DE3316775A1

DE3316775A1 - Verbundsteuerung von photozellen zur anpassung an elektrische verbraucher oder akkumulatoren

Info

Publication number: DE3316775A1
Application number: DE3316775A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8751 Niedernberg Mahr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-07
Filing date: 1983-05-07
Publication date: 1984-11-08

Description

Hans-Ulrich Mahr Haus Maria 8751 Niedernberq

Verbundsteuerunq von Photozellen zur Anpassung an elektrische Verbraucher oder Akkumulatoren

Photovoltaische Solarzellen werden in den letzten Jahren immer ernsthafter zur Energieerzeugung aus Sonnenlicht in Betracht gezogen. Die technische Entwicklung der Solarzellen selbst hat dabei eine hohe Beschleunigung erfahren. Das lichtsensible Material ist dabei strukturell so aufgebaut, daß es im p/n-Übergangsgrenzvolumen zur Umwandlung der Photoenergie (Lichtquanten) in Bewegungsenergie von Leitfähigkeitselektronen kommt. Um Leitfähigkeitselektronen zur Verfügung zu haben, müssen Valenzelektronen bestimmter chemischer Verbindungen durch Strukturzwänge in das Leitfähigkeitsband gehoben werden. Man spricht dann von Photohalbleitern mit charakteristischen Eigenschaften. So ist beispielsweise die Leitfähigkeit von Halbleitern von der Temperatur in dem Sinne abhängig, daß sie mit steigender Temperatur ebenfalls steigt, während sie ja bekanntlich bei metallischen Leitern mit steigender Temperatur fällt. Ausserdem haben Photovoltaische Generatoren eine weitere für die Anwendungspraxis unangenehme Eigenschaft. Der Innenwiderstand einer Solarphotozelle sinkt mit steigender Bestrahlungsintensität. (Siehe dazu auch Literatur CCCorbag "Sonnenkraft" Frech-Verlag, Stuttgart.) Arbeitet also eine photovoltaische Solarzelle als Generator, muss man beim Ankoppeln an andere elektrische Verbraucher, beispielsweise einem elektrochemischem Speicher, die Kennlinien der Photozellen in Rechnung stellen· Immer ist die von der Solarzelle bei Bestrahlung abgegebene Leistung von der Intensität dieser Bestrahlung

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abhängig. Bei direkter Ankoppelung einer Batterie an ein photovoltaisch arbeitendes Solarzellensystem wird es also immer Verluste und technische Probleme geben. Insofern auf den .Wirkungsgrad einer Gesamtanlage und.die Wirtschaftlichkeit keinen Wert gelegt wird, kann ^vman ohne Spannungsanpassung arbeiten. Allein aber der bereits sehr, niedrige Wirkungsgrad der Photozellen zwischen 4% und 12% zwingt jedoch ein elektronisches Stellglied zwischen die Photogeneratoren und dem Akkumulatorsystem vorzusehen. Die elektronische Leistungsanpassung sorgt dann dafür, jeweils die maximale Leistung der Solarzelle bei der entsprechenden Bestrahlung entnehmbar zu machen. Leider, und das ist der Hauptgrund für die im Nachfolgenden beschriebene Erfindung, ist eine solche elektronische Anpassung wegen der notwendigen Leistungsteile sehr teuer, mit ihrer Elektronik störanfällig und durch die elektrischen Verluste für das Gesamtsystem mit einem niedrigeren Wirkungsgrad verbunden.

Die Erfindung der Verbundsteuerung von photovoltaisch arbeitenden Solarzellen zur Aufladung von Akkumulatoren und Anpassung an andere elektrische Verbraucher beruht im Gegensatz zu der elektronischen Anpassung der elektrischen Eigenschaften der Photozellen mit denen des Akkumulators oder Verbrauchers auf einer ganz einfachen Überlegung. Alle bekannten elektronischen Gleichspannungswandler nehmen die Eigenschaften des Solarzellenverbandes als feste Größe, die es insgesamt auf den Verbraucher, beispielsweise ein Batteriesystem anzupassen gilt. Die erfindungsgemäße Verbundsteuerung benutzt die Möglichkeit mit einer flexiblen Serien/Parallelschaltung der Photozellen zu einer Gleichstromanpassung zu kommen. Die Schaltung wird dabei durch eine Sensorsolarzelle über ein

