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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennen- und Solarzellenanordnung.
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In der modernen Zeit wächst das Bedürfnis, zumindest einen Teil der Freizeit in der Natur zu verbringen. Gleichzeitig besteht der Wunsch, nicht auf moderne Bequemlichkeiten wie eine Klimatisierung oder Informations- und Unterhaltungsmedien verzichten zu müssen. Daher werden beispielsweise Klimaanlagen oder Satellitenempfänger auf den Dächern von Wohnmobilen oder Wohnwagen angebracht.
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Der
EP 1 076 407 A2 lässt sich eine Vorrichtung entnehmen, die gleichzeitig als Solarzelle und Antenne dient. Solche Komponenten, die zwei Funktionen erfüllen, erlauben es generell, kompakte Geräte zu konstruieren.
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Sollte ein solches Gerät, welches als Antenne und Solarpanel dient, für die Kommunikation mit Satelliten bei einem beweglichen Fahrzeug wie einem Wohnwagen oder Wohnmobil Verwendung finden, so müsste das Fahrzeug wegen der Richtcharakteristik der Antenne stets passend ausgerichtet werden. Dies wäre sehr aufwendig und für einen normalen Benutzer nur schwer zu realisieren.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Solarzellen- und Antennenanordnung vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Antennen- und Solarzellenanordnung, mit einer Mehrzahl von Zellen und einer Steuereinheit, wobei die Zellen als Solarzellen und als Antennen ausgestaltet sind, und wobei die Steuereinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit die Zellen als Phased-Array-Antenne betreibt.
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Die erfindungsgemäße Antennen- und Solarzellenanordnung ist ein Kombinationsgerät, welches über die Solarzellen-Funktion elektrische Energie gewinnt und über die Antennenfunktion elektromagnetische Signale aussendet und/oder empfängt. Hierfür sind eine Mehrzahl von Zellen und eine Steuereinheit vorhanden. Die einzelnen Zellen dienen sowohl als Solarzellen als auch als Antennen. Die Zellen sind insbesondere in einer Matrix angeordnet. Dies geht vorzugsweise damit einher, dass jeder Zelle die eigene Position und die Positionen der anderen Zellen zugeordnet sind. Die Steuereinheit betreibt die einzelnen Zellen gemeinsam als Phased-Array-Antenne. Die Steuereinheit gibt beispielsweise die auszustrahlenden Signale vor oder übergibt die empfangenden Signale für die weitere Verarbeitung an eine nachgeordnete Einheit weiter. Die Steuereinheit gibt z. B. auch die Richtung vor, in welcher Signale zu senden oder aus welcher Signale zu empfangen sind. Der Antennentyp der Phased-Array-Antenne erlaubt ein einfaches Verschwenken der Richtcharakteristik und ist somit für die Kommunikation mit Satelliten ideal geeignet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mehrzahl von Zellen eine Einheit bilden. In dieser Ausgestaltung sind die Zellen zu einer gemeinsamen Einheit oder Gesamtkomponente zusammengefasst.
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Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Mehrzahl von Zellen aus modularen Einheiten besteht, die jeweils eine Zelle oder mehr als eine Zelle umfassen. In dieser Ausgestaltung sind mehrere modulare Einheiten als separate Komponenten vorhanden. Die Komponenten sind also kleinere Einheiten, die z. B. jeweils einzeln gefertigt und jeweils einzeln an einem Anwendungsort montiert werden.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuereinheit als von der Mehrzahl von Zellen separate Einheit ausgeführt ist. In dieser Ausgestaltung ist die Steuereinheit eine separate Komponente, die auf die Zellen einwirkt.
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Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit zumindest teilweise durch die Mehrzahl von Zellen realisiert ist. In dieser Ausgestaltung verfügen die Zellen über eine Art von Intelligenz, die es ihnen erlaubt, ihre Funktionen als Solarzelle sowie als Antenne auszuüben sowie sich als Zellen untereinander zu organisieren. In einer Ausgestaltung reduziert sich die Funktion der Steuereinheit somit auf die Vorgabe von Signalen, dem Empfang von Signalen und z. B. der Ausgabe von Abstrahlungs- bzw. Empfangsrichtungen. Die Steuereinheit ist also eine Art von Schnittstelle zu weiteren nachgeordneten Komponenten.
