DE1960377A1 - Solarzellenanordnung - Google Patents

Description

den Io Dezember 19

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Anmelder;

Aeronautics and
Space Administration

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District of Columbia/USA

PrljrifcPw wird bermsprucr. t aui'gruiid Pateritnnrrieldung USA - iJi'c 785 OYd - vom Ι'·¹· Lezember 1963

Solarzellenanordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzellenbatterie, in welcher eine belichtete Solarzelle mit einer verdunkelten Solarzelle parallel geschaltet ist.

Für viele Anwendungen der Weltraumfahrt wird Strom erzeugt durch eine pn-Solarzellenbatterie. in jeder Einzelzelle einer solchen Batterie besteht die dem Licht zugewandte Oberfläche aus N dotierter Substanz und ist versehen mit einem Leitergitter und einem elektrischen Anschluss. Das P dotierte Material der ZeLIe befindet sich auf der unbelichteten Rückseite. Einfallen-

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des Licht erzeugt eine Spannung derart dass die belichtete Oberfläche negatives und die Rückseite positives Potential erhält. Wird zur Herstellung einer Solarzellenbatterie eine Anzahl solcher Zellen in Serie geschaltet, so ist die vordere Oberfläche einer jeden Zelle verbunden mit der rückseitigen Oberfläche der Nachbarzelle, und ein Strom wird erzeugt der vom positiven zum negativen Pol fliesst, d.h.. von der rückseitigen Oberfläche der einen Zelle zur vorderen Oberfläche der Nachbarzelle» Wenn jedoch eine der Zellen wegen -Nichtfunktionierens oder zeitweiliger Verdunkelung unwirksam wird, so ist der Stromfluss unterbrochen, denn eine unwirksame Zelle bildet einen in Sperrichtung vorgespannten pn-Uebergang und verhindert deshalb den Stromfluss durch die übrigen in Serie geschalteten Zellen.

In einem früheren Vorschlag zur Lösung dieses Problemes wurde eine umgekehrt gepolte Diode parallel zu jeder Solarzelle gelegt. Im Prinzip bildet die Diode einen in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Uebergang und hebt deshalb den Effekt des in Sperrichtung vorgespannten pn-Uebergangs der unwirksamen Zelle auf. Jedoch ergaben sich wegen des zusätzlichen Schaltungsaufwandes steigende Kosten und eine verminderte Zuverlässigkeit.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Probleme für die Benutzung der bekannten Anwendung einer Vielzahl von Solarzellenbatteri.en Für die Raumfahrt und für andere Zwecke, wobei

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die der Sonnenseite zugekehrten Batterien beleuchtet sind, während jene der anderen Seite im Schatten liegen. Gemäss der Erfindung ist jede Zelle der verdunkelten bzw. im Schatten liegenden Solarzellenbatterie parallel und mit umgekehrter Polarität verbunden mit einer entsprechenden Zelle einer Solarzellenbatterie auf der beleuchteten Seite des Raumschiffes. Jede unbelichtete Solarzelle wirkt damit als ein äquivalenter in Durchlassrichtung vorgespannter pn-Uebergang parallel zu jeder der beleuchteten Zellen. Wenn eine Zelle der belichteten Batterie unwirksam wird, so verursacht dieser äquivalente in Durchlassrichtung vorgespannte pn-Uebergang der entsprechenden Zelle von der nicht beleuchteten Seite einen Ueberbrückungs-Stromweg parallel zur Zelle, welcher es der Solarzellenbatterie mit der unwirksamen Zelle trotzdem ermöglicht, Strom zu liefern. Wenn sich das Raumschiff um 180 dreht, so werden die beleuchteten Zellen verdunkelt und dienen nun als Ueberbrückungsdioden für die jetzt beleuchteten Zellen, welche sich zuvor auf der im Dunkeln liegenden Seite des' Raumschiffes befanden. Derart erlaubt die Erfindung auf besondere Dioden für jede einzelne Solarzelle zu verzichten.

Figur 1 zeigt zwei mit einer Vielzahl von Solarzellenbatterien bestückte Anschlusstafeln,wobei die Einzelzellen einer jeden Batterie der einen Anschlusstafel parallel verbunden sind mit entsprechenden Einzelzellen der Solarzellenbatterie auf der

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anderen Anschlusstafel.

