DE19737286A1 - Solarmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einem aus Solarzellen aufgebauten Solargenerator zur Stromversorgung eines Akkumulators und mit einem zwischen Solargenerator und Akkumulator geschalteten Reglerelement.

Aus EP 0 685 363 A1 ist ein Solarmodul bekannt, das Teil eines verschiebbaren Solardeckels eines Kraftfahrzeug-Solardaches ist, wobei der Solardeckel mit einem aus Solarzellen aufgebauten Solargenerator und mit einem als flächige Baugruppe ausgebildeten Gleichspannungswandler versehen ist. Der Gleichspannungswandler ist entweder in dem Raum zwischen dem Solargenerator und einem Dachhimmel untergebracht, oder er ist an der Unterseite eines Deckelinnenblechs montiert.

Nachteilig ist dabei einerseits, daß zwischen Solargenerator und Wandler eine separate Verkabelung erforderlich ist, was den Montageaufwand erhöht und die Gefahr von Vertauschungs- bzw. Verpolungsfehlern birgt. Andererseits muß für den Wandler ein zusätzlicher, in der Regel vor gewissen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder hoher Temperatur geschützter Bauraum bereitgestellt werden.

Aus DE 36 11 544 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischem Strom durch Solarzellen mit einem den Strom speichernden Akkumulator und einem elektrischen Regelgerät bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Solarmodul, in dessen Gehäuse das Regelgerät eingebaut sein kann. Das Regelgerät ist mit einem Laderegler und einem Inverter versehen, der den vom Akkumulator zum Verbraucher führenden Strom wandelt. Das Regelgerät ist ferner mit mindestens einer Steckdose zum Anschluß eines Verbrauchers ausgestattet. Der Verbraucher, zum Beispiel eine Lampe, kann auch unmittelbar in das Regelgerät eingebaut sein.

Aus DE 41 39 435 C2 ist ein Kraftfahrzeug-Solardach mit einem Solargenerator zur Stromversorgung eines Akkumulators bekannt, wobei ein von einer Steuereinheit gesteuerter Schalter die Verbindung von Solargenerator und Akkumulator unterbricht, sobald die von der Steuereinheit erfaßte Akkumulatorspannung einen vorbestimmten Referenzwert übersteigt. Wenn dies geschehen ist, wird über einen Timer nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer die Steuereinheit erneut aktiviert, um eine Spannungsmessung vorzunehmen und gegebenenfalls den Schalter wieder zu öffnen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarmodul zu schaffen, das ohne Verkabelung zwischen Solargenerator und Reglerelement auskommt, das besonders wenig Einbauraum erfordert und bei dem Verschaltungsfehler zwischen Solargenerator und Reglerelement von vorneherein ausgeschaltet sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Solarmodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Solarmodul als Foliensolarmodul ausgebildet ist und das Reglerelement in das Solarmodul intergriert ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere vorteilhaft, daß eine externe, fehleranfällige Verkabelung zwischen Solargenerator und Reglerelement entfällt und das Solarmodul sehr kompakt ausgebildet werden kann, ohne daß sich ein zusätzlicher Bedarf an geschütztem Raum und ein zusätzlicher Montageaufwand für das Reglerelement ergeben. Durch die kompakte Ausbildung ist das Solarmodul auch besonders bevorzugt in Fahrzeugen einsetzbar, beispielsweise als kompakter Solardeckel eines Schiebedaches eines Kraftfahrzeuges.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Reglerelement ein als Shunt parallel zu dem Solargenerator geschaltetes steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere einen Shunt-Transistor, sowie eine Steuereinheit zum Steuern des Shunt-Halbleiterbauelements aufweist, die zum ständigen Erfassen der Akkumulatorspannung ausgebildet ist und das Shunt-Halbleiterbauelement leitend macht, wenn die erfaßte Akkumulatorspannung einen ersten vorgegebenen Referenzwert übersteigt, und sperrt, wenn ein zweiter vorgegebener Referenzwert unterschritten wird. Der Akkumulator wird dabei bis auf eine vorbestimmte Ladeendspannung aufgeladen, worauf das Solarmodul kurzgeschlossen wird. Nach Absinken der Akkumulatorspannung durch Belastung oder anderweitige Entladung auf eine vorbestimmte Mindestspannung wird das Shunt-Halbleiterbauelement gesperrt und der Ladevorgang beginnt von neuem. Diese Weiterbildung hat gegenüber üblichen getakteten Shunt-Reglern den Vorteil, daß sich keine Probleme bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit ergeben und daß aufgrund des einfacheren Aufbaus weniger Einzelteile erforderlich sind.

