DE4435881C2 - heating system - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Heizanlage für flüssige Medien, mit der solare Strahlungsenergie in Wärme umwandelbar ist, mit wenigstens einem Heizeinsatz, der über wenigstens einen Heizkörper verfügt, in dem als Heizelemente in Reihe geschaltete Halbleiterbau elemente angeordnet sind, die über elektrische Leitungen unmittelbar an einem Solarzellenmodul ange schlossen sind und von diesem unmittelbar mit der von Solarzellen erzeugten Energie versorgt sind.The invention relates to a heating system for liquid Media with the solar radiation energy in heat is convertible, with at least one heating insert that has at least one radiator in which as Heating elements in series semiconductor construction elements are arranged via electrical Lines attached directly to a solar cell module are closed and of this directly with that of Solar cells generated energy are supplied.
Aus der DE 42 04 437 A1 ist eine Anlage zur Wärmeener giegewinnung mittels Photovoltaik bekannt. Bei dieser Heizanlage ist ein Solarmodul unmittelbar an Heiz patronen angeschlossen, die in den Innenraum eines Warmwasserspeichers hineinragen. In die Heizpatronen sind in Reihe geschaltete Halbleiterdioden einge bracht, deren Gesamtwiderstand eine an den Innen widerstand des Solarmoduls angepaßte Last darstellen. Die von den Halbleiterdioden ausgehende Wärme wird mittels eines Wärmeträgeröls auf die Hülse der Heiz patrone übertragen und von dort in das die Heizpatrone umgebende Wasser abgegeben. Das nach außen weisende, offene Ende der Heizpatrone ist mit einer Dichtung aus Silikonkautschuk nach außen hin abgedichtet.DE 42 04 437 A1 describes a plant for heating Giegewießen known by photovoltaics. At this Heating system is a solar module directly on heating cartridges connected in the interior of a Protrude into the hot water tank. In the heating cartridges are connected in series semiconductor diodes brings, whose total resistance is one on the inside resistance of the solar module represent adjusted load. The heat emanating from the semiconductor diodes is using a heat transfer oil on the sleeve of the heater Transfer cartridge and from there into the heating cartridge emitted surrounding water. The outward-pointing open end of the heating cartridge is made with a seal Silicone rubber sealed to the outside.
Ein Nachteil der bekannten Heizeinrichtung ist, daß zur Wärmeübertragung von den Halbleiterdioden auf die Hülse der Heizpatrone Wärmeträgeröl notwendig ist. Wegen der verhältnismäßig geringen Wärmeleitfähigkeit von Wärmeträgeröl bildet sich im Wärmeträgeröl insbe sondere bei großer Heizleistung der Halbleiterdioden ein steiler Temperaturgradient aus, der dazu führt, daß die Temperatur der Halbleiterdioden wesentlich über der Temperatur der äußeren Hülse der Heizpatrone liegt. Da es sich bei den Halbleiterdioden um Halb leiterbauelemente handelt, deren Betriebstemperatur einen oberen Grenzwert im Bereich von 70 Grad Celsius nicht überschreiten darf, ist die bekannte Heizein richtung nur dann einsetzbar, wenn die Temperatur des aufzuwärmenden Mediums lediglich im Bereich von 40 Grad Celsius liegen soll. Dennoch besteht bei der her kömmlichen Heizeinrichtung die Gefahr, daß das zu er wärmende Wasser wegen der beim Aufheizen nur langsam einsetzende Konvektion im Warmwasserspeicher in der Nähe des Heizkörpers Temperaturen über 40 Grad Celsius annimmt, so daß die Temperatur der Heizdioden über den oberen Grenzwert der zulässigen Betriebstemperatur steigt und die Heizdioden zerstört werden. Außerdem besteht bei der bekannten Heizeinrichtung die Gefahr, daß die die Heizpatrone nach außen hin abschließende Kautschukdichtung undicht wird, wenn sich die warme Hülse der Patrone ausdehnt.A disadvantage of the known heating device is that for heat transfer from the semiconductor diodes to the Sleeve of the heating cartridge heat transfer oil is necessary. Because of the relatively low thermal conductivity Heat transfer oil in particular forms in the heat transfer oil especially with high heating power of the semiconductor diodes a steep temperature gradient that leads to that the temperature of the semiconductor diodes is essential over the temperature of the outer sleeve of the heating cartridge lies. Since the semiconductor diodes are half conductor components, their operating temperature an upper limit in the range of 70 degrees Celsius The well-known heater is not allowed to exceed direction can only be used if the temperature of the medium to be warmed up only in the range of 40 Degrees Celsius should be. Nevertheless, there exists conventional heating device there is a risk that it too warming water because of slow heating onset of convection in the hot water tank in the Near the radiator temperatures over 40 degrees Celsius assumes that the temperature of the heating diodes over the upper limit of the permissible operating temperature increases and the heating diodes are destroyed. Furthermore there is a risk with the known heating device that the heating cartridge closes to the outside Rubber seal will leak if the warm Cartridge sleeve expands.
