DE19609189A1

DE19609189A1 - Solargenerator mit Anpaßwandler

Info

Publication number: DE19609189A1
Application number: DE19609189A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ganz
Original assignee: Webasto Karosseriesysteme GmbH
Current assignee: Webasto Karosseriesysteme GmbH
Priority date: 1996-03-09
Filing date: 1996-03-09
Publication date: 1997-09-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solargenerator für ein Fahrzeugdach, versehen mit mindestens einer Solarzellenanordnung sowie mindestens einem Anpaßwandler zur An passung des von der/den Solarzellenanordnung(en) abgegebenen Stromes bzw. der abge gebenen Spannung an einen elektrischen Verbraucher.

Die Verwendung eines vorzugsweise im Dachbereich angeordneten Solargenerators, wie z. B. eines Solarmoduls, zum batterieunabhängigen Betrieb elektrischer Verbraucher, wie z. B. Lüftermotoren, in Kraftfahrzeugen ist seit einiger Zeit bekannt. Die Strom-Span nungs-Kennlinien solcher Motoren weichen im allgemeinen stark von der Strom-Span nungs-Kennlinie des Solarmoduls ab. Die für eine gute Leistungsausnutzung notwendige Impedanzanpassung geschieht im allgemeinen über einen DC/DC-Wandler, wie z. B. einen Tiefsetzwandler. Es kann auch ein steuerbarer Gleichstromsteller zur jederzeitigen Leistungsoptimierung eingesetzt werden ("Maximum Power Point Tracking"). Zur Anpassung an einen Wechselstromverbraucher kann ein DC/AC-Wandler (Wechselrichter) nötig sein.

Ein gattungsgemäßer Solargenerator ist beispielsweise aus DE-OS-40 17 670 und aus DE-OS-43 36 223 bekannt. Der Solargenerator weist dabei ein Solarmodul auf, das sich aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen, z. B. aus monokristallinem Silizium, zu sammensetzt. Ein zwischen den elektrischen Verbraucher und das Solarmodul geschalte ter Gleichspannungswandler dient dabei dazu, die in Bezug auf die Strom-Spannungs- Kennlinie des Verbrauchers, im allgemeinen ein Elektromotor, zu hohe Spannung des Solarmoduls tieferzusetzen, um eine maximale Leistungsabgabe des Solarmoduls zu bewirken.

Hierbei stellte sich als nachteilig heraus, daß sich der Anpaßwandler räumlich außerhalb des Solarmoduls oder zumindest außerhalb der Solarzellen befindet und damit zusätzlich Platz einnimmt, gesondert verschaltet werden muß, unter Umständen eigens für die spezi elle Anwendung entwickelt werden muß, sowie daß eine Fehlanpassung innerhalb des Zellenverbands durch unterschiedliche Degradation der Zellen während der Fertigung nur schwer und danach gar nicht verhindert werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solargenerator zu schaffen, der eine Anpassung an einen elektrischen Verbraucher zur möglichst optimalen Leistungsabgabe ermöglicht, wobei jedoch der Entwicklungs-, Verschaltungs- und Herstellungsaufwand sowie der Platzbedarf möglichst gering gehalten werden, und der ferner eine einfache nachträgliche Erweiterung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem gattungsgemäßen Solargenerator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß in die Solarzellenanordnung bzw. in mindestens einen Teil der Solarzellenanordnungen ein solcher Anpaßwandler integriert ist.

Diese erfindungsgemäße Lösung ermöglicht durch den mindestens teilweisen modularen Aufbau des Solargenerators bei gewährleisteter Leistungsanpassung an den Verbraucher eine sehr einfache Verschaltung, einen verringerten Entwicklungs- und Herstellungsauf wand , sowie einen verringerten Platzbedarf. Ferner ist ein solcher Solargenerator leicht erweiterbar.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jede Solarzellenanordnung jeweils eine Einzelsolarzelle auf, wobei das Basismaterial der Solarzelle Silizium ist, der Anpaßwandler Halbleiterbauelemente aufweist und mindestens ein Teil dieser Halbleiter bauelemente direkt in dem Grundmaterial der Solarzelle ausgebildet ist.

Die Ausgestaltung erlaubt einen besonders einfachen und kompakten Aufbau des Solar moduls.

