底布置在具有至少四个印制导线的印制电路板上，并且每个光传感器的每个电接通部与印制电路板的印制导线电连接。
在另一扩展方案中，每个光传感器设有保护二极管。
借助恰好三个太阳能电池可以实现绕着转动轴线进行可靠且精确的跟踪。
太阳能电池的数量基本上取决于要跟踪的轴线的数量。对于在一个轴线上的跟踪，2个太阳能电池是足够的。对于绕着两个转动轴线的可靠且精确的跟踪，3个太阳能电池是足够的。然而在控制时经受挑战，因为在借助仅三个太阳能电池进行探测的情况下，跟踪单元的两个伺服电机需要多次交替地或同时地受控地运行，以便遵循两个太阳能电池之间的斜的间隙。为了在两个轴线上更有效的取向，通常使用恰好四个太阳能电池。
在一种实施方式中，设置四个太阳能电池并且四个太阳能电池的接收面共同地构成正方形的面。
在一种实施方式中，印制电路板的至少4个印制导线分别与信号电缆的至少一个芯线或与排针(Stiftleiste)的至少一个针(Stift)导电地且力锁合地连接。
根据本发明的太阳位置传感器的优点是在同时确保高的测量精度的情况下紧凑且耐用的结构。太阳位置传感器特别能抵抗外部的周围环境影响。另一优点是，尤其可以成本有利地制造根据本发明的太阳位置传感器。
在一种扩展方案中，光学本体构造为由透镜和光学透明的粘合材料构成的复合结构，其中，透镜的下侧仅仅借助光学透明的粘合材料与太阳能电池的接收面力锁合地连接，其中，透镜的下侧完全地覆盖接收面。
在一种实施方式中，透镜的下侧相对于太阳能电池的所有接收面的总和的面积比例处于1.0至10之间的范围内，其中，太阳能电池的接收面总共覆盖载体的下侧的至少90％。
在一种扩展方案中，接收面构造得如此大，使得借助接收面仅探测到如下太阳光：所述太阳光相对于光学轴线优选地具有±5°的入射角、或±10°的入射角、或±15°的入射角、或±20°的入射角。
可以理解，突起的第一表面区域没有浇铸料。由此，入射光限制在绕着光学轴线的入射角范围。此外，浇铸料可靠地保护构件免遭周围环境影响，例如湿气、灰尘、异物或水。借助浇铸料也确保构件的电绝缘。
应注意到，“嵌入浇铸料中”表示铸入构件、尤其无空气地浇铸，由此构件几乎完全地并且尤其在浇铸料与构件之间没有间隙或缝隙的情况下被浇铸料包围。
在一种替代的实施方式中，太阳能电池、具有半导体衬底和光学本体的印制电路板如此嵌入浇铸料中，使得仅光学本体的第一表面区域从浇铸料突起，其中，从浇铸料引出至少一个信号电缆和/或固定装置和/或冷却装置。
通过无空气地灌注构件产生严密密封的单元，该单元是特别不受天气影响的。另一优点是，通过铸造或浇铸可以特别小地且成本有利地制造太阳位置传感器。
因为光学本体自身也无空气地构造(即仅仅由具有至少1.1的折射率的材料构成)，所以避免如下空腔：在该空腔中冷凝的湿气可以散射入射光。因此也可以在变换的天气情况下确保可靠的功能。
根据另一替代的实施方式，太阳能电池、半导体衬底和光学本体如此布置在壳体中，使得光学本体的表面区域从壳体突起并且其他的区域通过壳体遮住免遭光。
壳体也能够实现遮住光学本体的第三表面区域免遭光辐射并且保护构件免遭周围环境影响。光通过透镜的表面区域的突起(即壳体相应的开口)照射到太阳能电池上，并且确定入射角。
根据另一实施方式，太阳能电池的接收面总共覆盖载体表面的至少90％。为了尽可能紧凑的结构形式，有利的是载体表面的尺寸不超过太阳能电池的接收面的尺寸的两倍。
此外，本发明涉及先前描述的类型的太阳位置传感器用于求取照射到太阳位置传感器的光学本体上的光的入射角的应用，并且还涉及先前描述的类型的太阳位置传感器用于使太阳能电池跟踪太阳位置的应用。
在此，入射角是可测量的，只要焦斑同时照射多个太阳能电池。反之，如果焦斑仅照射一个太阳能电池，那么至少需要改变取向的方向是已知的，因此角度又变得可测量。这种响应特性与太阳跟踪的要求最佳地相协调，在该太阳跟踪的情况下在大的空间角范围内需要用于快速的粗略取向的方向信息并且在窄的空间角范围内需要用于精细微调的角度信息。
在另一扩展方案中，光学本体一体地构造并且包括石英玻璃化合物和/或包括透明的聚合物。
附图说明
以下参照附图进一步阐述本发明。在此，同类的部分以相同的标志来标记。所示出的实施方式是强烈示意性的，也就是说，间距以及横向和纵向的延伸不是按比例的并且——只要未另外说明——相互也不具有能推导的几何关系。附图示出：
图1示出一种太阳位置传感器的根据本发明的第一实施方式的视图；
图2示出一种太阳位置传感器的根据本发明的第二实施方式的视图；
图3示出一种太阳位置传感器的根据本发明的另一实施方式的视图；
图4示出一种太阳位置传感器的根据本发明的另一实施方式的俯视图；