Aus der DE 94 10 285 U1 ist weiterhin eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung bekannt, bei der unmittelbar an ein Solarmodul angeschlossene ohmsche Widerstände als Lastwiderstand für das Solarmodul dienen. Die ohmschen Widerstände sind über ein Netzwerk so ver schaltet, daß über eine Regelschaltung jeweils der optimale Lastwiderstand für das Solarmodul einstellbar ist.DE 94 10 285 U1 is still a solar system known for domestic water heating, at which immediately ohmic resistors connected to a solar module serve as a load resistor for the solar module. The ohmic resistances are so ver over a network switches that via a control circuit each optimal load resistance adjustable for the solar module is.
In der DE 92 12 374 U1 wird vorgeschlagen, einen mit elektrischen Herdplatten ausgestatteten Elektroherd über Solarzellen mit elektrischer Energie zu ver sorgen.DE 92 12 374 U1 proposes using a electric hot plates equipped electric cooker ver using solar cells with electrical energy to care.
Aus der DE 39 07 179 A1 ist weiterhin ein Durchlaufer hitzer bekannt, in dem eine Vielzahl von Strömungs kanälen ausgebildet sind, in denen Halbleiterchips tragende Plättchen zur Erwärmung des durch die Strömungskanäle strömenden Mediums angeordnet sind.From DE 39 07 179 A1 is still a pass heater known in which a variety of flow channels are formed in which semiconductor chips supporting platelets for heating the by the Flow channels flowing medium are arranged.
Die GB 2 256 353 A offenbart ein Heizelement, das mit Halbleiterbauelementen mit positivem Temperaturko effizienten ausgestattet ist. Die Halbleiterbau elemente sind in einer zusammenpreßbaren, mit Deh nungsnuten versehenen Hülse angeordnet, die an ihren beiden Enden durch Kunststoffpfropfen verschlossen ist.GB 2 256 353 A discloses a heating element with Semiconductor components with positive temperature co is efficiently equipped. The semiconductor construction elements are in a compressible, with deh arranged grooves provided on their both ends closed by plastic stoppers is.
