DE4112834A1 - Vorrichtung zum nachfuehren einer solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachführen einer Solarzelle auf einer gegenüber dieser wesentlich größeren Unterlage entsprechend einem mittels optischer Elemente konzentrierten und aufgrund des sich ändernden Einfallswinkels der Sonnenstrahlung wandernden Lichtfleck selektierter Licht­ strahlen.

Um bei einer solchen Solarzelle einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, ist es notwendig, daß das mittels der optischen Elemente herausgebeugte und konzentrierte Licht immer exakt auf die Solarzelle trifft. Für einen guten Wirkungsgrad muß daher die Solarzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Sonnenstrahlung dem Lauf der Sonne - beispielsweise während eines Tages - relativ exakt nachgeführt werden. Bislang werden Solarzellen, die mittels optischer Elemente konzentrierte und wellenlängenselektierte Lichtstrahlen empfangen, durch Steue­ rung von außen dem sich ändernden Einfallswinkel der Sonnen­ strahlen mechanisch nachgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die die Nachführung der Solar­ zelle vereinfacht und verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Solarzelle auf der Unterlage frei beweglich ist, daß die Solarzelle Träger von wenigstens einer auf ihrer der Unterlage zugewandten Seite an­ geordneten Ladung ist, und daß die der Solarzelle zugewandte Seite der Unterlage mehrere wenigstens über ihre im Verlauf eines Tages von dem Lichtfleck der Sonnenstrahlung erfaßte Fläche verteilte Detektoren enthält, die bei einer Belichtung durch den Lichtfleck der Polarität der Ladung der Solarzelle entgegengesetzte Ladungen erzeugen.

Sobald daher die Sonne so weit gewandert ist, daß sich der Lichtfleck der mittels der optischen Elemente konzentrierten und wellenlängenselektierten Lichtstrahlen nicht mehr auf der Solarzelle, sondern neben der Solarzelle auf der Unterlage befindet, werden an dieser Stelle durch die Belichtung der dort befindlichen Detektoren auf der Unterlage der Polarität der Ladungen der Solarzelle entgegensetzte Ladungen erzeugt, wodurch auf die Solarzelle eine Anziehungskraft zu der Stelle des Lichtflecks hin wirkt. Durch diese Anziehungskraft bewegt sich die Solarzelle, da sie frei beweglich auf der Unterlage gelagert ist, an diese Stelle, so daß der Lichtfleck erneut auf die Solarzelle trifft. Da die Detektoren an dieser Stelle nunmehr von der Solarzelle abgedeckt sind, werden sie nicht weiter belichtet, so daß die durch die Belichtung entstandenen Ladungen sich von selbst wieder auflösen, beispielsweise in den Detektoren rekombinieren.

In Ausgestaltung der Erfindung sind über die Unterlage mehrere in Abstand zueinander und in einer Matrix angeordnete Foto­ elemente verteilt, die mit lotrecht zu der der Solarzelle zuge­ wandten Seite ausgerichteten p/n-Übergängen versehen sind. Es ist beispielsweise möglich, die in einer Matrix angeordneten Fotoelemente als großflächige rotempfindliche Solarzelle aus­ zubilden und zur Erzeugung elektrischer Energie eine blau­ empfindliche Solarzelle zu verwenden. An den p/n-Übergängen der Fotoelemente entstehen elektrische Ladungen, sobald diese belichtet werden. Nachdem sich die Solarzelle durch die ent­ sprechende Anziehungskraft an die belichtete Stelle bewegt hat, erzeugen die so abgedeckten Fotoelemente keine weiteren elektrischen Ladungen mehr, so daß die vorhandenen elektrischen Ladungen an der Oberfläche der Fotoelemente wieder in die p/n-Übergängen hineindiffundieren und in ihnen rekombinieren.

Vorzugsweise sind die Fotoelemente als Fotodioden ausgebildet. Um in jedem Fall eine zur Bewegung der Solarzelle ausreichende Anziehungskraft auf diese wirken zu lassen, sind Mittel zur Verstärkung der Ladungen des durch die Belichtung der Fotodiode erzeugten elektrischen Feldes vorgesehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die der Unterlage zugewandte Seite der Solarzelle mit einem magnetischen Ladungs­ träger versehen. In weiterer Ausgestaltung sind die p/n-Über­ gänge der Fotoelemente als Solarzellen betrieben, und jeder p/n-Übergang ist mit einer diesen umgebenden Spule zur Erzeu­ gung eines elektromagnetischen Feldes versehen. Bei Belichtung der Fotoelemente erzeugen diese daher einen elektrischen Strom, der durch die Spule fließt und so ein Magnetfeld an der belich­ teten Stelle aufbaut.

