DE19837862A1 - Solarmodul - Google Patents

Abstract

Es wird ein vorzugsweise tragbares Solarmodul mit einer eine Solarzellenanordnung (SZ) und ggf. eine von der Solarzellenanordnung (SZ) ladbare Akkumulatoranordnung (A) umfassenden Gleichspannungsquelle zur Bereitstellung einer Quellenspannung (U¶1¶) vorgeschlagen. Das Solarmodul umfaßt einen Elektronikschaltkreis (10, 12, R¶1¶, R¶2¶, C¶1¶, C¶2¶) mit einem Gleichspannungswandler (12), welcher die Quellenspannung (U¶1¶) in eine vorbestimmte konstante Ausgangsspannung (U¶2¶) zur Speisung eines externen elektrischen Verbrauchers (R¶L¶) transformiert, und mit einer Schaltsteuereinheit (10), welche den Gleichspannungswandler (12) in Abhängigkeit von der Quellenspannung (U¶1¶) derart steuert, daß der Gleichspannungswandler (12) im Sinne einer Leistungsabgabe an den Verbraucher (R¶L¶) eingeschaltet wird, wenn die Quellenspannung (U¶1¶) einen vorbestimmten Einschaltschwellenwert (U¶Ein¶) überschreitet, und der Gleichspannungswandler (12) im Sinne einer Leistungsabkopplung von dem Verbraucher (R¶L¶) abgeschaltet wird, wenn die Quellenspannung (U¶1¶) einen vorbestimmten Abschaltschwellenwert (U¶Aus¶) unterschreitet, wobei der Einschaltschwellenwert (U¶Ein¶) betragsmäßig größer als der Abschaltschwellenwert (U¶Aus¶) ist. Bei Ausführung mit Akkumulatoranordnung (A) kann so eine schädliche Tiefentladung der Akkumulatoranordnung (A) vermieden werden. Bei Ausführung ohne Akkumulatoranordnung ist eine Versorgung des Verbrauchers (R¶L¶) mit einer vom Lastwiderstand (R¶L¶) und von der ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul, insbesondere ein tragbares Solarmodul, mit einer eine Solarzellenanordnung und ggf. eine von der Solarzellenanordnung ladbare Akkumulatoranordnung umfassenden Gleich­ spannungsquelle zur Bereitstellung einer Quellenspannung.

Es sind die beiden Fälle zu unterscheiden, daß die Akkumulatoranordnung vorhanden ist oder nicht. Der erstere Fall ist beispielsweise aus der DE 90 11 149 U1 bekannt. Ein an das Solarmodul angeschlossener elektrischer Verbraucher belastet vorrangig die Akkumulatoranordnung, die ihrerseits durch die Solarzellenanordnung nachgeladen wird. Wenn bei schwacher Lichteinstrahlung die Generatorwirkung der Solarzellenanordnung nachläßt, entlädt sich die Akkumulatoranordnung bei unveränderter Leistungsabgabe an den Verbraucher. Problematisch dabei ist, daß viele Akkumulatoren und insbesondere Kleinakkumulatoren nach einer Tiefentladung nicht mehr vollständig regeneriert werden können, manche durch die Tiefentladung sogar zerstört werden können.

Der andere der beiden angesprochenen Fälle ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Dort ist ein durch einen Lastwiderstand R_L angedeuteter elektrischer Verbraucher direkt an eine einer Lichteinstrahlung mit der Lichtleistung P_Licht ausgesetzte Solarzelle SZ angekoppelt. Der von der Solarzelle SZ erzeugte Strom I entspricht dem durch den Verbraucher R_L fließenden Laststrom. Die von der Solarzelle erzeugte Spannung U entspricht der an dem Verbraucher R_L anliegenden Lastspannung. In dem Diagramm der Fig. 9 bezeichnet KL1 die I-U-Kennlinie der Solarzelle SZ bei einer vergleichsweise starken Lichteinstrahlung, wobei U₀ die Leerlauf­ spannung der Solarzelle SZ und I_k den Kurzschlußstrom der Solarzelle SZ angeben. Die Kennlinie KL1' mit den Werten U_0' und I_k' steht für das I-U- Verhalten der Solarzelle SZ bei einer vergleichsweise schwachen Lichtein­ strahlung. Die I-U-Kennlinie des Verbrauchers R_L ist mit KL2 bezeichnet. Eine Lösung für das Schaltungssystem der Fig. 8 existiert nur am Schnitt­ punkt der I-U-Kennlinie der Solarzelle SZ mit der I-U-Kennlinie des Ver­ brauchers R_L. Für den Fall starker Lichteinstrahlung ist dieser Schnittpunkt in Fig. 9 mit S bezeichnet, während er für den Fall schwacher Lichtein­ strahlung bei S' liegt. Mit MPP ist in Fig. 9 der optimale Arbeitspunkt der Solarzelle SZ bezeichnet. Die von der Solarzelle SZ abgegebene elektrische Leistung, d. h. das Produkt aus Spannung U und Strom l, ist in diesem Arbeitspunkt MPP maximal. Die in der Fachterminologie übliche Abkürzung MPP steht für "Maximum Power Point". Bei schwacher Lichteinstrahlung liegt der optimale Arbeitspunkt entsprechend bei MPP'.

Die direkte Ankopplung des Verbrauchers R_L an die Solarzelle SZ führt zu folgenden Konsequenzen:

• 1. Die am Verbraucher anliegende Spannung hängt vom Lastwiderstand R_L ab. Bei verändertem Lastwiderstand R_L verschiebt sich in Fig. 9 die Kennlinie KL2, was zu einer entsprechenden Verschiebung des Schnittpunkts S bzw. S' führt.
• 2. Die am Verbraucher anliegende Spannung hängt von der Lichtleistung P_Licht ab. Für unterschiedliche Lichtleistungen ergeben sich bei gegebenem Lastwiderstand R_L in Fig. 9 die unterschiedlichen Schnittpunkte S und S'.
• 3. Änderungen des Lastwiderstands R_L oder/und der Lichtleistung P_Licht schlagen sich in beliebigen Abweichungen vom optimalen Arbeits­ punkt nieder. Während beispielsweise in Fig. 9 bei starker Lichtein­ strahlung der Schnittpunkt S nahe beim optimalen Arbeitspunkt MPP liegt, entfernt er sich bei abnehmender Lichtintensität rapide vom optimalen Arbeitspunkt, was in Fig. 9 am großen Abstand zwischen den Punkten S' und MPP' zu erkennen ist. Der Wirkungsgrad des Schaltungssystems der Fig. 8 nimmt dabei erheblich ab. Ebenso verhält es sich bei einer Änderung des Lastwiderstands R_L. Wird beispielsweise ein Verbraucher mit einem kleineren Lastwiderstand R_L an die Solarzelle SZ angekoppelt, verschiebt sich die Kennlinie KL2 in Fig. 9 im Gegenuhrzeigersinn hin zu einer größeren Steigung, was einer Entfernung ihres Schnittpunkts S mit der Kennlinie KL1 vom optimalen Arbeitspunkt MPP gleichkommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Solarmodul der eingangs bezeichneten Art so weiterzubilden, daß bei Vorhandensein der Akkumulatoranordnung diese vor Tiefentladung geschützt ist und bei Fehlen der Akkumulatoranordnung die den Verbraucher speisende Ausgangsspannung des Solarmoduls weitestgehend unabhängig vom Lastwiderstand und der Lichtintensität ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt das Solarmodul erfindungsgemäß einen Elektronikschaltkreis mit einem Gleichspannungswandler, welcher die Quellenspannung in eine vorbestimmte konstante Ausgangsspannung zur Speisung eines externen elektrischen Verbrauchers transformiert, und einer Schaltsteuereinheit, welche den Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von der Quellenspannung derart steuert, daß der Gleichspannungswandler im Sinne einer Leistungsabgabe an den Verbraucher eingeschaltet wird, wenn die Quellenspannung einen vorbestimmten Einschaltschwellenwert überschreitet, und der Gleichspannungswandler im Sinne einer Leistungs­ abkopplung von dem Verbraucher abgeschaltet wird, wenn die Quellen­ spannung einen vorbestimmten Abschaltschwellenwert unterschreitet, wobei der Einschaltschwellenwert betragsmäßig größer als der Abschalt­ schwellenwert ist.

