DE202012003592U1

DE202012003592U1 - Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen

Info

Publication number: DE202012003592U1
Application number: DE202012003592U
Authority: DE
Original assignee: PRYWEREK KARL HEINZ
Current assignee: PRYWEREK KARL HEINZ
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2022-04-08

Abstract

Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen dadurch gekennzeichnet, dass durch eine elektrische Kraft (Spannung) der Innenwiderstand (12) (gebildet aus der Bewegung der Elektronen im Kristallgitter und der Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Halbleiter) fast aufgehoben wird.

Description

Mit der elektronischen Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen soll der Wirkungsgrad, der derzeit bei maximal 16 bis 18% vom Halbleitermaterial Monokristallines Silizium liegt‚ erhöht werden. Es werden also 82 bis 84% von der auftreffenden Sonnenenergie nicht genutzt. Mit einer zur Sonnenenergie unterstützenden Kraft (Spannung) soll der Innenwiederstand von Solarzellen bestehend aus Elektronenbewegung im Kristallgitter und der Ausrittsarbeit von Elektronen aus dem Silizium überwunden werden.
Das technische Gebiet
Es handelt sich um den Einsatz einer elektronischen Schaltung auf dem Gebiet der Solar-, Photovoltaikanlagen oder auch Generatoren genanten Anlagen, bei denen Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies ist in Gebrauchsmuster- bzw. Patentrecht der IPC H01L 31/052, H02G 3/16, H02H 7/22, F24J 2/38 Klassifikation Eingeordnet.
Stand der Technik
Bei Solarzellen bzw. auch Photovoltaikzellen genannt ist der Wirkungsgrad maximal bei Silizium-Hochleistungszellen (rückseitenkontaktiert, HIT) 16 bis 18%, bei Monokristallines Silizium 11 bis 16% oder bei Polykristallines Silizium 10 bis 15%, bei weiteren möglichen Halbleitern noch darunter. Die Sonne strahlt im Bereich Deutschlands zirka 1300 KWh pro m² im Jahr auf die Erde. Davon werden also 16% gleich 208 KWh pro m² in elektrische Energie umgesetzt, 1092 KWh pro m² können nicht genutzt werden. Um eine bessere Nutzung der Sonnenenergie pro m² zu erreichen, soll dies durch eine elektrische Vorspannung auf die Solarzelle erfolgen. Man bezeichnet eine Photovoltaikanlage auch als Generator. Dazu gehören als kleinste Einheit die Solarzelle. In Reihe geschaltet bilden mehrere Solarzellen (36 oder 72 Zellen) ein Modul und mehrere Module bilden einen Strang. Die Größe einer Photovoltaikanlage wird nach der Leistung des Solargenerators in KWp (p von peak, also Spitzenleistung) angegeben. Dieser Wert beschreibt die Modulleistung unter genormten Testbedingungen, z. B. bei einer Modultemperatur von 25°Celsius.
Darstellung der Erfindung
Das Basismaterial von Solarzellen ist meistens der Halbleiter Silizium. Silizium hat vier Elektronen auf dem vollbesetzten Valenzband, die in reinen Siliziumkristall gebunden sind. Daher werden im Siliziumkristall fünfwertige Atome (z. B. ein Phosphor-Atom) eingebracht, so sind vier der zugehörigen Elektronen in den Paarbindungen mit Silizium-Nachbarn fest gebunden, während das fünfte Elektron nur relativ lose gebunden ist und vom Atom bereits bei geringer Energiezufuhr (Sonnenstrahlen) abgegeben wird. Tritt dagegen an die Stelle eines Silizium-Atoms ein dreiwertiges Atom (z. B. ein Aluminium-Atom) so stehen für die vier Elektronenpaarbildungen nur drei Elektronen zur Verfügung, es bildet sich eine Lochstelle und ein viertes Elektron wird leicht eingebaut. So bildet sich in beiden Fällen ein elektrischer Transport innerhalb des Kristalls. Sollen die Elektronen den Kristall verlassen und innerhalb eines Stromkreises einen elektromagnetische Kraft also ein Stromfluss bilden, so ist eine Austrittsarbeit erforderlich. Die Elektronenbewegung innerhalb des Halbleiterkristalls und dazu noch die Austrittsarbeit können nur schwer von der Sonnenstrahlung aufgebracht werden.