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Für die Realisierung des Betriebs der Zellen als Phased-Array-Antenne gibt es folgende beispielhafte Möglichkeiten, die ggf. auch miteinander kombiniert werden können.
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In einer Ausgestaltung, die als „analog“ bezeichnet werden kann, hat jede Zelle eine Elektronik, die eine leichte Verzögerung des Signals realisiert, sodass sich die Richtung der gesamten Welle und damit des Signals ergibt. Die Verzögerung wird dabei von der Steuereinheit vorgegeben, die jede Zelle separat adressiert. Für das Senden von Signalen generiert die Steuereinheit ein Basis-Signal (Frequenz und Modulation), welches in Abhängigkeit von den Verzögerungen in den Zellen in eine gewünschte Richtung ausgestrahlt wird. Beim Empfangen von Signalen übertragen die Zellen ihre jeweiligen Signale an die Steuereinheit. Bedingt durch die Verzögerung in den Zellen findet bereits eine Diskriminierung in Bezug auf Richtung und Frequenz statt. Die Steuereinheit filtert anschließend die Signale. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch geringe Kosten aus, erhöht jedoch den Aufwand für die Steuereinheit.
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In einer alternativen Ausgestaltung, die als „digital“ bezeichnet werden kann, gibt die Steuereinheit als Zentraleinheit Befehle an jede Zelle, in welche Richtung Signale mit welcher Frequenz und Modulation zu senden bzw. aus welcher Richtung sie zu empfangen sind. Ausgehend davon, dass alle Zellen Informationen über ihre eigene Position in der Matrix der Zellen haben, ermitteln sie selbsttätig, welche Zeitverzögerung für die von ihnen gesendeten bzw. empfangenen Signale notwendig ist. Mit dieser Information erzeugen sie ebenfalls selbständig die auszusendenden Signale bzw. verarbeiten sie die empfangenen Signale.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Zellen jeweils eine Funktionskomponente, eine Leistungselektronik und eine Steuerkomponente aufweisen, dass die Funktionskomponente als Solarzelle und als Antenne dient, dass die Steuerkomponente derartig ausgestaltet ist, dass sie die Funktionskomponente mit abzustrahlenden elektromagnetischen Signalen beaufschlagt und/oder von der Funktionskomponente empfangene elektromagnetische Signale empfängt, und dass die Steuerkomponente und die Leistungselektronik derartig ausgestaltet sind, dass die Steuerkomponente über die Leitungselektronik eine von der Funktionskomponente erzeugte elektrische Energie anpasst. Jede Zelle verfügt in dieser Ausgestaltung über eine Funktionskomponente, die die beiden Funktionen einer Solarzelle und einer Antenne ausfüllt. Daher kann die Funktionskomponente alternativ auch als Solarzellen- und Antennenkomponente bezeichnet werden. Weiterhin ist eine Steuerkomponente vorhanden. Die Steuerkomponente hat zwei Funktionen: Zum einen steuert sie die Antennenfunktion. Sie beaufschlagt die Funktionskomponente mit elektromagnetischen Signalen, die ausgestrahlt werden sollen. Alternativ oder ergänzend empfängt sie von der Funktionskomponente elektromagnetische Signale. Sie steuert also das Senden und/oder das Empfangen von Signalen. Zum anderen steuert sie die Solarzellenfunktion, indem sie über die - analoge - Leistungselektronik eine Anpassung der erzeugten elektrischen Energie bewirkt. So werden beispielsweise passende Spannungswerte pro Zelle eingestellt. In einer Ausgestaltung wird in den Zellen jeweils eine Leistungsanpassung als Teil des Maximum Power Point Tracking vorgenommen. Alternativ oder ergänzend wird die Temperatur der Zelle ermittelt und über eine Kühlung geregelt.
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Im Folgenden werden ein paar beispielhafte Realisierungen für die Funktion als Solarzelle und somit für die Energieerzeugung vorgestellt:
- Üblicherweise liefern Solarzellen nativ eine Spannung von ca. 0,6 V und in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung einen gewissen Strom. Für die Ausgestaltung der Zellen und ihre elektrische Verbindung miteinander gibt es folgende Ansätze:
- 1) Alle Zellen werden parallel geschaltet. Dies hat den Vorteil, dass ein Ausfall oder eine Abschattung einer Zelle keine Auswirkung auf die anderen Zellen hat. Nachteilig ist jedoch die geringe Spannung und die damit erhöhten Anforderungen an die eingesetzten Komponenten (z. B. die Verwendung von Kupferleitungen mit sehr großem Durchmesser).