In alternativer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Reglerelement so ausgebildet ist, daß bestimmten Solarzellen oder Gruppen von Solarzellen des Solargenerators jeweils ein Shunt-Halbleiterbauelement, insbesondere ein Shunt- Transistor, zugeordnet ist, und das Reglerelement ferner mit einer Steuereinheit versehen ist, die zum ständigen Erfassen der Akkumulatorspannung ausgebildet ist und in Abhängigkeit von der erfaßten Akkumulatorspannung ein oder mehrere Shunt-Halbleiterbauelemente leitend macht, wenn die erfaßte Akkumulatorspannung einen ersten vorgegebenen Referenzwert übersteigt, und sperrt, wenn ein zweiter vorgegebener Referenzwert unterschritten wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Modulspannung in einem gewissen Bereich steuerbar ist.

Der vorgegebene erste Referenzwert und/oder der vorgegebene zweite Referenzwert können abhängig von der Akkumulatortemperatur gemacht sein, um die Ladespannung für den Akkumulator an die jeweilige Akkumulatortemperatur anzupassen.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das bezie­ hungsweise die Shunt-Halbleiterbauelement(e) als FET-Transistor ausgebildet ist (sind). . Dies hält die Verlustleistung besonders niedrig.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ans den Unteran­ sprüchen.

Im folgenden sind zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Solarmoduls;

Fig. 2 die Verschaltung eines in dem Solarmodul vorgesehenen Reglerelements in einer ersten Ausführungsform; und

Fig. 3 die Verschaltung eines in dem Solarmodul vorgesehenen Reglerelements in einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 weist ein Solarmodul 8 einen Solargenerator 10 mit beispielsweise fünfunddreißig Solarzellen 12 auf. Das Solarmodul 8 ist als an sich bekanntes Folienmodul ausgebildet, wie es beispielsweise in DE 35 38 986 C2 und DE 195 27 740 C1 beschrieben ist. Das Solarmodul 8 ist vorzugsweise in einem Dachelement des Kraftfahrzeugs, z. B. dem Deckel eines Schiebedaches, angeordnet. An der Stelle der 36. Solarzelle ist in das Folienmodul 8 ein in geeigneter Bauweise, z. B. als flexible Leiterplatte oder in Dünnschichttechnologie, ausgebildetes Reglerelement 14 integriert. Das Reglerelement 14 hat die Aufgabe, die von dem Solarmodul 8 an Anschlüssen 16 bereitgestellte Spannung zum Laden eines mit den Anschlüssen 16 verbundenen Akkumulators (in Fig. 2 und 3 mit 24 bezeichnet), z. B. der Fahrzeugbatterie, an die Bedürfnisse des Akkumulators anzupassen und insbesondere eine Überladung des Akkumulators zu verhindern.

In Fig. 2 ist die Verschaltung einer Ausführungsform des als Zweipunkt-Laderegler ausgebildeten Reglerelements 14 dargestellt. Dabei ist parallel zu dem Solargenerator 10 über eine Diode 18 ein Shunt-Transistor 20 geschaltet, der vorzugsweise als MOSFET ausgebildet ist. Die Gate-Elektrode des Transistors 20 wird von einer Steuereinheit 22 gesteuert, welche die Spannung an dem Akkumulator 24 ständig erfaßt und mittels einer Komparatorschaltung 23 mit einem durch eine Zenerdiode 26 vorbestimmten ersten Referenzwert vergleicht.

Sobald der erfaßte Spannungswert an dem Akkumulator 24 den ersten Referenzwert übersteigt, gibt die Steuereinheit 22 ein Signal ab, welches den Shunt-Transistor 20 leitend macht. Dadurch wird der Solargenerator 10 kurzgeschlossen, um eine Überladung des Akkumulators 24 zu verhindern. Wenn unter dem Einfluß einer Belastung oder durch sonstige Entladung die Spannung an dem Akkumulator 24 später unter einen niedrigeren zweiten Referenzwert fällt, wird der Shunt-Transistor 20 gesperrt. Der Akkumulator 24 wird jetzt wieder von dem Solargenerator 10 aufgeladen. Eine Rückstromschutzdiode 28 ist vorgesehen, um eine Entladung des Akkumulators 24 über den Solargenerator 10 zu verhindern. Der erste Referenzwert kann z. B. 14,5 V bzw. 29 V betragen. Der zweite Referenzwert kann z. B. 12,5 V bzw. 25 V betragen. Es können Mittel vorgesehen sein, um den ersten und oder den zweiten Referenzwert der Spannung abhängig von der Temperatur des Akkumulators 24, des Solargenerators 10 oder der Umgebungsluft zu machen.