In weiterer Ausgestaltung sind die Fotoelemente von jeweils einer Spule umgeben und als Fototransistoren ausgebildet, die bei Belichtung einen mit der Spule verbundenen und mit einer Spannungsquelle versehenen Stromkreis schließen. Ein belich­ teter Fototransistor schließt daher den beispielsweise an eine Batterie angeschlossenen Stromkreis, so daß die nun von Strom durchflossene Spule ein Magnetfeld zum Anziehen der ebenfalls mit einem Magneten versehenen frei beweglichen Solarzelle erzeugt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Unterlage eine Flüssigkeit vorgesehen, auf der die Solarzelle schwimmt. Dadurch ist die Solarzelle auf der Unterlage sehr reibungsarm gelagert, so daß bereits geringe Anziehungskräfte eine Verän­ derung der Position der Solarzelle bewirken.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Solar­ zelle relativ zur Unterlage schwebend zu lagern. Dazu ist die Unterlage beispielsweise senkrecht angeordnet und die Solar­ zelle ist parallel zu dieser in einer mit einer Flüssigkeit versehenen Küvette schwebend gelagert. Mittels eines Hologramms werden die Lichtstrahlen so aufgespalten, daß sie auf die senkrecht bewegliche Solarzelle treffen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterlage der­ art gewölbt, daß die konzentrierten Lichtstrahlen immer lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage auftreffen. Die Wölbung der Unterlage ist dabei dem Verlauf des Brennpunktes der optischen Elemente im Lauf eines Tages nachgebildet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen darge­ stellt sind.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachführen einer Solarzelle, bei der eine konzentrierte und wellenlängenselektierte Licht­ strahlen empfangende Solarzelle auf einer mit mehreren in einer Matrix angeordneten Fotoelementen versehenen Unterlage frei beweglich gelagert ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung ähnlich Fig. 1, bei der mehrere Foto­ elemente als Solarzellen betrieben und in einer Matrix in Abstand zueinander in der Unterlage angeordnet sind, die jeweils von einer Spule umgeben sind, durch die ein elektrischer Strom fließt, sobald die entsprechende Solarzelle belichtet wird,

Fig. 3a in einem Ausschnitt entlang der Linie III-III nach Fig. 2 ein Fotoelement nach Fig. 2, dessen p/n-Über­ gang so mit der Spule verbunden ist, daß das Fotoelement bei Belichtung einen durch die Spule fließenden elektrischen Strom erzeugt und damit den Aufbau eines Magnetfeldes bewirkt,

Fig. 3b eine Ausführungsform ähnlich Fig. 3a, bei der das Farbelement jedoch als einen mit einer Spannungs­ quelle versehenen Stromkreis schaltender Foto­ transistor ausgebildet ist und

Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Unterlage so gewölbt ist, daß die selektierten Lichtstrahlen immer im wesentlichen lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage und damit auch auf die Oberfläche der Solarzelle auftreffen.

Um den Wirkungsgrad von Solarzellensystemen zu verbessern, werden mit Hilfe von sowohl dispersiven als auch konzentrieren­ den optischen Elementen Lichtstrahlen der Sonnenstrahlung ab­ hängig von ihrer Wellenlänge selektiert und konzentriert. Dadurch können Solarzellen bei gleicher Leistung flächenmäßig kleiner ausgelegt werden. Als optische Elemente dienen bei­ spielsweise Volumenphasenhologramme. In Fig. 1 sind die optischen Elemente zur Aufspaltung und Konzentrierung der Sonnenstrahlen lediglich durch eine horizontale gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen (9) angedeutet. In Abstand unter­ halb der optischen Elemente (9) ist eine Solarzelle (1) auf einer flächenmäßig wesentlich größeren Unterlage (2) frei beweglich gelagert. Im Ausführungsbeispiel schwimmt die Solar­ zelle auf einem Flüssigkeitsfilm (5), der gestrichelt ange­ deutet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere reibungsarme Lagerungen der Solarzelle (1) vorzusehen, die eine freie Beweglichkeit dieser Solarzelle (1) gestatten.