Der Gleichspannungswandler hält unabhängig vom Lastwiderstand des Verbrauchers und von der Intensität des einfallenden Lichts eine konstante Ausgangsspannung für den Verbraucher bereit, zumindest solange die Quellenspannung zum Betrieb des Gleichspannungswandlers ausreicht und sich der Leistungsbedarf des Verbrauchers durch die an der Gleichspan­ nungsquelle verfügbare elektrische Leistung decken läßt. Die Ausgangs­ spannung des Gleichspannungswandlers kann gewünschtenfalls vom Benutzer des Solarmoduls variierbar sein, kann im einfachsten Fall aber auch für den Benutzer unbeeinflußbar festgelegt sein. Wenn bei Ausführung des Solarmoduls mit Akkumulatoranordnung die Lichteinstrahlung nicht aus­ reicht, um den Energieverlust der Akkumulatoranordnung durch die an den Verbraucher abgeführte Leistung auszugleichen, und wenn demzufolge die Quellenspannung mit der Zeit absinkt, wird bei Erreichen des Abschalt­ schwellenwerts der Leistungsabfluß zum Verbraucher unterbrochen, so daß keine weitere Entladung der Akkumulatoranordnung auftritt. Über die Solarzellenanordnung wird die Akkumulatoranordnung sodann wieder aufgeladen, was je nach Intensität des eingestrahlten Lichts mehr oder weniger lange dauern kann. Erst wenn die Quellenspannung den Einschalt­ schwellenwert wieder überschreitet, wird die Leistungstrennung zwischen Solarmodul und Verbraucher wieder aufgehoben und der Verbraucher wieder mit Energie versorgt. Durch geeignete Festlegung des Abschalt­ schwellenwerts kann eine Tiefentladung der Akkumulatoranordnung ver­ mieden werden. Sofern die Lichteinstrahlung ausreichend stark ist, um den Leistungsbedarf des Verbrauchers alleine über die Solarzellenanordnung zu decken, findet ohnehin keine Entladung der Akkumulatoranordnung statt.

Auch bei Fehlen der Akkumulatoranordnung liefert das Solarmodul eine konstante Ausgangsspannung, die sich auch dann nicht ändert, wenn ein anderer Verbraucher mit einem anderen Lastwiderstand an das Solarmodul angeschlossen wird oder wenn sich die Lichtintensität ändert. Dies gilt jedenfalls, solange das Leistungsangebot des Solarmoduls mindestens so groß wie der Leistungsbedarf des Verbrauchers ist. Sobald die verfügbare Leistung der Solarzellenanordnung, etwa infolge einer Bewölkung, unter den Leistungsbedarf des Verbrauchers (inklusive etwaiger Leistungsverluste der Schaltungselektronik des Solarmoduls) fällt, sinkt die Quellenspannung, da die Leistungsentnahme aus der Solarzellenanordnung zu groß ist und der stationäre Betrieb des Gleichspannungswandlers nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Das System bricht jedoch elektrisch nicht zusammen. Viel­ mehr wird der Verbraucher, sobald die Quellenspannung auf den Abschalt­ schwellenwert abgesunken ist, leistungsmäßig vom Solarmodul abgekop­ pelt, so daß die Solarzellenanordnung nicht mehr belastet ist. Daraufhin kann sich die Quellenspannung erholen und steigt, eine gewisse Lichtein­ strahlung vorausgesetzt, wieder an, bis sie schließlich den Einschalt­ schwellenwert erreicht, mit der Folge, daß der Verbraucher wieder für eine gewisse Zeit mit Energie aus der Solarzellenanordnung versorgt wird. Es stellt sich somit ein intermittierender oder periodischer Betrieb ein, der die Phase überbrückt, in der die Lichteinstrahlung zu schwach ist, um den Verbraucher mit voller Leistung zu betreiben. In dieser Phase periodischen Betriebs kann sich wegen des reduzierten Leistungsangebots der Solarzel­ lenanordnung eine reduzierte mittlere Ausgangsspannung einstellen. Sobald die Lichteinstrahlung wieder ausreichend hoch ist, um den Leistungsbedarf des Verbrauchers vollständig zu decken, wird die Ausgangsspannung jedoch wieder ihren vorbestimmten konstanten Wert annehmen.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Ein­ schalt- und der Abschaltschwellenwert derart gewählt sind, daß zumindest der bei normalen Lichtverhältnissen zu erwartende Wert der Quellenspannung bei maximaler Leistungsabgabe der Solarzellenanordnung insbesondere annä­ hernd mittig zwischen den beiden Schwellenwerten liegt. Hierdurch kann die Solarzellenanordnung in der Phase periodischen Betriebs um den optimalen Arbeitspunkt herum betrieben werden, so daß die verfügbare Leistung der Solarzellenanordnung, die in dieser Phase periodischen Betriebs nicht zur Deckung des Leistungsbedarfs des Verbrauchers ausreicht, optimal genutzt wird. Dabei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der Einschalt­ schwellenwert weniger als 115%, besser weniger als 110%, am besten etwa 105% des Werts der Quellenspannung bei maximaler Leistungsabga­ be der Solarzellenanordnung beträgt und der Abschaltschwellenwert mehr als 85%, besser mehr als 90%, am besten etwa 95% dieses Werts beträgt.

Vorteilhaft ist es, wenn quellenspannungsseitig ein erster Kondensator parallel zu der Gleichspannungsquelle geschaltet ist. Der erste Kondensator wird bei abgeschaltetem Gleichspannungswandler von der Solarzellenanord­ nung geladen und dient als Puffer, dem sich im periodischen Betrieb bei eingeschaltetem Gleichspannungswandler entlädt und den Abfall der Quellenspannung verlangsamt. Ausgangsspannungsseitig kann ein zweiter Kondensator parallel zu dem Gleichspannungswandler geschaltet sein. Dieser zweite Kondensator dient ebenfalls als Puffer, der sich bei abgeschal­ tetem Gleichspannungswandler über den Verbraucher entlädt und die Ausgangsspannung glättet.

Es hat sich gezeigt, daß die an der Solarzellenanordnung abgreifbare Spannung und insbesondere der optimale Arbeitspunkt der Solarzellenanord­ nung oftmals temperaturabhängig sind. Es empfiehlt sich daher, daß der Einschalt- oder/und der Abschaltschwellenwert temperaturabhängig fest­ gelegt sind. Insbesondere bei Solarzellen aus Silizium ist beobachtet worden, daß deren Spannung mit steigender Temperatur abnimmt. Zweck­ mäßigerweise werden dann der Einschalt- oder/und der Abschaltschwellen­ wert mit steigender Temperatur betragsmäßig sinken. Grundsätzlich ist es denkbar, die Temperaturkompensation prozessorgesteuert vorzunehmen, etwa indem die Temperatur sensorisch erfaßt wird und die Schaltschwellen nach Maßgabe eines Steuerprogramms in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur variiert werden. Einfacher und in der Regel dennoch hinreichend genau ist es, wenn die Schaltsteuereinheit zur Temperaturanpassung des Einschalt- oder/und Abschaltschwellenwerts einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere einen Halbleiter-Thermistor, umfaßt, dessen Temperaturcharakteristik auf die Temperaturcharakteristik der Solarzellen­ anordnung abgestimmt ist. Die Temperaturcharakteristik der Solarzellen­ anordnung kann z. B. durch praktische Versuche empirisch ermittelt werden.

Aus einem Sortiment von Widerständen mit unterschiedlicher Temperatur­ charakteristik kann dann in Abhängigkeit von den experimentellen Ergeb­ nissen ein geeigneter ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der temperaturabhängige Widerstand zusammen mit einem tempera­ turunabhängigen Widerstand einen zur Gleichspannungsquelle parallel geschalteten Spannungsteiler bildet und die Schaltsteuereinheit einen Spannungsdetektor umfaßt, welcher zur Steuerung des Gleichspannungs­ wandlers die an dem temperaturunabhängigen Widerstand abfallende Spannung detektiert. Der Spannungsdetektor kann so stets mit den gleichen Schaltschwellen arbeiten, da die temperaturbedingten Schwankungen der an den Eingangsklemmen des Spannungsteilers anliegenden Spannung im wesentlichen vollständig von dem temperaturabhängigen Widerstand ausgeglichen werden. Der Spannungsdetektor kann beispielsweise von einem Komparator mit Hysterese gebildet sein.

Um bei Ausführung des Solarmoduls mit Akkumulatoranordnung eine günstige Leistungsausnutzung der Akkumulatoranordnung zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, daß bei Vorhandensein der Akkumulatoranordnung der Einschaltschwellenwert mehr als 80%, besser mehr als 85%, am besten mehr als 90% der Nennspannung der Akkumulatoranordnung beträgt. Um die Akkumulatoranordnung rasch wiederaufladen zu können, sollte ihre Akkumulatorspannung nicht zu weit abfallen. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn bei Vorhandensein der Akkumulatoranordnung der Abschaltschwellenwert mehr als 55%, besser mehr als 65%, am besten mehr als 70% der Nennspannung der Akkumulatoranordnung beträgt.