Figur 2 zeigt einen Solar-Ausleger bestehend aus einer Anzahl Tafeln bestückt mit Solarzellen auf den nach aussen gerichteten seitlichen Oberflächen, zum Teil aufgebrochen um die Verbindungen zwischen den Solarzellen verschiedener Tafeln zu zeigen.

Figur 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Raumschiff mit entfernter Aussenhülle.

Figur 4 zeigt eine Anzahl in Serie geschalteter Solarzellen die eine Solarzellenbatterie bilden.

Figur 5 zeigt die gleiche Schaltung wie Fig.4 aber mit einer unwirksamen Zelle.

Figur 6 zeigt die Solarzellenbatterie gemäss Figur 5, wobei deren Einzelzellen gemäss der vorliegenden Erfindung parallel verbunden sind mit einer zweiten ähnlichen Batterie.

Eine Anzahl Solarzellen 19, 21, 23 unti 25, die in Serie geschaltet eine Solarzellenbatterie 10 bilde.!, sind in Fig.4 dargestellt. Die dem Licht zugewandte Oberfläche 12 einer jeden Zelle trägt N dotiertes Material und ist versehen mit einem elektrischen Kontakt 14, einem Leitergitter 16 und einem mit dem Kontakt 14 verbundenen positiven Anschluss. Zum Beispiel ist der für die Zelle 19 vorgesehene positive Anschluss 18 an dem Kontakt 14 angebracht.

Die Unterseite einer jeden Zelle (nicht gezeigt) besteht aus P dotiertem Material und weist einen negativen Anschluss auf.

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Zum Beispiel gehört zu Zelle 19 ein negativer Anschluss 2O der bei Punkt 21a an ihrer Unterfläche angebracht ist. Der Anschluss 20 stellt also die Verbindung her zwischen der Zelle 19 und der mit ihr in Serie geschalteten unmittelbar daneben liegenden Zelle 21. Auf ähnliche Weise sind die übrigen Zellen mit den Anschlüssen 22 respektive 24 zur Serienschaltung benachbarter Zellen versehen. An Zelle 25 ist der negative Anschluss 26 angebracht. Die Verbindung der Zellen untereinander in Serienschaltung ergibt eine Solarzellenbatterie die bei Belichtung eine dauernde Spannung erzeugt und einen entsprechenden Strom vom positiven Anschluss 18 durch die Oberfläche zur Unterfläche einer jeden Zelle, sowie durch die verbindenden Anschlüsse 20, 22 und 24 und beim Anschluss 26 aus der Batterie heraus bewirkt.

Die Figur 5 zeigt die gleiche Schaltung wie in Figur 4 mit der durch den Schatten 2 8 verdunkelten Zelle 21. Unter solchen Bedingungen ist es der Zelle 21 unmöglich Spannung zu erzeugen oder Strom zu leiten. Genauer ausgedrückt zeigt die obere Oberfläche von Zelle 21 positives Potential während die untere Oberfläche der Zelle negatives Potential besitzt.

Da die ZeLLe 2L einen pn-Uebergang besitzt stellt ihre Ersatzschaltung eine Diode dar die schematisch bei 30 angedeutet ist. Angesichts ihrer Lage zwischen den Anschlüssen 20 und 22

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ist diese äquivalente Diode in Sperrichtung vorgespannt, ver-. hindert deshalb den Stromfluss durch die Zelle und sperrt die ganze Batterie 10 weil die Zelle 21 ein Teilstück von dieser ist.