- 2) Alle Zellen werden in Reihe geschaltet. Der Vorteil ist, dass sich so die Gesamtspannung erhöht und damit weniger Anforderungen an beteiligte Bauteile gestellt werden müssen (z. B. dünnere Leitungen für die Verbindung). Als nachteilig ist jedoch zu bewerten, dass eine Abschattung einer Zelle dazu führt, dass die anderen Zellen ebenfalls keine Energie liefern. Zudem könnte die Gesamtspannung zu hoch sein, sodass es zu Problemen in Bezug auf Isolation und Sicherheit kommen kann. So wäre z. B. bei einer Matrix mit Zellen von 2x4 m eine Gesamtspannung von ca. 480 V zu erwarten.
- 3) Es ist auch eine Kombination der beiden vorgenannten Möglichkeiten realisierbar. So ist es beispielsweise möglich, Gruppen der Zellen zu bilden, die in Reihe geschaltet sind. Diese Gruppen werden dann entweder ebenfalls in Reihe oder parallel geschaltet, falls die zu erwartende Gesamtspannung zu hoch sein sollte.
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Der Problematik der Abschattung von einzelnen Zellen kann durch eine Bypass-Diode begegnet werden. So ist in einer Ausgestaltung zu jeder Zelle eine Bypass-Diode parallel geschaltet. In einer anderen Ausgestaltung ist mehreren, z. B. 10 Zellen eine Bypass-Diode parallel geschaltet. Diese Variante ist kostengünstiger als pro Zelle eine Diode.
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In einer Ausgestaltung wird der Elektronik, über die die Antennen-Funktion der Zellen realisiert wird, durch eine vorgenannte Bypass-Diode ergänzt. Damit ergibt sich als Vorteil, dass das Problem der Abschattung gelöst ist. In einer Ausgestaltung ist die Diode im Silizium der anderen Elektronikkomponenten realisiert und wird bei der Fertigung der Zelle erzeugt.
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In einer Ausgestaltung ist die Leistungselektronik so ausgeführt, dass die Zelle selbst die Spannung anpasst, d. h. entweder erhöht oder herabsetzt. Dadurch wird die Gesamtspannung je nach Anforderung moduliert. Die Zellen an sich oder auch Gruppen von Zellen sind z. B. in Reihe oder parallel geschaltet. Als Vorteil ergibt sich, dass keine Regelungskomponente für das Gesamtsystem erforderlich ist. Dies wäre z. B. ein MPPT-Kontroller, welcher durch eine Modulierung des Stroms eine Maximierung der Energie anstrebt, ohne dass der Spannungswert zu weit absinkt. Diese Funktion übernimmt in dieser Variante die Leistungselektronik der Zelle.
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In einer Ausgestaltung übernimmt die Leistungselektronik die Funktion eines Batterie-Ladegeräts.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Antennen- und Solarzellenanordnung ferner einen Träger aufweist, und dass die Zellen auf dem Träger angeordnet sind. Vorzugsweise ergibt sich ein flacher Aufbau. Die Steuereinheit ist in einer Ausgestaltung ebenfalls mit dem Träger verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Steuereinheit separat vom Träger ausgeführt.
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In einer Ausgestaltung weist die Steuerkomponente mindestens einen Chip auf. Die Steuerkomponente dient speziell der Antennenfunktion und/oder der Solarzellenfunktion. Für die Umsetzung gibt es die folgenden beispielhaften Möglichkeiten:
- 1) Eine Schaltung, die z. B. zumindest teilweise aus Silizium-Komponenten besteht, wird auf einer klassischen Platine bestückt, die dann an der Zelle angebracht.
- 2) Die Zelle oder zumindest ein Teil davon ist als eine Platine hergestellt, indem z. B. die Leitungen zwischen den Bauteilen der Schaltung im Silizium der Zelle erzeugt und die Bauteile der Schaltung direkt auf der Zelle bestückt sind.