Die Akkumulatoranordnung kann aus dem Solarmodul herausnehmbar sein. Dies kann zweckmäßig sein, um die Akkumulatoranordnung mittels eines externen Ladegeräts wiederaufzuladen, wenn die Lichteinstrahlung zu schwach ist, um die Akkumulatoranordnung über die Solarzellenanordnung in vertretbarer Zeit nachzuladen. Zudem kann eine Steuerelektronik in dem Solarmodul enthalten sein, die erkennt, ob die Akkumulatoranordnung in das Solarmodul eingesetzt oder herausgenommen ist und abhängig davon den Betrieb des Solarmoduls so steuert, daß bei herausgenommener Akkumula­ toranordnung auf reinen Solarzellenbetrieb mit Verfolgung des optimalen Arbeitspunkts umgeschaltet wird und bei eingesetzter Akkumulatoranord­ nung unter entsprechender Anpassung der Schaltschwellen auf Akkumula­ torbetrieb umgeschaltet wird. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Solarmo­ duls ist das bloße Nachladen der Akkumulatoranordnung, die, wenn sie vollständig wiederaufgeladen ist, aus dem Solarmodul herausgenommen und in ein externes Gerät zu dessen Energieversorgung eingesetzt werden kann.

Um eine geringe Abhängigkeit der Nennspannung der Solarzellenanordnung, also ihrer Klemmenspannung im optimalen Arbeitspunkt, von der einge­ strahlten Lichtintensität und von der Temperatur zu erhalten, ist die Solarzellenanordnung bevorzugt von monokristallinen Solarzellen, ins­ besondere aus Silizium, gebildet.

Bei Vorhandensein der Akkumulatoranordnung ist es vorteilhaft, diese thermisch von der Solarzellenanordnung zu entkoppeln, da sich die Solarzellenanordnung vergleichsweise stark erhitzen kann und sich der Wirkungsgrad bei einigen Akkumulatortypen erheblich mit steigender Temperatur verschlechtert. Wenn die Solarzellenanordnung und die Akku­ mulatoranordnung in einer Baueinheit zusammengefaßt sind, kann ihre thermische Entkopplung dadurch erreicht werden, daß ein Lüftungs­ raumsystem zwischen der Solarzellenanordnung und der Akkumulatoranord­ nung vorgesehen ist. Dieser Gedanke soll im Rahmen der Erfindung auch selbständigen Schutz genießen.

Eine Hinterlüftung der Solarzellenanordnung zur Wärmeableitung ist auch dann vorteilhaft, wenn das Solarmodul elektronische Schaltungskomponen­ ten, also insbesondere die Komponenten des Elektronikschaltkreises, umfaßt, die mit der Solarzellenanordnung in einer Baueinheit zusammen­ gefaßt sind. Hierzu wird vorgeschlagen, die Solarzellenanordnung einerseits und mindestens einen Teil der elektronischen Schaltungskomponenten, insbesondere den Elektronikschaltkreis, andererseits auf gesonderten, übereinander angeordneten Platinen anzuordnen, die zwischen sich einen Lüftungsraum begrenzen. Es ergibt sich ein kompakt bauendes Solarmodul, bei dem die elektronischen Schaltungskomponenten vor Überhitzung geschützt sind und wegen der rückseitigen Kühlung der Solarzellenanord­ nung ein hitzestaubedingter Spannungsabfall an der Solarzellenanordnung vermieden werden kann. Auch dieser Gedanke soll im Rahmen der Erfindung selbständigen Schutz genießen. Bei Vorhandensein der Akkumulatoranord­ nung wird diese dann vorteilhafterweise auf der der Solarzellenanordnung abgewandten Seite der die elektronischen Schaltungskomponenten tragenden Platine angeordnet sein, um auch die Akkumulatoranordnung vor übermäßiger Wärmeeinwirkung zu schützen.

Eine weitestgehende Automatisierung der Fertigungsabläufe für das Solar­ modul wird dadurch ermöglicht, daß die Solarzellenanordnung oder/und der Elektronikschaltkreis durch Oberflächenmontage auf einer Platine montiert sind. Die Solarzellenanordnung kann von einer Mehrzahl blättchenartiger Solarzellen gebildet sein, die einander schuppenartig überlappend auf der Platine angeordnet sind und in ihren Überlappungsbereichen miteinander kontaktiert sein können. Als Schlagschutz für die Solarzellenanordnung kann eine elastisch aushärtende transparente Masse, etwa auf Silikon- oder Harzbasis, dienen, in die die Solarzellenanordnung zumindest auf ihrer lichtzugewandten Seite eingebettet sein kann.

Ein handliches, jederzeit am Körper mitführbares und für elektrische Kleingeräte, etwa Mobiltelephone, tragbare CD-Spieler oder dgl., aus­ reichend leistungsfähiges Solarmodul läßt sich mit einem im Umriß annä­ hernd Scheckkartengröße aufweisenden Solarmodul schaffen. Das Solar­ modul kann eine Umhüllung mit Anbringungsmitteln umfassen, welche eine im wesentlichen verrutschungssichere Anbringung des Solarmoduls am Körper einer das Solarmodul tragenden Person mit lichtzugewandter Solarzellenanordnung erlauben. Diese Anbringungsmittel können eine Ansteckklammer zum Anstecken des Solarmoduls an ein Kleidungsstück der tragenden Person umfassen. Denkbar sind auch Riemen oder Gurte, mit denen das Solarmodul am Arm oder am Rumpf befestigt werden kann. Die Umhüllung kann von einem Hartgehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, gebildet sein. Eine optisch ansprechende und gewünschtenfalls luxuriöse Ausführung kann darin bestehen, daß die Umhüllung von einer Tasche aus Weichmaterial, vorzugsweise Leder, gebildet ist.

Wenn der Verbraucher mit einer Versorgungsspannung betreibbar ist, die dem Nennwert der Quellenspannung der Gleichspannungsquelle entspricht, kann es zweckmäßig sein, wenn das Solarmodul einen zum Anschließen eines elektrischen Verbrauchers dienenden Anschluß aufweist, an dem die Quellenspannung bereitsteht. Die Leistungsverluste des Elektronikschalt­ kreises des Solarmoduls können in diesem Fall vermieden werden.

Gelegentlich kann es vorkommen, daß der Leistungsbedarf eines Ver­ brauchers die von einem einzelnen Solarmodul verfügbare Leistung deutlich übersteigt. Für diesen Fall kann das Solarmodul eine Stecker-Buchsen- Anordnung zur elektrischen Parallelschaltung mehrerer Solarmodule aufweisen. Durch Zusammenstecken mehrerer Solarmodule kann dann ein Modulfeld gebildet werden, dessen Nennleistung dem Leistungsbedarf des Verbrauches entspricht.

Es ist denkbar, daß das Solarmodul mit dem Verbraucher zu einer Baueinheit mechanisch fest verbunden oder verbindbar ist. Beispielsweise kann mittels eines Glühbirnenaufsatzes eine Solar-Taschenlampe oder mittels eines Ventilatoraufsatzes ein Solar-Lüfter gebildet werden.

Das Solarmodul kann ferner einen Anschluß aufweisen, um ein externes Ladegerät zum Laden der Akkumulatoranordnung anzuschließen.

Beim Laden der Akkumulatoranordnung ist darauf zu achten, daß diese nicht überladen wird, da sonst mit Beschädigungen und einer eingeschränkten Lebensdauer der Akkumulatoranordnung gerechnet werden muß. Der Elektronikschaltkreis umfaßt daher vorzugsweise eine Ladesteuereinheit, welche beim Laden der Akkumulatoranordnung bei Erreichen eines vor­ bestimmten Ladungszustands den Ladestrom in die Akkumulatoranordnung abschaltet. Eine schaltungstechnisch einfache Lösung besteht darin, daß die Ladesteuereinheit die Klemmenspannung der Akkumulatoranordnung als Maß für deren Ladungszustand erfaßt und beim Laden der Akkumulator­ anordnung bei Erreichen einer vorbestimmten Klemmenspannung den Ladestrom abschaltet. Für die Akkumulatoranordnung können grundsätzlich beliebige Akkumulatortypen verwendet werden, beispielsweise Ni-Cd-Akkus oder Li-Ionen-Akkus. Als besonders vorteilhaft haben sich wiederaufladbare Alkali-Mangan-Zellen herausgestellt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, eine geringe Temperaturabhängigkeit, eine nur schwache Selbstentladung und vor allem einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen der offenen Klemmenspannung und ihrem Ladungszustand aus. Bei diesen Zellen kann daher über die Erfassung der Klemmenspannung besonders gut auf den Ladungszustand geschlossen werden. Zudem weisen sie im wesentlichen keinen Memory-Effekt auf, weswegen sie sich besonders gut für die Aufladung mit stark variierenden Strömen eignen, wie sie bei lichtabhängigen Systemen unvermeidbar sind.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere eines Solarmoduls der vorstehend beschriebenen Art, mit einer auf einem Träger montierten Solarzellenanord­ nung vorgesehen, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die Solar­ zellenanordnung durch Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte als Träger montiert wird und hierzu Lötmaterial auf die Leiterplatte oder/und auf die Solarzellenanordnung aufgebracht wird, insbesondere durch Siebdrucken, sodann die Solarzellenanordnung auf der Leiterplatte angeordnet wird und anschließend die Leiterplatte mit der darauf liegenden Solarzellenanordnung zu deren gegenseitiger Verlötung in einen Lötofen gebracht wird. Mit diesem Verfahren ist eine rationelle Fertigung des Solarmoduls in Großserie möglich. Das Aufbringen des Lötmaterials und die Verlötung im Lötofen können bei diesem Verfahren automatisiert werden. Das Auflegen der Solarzellenanord­ nung auf die Leiterplatte kann manuell erfolgen oder ebenfalls automatisch mit Hilfe von Bestückungsautomaten. Es hat sich gezeigt, daß die Ober­ flächenmontage der Solarzellenanordnung nicht nur zu einer Zeitersparnis gegenüber manuellen Lötverfahren führt, sondern auch eine schonende Verarbeitung und eine hohe Verarbeitungsqualität bei einem geringen Ausschußanteil ermöglicht.