In der Schaltung nach Figur 6 ist erfindungsgemass jede einzelne Solarzelle der Batterie 10 parallel verbunden mit einer entsprechenden Zelle von einer ähnlich aufgebauten· Batterie Die Batterie 32 besitzt eine Anzahl in Serie geschalteter Zellen 34, 36, 38 und 40. Die Zelle 34 besitzt an ihrer Unterseite einen Anschluss 42. Die Anschlüsse 44, 46 und 48 verbinden die Zellen 34, 36, 38 und 40 der Batterie 32 miteinander in Serienschaltung. Die Zelle 40 ist versehen mit dem Anschluss 50. Die Zelle 19 von der Batterie 10 ist mit umgekehrter Polarität zu der Zelle 34 der Batterie 32 parallel geschältet " durch die elektrischen Leitungen 52 und 54. Auf ähnliche Weise ist durch die Leitungen 56, 58 und 60 jede der übrigen Zellen-³-''· 21, 23 und 25 von Batterie 10 mit umgekehrter Polarität zu 'den*· entsprechenden Zellen 36, 38 und 40 von Batterie 32 parallel-' geschaltet. Um die Wirkungsweise der geitiäss obenstehenden Angaben zusammengeschalteten Batterien zu erläutern wird die Batterie 32 als verdunkelt angenommen, wie es die Schraffie-' rung 62 andeutet, während die Batterie lO belichtet sein soll. Demgemäss wird in dar Batterie 10 eine ständige Spannungserzeugung erfolgen mit einem entsprechenden Stromfluss von oben ;ac'h unten wie zuvor beschrieben. Die verdunkelte Batterie 32

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erzeugt keinen Strom denn sie ist nicht belichtet. Folglich wirkt jede ihrer Zellen als äquivalente Diode parallel zu einer entsprechenden belichteten Zelle der Batterie 10. Im Prinzip ist die Zelle 34 schematisch dargestellt durch das Ersatzbild der Diode 64, Zelle 36 ist dargestellt als Diode 66, Zelle 38 als Diode 68 und Zelle 40 als Diode 70. Ein Strom wird durch die Batterie 32 nicht fliessen, da jede Zelle der Batterie 10 eine Spannung solcher Polarität erzeugt, welche die parallelgeschaltete äquivalente Diode von Batterie 32 in Sperrichtung vorspannt.

Wenn die Zelle 21 zum Beispiel auf irgend eine Weise nicht mehr arbeitet oder unwirksam wird, etwa wegen einer Beschattung 28, dann entspricht ihre Wirkung derjenigen einer Diode die durch den Rest der Batterie in Sperrichtung vorgespannt ist. Diese äquivalente Diode 30 würde dabei normalerweise wie vorangehend beschrieben einen Unterbruch der Solarzellenbatterie 10 verursachen. Jedoch wirkt nun gemäss der Erfindung die parallel geschaltete Zelle 36 als in Durchlassrichtung vorgespannte Diode 66, die eine Ueberbrückung oder einen Nebenschluss für den Stromfluss bildet, der durch die übrigen beleuchteten Zellen 19, 23 und 25 der Batterie 10 erzeugt wird. Den einzigen Verlust bewirkt der Spannungsabfall von 0,6 Volt den die Diode als Vorspannung in Durchlassrichtung benötigt, sowie ein Verlust von 0,5 Volt bei der Ausgangsspannung der

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Zelle 21, was zusammen einen Spannungsabfall von 1,1 Volt ergibt. Der Strom aus den Zellen 19, 23 und 2 5 ist mehr als ausreichend um die Diode 66 leitend zu machen.

Die Figur 1 zeigt eine praktische Anwendung der Solarzellenbatter:te deren Schaltung die Figur 6 wiedergibt. Die Anschlusstafel 72 trägt eine Solarzellenbatterie 10, deren Einzelzellen 19, 21, 23 und 25 durch Metallgitteranschlüsse 74, 76, 78 und 80 in Serie miteinander verbunden sind, entsprechend den Anschlüssen

™ 18, 20, 22 und 24 in Fig.6. Die Gitteranschlüsse werden nicht im Einzelnen beschrieben da ihre Bauart bekannt ist. Zur Aufnahme zusätzlicher Solarbatterien 82, 84 und 86 erstreckt sich jeder der Gitteranschlüsse seitlich und fasst jeweils eine Anzahl Solarzellen entsprechend den Zellen 19, 21, 23 und 25 der Batterie 10 zusammen. Die Batterien 10, 82, 84 und 86 sind durch diese Gitteranschlüsse parallel miteinander verbunden und erzeugen je einen Stromfluss vertikal nach unten in Fig.l. Diese Solarbatterien ergeben eine Solarzellenanordnung mit einem ge-