Schließlich ist aus der US 37 00 852 ein Druckkopf zum thermischen Drucken bekannt, der über ein in Litho graphietechnik gefertigtes Feld von Heizdioden ver fügt, mit denen sich einzelne Buchstaben auf ein Druckmedium drucken lassen.Finally, from US 37 00 852 a printhead for thermal printing, which is known in Litho Graphics technology manufactured field of heating diodes ver inserts individual letters with a Have the print medium printed.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Auf wand herstellbare Heizanlage zum Aufwärmen flüssiger Medien mittels Solarstrom zu schaffen, die ein hohes Maß an Betriebssicherheit und Wartungsfreundlichkeit aufweist.Based on this state of the art, the Er finding the task, one with a low on Wall-mounted heating system for warming up liquid To create media using solar power that is high Level of operational safety and ease of maintenance having.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Heizeinsatz über ein Anschlußgehäuse verfügt, das eine Kabelein führung aufweist und an dem auf einer flachen Dicht seite ein zylinderartiger, in eine Öffnung in der Wand eines Behälters zur Aufnahme des flüssigen Mediums einschraubbarer und die Öffnung abdichtender Dichtein satz ausgebildet ist, an dem der Heizkörper angebracht ist, in dem ein mit beiden Enden in das Innere des Anschlußgehäuses mündender Aufnahmekanal ausgebildet ist, der die Halbleiterbauelemente eng umschließt, wobei die in Reihe geschalteten Halbleiterbauelemente im Anschlußgehäuse an die durch die Kabeleinführung in das Anschlußgehäuse eingebrachten elektrischen Lei tungen angeschlossen sind.This object is achieved in that the heating insert has a junction box that has a cable has guide and on which on a flat sealing side a cylinder-like, in an opening in the wall a container for holding the liquid medium screw-in seal that seals the opening is formed on which the radiator is attached is one with both ends inside the Terminal housing opening receiving channel formed that tightly encloses the semiconductor devices, the semiconductor devices connected in series in the connection housing to the cable entry in the connection housing introduced electrical Lei lines are connected.
Dadurch, daß der Aufnahmekanal die Halbleiterbau elemente eng umschließt, berühren die Umhüllungen der Halbleiterbauelemente unmittelbar die Außenhaut des Heizkörpers. Aufgrund des unmittelbaren Kontaktes liegt die Temperatur des Halbleiterbauelements nicht wesentlich über der Temperatur der Außenhaut. Damit ist sichergestellt, daß die Temperatur der Halbleiter bauelemente auch dann nicht über die zulässige Ober grenze der Betriebstemperatur steigt, wenn die Tempe ratur des den Heizkörper umgebenden Mediums zeitweise aufgrund der langsam einsetzenden Konvektion auf Werte im Bereich des oberen Grenzwerts der zulässigen Be triebstemperatur ansteigt. Da ferner kein weiteres Medium im Aufnahmekanal notwendig ist, um die Wärme übertragung von den Halbleiterbauelementen auf die Wand des Heizkörpers zu bewerkstelligen, ist es auch nicht notwendig, den Aufnahmekanal nach außen zum Anschlußgehäuse hin abzudichten. Folglich kann der Heizeinsatz auch hohe Temperaturen annehmen und sich dabei ausdehnen, ohne daß die Betriebssicherheit des Heizeinsatzes beeinträchtigt ist.The fact that the receiving channel the semiconductor tightly enclosing elements, touch the wrappings of the Semiconductor components directly the outer skin of the Radiator. Because of the direct contact the temperature of the semiconductor component is not significantly above the temperature of the outer skin. In order to ensures that the temperature of the semiconductors components do not exceed the permissible upper limit Limit of operating temperature increases when the tempe temperature of the medium surrounding the radiator at times due to the slow onset convection to values in the range of the upper limit of the permissible Be drive temperature rises. Since no further Medium in the intake channel is necessary to the heat transfer from the semiconductor components to the It is also possible to accomplish the wall of the radiator not necessary to the intake channel to the outside Seal the connection housing. Consequently, the Heating insert also accept high temperatures and themselves thereby expand without the operational safety of the Heating insert is impaired.