Damit die Solarzellenanordnung vor ihrer Verlötung nicht auf der Leiterplatte verrutscht, kann sie im Zuge ihrer Anordnung auf der Leiterplatte mittels eines elastisch aushärtenden Klebstoffs mit der Leiterplatte verklebt werden. Die Elastizität des Klebstoffs ermöglicht es, unterschiedliches Wärmeaus­ dehnungsverhalten der Solarzellenanordnung und der Leiterplatte zu kom­ pensieren. Der Vermeidung von mechanischen Spannungen infolge unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens dient auch die Maßnahme, daß die Solarzellenanordnung an mindestens einem ihrer Endbereiche über ein flexibles Zwischenstück, insbesondere einen Metallstreifen, mit der Leiterplatte kontaktiert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Solarmoduls, dessen Gleichspannungsquelle lediglich eine Solarzellenanord­ nung umfaßt,

Fig. 2 ein qualitatives Kennliniendiagramm wichtiger elektrischer Größen des Solarmoduls der Fig. 1 zur Erläuterung von dessen Betriebsweise,

Fig. 3 ein qualitatives Spannungs-Zeit-Diagramm für die Quellen­ spannung und die Ausgangsspannung des Solarmoduls der Fig. 1 im periodischen Betrieb,

Fig. 4 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit Akkumulatoranordnung,

Fig. 5 ein qualitatives Spannungs-Zeit-Diagramm für die Quellen­ spannung und die Ausgangsspannung des Solarmoduls der Fig. 4 bei Entladung der Akkumulatoranordnung,

Fig. 6 schematisch den konstruktiven Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Solarmoduls,

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 6,

Fig. 7a einen nochmals vergrößerten Ausschnitt der Fig. 6 zur Erläuterung der Montagetechnik der Solarzellenanordnung,

Fig. 8 den eingangs bereits erläuterten Fall der direkten Ankopplung einer elektrischen Last an eine Solarzellenanordnung und

Fig. 9 das sich bei der Fallkonstellation der Fig. 8 ergebende Strom- Spannungs-Diagramm.

Das durch das Schaltbild der Fig. 1 dargestellte Solarmodul enthält als Spannungsquelle lediglich eine Solarzellenanordnung SZ. Es dient insbe­ sondere zur Energieversorgung solcher Geräte, bei denen durch schwanken­ de Lichtverhältnisse hervorgerufene kurz- oder mittelfristige Schwankungen des Leistungsangebots tolerierbar sind. Beispielsweise können mit dem Solarmodul der Fig. 1 Meßgeräte, tragbare Kassetten- oder CD-Abspielge­ räte oder Mobiltelefone betrieben werden. Parallel zu der Solarzellenanord­ nung SZ sind ein erster Stützkondensator C₁ sowie ein aus einem Thermi­ stor R₁ und einem temperaturunabhängigen Widerstand R₂ gebildeter Span­ nungsteiler geschaltet. Ein beispielsweise von einem Komparator mit Hysterese gebildeter Spannungsdetektor 10 greift die am Widerstand R₂ abfallende und mit U_D bezeichnete Spannung ab und gibt in Abhängigkeit vom Wert der Spannung U_D ein Steuersignal an einen Steuereingang eines Gleichspannungswandlers 12 aus, welcher die von der Solarzellenanordnung SZ erzeugte und mit U₁ bezeichnete Quellenspannung in eine vorbestimmte Ausgangsspannung U₂ transformiert, die an einem Klemmenpaar 14 des Solarmoduls abgreifbar ist. Dem Gleichspannungswandler 12 ist parallel ein zweiter Stützkondensator C₂ nachgeschaltet. An das Klemmenpaar 14 des Solarmoduls ist ein durch einen Lastwiderstand R_L charakterisierter elektrischer Verbraucher anschließbar. Der Gleichspannungswandler 12 ist bevorzugt als sog. Durchflußwandler ausgeführt und umfaßt beispielsweise einen Wandler-Chip vom Typ RC4193 der Firma Raytheon. Er kann die Quellenspannung U₁ herauf- oder herabtransformieren, je nachdem, welche Betriebsspannung der angeschlossene Verbraucher benötigt. Die von ihm bereitgestellte Ausgangsspannung U₂ kann fest eingestellt sein, beispiels­ weise durch geeignete Wahl von Widerständen eines internen Spannungs­ teilers des Gleichspannungswandlers 12. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, daß die Ausgangsspannung U₂ vom Benutzer des Solarmoduls frei wählbar ist, insbesondere wenn das Solarmodul mikroprozessorgesteuert ist.

Solange die eingestrahlte Lichtleistung und demnach die von der Solarzellen­ anordnung SZ erzeugte elektrische Leistung ausreichen, um den Leistungs­ bedarf des Verbrauchers und der elektronischen Schaltungskomponenten des Solarmoduls (also insbesondere des Spannungsdetektors 10 und des Gleichspannungswandlers 12) zu decken, ist die Ausgangsspannung U₂ des Gleichspannungswandlers 12 konstant. Beispielsweise beträgt die Aus­ gangsspannung U₂ 12 oder 24 Volt bei einer Nennspannung der Solarzellen­ anordnung SZ von etwa 4,3 Volt.

Analog zur Fig. 9 verdeutlicht in Fig. 2 die Kennlinie KL1 den Zusammen­ hang zwischen dem von der Solarzellenanordnung SZ gelieferten Strom I₁ und der Quellenspannung U₁ bei einer vergleichsweise starken Licht­ intensität. Die Kennlinie KL1' steht für eine vergleichsweise schwache Lichtintensität. MPP und MPP' bezeichnen wiederum den optimalen Arbeits­ punkt der Solarzellenanordnung SZ bei der jeweiligen Lichtintensität. Die Hyperbeläste P, P' und P'' stellen Kurven konstanter elektrischer Leistung der Solarzellenanordnung SZ für verschiedene Werte des durch den Verbrau­ cher fließenden Laststroms I₂ als Scharparameter dar. Diese Kurven stehen stellvertretend für den Leistungsbedarf des Verbrauchers. Ein normaler, mittlerer Leistungsbedarf des Verbrauchers, der zu einem Laststrom I₂ führt, bedingt, daß die Solarzellenanordnung SZ eine mittlere elektrische Leistung zur Verfügung stellt, die in Fig. 2 durch die Kennlinie P dargestellt ist. Längs dieser Kennlinie P ist das Produkt aus Solarstrom I₁ und Quellenspannung U₁ konstant und nimmt einen mittleren Wert an. Bei einem geringen Lei­ stungsbedarf des Verbrauchers muß die Solarzellenanordnung eine entspre­ chend geringere elektrische Leistung zur Verfügung stellen, was in Fig. 2 durch die Kennlinie P' dargestellt ist, der ein entsprechend verringerter Laststrom I₂' zugeordnet ist. Ein großer Leistungsbedarf des Verbrauchers verlangt dagegen nach dem durch die Kennlinie P'' mit dem entsprechend großen Laststrom I₂'' repräsentierten Leistungsangebot der Solarzellenanord­ nung SZ.