Ferner können Logikbausteine bzw. Mikrocontroller in mindestens einen Teil der Solar zellenanordnung integriert sein. Mindestens ein Teil der Solarzellenanordnungen kann mit einer optischen Zellenstatusanzeige versehen sein. Mindestens ein Teil der Solarzellenan ordnungen kann selbsttätig abschaltbar sein, falls ein vorbestimmter relativer Leistungs wert derselben unterschritten ist. Die Auslegung kann vorteilhaft auch so beschaffen sein, daß etwaige Defekte durch eine integrierte Eigendiagnose festgestellt werden.

Diese Ausgestaltungen erlauben einerseits einen Überblick über die Leistungsfähigkeit der einzelnen Solarzellenanordnungen und gewährleisten andererseits ein automatisches Abschalten einer schwachen Solarzellenanordnung, so daß diese die Gesamtleistung des Zellenverbundes nicht unnötig abschwächt. Es kann somit auf einfache Weise ein Aus gleich für eine Degradation einzelner Zellen geschaffen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Solargenerators sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Rückseite einer erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung aus einer Einzel solarzelle;

Fig. 2 die Rückseite einer erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung aus vier Solarzel len;

Fig. 3 eine schematische Verschaltung des Wandlers einer erfindungsgemäßen Solar zellenanordnung;

Fig. 4 die schematische Verschaltung eines erfindungsgemäßen Solargenerators; und

Fig. 5 die schematische Verschaltung eines erfindungsgemäßen Solargenerators in einer anderen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt schematisch die Rückseite einer Einzelsolarzelle 1. Darauf ist ein Rückseiten kontakt 2 in Gitterform zum gleichmäßigen Stromabgriff ausgebildet, der über eine Zuführung 3 mit der Eingangsseite eines auf der Solarzellenrückseite ausgebildeten Anpaßwandlers 4 verbunden ist. Auf der nicht dargestellten Solarzellenvorderseite befin det sich die der Sonneneinstrahlung zugewandte aktive Schicht, auf welcher ebenfalls ein Flächenkontakt, beispielsweise in Form von parallelen Streifen, aufgebracht ist. Der Vorderseitenkontakt ist über eine Zuführung 5 ebenfalls mit der Eingangsseite des Wandlers 4 verbunden. Auf der Ausgangsseite des Wandlers 4 sind zwei Anschlüsse 6 und 7 ausgebildet. Bei Anwendungen mit niedrigem Leistungsbedarf können diese Anschlüsse 6 und 7 direkt mit einem Verbraucher (nicht dargestellt), z. B. einem kleinen Elektromotor, verbunden sein. Bei Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf können auch mehrere solcher Einzelzellen 1 parallel oder in Reihe verschaltet werden. Der Wandler 4 sorgt jeweils für eine Impedanzanpassung zwischen Verbraucher und Solar zelle, so daß die Leistungsentnahme aus der Solarzelle optimiert werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Solarzellenanordnung 10 aus vier Einzelzellen 11. Die Einzelzellen 11 sind dabei in Reihe geschaltet, beispielsweise dadurch, daß über Kontakte 12 der Vorder seitenkontakt einer Zelle 11 mit dem Rückseitenkontakt 13 der nächstfolgenden Zelle 11 verbunden ist. Der Vorderseitenkontakt der ersten Zelle 11 und der Rückseitenkontakt der letzten Zelle 11 sind über Zuführungen 3 und 5 mit der Eingangsseite eines Anpaßwand lers 14 verbunden. Ausgangsseitig weist der Wandler 14 zwei Anschlüsse 6 und 7 auf. Wie bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 kann eine solche Solarzellenanordnung 10 einzeln oder im Verbund betrieben werden. Die Solarzellen 11 sind vorzugsweise aus kristallinem, polykristallinem oder amorphen Silizium hergestellt.

