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Die
Erfindung betrifft die Anzeige- und Informationstechnik. Anzeigeeinheiten
sind Vorrichtungen zur Kennzeichnung von Häusern (Hausnummern), Strassen,
Kraftfahrzeugen, Firmen, Institutionen etc. Sie werden auch als
Verkehrs-, Gebots-, Warn- und Verbotsschilder, Werbeträger
und Informationstafeln oder als diverse Kennzeichnungen eingesetzt.
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Anzeigeeinheiten
bestehen im Allgemeinen aus einem Gehäuse, das sich aus
einer Rückwand, Seitenwänden und aus einer Frontscheibe,
Fronttafel bzw. diversen Kennzeichnungspaneelen zusammensetzt. Die
Frontscheiben, Fronttafeln bzw. weitere Kennzeichnungspaneele, auf
die die zur Anzeige erforderlichen Kennzeichnungssymbole, wie z.
B. Ziffern, Buchstaben, Piktogramme und andere Gestaltungsmerkmale
aufgebracht sind, dienen dabei als Informationsträger.
Zur photovoltaischen Beleuchtung der Anzeigeeinheiten sind im Gehäuse
entsprechende Lampen, Leuchtdioden, Akkumulatoren (Akkupacks) zur
Speicherung des Solarstromes und elektronische Bauelemente zu seiner
Steuerung und Schaltung untergebracht. Zum photovoltaischen Betrieb
der Anzeigeeinheiten ist in ihr Gehäuse – meist oberhalb
der Anzeige bzw. in seiner Nähe- ein Solarmodul installiert,
das die Anzeigeeinheit mit Solarstrom versorgt.
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Vielfach
angewendete Anzeigeeinheiten mit photovoltaischer Energieversorgung
sind beleuchtete Hausnummern, die ihre elektrische Energie aus einem
Solarmodul beziehen, das entweder dachförmig als selbständige
Einheit über der Hausnummer angeordnet ist oder oberhalb
der Hausnummer-Ziffer in die Anzeigeeinheit integriert ist (
DE 3715943 A1 ),
DE 3825436 A1 ,
DE 102004044181 A1 ,
DE 000009406807 U1 ,
www.solar-innovation.de). Ein beleuchtetes Kennzeichen für
Hausnummern und Hinweisschilder mit Solarmodul beschreibt ebenfalls
DE 19523451 A1 .
Das Solarmodul bildet dabei die Rückwand der Anzeigeeinheit.
Beleuchtete Briefkästen- mit einem Solarpaneel ausgerüstet-
werden von
DE
202007001850 U1 und
US
6799716 beansprucht. Solarbetriebene Beleuchtungs systeme
für Hinweisschilder, Werbe- und Informationsaufsteller und
weitere Anzeigevorrichtungen werden von
US 5435087 ,
DE 202004003861 U1 und
DE 202004009885 U1 behandelt.
Zur Realisierung von einfachen beleuchteten Hausnummern werden auch Ziffern
auf eine Mattscheibe aufgeklebt und oberhalb der Scheibe ein Solarmodul
und Akkupack in einem Gehäuse angeordnet. Zur Beleuchtung
der Hausnummer befindet sich oberhalb der Ziffer im Gehäuse eine
Leuchtdiode (
www.lampenleuchten.de/Aussenleuchten/Solarleuchten).
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Der
wesentliche Nachteil der beschriebenen Erfindungen besteht darin,
dass zu ihrem photovoltaischen bzw. autonomen Betrieb extra ein
Solarmodul benötigt wird, der viel Platz wegnimmt und nicht
in allen Anwendungsfällen für die Anzeigeeinheiten
vorhanden ist. Das zum autonomen Betrieb der Anzeigeeinheiten notwendige
Solarmodul bzw. Solarpaneel nimmt Fläche weg, die anderweitig
gebraucht wird. Falls die Rückwand der Anzeigeeinheit durch einen
Solarmodul gestaltet wird, ist ihre Anwendbarkeit stark eingeschränkt,
da sie z. B. als Hausnummer an einer Hauswand keine Strahlung zur
Energiewandlung empfangen kann oder da die Rückwand selbst
eine Kennzeichnung trägt
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung neue Anzeigeeinheiten
mit photovoltaischer Stromerzeugung zu schaffen, die gegenüber
dem Stand der Technik technische Vorteile und Vorzüge aufweisen,
kostengünstig zu installieren und zu betreiben sind sowie
die Nachteile des Standes der Technik beseitigen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt neue Anzeigeeinheiten mit photovoltaischer
Stromerzeugung bereit, in denen sich die auf ihre Informationsträger aufgebrachten
Anzeigesymbolik und Anzeigemerkmale, – wie z. B. Ziffern,
Buchstaben, Piktogramme – aus photovoltaischen Materialien
(Solarzellen) zusammensetzen und aus optisch funktionalen Schichten
bestehen, die zu einer Strahlungsverstärkung an den Solarzellen
führen. Ein separates Solarmodul ist bei den erfindungsgemäßen
Anzeigeeinheiten nicht mehr nötig.