Eine stabile Lösung für den Solarstrom I₁ und die Quellenspannung U₁ ist bei der Schaltung der Fig. 1 nur in den Schnittpunkten der Strom-Spannungs- Kennlinie der Solarzellenanordnung SZ mit der jeweiligen Leistungsbedarfs­ kurve möglich. Ist die Lichteinstrahlung vergleichsweise stark (Kennlinie KL1), so ergeben sich bei einem mittleren Leistungsbedarf des Verbrauchers (Kennlinie P) mögliche Arbeitspunkte AP1 und AP2 der Solarzellenanord­ nung SZ und bei einem geringen Leistungsbedarf des Verbrauchers (Kenn­ linie P') mögliche Arbeitspunkte AP1' und AP2'. Bei einem hohen Leistungs­ bedarf des Verbrauchers (Kennlinie P'') ist dagegen keine stabile Lösung möglich, da keine Schnittpunkte zwischen der Kennlinie P'' und der Kennlinie KL1 existieren. In diesem Fall übersteigt nämlich der Leistungs­ bedarf des Verbrauchers das Leistungsangebot der Solarzellenanordnung SZ.

Der Spannungsdetektor 10 besitzt zwei Schaltschwellen: Wenn die Span­ nung U_D eine obere der beiden Schaltschwellen überschreitet, schickt er ein solches Steuersignal an den Gleichspannungswandler 12, daß dieser einge­ schaltet wird und einen Leistungsfluß zu dem Verbraucher gestattet. Diese obere Schaltschwelle entspricht einem Wert U_Ein der Quellenspannung U₁. Wenn die Spannung U_D unter die untere der beiden Schaltschwellen absinkt, schaltet der Spannungsdetektor 10 den Gleichspannungswandler 12 wieder aus, so daß eine Leistungsentnahme durch den Verbraucher nicht mehr möglich ist. In diesem Zustand können die Ausgänge des Gleichspannungs­ wandlers 12 beispielsweise hochohmig sein. Die untere Schaltschwelle entspricht einem Wert U_Aus der Quellenspannung U₁. In Fig. 2 erkennt man, daß die Schwellenwerte U_Ein und U_Aus so festgelegt sind, daß der optimale Arbeitspunkt MPP bzw. MPP' der Solarzellenanordnung SZ zwischen den beiden Schwellenwerten U_Ein und U_Aus liegt. Die Solarzellenanordnung besteht vorzugsweise aus monokristallinen Silizium-Solarzellen, bei denen die Nennspannung, das ist die Spannung im optimalen Arbeitspunkt, nur wenig von der eingestrahlten Lichtintensität abhängt. Bei geeigneter Festlegung der Schwellenwerte U_Ein und U_Aus kann dementsprechend erreicht werden, daß die Nennspannung der Solarzellenanordnung SZ sowohl für starke Lichtintensitäten als auch für schwache Lichtintensitäten in dem durch die beiden Schwellenwerte begrenzten Bereich liegt.

Es wird nun zunächst der Fall betrachtet, daß das Leistungsangebot der Solarzellenanordnung SZ den Leistungsbedarf des Verbrauchers deutlich übersteigt (Kennlinien KL1 und P'). Ist der Verbraucher zunächst abge­ klemmt und wird bei ausreichender Lichtintensität sodann an das Solarmo­ dul angeschlossen, wird ausgehend von einem Kennlinienpunkt C der stabile Arbeitspunkt AP2' erreicht. Der Gleichspannungswandler 12 ist in diesem Fall eingeschaltet, da die Quellenspannung U₁ zuvor einmal die Schwelle U_Ein überschritten hat und im Arbeitspunkt AP2' noch deutlich über der Ab­ schaltschwelle U_Aus liegt. Ist dagegen der Verbraucher schon angeschlossen, bevor Licht in ausreichender Intensität auf die Solarzellenanordnung SZ einstrahlt, wird die Kennlinie KL1 von einem Kennlinienpunkt D her durchlaufen. Die Schaltung bleibt dabei nicht in dem Arbeitspunkt AP1' hängen, da dort die Quellenspannung U₁ die Einschaltschwelle U_Ein noch nicht erreicht hat. Die Kennlinie KL1 wird daher über ihren Arbeitspunkt AP1' und den optimalen Arbeitspunkt MPP hinaus bis zum Arbeitspunkt AP2' durchlaufen, bei dem die Schaltung gemäß Fig. 1 schließlich stabil arbeitet. Zwischenzeitlich wird der Gleichspannungswandler 12 eingeschal­ tet, wenn die Quellenspannung U₁ die Einschaltschwelle U_Ein überschreitet.

Es wird nun der Fall betrachtet, daß das Leistungsangebot der Solarzellen­ anordnung SZ nur noch geringfügig größer als der Leistungsbedarf des Verbrauchers ist (Kennlinien KL1 und P). Wenn die Kennlinie KL1 vom Punkt C her durchlaufen wird, stellt sich analog zum vorherigen Fall der Arbeits­ punkt AP2 ein. Wenn die Kennlinie KL1 dagegen vom Punkt D her durch­ laufen wird, bleibt das System zunächst nicht im Arbeitspunkt AP2 hängen, da die Einschaltschwelle U_Ein anfangs noch nicht erreicht ist und dement­ sprechend noch keine Leistungsabgabe an den Verbraucher erfolgt. Erst wenn die Quellenspannung U₁ die Einschaltschwelle U_Ein überschritten hat, wird der Verbraucher zugeschaltet, woraufhin die Kennlinie KL1 zurück zum stabilen Arbeitspunkt AP2 durchlaufen wird.

Es kann nun der Fall eintreten, daß das Leistungsangebot der Solarzellen­ anordnung SZ kleiner wird als der Leistungsbedarf des Verbrauchers, und zwar wenn ein Verbraucher mit kleinerem Lastwiderstand R_L angeschlossen wird (Kennlinie P'') oder die Lichtintensität abnimmt (Kennlinie KL1'). In diesem Fall stellt sich das in Fig. 3 gezeigte Verhalten der Quellenspannung U₁ und der Ausgangsspannung U₂ ein. Wenn die Solarzellenanordnung SZ den Leistungsbedarf nicht mehr decken kann, fällt die Quellenspannung U₁, zeitlich durch die Entladung des Stützkondensators C₁ gepuffert, ab, bis sie die Ausschaltschwelle U_Aus erreicht. Daraufhin wird der Gleichspannungs­ wandler 12 abgeschaltet, mit der Folge, daß der Stützkondensator C₁ durch die Solarzellenanordnung SZ wiederaufgeladen wird und sich die Quellen­ spannung U₁ langsam erholt. Obwohl der Verbraucher in diesem Zustand vom Gleichspannungswandler 12 nicht mehr gespeist wird, fällt die Ausgangsspannung U₂ nicht rapide ab, da sich der Stützkondensator C₂ über den Lastwiderstand R_L entlädt und so eine gewisse Energieversorgung des Verbrauchers aufrechterhält. In dem Diagramm der Fig. 3 ereignet sich dies in der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂.

Zum Zeitpunkt t₂ ist die Quellenspannung U₁ wieder auf den Einschalt­ schwellenwert U₁ angestiegen, wodurch der Gleichspannungswandler 12 wieder eingeschaltet wird. Dies geht mit einer Aufladung des Kondensators C₂ und einem entsprechenden Anstieg der Ausgangsspannung U₂ sowie mit einer Entladung des Kondensators C₁ und einem entsprechenden Abfall der Quellenspannung U₁ einher (Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃. Die Quellenspannung U₁ erreicht schließlich zum Zeitpunkt t₃ wieder den Schwellenwert U_Aus, mit der Folge, daß der Gleichspannungswandler 12 wieder ausgeschaltet wird. Es stellt sich so ein periodischer Betrieb ein, bei dem die Quellenspannung U₁ fortlaufend zwischen der Einschaltschwelle U_Ein und der Ausschaltschwelle U_Aus hin- und herpendelt. Dabei wird stets der optimale Arbeitspunkt MPP bzw. MPP' durchlaufen, so daß die verfügbare Leistung der Solarzellenanordnung SZ optimal genutzt wird. Es empfiehlt sich, die Schwellen U_Ein und U_Aus relativ eng um den optimalen Arbeitspunkt zu legen. Beispielsweise können sie etwa das 0,95fache (U_Aus) und das 1,05fache (U_Ein) der Nennspannung der Solarzellenanordnung SZ betragen. Die Kapazität der Stützkondensatoren C₁ und C₂ beeinflußt die Anstiegs- und Abfallzeiten der Spannungen U₁ und U₂. Kapazitäten im µF-Bereich haben sich für die Kondensatoren C₁ und C₂ als günstig erwiesen.

Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ in Fig. 3 kennzeichnet eine Phase, in der die Lichtintensität weiter abgesunken ist. Dement­ sprechend dauert die Aufladung des Kondensators C₁ länger als in der Zeit­ spanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂. Dies hat zur Folge₁ daß sich der Kondensator C₂ bis zum Zeitpunkt t₄ stärker entlädt und die Ausgangs­ spannung U₂ weiter abfällt als im Zeitraum zwischen t₁ und t₂. Es stellt sich somit bei verringerter Lichtintensität automatisch ein niedrigeres Niveau der Ausgangsspannung U₂ ein. In Fig. 3 erkennt man dies bei den Zeitpunkten t₄ und t₅, bei denen der Pegel der Ausgangsspannung U₂ jeweils kleiner als zum Zeitpunkt t₂ bzw. t₃ ist. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₆ und t₇ repräsentiert eine Phase, in der auch der Leistungsbedarf des Ver­ brauchers zurückgegangen ist. Dementsprechend findet in dieser Phase die Entladung des Kondensators C₁ nicht so schnell wie zuvor statt, was zur Folge hat, daß die Ausgangsspannung U₂ auf einen verglichen mit dem Wert zum Zeitpunkt t₅ höheren Wert ansteigen kann. Folglich fällt die Ausgangs­ spannung U₂ bis zum Zeitpunkt t₆ auch nicht so tief wie zum Zeitpunkt t₆. Änderungen des Lastwiderstands R_L führen somit ebenfalls zu einer automatischen Anpassung des Pegels der Ausgangsspannung U₂.

Sobald im Anschluß an eine solche Phase periodischen Betriebs die Licht­ leistung wieder ausreichend ist, um den Leistungsbedarf des Verbrauchers zu decken, ergeben sich wieder Schnittpunkte der Strom-Spannungs- Kennlinie der Solarzellenanordnung SZ mit der Leistungsbedarfskurve für den Verbraucher, in denen das System der Fig. 1 stabil arbeiten kann.

Im Schaltbild der Fig. 1 erkennt man zusätzlich einen dem Gleichspannungs­ wandler 12 vorgeschalteten Steckanschluß 16, der es erlaubt, einen Ver­ braucher an das Solarmodul anzuschließen und unmittelbar mit der Quellen­ spannung U₁ zu betreiben. Leistungsverluste durch den Spannungsdetektor 10 und den Gleichspannungswandler 12 können so vermieden werden. Zudem ist ausgangsspannungsseitig ein Paar von Steckanschlüssen 18 vorgesehen, die es erlauben, mehrere Solarmodule unter Parallelschaltung zusammenzustecken, um höhere Leistungen verfügbar zu machen. Zweck­ mäßigerweise wird einer der Steckanschlüsse 18 als Buchse und der andere als Stecker ausgebildet sein.

Der Thermistor R₁ ist ein Heißleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten, dessen Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Er dient zur Kompensation temperaturbedingter Spannungsänderungen der Solarzellen­ anordnung SZ und zeigt vorteilhafterweise ein der Solarzellenanordnung SZ entsprechendes Temperaturverhalten. Wenn bei steigender Temperatur die von der Solarzellenanordnung erzeugte Quellenspannung U₁ kleiner wird, nimmt zugleich aufgrund der thermischen Widerstandsverringerung der Spannungsabfall am Thermistor R₁ ab, so daß der Spannungsabfall am Widerstand R₂ im wesentlichen unverändert bleibt. Die internen Schalt­ schwellen des Spannungsdetektors 10 müssen somit nicht temperatur­ abhängig variiert werden. Auf die Quellenspannung U₁ bezogen, werden jedoch die Schaltschwellen U_Ein und U_Aus durch den Thermistor R₁ tempera­ turabhängig angepaßt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist über eine Sperrdiode D eine Akkumulatoranordnung A parallel zur Solarzellenanordnung SZ geschaltet. Die Sperrdiode D verhindert eine Entladung der Akkumulatoranordnung A über die Solarzellenanordnung SZ. Die Akkumulatoranordnung A umfaßt beispielsweise zwei Akkumulatorzellen (Ni-Cd oder Alkali-Mn) mit einer typabhängigen Nennspannung von jeweils zwischen etwa 1,2 und 1,6 Volt. Ebenso können Li-Ionen-Akkus mit einer Nennspannung von etwa 3,6 Volt verwendet werden. Der Stützkondensator C₁ und der aus den Widerständen R₁ und R₂ bestehende Spannungsteiler der Fig. 1 sind bei dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 4 entfallen (was nicht in jedem Fall erforderlich ist). Der Spannungsdetektor 10 detektiert hier unmittelbar die Quellenspannung U₁. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 demjenigen der Fig. 1, wobei die Steckanschlüsse 16 und 18 optional ebenfalls vorhanden sein können. An den Steckanschluß 16 kann z. B. ein externes Ladegerät angeschlossen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Schaltschwellen U_Ein und U_Aus der Quellenspannung U₁ nicht auf den optimalen Arbeitspunkt der Solarzellenanordnung SZ ausgelegt, sondern derart gewählt, daß die Akkumulatoranordnung A vor zu starker Entladung geschützt ist und in einem möglichst optimalen Arbeitsbereich betrieben wird. Hierzu ist der Schwellenwert U_Aus bevorzugt auf etwa 75% der Nennspannung der Akku­ mulatoranordnung festgelegt, während der Schwellenwert U_Ein bevorzugt auf etwa 90% der Akkumulatornennspannung festgelegt ist. Dabei ist berück­ sichtigt, daß ein Abfall der Akkumulatorspannung auf etwa 2/3 ihres Nennwerts für viele Akkumulatoren bereits zu stark ist, um sie vollständig wiederaufladen zu können. Die Folge wäre der zwangsweise Austausch der Akkumulatoranordnung. Zudem liegt der optimale Arbeitspunkt bei Akkumulatoren oftmals etwas unter der Nennspannung.

Solange bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Lichteinstrahlung ausreichend stark ist, um die Leistungsentnahme durch den Verbraucher vollständig auszugleichen, findet keine Entladung der Akkumulatoranord­ nung A statt. Erst bei nachlassender Lichtintensität oder gar im Dunkeln wird die Akkumulatoranordnung A stärker belastet, mit der Folge, daß die Quellenspannung U₁ von ihrem Nennwert U_1Nenn mit der Zeit absinkt. Dies kann mit einem gleichzeitigen Absinken der Ausgangsspannung U₂ von ihrem konstanten Sollwert U_2soll einhergehen, wie dies im Spannungs-Zeit- Diagramm der Fig. 5 vor dem Zeitpunkt t₁ ersichtlich ist. Wenn die Quel­ lenspannung U₁ auf den unteren Schwellenwert U_Aus abgefallen ist, wird der Gleichspannungswandler 12 abgeschaltet und der Verbraucher leistungs­ mäßig abgekoppelt. Die Akkumulatoranordnung A muß nun wiederaufgela­ den werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß das Solarmodul einer Lichteinstrahlung ausgesetzt wird oder die Akkumulatoranordnung an ein externes Ladegerät angeschlossen wird. Der Ladevorgang der Akkumula­ toranordnung wird in der Regel lange im Vergleich zur Entladezeit des Kondensators C₂ dauern, so daß die Ausgangsspannung U₂ zwischenzeitlich auf 0 Volt abfällt. In Fig. 5 ist dies in der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ zu erkennen. Sofern die Akkumulatoranordnung im Solarmodul belassen wird und über die Solarzellenanordnung geladen wird, steigt die Quellenspannung U₁ langsam an, bis sie schließlich den oberen Schwellenwert U_Ein erreicht, was die Wiedereinschaltung des Gleich­ spannungswandlers 12 bewirkt. Daraufhin steigt die Ausgangsspannung U₂ rasch wieder an und fällt anschließend mit absinkender Quellenspannung U₁ nach und nach wieder ab, sofern weiterhin die Lichteinstrahlung zu schwach ist, um die Ladungsverluste der Akkumulatoranordnung A aus­ zugleichen. Dies ist in Fig. 5 in der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ zu erkennen. Wenn nach dem Zeitpunkt t₃, an dem die Energiever­ sorgung des Verbrauchers wieder unterbrochen wurde, die Lichteinstrahlung auf die Solarzellenanordnung stärker wird, steigt die Quellenspannung U₁ schneller auf den oberen Schwellenwert U_Ein (Zeitpunkt t₄) und bei hinreichend starker Lichteinstrahlung auch noch darüber hinaus bis ggf. auf die Nennspannung U_1Nenn der Akkumulatoranordnung A an, so daß letztlich auch die Ausgangsspannung U₂ ihren durch den Gleichstromwandler 12 vorbestimmten konstanten Wert U_2soll wieder annimmt.