In Abhängigkeit von der Verschaltung der Zellen und in Abhängigkeit von dem ange schlossenen Verbraucher wird dabei ein Hoch- oder ein Tiefsetzen der Spannung erfor derlich. Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines als Tiefsetzwandler ausgeführten Anpaßwandlers 4, wie er in den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 verwendet werden kann. Die Verschaltung an sich ist bekannt. Ein Kondensator C1 wird über die Zuführungen 5 und 3 von der bzw. den Zellen permanent aufgeladen. Ein beispielsweise von einem MOS-FET-Transistor gebildeter Halbleiterschalter T1 unterbricht periodisch die Verbin dung zwischen dem Kondensator C1 und einer Induktivität L, womit durch den so gene rierten Wechselstromanteil eine Spannung an der Induktivität L abfällt. Die über einen Kondensator C2 geglättete Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 6 und 7 ist daher gegenüber der Eingangsspannung verringert. Anstelle einer gewöhnlich vorgesehe nen Freilaufdiode ist bei der Ausführungsform der Fig. 3 ein MOS-FET-Transistor T2 parallel zu der Reihenschaltung aus Induktivität L und Kondensator C2 gelegt, wodurch Verluste reduziert werden können. Der Transistor T1 wird von einer Generatorstufe G angesteuert. Wird der Transistor T1 dabei gleichförmig angesteuert, ergibt sich ein konstantes Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung. Es kann jedoch beispiels weise auch in an sich bekannter Weise eine von einer Regelstufe R bestimmte pulsbrei tenmodulierte Ansteuerung vorgesehen sein, wodurch das Tiefsetzverhältnis der Spannungen je nach Sonneneinstrahlung, Temperatur und Leistungsbedarf angepaßt werden kann. Alle Halbleiterbauelemente, d. h. die Transistoren T1 und T2 sowie die Regel- bzw. Ansteuerungsstufe R bzw. G, können dabei in einem speziellen Fertigungs prozeß direkt auf dem Grundmaterial der Solarzellen 11 (im allgemeinen Silizium) ausge bildet werden. Auch komplexere Logikanordnungen, wie z. B. maskenprogrammierte Mikrocontroller, sind dabei möglich. Es kann auch eine optische Zellenstatusanzeige mit Hilfe eines LED-Chips vorgesehen sein, wodurch der Benutzer ablesen kann, welche Zellen der Zellgruppen nicht mehr einwandfrei funktionieren. Mittels einer zelleninte grierten Logik kann ein verbundfreundliches Abschalten von einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen erfolgen, die in ihrer Leistung bzw. Spannung im Laufe des Betriebs unter einen bestimmen Schwellwert abgesunken sind. Dadurch kann der Systemwirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Anordnungen erhöht werden.

Elemente des Wandlers 4, die nicht oder nur schlecht als Halbleiterbauelemente ausge führt werden können, wie beispielsweise große Kapazitäten oder Induktivitäten, werden als diskrete Bauteile, vorzugsweise SMD-Bauteile, in Dickschicht- bzw. Dünnschicht technik hergestellt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel betrifft dies die Kapazitäten C1 und C2 sowie die Induktivität L.

Anstelle der in Fig. 3 gezeigten Tiefsetzanordnung kann der Wandler 4 auch als Hoch setzwandler ausgeführt werden. Dies kann zum Beispiel, je nach Solarzellenverschaltung, dann notig sein, wenn der Solargenerator dazu verwendet wird, im Stand die Fahrzeug batterie nachzuladen, da dann eine Spannung von etwa 15 V erforderlich ist.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen einen Solargenerator 20, der aus einer Parallel- bzw. Reihen schaltung von neun gleichartigen Solarzellenanordnungen 21 besteht. Bei den Solarzel lenanordnungen 21 kann es sich um eine Einzelzelle in der Art der in Fig. 1 gezeigten Zelle 1, um eine Viererzelle in der Art der in Fig. 2 gezeigten Zellenanordnung 10 oder um eine sonstige aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzte Zellenanordnung handeln. Der Solargenerator 20 ist direkt, das heißt ohne zusätzliche zwischengeschaltete Anpaß wandler, an einen Motor 22 als Verbraucher angeschlossen. Bei dem Motor 22 kann es sich beispielsweise um einen Lüftermotor handeln, der dazu verwendet wird, im Stand die Luft im Fahrzeuginnenraum umzuwälzen oder auszutauschen, um so die Temperatur im Fahrzeuginneren während Standzeiten, insbesondere bei starker Sonneneinstrahlung, abzusenken.

Im Falle des Vorhandenseins mehrerer Solarzellenanordnungen werden diese vorzugs weise bezüglich Phasenlage und Frequenz miteinander synchronisiert. Für diesen Zweck kann beispielsweise entsprechend Fig. 4 zusätzlich zu den beiden energieführenden Leitungen 24 und 25 eine zusätzliche Leitung 26 vorgesehen sein, die mit jedem der Wandler 4 verbunden ist und über welche die Wandler mit Synchronisationssignalen beaufschlagt werden können. Die Leitung 26 kann beispielsweise aber auch zur Statusan zeige und für ähnliche Zwecke benutzt werden. Eine Synchronisation ist aber auch ohne zusätzliche Leitung 26 möglich, beispielsweise indem eine entsprechende Informati onsübertragung durch Aufmodulieren auf einer der energieführenden Leitungen 24, 25 erfolgt.