"Computerprogramm gesteuert. Teuer wird die erfindungsgemäße Leistungsanpassung dann relativ nur noch für kleine Anlagen, weil der Computer kostenmäßig ins Gewicht fällt. Die erfindungsgemäße Verbundsteuerung benötigt neben dem Programmcomputer lediglich einige Schaltrelais, die eine möglichst große Anzahl von Photozellen jeweils nach der durch eine Sensorzelle festgestellten Lichtintensität parallel oder hintereinander schalten. Das Verfahren ist so einfach, daß es nicht nur billig, sondern auch weit weniger störungsanfällig ist als elektronsiche Umformung, beispielsweise in der Arbeitsatmosphäre südlicher Klimazonen. Die elektrischen Verluste bleiben wenn man von der zur Betätigung der Schaltrelais nötigen Energie absieht vernachlässigbar gering.

Bei größeren Anlagen kann es zweckmäßig werden neben den Hauptschaltrelais noch Hilfsschaltrelais zu verwenden, (siehe Abb.l)

Die erfindungsgemäße Verbundsteuerung für Photozellen in einer größeren Anlage zur Anpassung an elektrische Verbraucher oder Akkumulatoren arbeitet wie schematisch in Abbildung 1 aufgezeigt:

Eine Photo-Steuerzelle (1) stellt die jeweils herrschende Lichtintensität fest und gibt ein Signal an den Steuercomputer (2). Der Steuercomputer hat ein an die Kennlinieneigenschaften der Photosolargeneratoren angepaßtes Programm und gbit dem Programm entsprechend der Lichtintensität Schaltbefehle an die Hilfs(Zwischen)steuerrelais (3) A bis E. Diese Zwischensteuerrelais beeinflußen nun die eignetlichen hautpschaltschütze (5) A¹ bis E¹ zur Parallel-bzw. Serienschaltung der Arbeitsphotosolargeneratoren (4). In"

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der Abbildung 1 sind pro Einheit jeweils U Arbeitsphotozellen gezeichnet. Mit der zwischen A¹ und E¹ durch die jeweilige Bestrahlungsintensität optimal angepasste Spannung kann der Akkumulator (6) mit ebenfalls optimalem

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Wirkungsgrad-geladen werden.

Für ein technisches Gebrauchsmuster erwähnenswert ist die Ausführung der

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erfindungsgemäßen Verbundsteuerung derart, daß wegen der möglichst kurzen j

Wege aller stromzu- und abführenden Leitungen die Hauptschaltrelais gleich

direkt auf der Rückseite des Solarzellenpanels angebracht sind. Selbst für ^:

die Hilfsrelais wäre auf dieser Rückseite noch genügend Platz. Da jedoch die Hilfsrelais nur kleine Steuerströme schalten und somit keine großen Leistungsquerschnitte verlangen, können sie sich auch an einem anderen Ort, '·

beispielsweise in der Nähe des Programmcomputers befinden.

COPY

Claims

Verbundsteuerunq von Photozellen zur Leistunqsanpassunq an elektrische Verbraucher oder Akkumulatoren

Patentansprüche:

(l)Werbundsteuerung von Photozellen zur Leistungsanpassung an elektrische Verbraucher oder Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge von Einzelphotozellen oder Photozellengruppen durch von einem Lichtintensitätssensor gesteuerte elektronisch-mechanische oder vollelektronische Schaltelemente den Bedürfnissen der Akkumulatoren durch Serien- und/oder Parallelschaltung angepasst wird.
2) Verbundsteuerung von Photozellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorphotozelle auf einen Steuercomputer einwirkt, welcher seinerseits daraus Befehle an die mechanischen und/oder elektronischen Ein-Aus-Schaltglieder gibt, die zur Serien- bzw. Parallelschaltung der energieliefernden Photozellenanordnung führen.
3) Verbundsteuerung von Photozellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Serien- Parallelschaltung der von der Bestrahlungintensität abhängige Innenwiderstand der photovoltaischen Generatoren an den Widerstand der Batterieanordnung, aber auch jeder anderen elektrischen Last angepaßt wird.
4) Verbundsteuerung von Photozellen nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daÖ die Hauptschaltrelais zur Parallel- bzw. Serienschaltung und gegebenenfalls auch die vorgeschalteten Hilfsrelais direkt auf der Rückseite des Panel der photovoltaischen Solarzellen befestigt sind.
5) Verwendung eines programmierbaren Computers zum erfindungsgemäßen Zweck der Verbundsteuerung von photovoltaischen Solargeneratoren zur Anpassung von elektrischen Verbrauchern oder Akkumulatoren.