In Fig. 3 ist die Verschaltung einer anderen Ausführungsform des Reglerelements 14 dargestellt. Einer Gruppe 30 von einer Solarzelle, einer Gruppe 32 von zwei Solarzellen sowie einer Gruppe 34 von vier Solarzellen ist dabei jeweils ein Shunt- Transistor 20 zugeordnet. Die Solarzellengruppen 30, 32 und 34 sind zueinander und bezüglich der übrigen Solarzellen in Reihe geschaltet. Die Shunt-Transistoren 20 werden von einer schematisch dargestellten Steuereinheit 122 gesteuert, welche die Spannung am Akkumulator 24 erfaßt. In Abhängigkeit von dieser Spannung können einer oder mehrere der Shunt-Transistoren 20 leitend gemacht werden, wodurch die entsprechende Solarzellengruppe kurzgeschlossen wird, so daß die Spannung des Solargenerators und damit die Ladespannung an dem Akkumulator 24 absinkt. Indem die Steuereinheit 122 gezielt bestimmte Zellgruppen abschaltet, kann die Solargeneratorspannung in einen relativ breiten Umfang zweckentsprechend variiert werden. Dabei soll die Akkumulatorspannung möglichst nahe bei einem vorbestimmten Ladespannungs-Sollwert gehalten werden.

Auch bei dieser Ausführungsform können die Spannungswerte, bei denen eine oder mehrere der Solarzellengruppen 30, 32 und 34 durch den zugeordneten Shunt-Transistor 20 kurzgeschlossen beziehungsweise wirksam gemacht werden, abhängig von der Temperatur des Akkumulators 24, des Solargenerators 10 oder der Umgebungsluft sein.

Das erfindungsgemäße Solarmodul ist aufgrund seines leichten und kompakten Aufbaus vielfältig einsetzbar, wobei stationäre Anwendungen ebenso wie mobile Anwendungen in Campingfahrzeugen, Booten, Kühl- und Klimaboxen oder Teichpumpen in Frage kommen.

Bezugszeichenliste

8

Solarmodul

10

Solargenerator

12

Solarzellen

14

Reglerelement

16

Anschlüsse

18

,

28

Dioden

20

Shunt-Transistor

22

,

122

Steuereinheit

23

Komparatorschaltung

24

Akkumulator

26

Zenerdiode

30

,

32

,

34

Gruppen von Solarzellen

12

Claims (7)

1. Solarmodul mit einem aus Solarzellen (12) aufgebauten Solargenerator (10) zur Stromversorgung eines Akkumulators (24) und mit einem zwischen Solargenerator und Akkumulator geschalteten Reglerelement (14) zum Schutz des Akkumulators vor Überladung, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarmodul als Foliensolarmodul ausgebildet ist und das Reglerelement (14) in das Solarmodul intergriert ist.

2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglerelement (14) ein als Shunt parallel zu dem Solargenerator (10) geschaltetes steuerbares Halbleiterbauelement (Shunt-Transistor 20) sowie eine Steuereinheit (22) zum Steuern des Shunt-Halbleiterbauelements aufweist, die zum ständigen Erfassen der Akkumulatorspannung ausgebildet ist und das Shunt-Halbieiterbauelement leitend macht, wenn die erfaßte Akkumulatorspannung einen ersten vorgegebenen Referenzwert übersteigt, und sperrt, wenn ein zweiter vorgegebener Referenzwert unterschritten wird.

3. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglerelement (14) so ausgebildet ist, daß bestimmten Solarzellen oder Gruppen (30, 32, 34) von Solarzellen des Solargenerators (10) jeweils ein Shunt-Halbleiterbauelement (Shunt-Transistor 20) zugeordnet ist, und das Reg­ lerelement ferner mit einer Steuereinheit (122) versehen ist, die zum ständigen Erfassen der Akkumulatorspannung ausgebildet ist und in Abhängigkeit von der erfaßten Akkumulatorspannung ein oder mehrere Shunt-Halbleiter­ bauelemente leitend macht, wenn die erfaßte Akkumulatorspannung einen ersten vorgegebenen Referenzwert übersteigt, und sperrt, wenn ein zweiter vorgegebener Referenzwert unterschritten wird.

4. Solarmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vor­ gegebene erste Referenzwert und/oder der vorgegebene zweite Referenzwert abhängig von der Akkumulatortemperatur gemacht sind.

5. Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das beziehungsweise die Shunt-Halbleiterbauelement(e) als FET-Transistor (20) ausgebildet ist (sind).

6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (10) fünfunddreißig oder mehr Solarzellen umfaßt, wobei insgesamt mindestens sieben Solarzellen, aufgeteilt in Gruppen zu einer, zwei und vier Solarzellen jeweils durch ein Shunt-Halbleiterbauelement (Shunt-Transistor 20) wahlweise kurzschließbar sind.

7. Verwendung eines Solarmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer stationären Abdeckung oder einem öffnungsfähigen Deckel eines Fahrzeugs.