Die Erfindung ist nicht auf Solarzellenanordnungen aus Silizium beschränkt. Es können ebenso andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Die Integration des Wandlers kann auch auf der Vorderseite der Zelle erfolgen, oder auf Vorder- und Rückseite zugleich. Anstelle oder zusätzlich zu einem reinen Impedanzwandler kann auch ein Wechselrichter vorgesehen sein, wenn Wechselstromverbraucher vorgesehen sind. Die Anwendung des Solargenerators nach der Erfindung ist auch nicht auf Fahrzeugdächer beschränkt. Insbesondere können solche Solargeneratoren an anderer Stelle von Fahrzeu gen angeordnet sein und auch für die verschiedensten Zwecke im stationären Betrieb eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Einzelsolarzelle
2 Rückseitenkontakt
3 Zuführung
4 Anpaßwandler
5 Zuführung
6 Anschluß
7 Anschluß
10 Solarzellenanordnung
11 Einzelzelle
12 Kontakt
13 Rückseitenkontakt
14 Anpaßwandler
20 Solargenerator
21 Solarzellenanordnung
24 energieführende Leitung
25 energieführende Leitung

Claims

1. Solargenerator, insbesondere für ein Fahrzeugdach, versehen mit mindestens einer Solarzellenanordnung sowie mindestens einem Anpaßwandler zur Anpassung des von der Solarzellenanordnung abgegebenen Stromes bzw. der abgegebenen Spannung an einen elektrischen Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß in die Solarzellenanordnung (1, 10) bzw. in mindestens einen Teil der Solarzellenan ordnungen ein solcher Anpaßwandler (4) integriert ist.

2. Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenan ordnung (1, 10) jeweils eine Einzelsolarzelle (1) aufweist.

3. Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenan ordnung (10) jeweils vier Solarzellen (11) aufweist.

4. Solargenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Basis material der Solarzelle(n) (1, 11) Silizium ist.

5. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Anpaßwandler (4) Halbleiterbauelemente (T1, T2, R, G) aufweist.

6. Solargenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Halbleiterbauelemente (T1, T2, R, G) des Anpaßwandlers (4) direkt in dem Grundmaterial der Solarzelle (1, 11) ausgebildet ist.

7. Solargenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im Grundma terial der Solarzelle (1, 11) ausgebildete Teil der Halbleiterbauelemente (T1, T2, R, G) auf der Vorder- und/oder Rückseite der Solarzelle angeordnet ist.

8. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß Logikbausteine (R, G) in die Solarzellenanordnung bzw. in mindestens einen Teil der Solarzellenanordnungen (1, 10) integriert sind.

9. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß maskenprogrammierte Mikrocontroller in die Solarzellenanordnung bzw. mindestens einen Teil der Solarzellenanordnungen (1, 10) integriert sind.

10. Solargenerator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Solar zellenanordnung bzw. mindestens ein Teil der Solarzellenanordnungen (1, 10) eine optische Zellenstatusanzeige mittels eines LED-Chips aufweist.

11. Solargenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung bzw. mindestens ein Teil der Solarzellenanordnungen (1, 10) selbsttätig abschaltbar ist, falls ein vorbestimmter Parameter einen vorbe stimmten Bereich verläßt.

12. Solargenerator nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht direkt aus dem Grundmaterial der Solarzelle (1, 11) ausbildbare Teil der Bauelemente in Dickschicht- oder Dünnschichttechnik hergestellt ist.

13. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Anpaßwandler (4) ein Wechselrichter ist.

14. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Anpaßwandler (4) ein DC/DC-Wandler ist.

15. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß im Falle des Vorhandenseins mehrerer Solarzellenanordnungen (1, 10) alle Solarzellenanordnungen gleichartig sind.

16. Solargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß im Falle des Vorhandenseins mehrerer Solarzellenanordnungen (1, 10) die Solarzellenanordnungen bezüglich Phasenlage und Frequenz miteinander synchronisiert sind.