图5示出一种太阳位置传感器的根据本发明的另一实施方式的俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的太阳位置传感器10的第一实施方式的视图，所述太阳位置传感器用于确定太阳光的入射角。
太阳位置传感器10具有光学本体20和半导体衬底40，该半导体衬底具有平坦的下侧并且具有上侧并且具有构造在半导体衬底40的上侧处的至少三个太阳能电池30(仅示出两个)。
太阳能电池30与半导体衬底40单片地连接。
太阳能电池30中的每个具有平坦的接收面31并且具有在接收面31处的第一电连接端33。太阳能电池30的第二电连接端35共同地构造在半导体衬底40的下侧处。
太阳能电池30通过台型凹槽37彼此分离，然而借助半导体衬底40连接。
光学本体20包括凸地构造的透明的表面区域22。
入射穿过表面区域22的直射的太阳光L借助光学本体20在太阳能电池30的平坦的接收面31上形成焦斑。
凸的表面区域22的尺寸确定孔径面积APF。表面区域22同心地构造。
与表面区域22邻接的区域完全包围表面区域22，其中，邻接的区域不透明地构造。
邻接的区域包括不透明的材料，其中，不透明的材料构造为浇铸料60。表面区域22的部分从浇铸料60突起并且与周围环境空气邻接。
不透明的浇铸料60遮住光学本体20免遭太阳光。此外，浇铸料60保护布置在其中的所有构件免遭周围环境影响。
光学本体20可以构造为透明的全浇铸件(Voll-Verguss)。
替代地，光学本体20由玻璃透镜构成。玻璃透镜借助硅酮与半导体衬底40并且与接收面力锁合地连接。
在图2的示图中示出太阳位置传感器10的另一实施方式。以下仅阐述与图1的示图的区别。
在所示出的实施例中，半导体衬底40借助面式地构造的连接端35布置在印制电路板50的印制导线区段49上并且与印制导线区段49电连接。在印制电路板50的上侧上构造多个印制导线区段49。印制电路板50充当用于装置的载体。
第一连接端31分别借助接合引线(Bonddraht)与印制导线区段49中的一个连接。
在图3的示图中示出太阳位置传感器10的另一实施方式，其中，以下分别仅阐述与图1和图2的示图的实施方式的区别。
在所示出的实施例中，半导体衬底40借助面式地构造的第二电连接端35布置在金属条区段51(也称为引线框)上并且与金属条区段51电连接。
第一连接端31分别借助接合引线与其他的金属条区段51(也称为引脚)连接。
光学本体20构造为透明的灌注件并且如此包围金属条区段51，使得仅引脚的区段仍然从灌注件突起。
在图4的示图中示出太阳位置传感器10的另一实施方式的俯视图。以下仅阐述与图1和图2的示图的区别。
在图4中示出的太阳位置传感器的实施方式具有恰好三个太阳能电池30.1、30.2、30.3。
太阳能电池30.1、30.2、30.3如此布置在印制电路板的正方形的表面上，使得太阳能电池30.1、30.2、30.3的接收面几乎完全覆盖载体40的表面，太阳能电池30的彼此面向的侧面彼此平行地延伸，并且每个接收面31相对于处于光学轴线24上的点P具有相同的间距，其中，每个接收面31相对于其他的接收面31具有小的间距，并且在接收面之间构造有台型凹槽37。
每个光传感器30.1、30.2、30.3具有第一电连接端33中的一个。
光学本体20在俯视图中完全覆盖所有三个太阳能电池30.1、30.2、30.3的接收面31。
在图5的示图中示出太阳位置传感器10的另一实施方式的俯视图。以下仅阐述与图4的示图的区别。
太阳位置传感器10具有四个太阳能电池30.1、30.2、30.3、30.4。太阳能电池30.1、30.2、30.3、30.4分别正方形地构造并且以具有两列和两行的矩阵布置。

Claims (17)

1.一种太阳位置传感器(10)，其用于确定太阳光的入射角，所述太阳位置传感器具有：
光学本体(20)和半导体衬底(40)，所述半导体衬底具有平坦的下侧并且具有上侧，并且具有构造在所述半导体衬底(40)的上侧处的至少三个太阳能电池(30)；
所述太阳能电池(30)中的每个具有平坦的接收面和在所述接收面处的第一电连接端(33)，并且所述太阳能电池(30)的第二电连接端共同地构造在所述半导体衬底(40)的下侧处；
所述光学本体(20)包括凸地构造的透明的表面区域(22)；
其特征在于，入射穿过所述表面区域的直接的太阳光借助所述光学本体(20)在所述太阳能电池的平坦的接收面上形成焦斑，所述太阳能电池(30)的平坦的接收面布置在共同的平面中，每个接收面整面地邻接所述光学本体(20)并且与所述光学本体形状锁合且力锁合地连接，所述光学本体(20)包括具有至少1.1的折射率的透明材料或由至少1.1的折射率的透明材料构成。