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Zur
Realisierung der erfindungsgemäßen Anzeigeeinheiten
verwendet man für ihre Informationsträger zunächst
optisch transparente Substrate aus Glas oder Kunststoff und bringt
Solarzellensegmente in Form von Ziffern, Buchstaben und Piktogrammen
auf eine der Oberflächen der optischen Substrate auf. Die
Solarzellensegmente bestehen dabei aus mit Laserstrahlung zugeschnittenen
photovoltai schen – Wafern- vorzugsweise aus Silizium- oder
mit Dünnschichttechnik aufgetragenen anorganischen oder
organischen Dünnschicht-Solarzellen. Dabei sind als Wafer
alle gängigen photovoltaischen Halbleitermaterialien und
Dünnschichtzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium,
Cadmium -Tellurid, Kupfer-Indium-Sulfid (CIS-Zellen) und aus Mischverbingungen
der Elemente Kupfer, Selen, Schwefel, Indium und Gallium anwendbar,
wobei die Dünnschichtzellen auch als Folien vorliegen können. Nach
der elektrischen Verschaltung der Solarzellensegmente werden die
von den photovoltaischen Materialien frei gelassenen Flächen
auf dem optischen Substrat mit optisch funktionalen Schichten, die
sich aus weißen diffus reflektierenden Materialien auf
Basis von Mattlacken und aus Fluoreszenzfarben zusammensetzen oder
sich durch diffus reflektierende strukturierte Oberflächen
darstellen, versehen. Die optisch funktionalen Schichten stellen
zum einen Anzeigemerkmale dar und sorgen gemeinsam mit den Solarzellensegmenten
für den optischen Kontrast auf dem Informationsträger.
Zum anderen leiten sie die auf ihre Flächenbereiche einfallende
Strahlung zu den Solarzellensegmenten und führen dort zu
einer Stromverstärkung. Auf die den Solarzellensegmenten
gegenüberliegende Oberfläche des optischen Substrates
auftreffende künstliche und Solarstrahlung durchdringt
zum einen das optische Substrat und gelangt direkt zur Stromerzeugung
auf die photovoltaisch aktiven Flächen der segmentartigen
angeordneten Solarzellen. Zum anderen trifft die Strahlung nach
Durchdringung des optischen Substrates auf die diffus reflektierenden
oder Fluoreszenzschichten, wird diffus reflektiert, im Fall der
Fluoreszenzschichten in längerwellige isotrope Strahlung gewandelt
und infolge von Totalreflektion innerhalb des optischen Substrates
zu den benachbarten Solarzellen geleitet, wo sie zu einer erheblichen
Strahlungsverstärkung führen. D. h. mit der erfindungsgemäßen
Kombination von segmentartig aufgebrachten Solarzellen und optisch
funktionalen Schichten auf dem optischen Substrat trägt
auftreffende Strahlung, die nicht direkt auf die Solarzellensegmente trifft,
in erheblichem Maße zur Stromerzeugung bei und erhöht
die Effizienz der aufgebrachten Solarzellensegmente wesentlich.
Die kombinierte Aufbringung von Solarzellensegmenten und optisch
funktionalen Schichten hat zur Folge, dass die erfindungsgemäßen
Anzeigeeinheiten hinsichtlich ihrer Stromerzeugung sehr effizient
sind.