Die Unterlage (2) ist in Fig. 1 und 2 lediglich ausschnitts­ weise dargestellt. Ihre Oberfläche entspricht wenigstens der Fläche, die von dem Lichtfleck der Sonnenstrahlen im Verlauf eines Tages überstrichen wird.

Die Unterlage (2) nach Fig. 1 enthält eine Vielzahl von in Abstand zueinander und in einer Matrix ähnlich Fig. 2 angeord­ neten Fotoelementen (3), die derart p/n-dotiert sind, daß sich die negative Dotierung auf der der Solarzelle (1) zugewandten Oberseite der Unterlage (2) befindet. Die Fotoelemente (3) sind als Fotodioden ausgebildet. Die Fotodioden sind in einem isolierenden Material (4) eingebettet. Als Halbleitermaterial für die Fotodioden (3) dient beispielsweise Silizium.

Die der Unterlage zugewandte Unterseite der Solarzelle (1) dient als Träger von positiven elektrischen Ladungen (6). Die Solarzelle (1) ist in diesem Bereich permanent positiv geladen. Treffen die Sonnenstrahlen (8) und die durch die optischen Elemente (9) konzentrierten Lichtstrahlen (8′) exakt auf die Solarzelle (1), so wird ein guter Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Solarzelle (1) erreicht. Durch den Lauf der Sonne während eines Tages verändert sich jedoch der Einfallwinkel der Sonnenstrahlen, so daß die Sonnenstrahlen (10) nach einer bestimmten Zeit schräg einfallen und durch die optischen Elemente (9) nicht mehr auf die Solarzelle (1), sondern neben diese auf die Unterlage (2) gelenkt werden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 treffen die Lichtstrahlen (10′) auf eine Fotodiode rechts neben der Solarzelle (1). Durch die Belichtung dieser Fotodiode entstehen im Bereich ihrer Ober­ seite mittels des Fotoeffektes negative elektrische Ladungen (7), die eine Anziehungskraft auf die Solarzelle (1) ausüben, da deren Unterseite entgegengesetzt geladen ist. Die Solarzelle (1) bewegt sich daher in Richtung des Pfeiles (11) auf die Stelle zu, auf die die Lichtstrahlen (10′) treffen. Sobald sich die Solarzelle (1) über dieser Stelle befindet, treffen die Lichtstrahlen (10′) auf die Solarzelle (1) selbst, so daß die Fotodiode (3) nicht mehr weiter belichtet wird. Die negativen elektrischen Ladungen (7) diffundieren daher von selbst wieder in die Fotodiode (3) hinein und rekombinieren. In gleicher Weise erfolgt die Nachführung der Solarzelle (1), sobald sich der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen weiter verändert hat.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3a und 3b arbeiten nicht mit elektrischen, sondern mit elektromagnetischen Anziehungskräften, um die Solarzelle (1) dem Lichtfleck der Lichtstrahlen (10′) nachzuführen. Gemäß Fig. 2 und 3a ist in der Unterlage (2) eine Vielzahl von als Solarzellen betriebenen Fotoelementen (14) angeordnet, wobei die Anordnung im wesent­ lichen der der Fotodioden (3) nach Fig. 1 entspricht. Wie auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die p/n-Übergänge lotrecht zur Oberfläche der Unterlage (2) in dieser angeordnet. Die Kontakte des p/n-Übergangs jedes Fotoelementes (14) sind mit einer Spule (12) verbunden, die das Fotoelement (14) umgibt. Dabei ist jedes Fotoelement (14) nach Fig. 2 von einer solchen Spule (12) umgeben, auch wenn in Fig. 2 aus Übersicht­ lichkeitsgründen lediglich eine Spule (12) dargestellt ist. Sobald daher ein als Solarzelle betriebenes Fotoelement (14) belichtet wird, erzeugt es einen elektrischen Strom, der durch die Spule (12) fließt. Dadurch wird an der belichteten Stelle ein elektromagnetisches Feld (B) aufgebaut.