Es wird nun auf die Fig. 6 bis 7a verwiesen. Dort ist eine konstruktive Realisierung des erfindungsgemäßen Solarmoduls gezeigt, sei dieses nun akkumulatorlos gemäß Fig. 1 ausgeführt oder mit Akkumulatoranordnung gemäß Fig. 4 ausgeführt. Die Solarzellenanordnung SZ ist von mehreren blättchenartigen Solarzellen 20 gebildet, die in gegenseitiger schuppen­ artiger Überlappung auf einer Platine 22 angeordnet sind. Sie sind in Oberflächenmontagetechnik auf der Platine 22 montiert, beispielsweise durch Aufbringen einer Lötpaste auf die Solarblättchen 20 und die Platine 22 in einem Siebdruckvorgang und durch Verlöten der Solarblättchen 20 miteinander und mit der Platine 22 in einem Lötofen, und von einer elastisch aushärtenden, transparenten Masse 24 umgossen. Die Schaltungselektronik des Solarmoduls, also insbesondere der Spannungsdetektor und der Gleichspannungswandler, ist auf einer gesonderten Platine 26 vorzugsweise ebenfalls in Oberflächenmontagetechnik montiert, die unterhalb der Platine 22 angeordnet ist und zu der Platine 22 einen Zwischenraum 28 aufweist. Dieser Zwischenraum 28 dient einerseits zur Unterbringung der auf der Platine 26 angebrachten elektronischen Schaltungskomponenten, von denen in Fig. 7 der Detektor 10 und der Wandler 12 schematisch angedeutet sind, und erlaubt andererseits eine Hinterlüftung der die Solarzellenanordnung SZ tragenden Platine 22, die notwendig ist, um die Wärme abzuführen, die sich an der Solarzellenanordnung SZ entwickelt. Zur Bildung des Zwischenraums 28 weisen die beiden Platinen 22 und 26 bei einem tragbaren Solarmodul in Scheckkartengröße beispielsweise einen Abstand von mindestens 1 mm auf.

Unterhalb der die Schaltungselektronik tragenden Platine 26 ist ein Aufnahmefach 30 für am gezeigten Beispielfall zwei Akkumulatoren 32 vorgesehen. Die Akkumulatoren 32 sind durch den Lüftungszwischenraum 28 thermisch von der Solarzellenanordnung SZ entkoppelt.

Die Platinen 22, 26 mit den Akkumulatoren 32 sind in einem Gehäuse 34 untergebracht, das einen Ansteckklip 36 aufweist, mit dem das Solarmodul beispielsweise an einer Hosentasche oder einem Gürtel festgeklemmt werden kann. Das Gehäuse 34 weist einen nicht näher dargestellten abnehmbaren Deckel zum Öffnen und Schließen des Aufnahmefachs 30 für die Akkumulatoren 32 auf. An einer Vorderseite des Gehäuses 34 ist schematisch ein die Anschlußklemmen 14 bildender Steckkontakt angedeu­ tet. Die Steckanschlüsse 18, die eine Aneinanderreihung mehrerer Solarmodule erlauben, können in gegenüberliegenden Seitenflächen des Solarmoduls vorgesehen sein. Hierzu ist in Fig. 6 einer der Steckanschlüsse 18 schematisch angedeutet.

Zur Bereitstellung der Solarblättchen 20 wird ein Solarzellenwafer mittels eines Lasers angeritzt. Die einzelnen Solarblättchen 20 werden sodann von dem Solarzellenwafer entlang der Ritzlinien abgebrochen oder abge­ schnitten. Beispielsweise wird ein 100×100 mm großer Solarzellenwafer in 32 Solarblättchen von jeweils 25×12,5 mm Größe zerteilt. Jedes der Solarblättchen 20 weist auf einer seiner Flachseiten an einem Rand ein erstes, oberes Kontaktfeld (in Fig. 7a bei 40) und auf seiner anderen Flachseite am gegenüberliegenden Rand ein zweites, unteres Kontaktfeld (in Fig. 7a bei 42) auf. Die Solarblättchen 20 werden in einer oder mehreren parallelen Reihen auf der Platine 22 schuppenartig überlappend ausgelegt. In Fig. 7a erkennt man, daß dabei ein Solarblättchen 20' mit seinem unteren Kontaktfeld 42 auf dem oberen Kontaktfeld 40 eines angrenzenden Solar­ blättchens 20'' zu liegen kommt. Dies setzt sich fort bis zu einem letzten Solarblättchen einer gegebenen Reihe, das mit seinem unteren, der Platine 22 zugewandten Kontaktfeld 42 mit einer Kontaktbahn der Platine 22 verlötet wird. Das Solarblättchen 20', das in Fig. 7a eine Reihe von Solarblättchen linksseitig abschließt, weist an seinem linken Rand nur das obere Kontaktfeld 40 auf. Zur Kontaktierung dieses linksseitigen Solarblätt­ chens 20' mit der Platine 22 ist ein flexibler, stufenartig gebogener Metallstreifen 44 vorgesehen, welcher das obere Kontaktfeld 40 des Solarblättchens 20' mit einer Kontaktbahn der Platine 22 verbindet. Aufgrund der Flexibilität des Metallstreifens 44 können temperaturbedingte Längenänderungen der Platine 22 relativ zu den Solarblättchen 20 kompensiert werden, so daß die Solarblättchen 20 keinen mechanischen Spannungen ausgesetzt werden.

Vor oder nach dem Abtrennen der Solarblättchen 20 von dem Solarzel­ lenwafer werden die Solarblättchen an ihren oberen Kontaktfeldern 40 und die Platine 22 an ihren Kontaktbahnen durch eine Siebdruckschablone mit Lötpaste bedruckt. Die vereinzelten Solarblättchen 20 werden sodann mittels eines Oberflächenmontageklebers, der nach seinem Aushärten eine gewisse Elastizität aufweist, auf die Platine 22 aufgeklebt. Die Metallstreifen 44 können ebenfalls aufgeklebt werden. Sie können auch nur lose aufgesetzt werden. Anschließend wird die so bestückte Platine 22 durch einen Lötofen geschickt um die Lötpaste an den oberen Kontaktfeldern 40 der Solarblättchen 20 und an den Kontaktbahnen der Platine 22 zum Schmelzen zu bringen und so die gewünschten Lötverbindungen herzustel­ len. Durch geeignete Konfiguration der Kontaktbahnen auf der Platine 22 lassen sich die Solarblättchen 20 in mehreren nebeneinanderliegenden Reihen parallel oder in Serie miteinander verbinden. Die Platine 22 ist zweckmäßigerweise eine handelsübliche kupferkaschierte Leiterplatte, deren Kontaktbahnen durch Ätzen hergestellt werden.

Nachzutragen ist, daß bei der Schaltungsvariante gemäß Fig. 4 gewünsch­ tenfalls der ausgangsseitige Kondensator C₂ entfallen kann, da seine Glättungswirkung insbesondere bei längeren Phasen der Unterbrechung der Energieversorgung des Verbrauchers nur wenig ins Gewicht fallen wird. Die Schaltungsvariante gemäß Fig. 4 eignet sich besonders für solche Anwen­ dungsfälle, bei denen unabhängig von kurzzeitigen Lichtstärkeschwankun­ gen für eine längere Zeit eine konstante Ausgangsspannung erwünscht ist, so etwa zum Erhaltungsladen einer Autobatterie, zum Nachladen eines Mobiltelefons oder zur Verwendung als Notstromgerät. In Fig. 4 kann statt der Sperrdiode D eine gestrichelt angedeutete elektronische Ladesteuer­ einheit 38 zwischen die Solarzellenanordnung SZ und die Akkumulator­ anordnung A geschaltet sein, welche den in die Akkumulatoranordnung A fließenden Ladestrom sperrt, wenn die Akkumulatoranordnung A einen vorbestimmten Ladungszustand erreicht hat. Dieser kann beispielsweise mittels eines Ladungszählers ermittelt werden. Bei Alkali-Mn-Zellen kann zur Ermittlung des Ladungszustands vorteilhafterweise die Klemmenspannung der Akkumulatoranordnung A gemessen werden, da sich diese annähernd linear zum Ladungszustand der Akkumulatoranordnung A verhält. Wenn die Akkumulatoranordnung A einen vorbestimmten Entladungszustand erreicht hat, schaltet die Ladesteuereinheit 38 den Ladestrom in die Akkumulator­ anordnung A wieder ein. Die Stromsteuerung der Ladesteuereinheit 38 kann sich sowohl auf den von der Solarzellenanordnung SZ erzeugten Strom als auch auf den von einem externen Ladegerät gelieferten Strom beziehen, wenn ein solches an den Steckanschluß 16 (siehe Fig. 1) zum Laden der Akkumulatoranordnung A angeschlossen wird.