Daneben verfügt die Heizanlage über ein hohes Maß an Wartungsfreundlichkeit, da der Heizeinsatz auf ein fache Weise in ein in der Öffnung in der Wand des Warmwasserbehälters ausgebildetes Gewinde ein- und ausschraubbar ist.In addition, the heating system has a high level Ease of maintenance because the heating insert on a fold in one in the opening in the wall of the Hot water tank trained thread on and can be unscrewed.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The following are exemplary embodiments of the invention explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Übersicht über eine Heizanlage gemäß der Erfindung, Fig. 1 is an overview of a heating system according to the invention,
Fig. 2 ein Strom-Spannungs-Diagramm mit den Kenn linien eines Solarzellenmoduls bei ver schiedenen Bestrahlungsstärken, wobei die Temperatur der Solarzellen konstant ist, Fig. 2 shows a current-voltage diagram showing the characteristics of a solar cell module in ver different irradiances, wherein the temperature of the solar cell is constant,
Fig. 3 ein Strom-Spannungs-Diagramm mit den Kenn linien des Solarzellenmoduls bei verschiedenen Bestrah lungsstärken, wobei die Temperatur der Solarzel len mit zunehmender Bestrahlungsstärke ansteigt, Shows a current-voltage diagram lines having the characteristics lung strengthen. 3 of the solar cell module at various Bestrah, wherein the temperature of Solarzel len increases with increasing irradiation intensity,
Fig. 4 in einer teilweise aufgebrochenen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines mit Halblei terdioden bestückten Heizkörpers gemäß der Er findung, Fig. 4 in a partially broken view of a perspective view of terdioden with semiconducting equipped radiator according to the invention He,
Fig. 5 eine perspektivische Seitenansicht einer mit drei Heizkörpern gemäß Fig. 4 bestückten Heiz einrichtung, Figure 5 is a side perspective view of a device equipped with three heating elements according to FIG. 4 heating.,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen Heizkörper gemäß der Erfindung, bei dem die Halbleiterdioden in eine Wand eines Rohres eingebracht sind, Fig. 6 is a perspective view of another embodiment for a radiator according to the invention, wherein said semiconductor diodes are placed in a wall of a tube,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Heizeinrich tung, die mit dem Heizkörper gemäß Fig. 6 be stückt ist, Fig. 7 is a perspective view of a tung Heizeinrich to be with the radiator of FIG. 6 is tee t,
Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Heizkörper in Platten form, Figure 8 is a plan view shape. On a radiator in plates,
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen entlang der Schnittlinie A - B in Fig. 8 geschnittenen plat tenförmigen Heizkörper,9 shows a cross section through a section along the line A -.. B in Figure 8 is cut plat tenförmigen radiator,
Fig. 10 eine Seitenansicht auf eine mit plattenförmigen Heizkörpern gemäß Fig. 8 versehene Heizeinrich tung, Fig. 10 is a side view of a processing with the plate-shaped radiators in FIG. 8 provided Heizeinrich,
Fig. 11 eine Seitenansicht der Heizeinrichtung gemäß Fig. 10 von der Linie C-D in Fig. 10 aus ge sehen, Shows a side view of the heater of FIG. 10 see. 11 by the line CD in FIG. 10 of Ge,
Fig. 12 einen Querschnitt durch eine herkömmliche, ge wöhnliche Halbleiterdiode, Fig. 12 is a cross section through a conventional, ge nary semiconductor diode,
Fig. 13 einen Querschnitt durch eine Halbleiterdiode gemäß der Erfindung, Fig. 13 is a cross section through a semiconductor diode according to the invention,
Fig. 14 einen Querschnitt durch einen plattenförmigen Heizkörper gemäß der Erfindung und Fig. 14 shows a cross section through a plate-shaped radiator according to the invention and
Fig. 15 ein Schaltbild einer Transitorkette für einen Heizkörper gemäß der Erfindung. Fig. 15 is a circuit diagram of a transistor chain for a radiator according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine Übersicht über eine Heizanlage gemäß der Erfindung. Man erkennt einen Solarzellenmodul 1, der über Solarzellen 2 verfügt. Der Solarzellenmodul 1 ist über elektrische Leitungen 3 mit einer an einem Warmwas serbehälter 4 angebrachten Heizeinrichtung 5 elektrisch verbunden. Die Heizeinrichtung 5 weist einen Heizkörper 6 auf, der sich im Innenraum des Warmwasserbehälters 4 befindet. Bei Einfall von Sonnenstrahlung speist der Solarzellenmodul 1 den Heizkörper 6 mit Strom, und der Heizkörper 6 erwärmt das sich im Inneren des Warmwasser behälters 4 befindende Wasser 7. Ein in der Nähe des Heizkörpers 6 angeordneter Temperaturfühler 8 und ein in der elektrischen Leitung 3 angeordneter Sicherheits schalter 9 sorgen für eine Unterbrechung des Strom kreises bei Überhitzung des Wassers 7 oder des Heiz körpers 6. Fig. 1 shows an overview of a heating system according to the invention. One can see a solar cell module 1 which has solar cells 2 . The solar cell module 1 is electrically connected via electrical lines 3 with a heater 5 attached to a hot water tank 4 . The heating device 5 has a radiator 6 , which is located in the interior of the hot water tank 4 . In the event of solar radiation, the solar cell module 1 feeds the radiator 6 with electricity, and the radiator 6 heats the water 7 located in the interior of the hot water container 4 . A arranged in the vicinity of the radiator 6 temperature sensor 8 and a arranged in the electrical line 3 safety switch 9 ensure an interruption of the circuit when the water 7 or the heating element 6 overheats.