Je nach Bestrahlungsstärke ändert sich der Innenwiderstand der Solarzelle von 6,5 Ohm bei hoher Sonneneinstrahlung, bis 24 Ohm bei bloßer Himmelsstrahlung.
Die Solarzellen und dann die Module und der Strang sind in reihe geschaltet. Daraus ergibt sich der gesamte Innenwiderstand der an der elektronischen Schaltung anliegt. Nach der Stranggröße und der Bestrahlungsstärke muss die elektronische Schaltung ausgelegt werden, damit eine Unterstützung durch eine elektrische Kraft einen höheren Wirkungsgrad der Solarzelle erzielt.
Eine elektrische Kraft an Solarzellen kann nur erzeugt werden, wenn unabhängig vom Stromerzeuger Stromkreis an den Solarzellen Kontakte zur Spannungsanlegung von der elektronischen Schaltung her angebracht werden. Der Stromkreis von der elektronischen Schaltung her besteht grob gesehen: Erstens aus einem Trenntrafo, um die Solaranlage nicht direkt an das Stromnetz anzuschließen. Zweitens einem Gleichrichter, um dem Wechselstrom vom Stromnetz in ein Gleichstrom für die Solaranlage umzuformen. Drittens einem Spannungsteiler, um die Spannung auf den jeweiligen Innenwiderstand der Solaranlage automatisch einzustellen. Es gehören dazu im wesentlichen die elektronischen Bauelemente vom Trafo 1 die Primärspule 2, die vom Stromnetz mit dem Schalter 3 an- und ausgeschaltet werden kann. Sichtbar wird dies durch die Glimmlampe 4. Ein Sicherheitsschalter 5 unterbindet bei überhöhtem elektrischen Stromfluss die Schaltung sofort vom Stromnetz. Zum Teil zwei gehört die Sekundarspule 6, die den Wechselstrom zum Gleichrichter 7 führt, der als Graetzschaltung aus vier Dioden 8 besteht. Danach fließt drittens der Gleichstrom zum Spannungsteiler, der besteht aus dem Widerstand 9, der je nach erforderlicher Spannung an den Solarzellen durch den Spannungsteiler 10 in zwei Teilwiderstände unterteilt wird. Weiterhin befindet sich auf der einen Seite der Widerstand 11 und auf der anderen Seite der Innenwiderstand 12, der in Reihe geschalteten Solarzellen. Der Messfühler 13 misst den Beginn des Stromflusses im Gleichstromkreis und steuert davon abhängig die nötige Spannung, die an den in reihe geschalteten Solarzellen anliegen muss über den Spannungsteiler 10. Im Gleichstromkreis ist noch eine Sicherung 14 vorhanden.

Claims

Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen dadurch gekennzeichnet, dass durch eine elektrische Kraft (Spannung) der Innenwiderstand (12) (gebildet aus der Bewegung der Elektronen im Kristallgitter und der Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Halbleiter) fast aufgehoben wird.
Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Kontakte, für die Einwirkung der Spannung auf Solaranlagen, an der Solaranlage angebracht werden müssen.
Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen nach einem der vorgenanten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtung, also der Elektronenfluss von der elektronischen Schaltung her in gleicher Richtung wirken muss wie der gewonnene Strom aus der Solaranlage.
Elektronische Schaltung zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen nach einem der vorgenanten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Messfühler ein Amperemeter (13) dient, mit dem über ein Spannungsteiler (10) die Spannungsgröße, die an der Solaranlage anliegt, geregelt wird.