Die Unterseite der Solarzelle (1) ist mit einem entsprechend entgegengesetzt gepolten Magneten, beispielsweise einem Per­ manentmagneten, versehen, so daß auf die Solarzelle (1) eine Anziehungskraft wirkt, durch die sie in Richtung des Pfeiles (11) auf die durch die Lichtstrahlen (10′) belichtete Stelle des Fotoelementes (14) zubewegt wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und Fig. 3b ist das Fotoelement (14a) als Fototransistor ausgebildet und in einen Stromkreis eingebunden, der mit einer Spannungsquelle (15) versehen ist. Teil dieses Stromkreises ist zudem die das Fotoelement (14a) umgebende Spule (12). Bei Belichtung des Fotoelementes (14a) wird daher der Stromkreis geschlossen, so daß durch die Spule (12) ein Strom fließt und in entsprechender Weise zu Fig. 3a ein Magnetfeld (B) aufbaut wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Unterlage (2′) derart gewölbt, daß die Lichtstrahlen (8′ bzw. 10′) immer im wesentlichen lotrecht auf ihre Oberfläche auftreffen. Die geo­ metrische Form dieser Unterlage (2′) folgt daher im wesent­ lichen der Bewegung des Brennpunktes der die Sonnenstrahlen konzentrierenden optischen Elemente, wodurch eine Formverän­ derung des Lichtflecks weitgehend vermieden wird. Die wesent­ lich kleinere Solarzelle (1′) ist auf der Innenseite der schalenartigen Unterlage (2′) frei beweglich, wobei die zuvor beschriebenen Anziehungskräfte zwischen dem jeweils belichteten Bereich der Unterlage (2′) und der Solarzelle (1′) so groß sein müssen, daß die reibungsarm gelagerte Solarzelle (1′) auch die Steigung der Innenwandung der Unterlage (2′) überwinden kann.

Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine blauempfindliche Solarzelle beispielsweise in einer mit Flüssigkeit gefüllten Küvette derart schwebend gelagert, daß sie parallel zu der mit Fotoelementen versehenen, im wesent­ lichen vertikal angeordneten Unterlage beweglich ist. Für die schwebende Lagerung der Solarzelle in der Küvette entspricht vorzugsweise die Dichte der Solarzelle der Dichte der Flüssig­ keit. Das rote Licht wird durch ein Hologramm weiterhin auf eine nicht weiter beschriebene, horizontal angeordnete Solar­ zelle geleitet, während das Hologramm die blauen Lichtstrahlen seitlich auf die schwebend gelagerte Solarzelle beugt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Nachführen von wenigstens einer Solar­ zelle auf einer gegenüber dieser wesentlich größeren Unterlage entsprechend einem mittels optischer Elemente konzentrierten und aufgrund des sich ändernden Einfallswinkels der Sonnen­ strahlung wandernden Lichtfleck selektierter Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle (1, 1′) auf der Unterlage (2, 2′) frei beweglich ist, daß die Solarzelle (1, 1′) Träger von wenigstens einer auf ihrer der Unterlage (2, 2′) zugewandten Seite angeordneten Ladung ist, und daß die der Solarzelle (1, 1′) zugewandte Seite der Unterlage (2, 2′) mehrere wenigstens über ihre im Verlauf eines Tages von der Sonnenstrahlung erfaßte Fläche verteilte Detektoren (3, 14) enthält, die bei einer Belichtung durch den Lichtfleck der Polarität der Ladung (6) der Solarzelle (1, 1′) entgegen­ gesetzte Ladungen (7, 8) erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Unterlage (2) mehrere in Abstand zueinander und in einer Matrix angeordnete Fotoelemente (3, 14) verteilt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbelemente (3) mit lotrecht zu der der Solarzelle (1) zugewandten Seite ausgerichteten p/n-Übergängen versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoelemente als Fotodioden (3) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verstärkung der Ladungen (7) des durch die Belichtung der Fotodiode (3) erzeugten elektrischen Feldes vor­ gesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Unterlage (2) zugewandte Seite der Solarzelle (1) mit einem magnetischen Ladungsträger versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die p/n-Übergänge der Fotoelemente (14) als Solarzellen be­ trieben sind und daß jeder p/n-Übergang mit einer diesen um­ gebenden Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoelemente von jeweils einer Spule (12) umgeben und als Fototransistoren (14) ausgebildet sind, die bei Belichtung einen mit der Spule (12) verbundenen und mit einer Spannungs­ quelle versehenen Stromkreis schließen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle (1, 1′) auf der Unterlage (2, 2′) reibungsarm gelagert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterlage (2) eine Flüssigkeit (5) vorgesehen ist, auf der die Solarzelle (1) schwimmt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle relativ zur Unterlage schwebend gelagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (2′) derart gewölbt ist, daß die konzentrier­ ten Lichtstrahlen (8′, 10′) immer lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage (2′) auftreffen.