- 3) Die aus Silizium bestehenden Bauteile der Schaltung sind direkt im Silizium der Platine der Zelle z. B. durch Verfahren wie Fotolithografie oder Ätzen erzeugt worden. Sind ggf. weitere Bauteile erforderlich, die nicht aus dem Silizium der Zelle erzeugt werden können, so sind diese Bauteile beispielsweise auf einer weiteren Platine aufgebracht oder sie werden auf der Platine aufgebracht.
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In einer Ausgestaltung ist die Steuerkomponente durch einen Chip realisiert. In einer alternativen Ausgestaltung verfügt die Steuerkomponente über mehr als einen Chip.
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In einer Ausgestaltung ist der Chip bzw. sind die Chips ergänzt um weitere Bauteile.
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Der Chip ist oder die Chips sind vorzugsweise gemäß den obigen Ausführungen, also z. B. auf einer Platine oder in dem Silizium der Zelle selbst umgesetzt.
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Für die Kommunikation hinsichtlich Antennenfunktion und/oder Spannungsanpassung zwischen den einzelnen Zellen und der Steuereinheit als Zentraleinheit gibt es beispielsweise folgende Möglichkeiten:
- In einer Variante werden z. B. Steuersignale oder empfangene bzw. auszusendende Signale über die Leitungen übertragen, welche sich zwischen den Zellen für die Leistungsübertragung befinden. Dies ist vergleichbar mit einer Powerline-Kommunikation.
- In einer alternativen Ausgestaltung ist nur eine zusätzliche Leitung für die Antennen- und die Solarzellen-Funktion vorhanden.
- In einer weiteren Ausgestaltung sind zwei zusätzliche Leitungen vorhanden, eine für die Antennen-Funktion und eine separate für die Leistungselektronik.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Antennen- und Solarzellenanordnung zur Befestigung auf einem Dach eines Fahrzeugs ausgestaltet ist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Wohnwagen oder ein Wohnmobil oder ein Schiff.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Anordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1: eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer Anordnung auf einem Dach und
- 2: eine schematische Darstellung einer Zelle.
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Die 1 zeigt schematisch eine Antennen- und Solarzellenanordnung, die auf einem Dach 100 - z. B. eines Wohnwagens - aufgebracht ist. Sie dient einerseits als Phased-Array-Antenne und andererseits erzeugt sie elektrische Energie aus Sonnenlicht.
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Auf einem Träger 11 befinden sich mehrere Zellen 1, von denen hier nur wenige gezeichnet sind. Die Zellen 1 arbeiten jeweils als Solarzelle und als Antenne und erfüllen damit den Zweck der Anordnung. Sie sind mit einer Steuereinheit 10 verbunden, die sich in der hier gezeigten Ausgestaltung unterhalb des Dachs 100 und damit im Innenraum des Fahrzeugs befindet. Die Steuereinheit 10 steuert die einzelnen Zellen 1 so an, dass sie insgesamt als Phased-Array-Antenne arbeiten.
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Die 2 zeigt ganz schematisch den Aufbau einer Zelle 1, wie es als eines von vielen Zellen in der Anordnung der 1 Verwendung findet.
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Die Zelle 1 verfügt über eine Funktionskomponente 2, die beispielsweise über unterschiedliche Schichten verfügt, die als Solarzelle bzw. als Antenne wirken. Verbunden mit der Funktionskomponente 2 ist eine Steuerkomponente 4, die von der Funktionskomponente 2 elektromagnetische Signale empfängt oder die Funktionskomponente 2 mit elektromagnetischen Signalen beaufschlagt, die zu versenden sind. Über die Funktionskomponente 2 können somit Signale empfangen und/oder gesendet werden. Weiterhin ist die Leistungselektronik 3 vorhanden, über die es der Steuerkomponente 4 möglich ist, die von der Funktionskomponente 2 erzeugte elektrische Energie so anzupassen, dass sich im Verbund aller Zellen 1 (siehe 1) der optimale Energiegewinn ergibt. Die Sollwerte für die Anpassung gibt beispielsweise die Steuereinheit 10 der Anordnung vor oder die Steuerkomponenten 4 der einzelnen Zellen 1 kommunizieren unmittelbar miteinander, um Anpassungswerte zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend ermittelt jede Steuereinheit 10 selbst den Anpassungsbedarf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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