Falls eine Heizleistung nötig ist, die sich nicht mit einem einzigen Heizkörper 6 erzielen läßt, weist die Heizeinrichtung 5 eine Vielzahl von Heizkörpern 6 auf, von denen jeder jeweils mit einem einzigen Solarzellen modul 1 elektrisch verbunden ist. If heating power is required that cannot be achieved with a single radiator 6 , the heating device 5 has a multiplicity of radiators 6 , each of which is electrically connected to a single solar cell module 1 .
Fig. 2 zeigt ein Kennliniendiagramm des Solarzellen moduls 1. Je nach Bestrahlungsstärke der auf die Solar zellen einfallenden Sonnenstrahlung ergeben sich unter schiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien. Kurve 10 stellt eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei niedriger Bestrah lungsstärke und Kurve 11 eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei hoher Bestrahlungsstärke dar. Für alle Kennlinien ist eine konstante Temperatur der Solarzellen 2 angenom men. Für eine gegebene Bestrahlungsstärke existiert nun im Strom-Spannungs-Diagramm ein Punkt, bei dem die Leistungsabgabe des Solarzellenmoduls 1 maximal ist. Verbindet man die Punkte maximaler Leistungsabgabe bei verschiedenen Bestrahlungsstärken, so ergibt sich eine im vorliegenden Diagramm schräg schraffiert angedeutete Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe. Im allgemeinen liegen die Punkte der Kennlinie 12 der maximalen Lei stungsabgabe nicht auf einer Geraden durch den Ursprung des Strom-Spannungs-Diagramms. Infolgedessen wird für jede Bestrahlungsstärke ein anderer Widerstandswert der Heizeinrichtung für eine optimale Leistungsausbeute benötigt. Fig. 2 shows a characteristic diagram of the solar cell module 1. Depending on the irradiance of the solar radiation incident on the solar cells, there are different current-voltage characteristics. Curve 10 represents a current-voltage characteristic at low irradiance and curve 11 represents a current-voltage characteristic at high irradiance. A constant temperature of the solar cells 2 is assumed for all characteristics. For a given irradiance, there is now a point in the current-voltage diagram at which the power output of the solar cell module 1 is at a maximum. If one connects the points of maximum power output at different irradiance levels, the result is a characteristic curve 12 of maximum power output indicated by hatching in the present diagram. In general, the points of the characteristic curve 12 of the maximum power output are not on a straight line through the origin of the current-voltage diagram. As a result, a different resistance value of the heating device is required for each irradiance for an optimal power yield.