2.根据权利要求1所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述光学本体由聚合物构成或包括聚合物，并且所述聚合物完全包围具有所述太阳能电池的半导体衬底，除了从所述光学本体引出的电连接端以外。
3.根据权利要求1或2所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，与所述表面区域邻接的区域完全地包围所述表面区域，并且所述邻接的区域不透明地构造。
4.根据权利要求3所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，不透明的材料包括浇铸料(60)并且所述表面区域的至少一部分从所述浇铸料(60)突起并且与周围环境空气邻接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述太阳能电池(30)具有堆叠状的层结构，其中，所述堆叠状的层结构包括至少三个部分太阳能电池并且所述部分太阳能电池具有不同的带隙。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述半导体衬底(40)包括硅，并且所述太阳能电池(30)在所述硅衬底的表面处构造为彼此分离的发射极区域。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述太阳能电池(30)与所述半导体衬底(40)构成单片集成的晶体复合结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，在所述太阳能电池(30)之间构造有台型凹槽。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述太阳能电池(30)的接收面成对地彼此具有最大1mm、或最大0.5mm、或最大0.2mm、或最大0.1mm、或最大0.05mm的间距。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述太阳位置传感器(10)具有最大50mm、或最大30mm、或最大20mm、或最大10mm的高度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，设置恰好四个太阳能电池(30.1,30.2,30.3,30.4)，并且所述四个太阳能电池的接收面共同构成正方形的面。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述半导体衬底(40)布置在具有至少四个印制导线的印制电路板(50)上并且每个太阳能电池(30)的每个电接通部(32，42)与所述电路板(50)的印制导线电连接。
13.根据权利要求12所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述电路板(50)的至少4个印制导线分别与信号电缆的各个芯线或与排针的每个针导电地且力锁合地连接。
14.根据权利要求13所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述光学本体(20)构造为由透镜和光学透明的粘合材料构成的复合结构，并且所述透镜的下侧仅仅借助所述光学透明的粘合材料与所述太阳能电池(30)的接收面力锁合地连接，其中，所述透镜的下侧完全覆盖所述接收面。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述光学本体(20)包括石英玻璃化合物和/或包括透明的聚合物。
16.根据权利要求3至15中任一项所述的太阳位置传感器(10)，其特征在于，所述太阳能电池(30)、具有所述半导体衬底(40)和所述光学本体(20)的所述印制电路板如此嵌入所述浇铸料(60)中，使得仅所述光学本体(20)的第一表面区域(22)从所述浇铸料(60)突起，其中，从所述浇铸料(60)引出至少一个信号电缆(54，56.1，56.2，58)和/或固定装置(52)和/或冷却装置(84)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的太阳位置传感器(10)的应用，使太阳能电池装置跟踪太阳的位置。
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