^ meinsamen Anschluss 74 an der Sammelschiene 88 die auf der Anv schlusstafel 72 angebracht ist. In gleicher Weise ist auf einer zweiten Anschlusstafel 90 eine der Batterie 32 von Figur 6 entsprechende Solarzellenbatterie montiert. Wiederum stimmen die Anschlüsse 42, 44, 46 und 48 überein mit den Metallgitteranschlüssen 92, 94, 96 und 98. Diese Anschlüsse erstrecken sich nach der Seite um eine Anzahl weiterer Batterien 100, 102 und

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parallel mit der Batterie 32 zu verbinden. Der gemeinsame Anschluss 92 der Batterien liegt an der Sammelschiene 106, welche auf der Anschlusstafel 90 montiert ist. Der Anschluss 74 ist mit einer Verbindungsklemme 108 versehen, die sich längs der ganzen Anschlusstafel erstreckt. Aehnlich liegt der Anschluss an einer Verbindungsklemme 110, der Anschluss 78 an einer Verbin dung sklemme 112, und Anschluss 80 an einer Verbindungsklemme 114. Die auf der Anschlusstafel 90 montierten Batterien sind mit ähnlichen Verbindungsklemmen 116, 118, 120 und 122 versehen. Um die Batterien, wie anhand von Figur 6 beschrieben, parallel miteinander zu verbinden, sind die Leitungen 124, 126, 128 und 130 zwischen gegenüberliegendenVerbindungsklemmen vorgesehen. Damit ist jede der in Serie geschalteten Zellen auf der Tafel 72 parallel verbunden mit einer entsprechenden Zelle auf der Tafel 90.

Die Anschlusstafeln 72 und 90 können einander gegenüberliegende Seitenwände eines Raumschiffes oder eines Solarauslegers bilden, wie die Figur 2 in einem Ausführungsbeispiel eines Solarauslegers 132 mit dem Deckel 134 zeigt. Sind die Tafeln nach Figur 2 montiert und miteinander verbunden wie in Figur 1, so werden die Zellen auf der nicht belichteten Tafel 90 zu Nebenschlussdioden für die auf der belichteten Tafel 72 montierten Zellen. Rotiert der Ausleger beim Durchlaufen eines Orbits um 180 , so ist ersichtlich dass die Solarzellen auf den Tafeln 72 und 90 ihre Rollen vertauschen, denn die Zellen von Tafel 90 werden

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nun belichtet und die Zellen auf Tafel 72 werden verdunkelt.

Die Figur 3 zeigt ein Raumschiff mit enfernter Aussenseite als Ausführungsbeispiel einer anderen Anordnung der Verbindung von einander gegenüberliegenden Solarzellentafeln. Hier sind einander gegenüberliegende Tafeln 72 und 90 durch ein Kabel 140 miteinander verbunden, welches an beiden Tafeln an je einer Verbindungsdose befestigt ist. Das Kabel läuft auf der Rückseite , der Tafeln 144, 146 und 148 herum und ist dort mittels der " Briden 150 gehalten. Das Kabel 140 kann alle Verbindungsleitungen 124, 126 etc. enthalten. Diese Anordnung hält das Innere des Raumschiffes frei zur Aufnahme der notwendigen Führungs-, Instrumentierungs- und Ueberwachungseinrichtungen.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   /l/. Solarzellenariordnung mit mindestens zwei Batterien von denen jede eine Anzahl in Serie geschalteter pn-Solarzellen umfasst und von denen eine der Batterien verdunkelt, während die andere belichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel jede Solarzelle der einen Batterie parallel und mit umgekehrter Polarität mit einer Solarzelle der anderen Batterie verbinden, also dann wenn eine Solarzelle der belichteten Batterie unwirksam wird, die ihr parallel geschaltete Solarzelle der verdunkelten Batterie als eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode wirkt und einen leitenden Nebenschluss zur gesperrten Zelle bildet.
2. 2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Batterien die auf Tafeln montiert sind,welche einander gegenüberliegende Seitenwände eines Solarauslegers oder eines Weltraumschiffes bilden.
3. 3. Solarzellenanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch Schaltmittel die aus Anschlüssen zur Verbindung der einzelnen Solarzellen innerhalb einer Batterie in Serie miteinander bestehen und aus einer Vielzahl von Verbindungsleitungen zwischen den Anschlüssen zweier Batterien. -

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