Anordnungen von Halbleiterbauelemente verfügen aber über einen stark veränderlichen Widerstand und sind daher geeignete Heizelemente für die Heizeinrichtung 5, die mit dem von den Solarzellen 2 gelieferten Solarstrom beaufschlagt ist. Eine Kette aus vorwärts gepolten Uni versaldioden vom Typ INS 400 ist ein einfaches Beispiel für eine derartige Anordnung von Halbleiterbauelementen. Die Reihenschaltung ist nötig, da bei Parallelschaltung einzelner Halbleiterdioden die Streuung der Kenndaten der Halbleiterdioden zu einer unterschiedlichen Bela stung der Halbleiterdioden führen würde. Die in Reihe geschalteten Halbleiterdioden weisen dabei die gemein same Diodenkennlinie 13 auf. Die Anzahl der Halbleiter dioden in der Kette ist so gewählt, daß die Summe der Durchlaßspannungen der Halbleiterdioden in etwa der Ab knickspannung Uk der Kennlinie 12 maximaler Leistungs abgabe entspricht, und daß die gemeinsame Diodenkenn linie 13 der Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe im Bereich großer Bestrahlungsstärken folgt. Bei hohen Be strahlungsstärken der einfallenden Sonnenstrahlung ent spricht daher der Widerstandswert der Heizeinrichtung 5 in etwa dem Widerstandswert eines bezüglich der Energie ausbeute optimal an den Solarzellenmodul 1 angepaßten Lastwiderstands. Da die Verluste durch die Fehlanpassung bei kleinen Bestrahlungsstärken gering sind, ergibt sich eine gute Leistungsausbeute.However, arrangements of semiconductor components have a strongly variable resistance and are therefore suitable heating elements for the heating device 5 , which is supplied with the solar current supplied by the solar cells 2 . A chain of forward polarized universal diodes of the type INS 400 is a simple example of such an arrangement of semiconductor components. The series connection is necessary because if individual semiconductor diodes are connected in parallel, the scattering of the characteristic data of the semiconductor diodes would lead to a different load on the semiconductor diodes. The series connected semiconductor diodes have the same diode characteristic curve 13 . The number of semiconductor diodes in the chain is chosen so that the sum of the forward voltages of the semiconductor diodes corresponds approximately to the kink voltage U k from the characteristic curve 12 maximum power output, and that the common diode characteristic line 13 of the characteristic curve 12 maximum power output in the range of high irradiance follows. At high radiation levels of the incident solar radiation, the resistance value of the heating device 5 therefore corresponds approximately to the resistance value of a load resistor optimally adapted to the solar cell module 1 with regard to the energy yield. Since the losses due to the mismatch at low irradiance levels are low, the power output is good.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, daß sich die mit Halbleiterdioden bestückte Heizeinrichtung 6 wegen des steilen Verlaufs der Diodenkennlinie 13 abschaltet, wenn die Spannung des Solarzellenmoduls 1 durch den Ausfall oder die Abschattung von wenigsten einer Solarzelle 2 sinkt. Dadurch ist gewährleistet, daß sich die ausgefal lenen oder abgeschatteten Solarzellen 2 nicht aufheizen. Insofern tragen die Halbleiterdioden durch die Steilheit ihrer gemeinsamen Diodenkennlinie 13 zur Sicherheit der Heizanlage bei.Another advantage is the fact that the heating device 6 equipped with semiconductor diodes switches off due to the steep course of the diode characteristic curve 13 when the voltage of the solar cell module 1 drops due to the failure or the shading of at least one solar cell 2 . This ensures that the failed or shaded solar cells 2 do not heat up. In this respect, the semiconductor diodes contribute to the safety of the heating system due to the steepness of their common diode characteristic curve 13 .