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Zur
Realisierung einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinheit
als Warnzeichen zur Warnung vor Kernstrahlung verwendet man gemäß 1 als
Informationsträger ein als gleichseitiges Dreieck mit den
Kantenlängen von ca. 35 cm und der Dicke von 4 mm gestaltetes
optisch transparentes Substrat 1 aus Glas oder Kunststoff
und bringt unter Verwendung eines optischen Klebers auf die Oberfläche
des optischen Substrates als Piktogramm zur Warnung vor Kernstrahlung
segmentartig Solarzellen 2 mit elektrischem Rückkontakt
aus monokristallinem Silizium auf. Nach der elektrischen Verschaltung
der Solarzellensegmente 2 werden die von den Solarzellenmaterialien
frei gelassenen Flächen auf dem optischen Substrat mit
einer gelben Fluoreszenzschicht 3 auf Basis eines gelben
Perylen-Fluoreszenzfarbstoffes – aufgelöst in
einem Akrylatpolymer – beschichtet. Die gelbe Fluoreszenzschicht 3 stellt
einerseits ein Anzeige- und Gestaltungsmerkmal des Warnschildes
dar. Andererseits erzeugt sie isotrope Strahlung, die über
das Glassubstrat zu den Solarzellensegmenten geleitet wird und dort
eine Strahlungsverstärkung hervorruft. Als Fluoreszenzmaterialien werden
je nach gewünschter Farbgebung in der Anzeigesymbolik rote,
grüne, gelbe, blaue oder auch orangene organische Fluoreszenzfarbstoffe
aus der Gruppe der Xanthene, Rhodamine, Oxazine, Perylene, Pyrromethene,
und Naphthalimide oder auch Leuchtstoffe (Phosphore) oder fluoreszierende Quantenpunkte
verwendet. Das mit den Solarzellensegmenten bestückte und
mit der gelben Fluoreszenzschicht beschichtete und als Informationsträger dienende
optische Substrat bildet die Frontseite und bei Bedarf auch noch
die Rückseite eines Gehäuses für das
Warnschild, wobei die mit den Solarzellen und der Fluoreszenzschicht
versehenen Oberflächen in das Innere des Gehäuses
zeigen. Durch diese Anordnung trifft die auf das optische Substrat
von außen einfallende Strahlung nach Durchdringung des
optischen Substrates direkt auf die Solarzellensegmente oder auf
die Fluoreszenzschicht.
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Wenn
es aus Konstruktionsgründen für die Anzeigeeinheit
günstiger ist, können bei speziellen Anwendungen
die Solarzellen auch nach außen gerichtet sein.
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Die
Solarzellensegmente werden mit dem im Gehäuse befindlichen
Akkumulator zur Stromspeicherung elektrisch verbunden. Sie erzeugen
bei direkter Sonneneinstrahlung eine elektrische Leitung von bis
zu 8 Watt. Zur Beleuchtung der Warnvorrichtung sind hinter, oberhalb
oder seitlich der Anzeigesymbolik Leuchtdioden angeordnet, die bei
Bedarf über den Akkumulator versorgt werden. Die Beleuchtungsfunktion
der erfindungsgemäßen Anzeigeeinheit funktioniert
im Falle einer Hinterleuchtungsanordnung (Leuchtdioden sind hinter
dem optischen Substrat angeordnet) nur dann optimal, wenn die als optisch
funktionale Schicht auf das optische Substrat aufgetragene Fluoreszenzschicht
partiell transparent ist mit einer optischen Transmission im sichtbaren Spektralbereich
von 40 bis 70% – vorzugsweise 55%. Nur dann kann die von
den hinter dem Substrat angeordneten Leuchtdioden ausgehende Strahlung
die mit der Fluoreszenzschicht bedeckten Flächenbereiche
des optischen Substrates durchdringen und zur Erkennung der Anzeigesymbolik
nach außen treten. Dabei heben sich die mit den Solarzellensegmenten bedeckten – für
die Leuchtdioden-Strahlung undurchlässigen Flächenbereiche – des
optischen Substrates mit starker Kontrast von den partiell transparenten
Fluoreszenzschichten ab und bewirken die Erkennung der Anzeigesymbolik.
Falls die Leuchtdioden oberhalb oder seitlich vor dem die Anzeigesymbolik
tragenden optischen Substrates angeordnet sind, sind Transmissionswerte
zwischen 1% und 20% – vorzugsweise 5% – für
die funktionalen Schichten günstig. Dünnschichtsolarzellen
auf Basis von amorphen und mikrokristallinen Silizium oder Cadmium-Tellurid
sind hinsichtlich ihrer Herstellungstechnologien gut geeignet, die
erfindungsgemäßen Anzeigeeinheiten zu realisieren.
Die für den Informationsträger der Anzeigeeinheit
erforderlichen Ziffern, Buchstaben oder Piktogramme werden durch
Anwendung von einer plasmagestützten Abscheidung (Niederdruck-Beschichtungsverfahren)
oder von Vakuumverfahren mit Hilfe von Masken strukturiert auf die
optischen Substrate – die auch als Kunststoff-Folie vorliegen
können – aufgebracht, die mit elektrisch leitenden
und optisch transparenten Oxidschichten als elektrische Kontakte
versehen sind. Mit denselben Masken kann auch eine elektrisch leitende Schicht
als Rückkontakt auf die strukturierten Solarzellen aufgebracht
werden. Durch die angewendeten Strukturierungs- und Dünnschichttechniken
können auch komplizierte photovoltaisch aktive Anzeigesymboliken
in Form von Solarzellen auf die optischen Substrate als Informationsträger
aufgebracht und eine elektrische Kontaktierung realisiert werden.