Claims (33)

1. Solarmodul, insbesondere tragbares Solarmodul, mit einer eine Solarzellenanordnung (SZ) und ggf. eine von der Solarzellenanord­ nung (SZ) ladbare Akkumulatoranordnung (A) umfassenden Gleich­ spannungsquelle zur Bereitstellung einer Quellenspannung (U₁), gekennzeichnet durch
einen Elektronikschaltkreis (10, 12, R₁, R₂, C₁, C₂) mit

• - einem Gleichspannungswandler (12), welcher die Quellen­ spannung (U₁) in eine vorbestimmte konstante Ausgangs­ spannung (U₂) zur Speisung eines externen elektrischen Verbrauchers (R_L) transformiert, und
• - einer Schaltsteuereinheit (10), welche den Gleichspannungs­ wandler (12) in Abhängigkeit von der Quellenspannung (U₁) derart steuert, daß der Gleichspannungswandler (12) im Sinne einer Leistungsabgabe an den Verbraucher (R_L) eingeschaltet wird, wenn die Quellenspannung (U₁) einen vorbestimmten Einschaltschwellenwert (U Ein) überschreitet, und der Gleich­ spannungswandler (12) im Sinne einer Leistungsabkopplung von dem Verbraucher (R_L) abgeschaltet wird, wenn die Quel­ lenspannung (U₁) einen vorbestimmten Abschaltschwellenwert (U_Aus) unterschreitet, wobei der Einschaltschwellenwert (U_Ein) betragsmäßig größer als der Abschaltschwellenwert (U_Aus) ist.

2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschalt- (U_Ein) und der Abschalt­ schwellenwert (U_Aus) derart gewählt sind, daß zumindest der bei normalen Lichtverhältnissen zu erwartende Wert der Quellenspan­ nung (U₁) bei maximaler Leistungsabgabe der Solarzellenanordnung (SZ) insbesondere annähernd mittig zwischen den beiden Schwellen­ werten (U_Ein, U_Aus) liegt.

3. Solarmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltschwellenwert (U_Ein) weniger als 115%, besser weniger als 110%, am besten etwa 105% des Werts der Quellenspannung (U₁) bei maximaler Leistungs­ abgabe der Solarzellenanordnung (SZ) beträgt und der Abschalt­ schwellenwert (U_Aus) mehr als 85%, besser mehr als 90%, am besten etwa 95% dieses Werts beträgt.

4. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß quellenspannungsseitig ein erster Kondensator (C₁) parallel zu der Gleichspannungsquelle geschaltet ist.

5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ausgangsspannungsseitig ein zweiter Kondensator (C₂) parallel zu dem Gleichspannungswandler (12) geschaltet ist.

6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschalt- (U_Ein) oder/und der Abschaltschwellenwert (U_Aus) temperaturabhängig festgelegt sind.

7. Solarmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschalt- (U_Ein) oder/und der Abschaltschwellenwert (U_Aus) mit steigender Temperatur betrags­ mäßig sinken.

8. Solarmodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuereinheit (10) zur Temperaturanpassung des Einschalt- (U_Ein) oder/und Abschalt­ schwellenwerts (U_Aus) einen temperaturabhängigen Widerstand (R₁), insbesondere einen Halbleiter-Thermistor, umfaßt, dessen Tempera­ turcharakteristik auf die Temperaturcharakteristik der Solarzellen­ anordnung (SZ) abgestimmt ist.

9. Solarmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (R₁) zusammen mit einem temperaturunabhängigen Widerstand (R₂) einen zur Gleichspannungsquelle parallel geschalteten Spannungs­ teiler (R₁, R₂) bildet und daß die Schaltsteuereinheit (10) ferner einen Spannungsdetektor umfaßt, welcher zur Steuerung des Gleichspan­ nungswandlers (12) die an dem temperaturunabhängigen Widerstand (R₂) abfallende Spannung (U_D) detektiert.

10. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein der Akkumulator­ anordnung (A) der Einschaltschwellenwert (U_Ein) mehr als 80%, besser mehr als 85%, am besten mehr als 90% der Nennspannung der Akkumulatoranordnung (A) beträgt.

11. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein der Akkumulator­ anordnung (A) der Abschaltschwellenwert (U_Aus) mehr als 55%, besser mehr als 65%, am besten mehr als 70% der Nennspannung der Akkumulatoranordnung (A) beträgt.

12. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoranordnung (A) aus dem Solarmodul herausnehmbar ist.

13. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) von monokristallinen Solarzellen (20), insbesondere aus Silizium, gebildet ist.

14. Solarmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein der Akkumulator­ anordnung (A) diese mit der Solarzellenanordnung (SZ) in einer Baueinheit zusammengefaßt ist und ein Lüftungsraumsystem (28) zwischen der Solarzellenanordnung (SZ) und der Akkumulatoranord­ nung (A) vorgesehen ist.

15. Solarmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarmodul elektronische Schal­ tungskomponenten (10, 12) umfaßt, die mit der Solarzellenanordnung (SZ) in einer Baueinheit zusammengefaßt sind, und daß die Solarzel­ lenanordnung (SZ) einerseits und mindestens ein Teil der elektro­ nischen Schaltungskomponenten (10, 12), insbesondere der Elektro­ nikschaltkreis (10, 12, R₁, R₂, C₁, C₂), andererseits auf gesonderten, übereinander angeordneten Platinen (22, 26) angeordnet sind, die zwischen sich einen Lüftungsraum (28) begrenzen.

16. Solarmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein der Akkumulator­ anordnung (A) diese auf der der Solarzellenanordnung (SZ) abge­ wandten Seite der die elektronischen Schaltungskomponenten (10, 12) tragenden Platine (26) angeordnet ist.

17. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) oder/und der Elektronikschaltkreis (10, 12, R₁, R₂, C₁, C₂) durch Oberflächen­ montage auf einer Platine (22, 26) montiert sind.

18. Solarmodul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) eine Mehrzahl blättchenartiger Solarzellen (20) umfaßt, die einander schuppenartig überlappend auf der Platine (22) angeordnet sind.

19. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) zumin­ dest auf ihrer lichtzugewandten Seite in eine elastisch aushärtende transparente Masse (24) eingebettet ist.

20. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es im Umriß annähernd Scheckkarten­ größe besitzt.

21. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Umhüllung (34) mit Anbrin­ gungsmitteln (36) umfaßt, welche eine im wesentlichen verrut­ schungssichere Anbringung des Solarmoduls am Körper einer das Solarmodul tragenden Person mit lichtzugewandter Solarzellenanord­ nung (SZ) erlauben.

22. Solarmodul nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringungsmittel (36) eine Ansteckklammer zum Anstecken des Solarmoduls an ein Bekleidungs­ stück der tragenden Person umfassen.

23. Solarmodul nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (34) von einem Hartgehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, gebildet ist.

24. Solarmodul nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (34) von einer Tasche aus Weichmaterial, vorzugsweise Leder, gebildet ist.

25. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zum Anschließen eines elektrischen Verbrauchers dienenden Anschluß (16) aufweist, an dem die Quellenspannung (U₁) bereitsteht.

26. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stecker-Buchsen-Anordnung (18) zur elektrischen Parallelschaltung mehrerer Solarmodule aufweist.

27. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß es mit dem Verbraucher (R_L) zu einer Baueinheit mechanisch fest verbunden oder verbindbar ist.

28. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Anschluß (16) aufweist, um ein externes Ladegerät zum Laden der Akkumulatoranordnung (A) anzuschließen.

29. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronikschaltkreis (10, 12, 38) eine Ladesteuereinheit (38) umfaßt, welche beim Laden der Akkumu­ latoranordnung (A) bei Erreichen eines vorbestimmten Ladungs­ zustands den Ladestrom in die Akkumulatoranordnung (A) abschaltet.

30. Solarmodul nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladesteuereinheit (38) die Klem­ menspannung (U₁) der Akkumulatoranordnung (A) als Maß für deren Ladungszustand erfaßt und beim Laden der Akkumulatoranordnung (A) bei Erreichen einer vorbestimmten Klemmenspannung den Ladestrom abschaltet.

31. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 30, mit einer auf einem Träger (22) montierten Solarzellenanordnung (SZ), dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) durch Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte (22) als Träger montiert wird und hierzu Lötmaterial auf die Leiterplatte (22) oder/und auf die Solarzellenanordnung (SZ) aufgebracht wird, insbesondere durch Siebdrucken, sodann die Solarzellenanordnung (SZ) auf der Leiter­ platte (22) angeordnet wird und anschließend die Leiterplatte (22) mit der darauf liegenden Solarzellenanordnung (SZ) zu deren gegen­ seitiger Verlötung in einen Lötofen gebracht wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) im Zuge ihrer Anordnung auf der Leiterplatte (22) mittels eines elastisch aushärtenden Klebstoffs mit der Leiterplatte (22) verklebt wird.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenanordnung (SZ) an mindestens einem ihrer Endbereiche über ein flexibles Zwischenstück (44), insbesondere einen Metallstreifen, mit der Leiterplatte (22) kontaktiert wird.