Fig. 3 zeigt ein weiteres Strom-Spannungs-Kennlinien diagramm des Solarzellenmoduls 1. Die in diesem Diagramm gezeigten Kennlinien berücksichtigen den Temperaturgang der Solarzellen 2. Kurve 14 ist die Strom-Spannungs-Kenn linie des Solarzellenmoduls 1 bei geringer Bestrah lungsstärke und dementsprechend geringer Temperatur der Solarzellen 2. Kurve 15 ist dagegen die Strom-Spannungs-Kenn linie des Solarzellenmoduls 1 bei hoher Bestrah lungsstärke und dementsprechend höherer Temperatur der Solarzellen 2. Wie in Fig. 2 existiert für jede Bestrah lungsstärke ein Punkt auf der Kennlinie, bei dem die Leistungsabgabe des Solarzellenmoduls 1 maximal ist. Verbindet man die Punkte, ergibt sich eine Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe, die in Fig. 3 schräg schraf fiert angedeutet ist. Aus dem Vergleich von Kennlinie 12 aus Fig. 2 und Kennlinie 16 aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe gegenüber der Kennlinie 12 für hohe Bestrahlungsstärken zu kleineren Spannungen hin verschoben ist. Dadurch ist die Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe insgesamt steiler und kann bei bestimmten Typen von Solarzellen 2 einen negativen steigungskoeffizienten aufweisen. Fig. 3 shows a further current-voltage characteristic diagram of the solar cell module 1 . The characteristic curves shown in this diagram take into account the temperature response of the solar cells 2 . Curve 14 is the current-voltage characteristic line of the solar cell module 1 with a low irradiance and accordingly a low temperature of the solar cells 2 . Curve 15 , on the other hand, is the current-voltage characteristic line of the solar cell module 1 at high irradiance and accordingly a higher temperature of the solar cells 2 . As in FIG. 2, there is a point on the characteristic curve for each radiation intensity at which the power output of the solar cell module 1 is at a maximum. If you connect the points, a characteristic curve 16 results in maximum power output, which is indicated by a hatched line in FIG. 3. From the comparison of characteristic curve 12 from FIG. 2 and characteristic curve 16 from FIG. 3, it follows that the characteristic curve 16 of maximum power output is shifted towards smaller voltages compared to the characteristic curve 12 for high irradiance levels. Characteristic curve 16 of maximum power output is overall steeper and can have a negative slope coefficient for certain types of solar cells 2 .
Falls gewöhnliche Halbleiterdioden wie beispielsweise Halbleiterdioden vom Typ 1N5400 als Heizelemente ver wendet sind, ist die Temperaturdrift der Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe durch die Temperaturdrift der im Heizkörper 6 als Heizelement angeordneten Halbleiter dioden kompensierbar. Falls sich die Halbleiterdioden durch den bei hohen Bestrahlungsstärken fließenden Strom erheblich aufwärmen, verschiebt sich die Diodenkennlinie 13 wie die Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe zu niedrigeren Spannungen, so daß bei entsprechender Erwär mung der Halbleiterdioden die Diodenkennlinie 13 im Bereich der Kennlinie 16 maximaler Leistungsausbeute zu liegen kommt.If ordinary semiconductor diodes such as semiconductor diodes of the 1N5400 type are used as heating elements, the temperature drift of the characteristic curve 12 of maximum power output can be compensated for by the temperature drift of the semiconductor diodes arranged in the heating element 6 as a heating element. If the semiconductor diodes heat up considerably due to the current flowing at high irradiations, the diode characteristic curve 13, like the characteristic curve 12 of maximum power output, shifts to lower voltages, so that with appropriate heating of the semiconductor diodes, the diode characteristic curve 13 comes to lie in the characteristic curve 16 of the maximum power yield .