Bei der Verwendung von organischen Solarzellen eignen sich Gieß-,
Druck- und Sprühtechniken in Verbindung mit mikroelektronischen
Technologien zur Her stellung der photovoltaischen Anzeigesymbolik
auf den als Informationsträger dienenden optischen Substraten.
Auf diese Weise lassen sich z. B. autonom zu beleuchtende Fahrpläne,
zu beleuchtende Namensschilder und andere Hinweistafeln mit photovoltaisch aktiven
Ziffern, Buchstaben, und Piktogrammen herstellen, die elektrischen
Strom erzeugen und mit elektrischen Akkumulatoren und Leuchtdioden – vorzugsweise
flächenhaften organischen Leuchtdioden – ausgerüstet
die Beleuchtungsfunktion erfüllen.
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Gemäß 2 werden
zur Realisierung von solar beleuchteten Hausnummern (2A)
und Kraftfahrzeug-Kennzeichen (2B)
zunächst Dünnschichtsolarzellen 2 zur
Gestaltung der Ziffern und Buchstaben mit einem Dünnschichtverfahren
unter Verwendung von Masken auf die elektrisch leitfähige
und transparente Oberfläche der beiden optischen Substrate 1 aufgebracht.
Als optisch funktionale Schicht wird eine diffus reflektierende
opalartige oder Weißlackbeschichtung 3 auf Basis
der lichtstreuenden Pigmente Bariumsulfat und/oder Titandioxid verwendet
mit einer optischen Transmission von 55%, die zu einer Strahlungsverstärkung
an den strukturierten Solarzellen führt. Bei einer assymetrischen
Anzeigesymbolik müssen die als Ziffern und Buchstaben zu
gestaltenden Dünnschichtsolarzellen gemäß 2 seitenverkehrt
auf die optischen Substrate aufgebracht werden, da sie nach der
Montage der Substrate als Frontscheiben eines Gehäuses
in sein Inneres zeigen und nur dann von außen betrachtet
in ihrer für den Betrachter richtigen Darstellung zu erkennen
sind. In entsprechenden Gehäusen für die Hausnummern
und Kraftfahrzeugkennzeichen sind die zur Beleuchtung notwendigen
Akkumulatoren, Leuchtdioden und elektronischen Bauelemente untergebracht.
Die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkennzeichen
erzeugen elektrischen Strom für ihre eigene Beleuchtung,
der auch für in der Nähe des Kennzeichens angeordnete
Sensoren genutzt werden kann oder in das Bordnetz eingespeist wird.
Auf diese Weise stellen die erfindungsgemäßen
Anzeigeeinheiten elektrischen Strom auch zum Betrieb von Sensoren,
mechanischen und akustischen Signalanlagen (Klingeln) oder auch
elektronischen Bauelementen, Alarmanlagen etc. zur Verfügung.
Ebenso können auch die Anzeigesymbole und Zeiger von Uhren
aus photovoltaisch aktiven Materialien gestaltet werden und Strom
für ihren autonomen Betrieb erzeugen Die Erfindung ist
auch anwendbar, wenn die photovoltaisch aktiven Anzeigesym bole auf
nicht transparente Substrate aus Metall, Kunststoff, Holz oder auch
auf einer optischen Streuscheibe aufgebracht sind und elektrischen
Strom erzeugen. Die erfindungsgemäßen Anzeigeeinheiten
weisen eine Reihe von Vorteilen und technischen Vorzügen
auf. Zu ihrem autonomen Betrieb wird kein externes Solarmodul benötigt,
das Platz wegnimmt und die Anbringung der Anzeigeeinheit hinsichtlich
ihres Platzbedarfes beschränkt und behindert. Die für
die photovoltaische Stromerzeugung verwendeten Solarzellensegmente
und strukturierten Dünnschichtsolarzellen sind integraler
Bestandteil der Anzeigeeinheit und stellen elektrischen Strom vor
Ort bereit. Außerdem werden mit der Erfindung zusätzliche
Flächen für die solare Energieerzeugung geschaffen,
die sonst nicht genutzt werden. Mit der Erfindung wird das Potential der
photovoltaischen Anwendungen wesentlich erweitert, indem neue bisher
nicht realisierbare Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B.
autonom beleuchtete Fahrpläne und Informationstafeln oder
beheizbare Anzeigeeinheiten, die nicht beschlagen und einfrieren
können, geschaffen werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht in der Strahlungsverstärkung an den Solarzellensegmenten
und strukturierten Dünnschichtsolarzellen, die zu einer
wesentlichen Effizienzerhöhung an den Solarzellen führt.
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Ausführungsbeispiel 1
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Zur
Anfertigung einer autonom beleuchteten Hausnummer werden auf ein
optisch transparentes und einseitig mit einer elektrisch leitfähigen
Oxidschicht versehenes Substrat aus Glas oder Kunststoff mit den
Abmessungen 20 cm mal 20 cm und der Dicke von 2,5 mm mit Hilfe eines
Dünnschichtverfahrens und einer Maske Dünnschichtsolarzellen
auf Basis von amorphem und mikrokristallinem Silizium strukturiert
als Ziffern für die Hausnummer aufgetragen. Bei assymmetrischen
Ziffern, wie z. B. der 66, erfolgt ihre Aufbringung auf das optische
Substrat seitenverkehrt, damit sie aus Blickrichtung von außen
auf die Hausnummer als echte Darstellung zu erkennen sind. Nach
der elektrischen Verschaltung der strukturierten Dünnschichtsolarzellen
wird anschließend dieselbe Oberfläche des Substrates
mit einer diffus reflektierenden Weißlack-Schicht, die
Titandioxid- und/oder Bariumsulfat-Additive als Streumittel enthält,
beschichtet. Die diffus reflektierende Lackschicht leitet die von
außen auf das Substrat einfallende Strahlung zu den strukturierten Solarzellen
und ruft dort eine Strahlungs- bzw. Stromverstärkung hervor.
Das mit den strukturierten Solarzellen und der diffus reflektierenden
Schicht versehene optische Substrat wird als Frontscheibe in das
Gehäuse der Hausnummer, in dem Leuchtdioden, ein Akkumulator und
elektronische Bauelemente untergebracht, sind, eingesetzt. Damit
die von den an der Rückwand des Gehäuses angebrachten
Leuchtdioden ausgehende Strahlung durch die kontrastbildenden und
lichtverteilenden diffus reflektierenden Schicht in den Außenraum
dringen kann, wird die diffus reflektierende Schicht durch die Wahl
der Konzentration ihrer Additive und ihrer Dicke partiell optisch
durchlässig gestaltet mit einer Transmission von 60%. Bei
einer mit zweistelligen Ziffern ausgerüsteten Hausnummer
erzeugen die Solarzellensegmente eine Leistung von Ca. 1, 5 Watt
bei direkter Sonneneinstrahlung.
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Ausführungsbeispiel 2
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Zur
Anfertigung einer autonom beleuchteten Informationstafel zur Anzeige
von Firmen, Institutionen, Ärztehäuser etc. geht
man von einem optisch transparenten und mit einer elektrisch leitenden Schicht
versehenen Substrat aus, das beispielsweise die Abmessungen 60 cm
mal 80 cm und eine Dicke von 3 mm hat. Die schwarze Informationsschrift,
Ziffern und andere Gestaltungsmerkmale werden durch Cadmium-Tellurid-Dünnschichtsolarzellen
auf dem Substrat erzeugt, indem sie durch ein Vakuumverfahren strukturiert
aufgebracht und mit strukturierten Rückelektroden versehen
werden. Der weiße Untergrund der Informationstafel wird
durch eine ebenfalls auf das optische Substrat aufgebrachte weiße
diffus reflektierende Mattlackschicht als funktionale Schicht, die
außerdem zu einer Strahlungsverstärkung an den
strukturierten Dünnschichtsolarzellen führt oder
durch eine Oberflächenstrukturierung der Oberfläche
des Substrates realisiert. Das mit den Dünnschichtsolarzellen
und der funktionalen Schicht versehene optische Substrat wird als
Fronttafel mit einem Gehäuse für die Anzeigeeinheit
vereinigt, in dem die weiteren Bauelemente zum autonomen Beleuchtungsbetrieb
der Anzeigeeinheit untergebracht sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3715943
A1 [0003]
- - DE 3825436 A1 [0003]
- - DE 102004044181 A1 [0003]
- - DE 000009406807 U1 [0003]
- - DE 19523451 A1 [0003]
- - DE 202007001850 U1 [0003]
- - US 6799716 [0003]
- - US 5435087 [0003]
- - DE 202004003861 U1 [0003]
- - DE 202004009885 U1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.lampenleuchten.de/Aussenleuchten/Solarleuchten [0003]