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von rück wärtsgepolten Zenerdioden, die bei Spannungen über der Durchbruchspannung eine steil verlaufende Kennlinie aufweisen. Wegen der Streuung der Kenndaten der Zener dioden ordnet man die Zenerdioden zweckmäßigerweise in Reihe an. Dabei sind die Anzahl und die Durchbruchspan nungen der Zenerdioden durch die Steigung der Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe und den Wert der Abknick spannung Uk der Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe bestimmt. Die Steigung der Kennlinie 16 legt die Anzahl der Zenerdioden fest, da eine gemeinsame Zenerdioden kennlinie 17 einer Kette von Zenerdioden durch die Hinzunahme von weiteren Zenerdioden zunehmend flacher wird. Der Wert der Abknickspannung Uk bestimmt dann den Wert der Durchbruchspannungen der Zenerdioden. Damit die Kennlinien zur Deckung kommen, muß die Summe der Durch bruchspannungen in etwa gleich dem Wert der Abknickspan nung Uk sein. Wegen der Steilheit der Kennlinie 16 maximaler Leistungsabgabe ist man im allgemeinen be strebt die Anzahl der Zenerdioden möglichst klein zu halten und Zenerdioden mit einer großen Durchbruchspan nung auszuwählen. Das bedeutet aber wegen des großen Spannungsabfalls über die Zenerdiode und des großen Stroms eine erhebliche Wärmebelastung für die Zener diode.Another possibility is the use of reverse-polarized Zener diodes, which have a steep characteristic curve at voltages above the breakdown voltage. Because of the scatter of the characteristic data of the Zener diodes, the Zener diodes are expediently arranged in series. The number and the breakdown voltages of the Zener diodes are determined by the slope of the characteristic curve 16 of the maximum power output and the value of the kink voltage U k of the characteristic curve 16 of the maximum power output. The slope of the characteristic curve 16 determines the number of Zener diodes, since a common Zener diode characteristic curve 17 of a chain of Zener diodes becomes increasingly flatter due to the addition of further Zener diodes. The value of the breakdown voltage U k then determines the value of the breakdown voltages of the Zener diodes. So that the characteristic curves are congruent, the sum of the breakdown voltages must be approximately equal to the value of the breakdown voltage U k . Because of the steepness of the characteristic curve 16, maximum power output is generally sought to keep the number of Zener diodes as small as possible and to select Zener diodes with a large breakdown voltage. However, because of the large voltage drop across the Zener diode and the large current, this means a considerable heat load for the Zener diode.
Allerdings darf sich in diesem Fall die Temperatur der im Heizkörper 6 angeordneten Zenerdioden auch durch den bei großen Bestrahlungsstärken auftretenden Strom nicht wesentlich erhöhen, denn durch die Temperaturerhöhung der Zenerdioden bei Stromdurchfluß nimmt die Zener diodenkennlinie 17 die Form einer Kennlinie 18 an. Da der Temperaturgang der Kennlinien 17 und 18 stark von der jeweiligen Temperatur der Zenerdioden abhängt, sind Zenerdioden deshalb nur anwendbar, wenn die Temperatur der Zenerdioden im wesentlichen konstant ist. Dazu ist aber eine entsprechende Kühlleistung durch das zu be heizende Medium notwendig.However, in this case, the temperature of the Zener diodes arranged in the radiator 6 must not increase significantly due to the current occurring at high irradiations, because the Zener diode characteristic curve 17 takes the form of a characteristic curve 18 due to the temperature increase of the Zener diodes when current flows through. Since the temperature response of the characteristic curves 17 and 18 strongly depends on the respective temperature of the Zener diodes, Zener diodes can therefore only be used if the temperature of the Zener diodes is essentially constant. However, this requires an appropriate cooling capacity through the medium to be heated.
Für die mechanische Konstruktion der Heizeinrichtung 5 und des Heizkörpers 6 kommt eine Reihe von Bauformen in Frage. A number of designs are possible for the mechanical construction of the heating device 5 and the radiator 6 .
Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Heizkörpers 6. Man erkennt ein hohles, aus Metall wie beispielsweise Messing gefertigtes Rohr 19 mit etwa fünf Millimeter Innendurchmesser und U-förmigem Verlauf. Die parallel verlaufenden Rohrenden 20 und 21 sind zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit mit einer Stützstrebe 22 ver bunden. In den Innenraum des Rohres 19 sind in Reihe geschaltete gewöhnliche Halbleiterdioden 23, beispiels weise vom Typ 1N5400, angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübertrags ist der verbleibende Innenraum des Rohres 19 mit in der Fig. 4 nicht dargestellter Wärmeleitpaste gefüllt. An den Rohrenden 20 und 21 sind die Halbleiter dioden 23 mit dem Solarzellenmodul 1 elektrisch so ver bunden, daß die Halbleiterdioden 23 in Vorwärtsrichtung gepolt sind. Beim Einfall von Strahlung beaufschlagt der Solarzellenmodul 1 die Halbleiterdioden 23 mit Strom, und die Halbleiterdioden 23 erwärmen das Rohr 19. Je nach Leistungsbedarf ist eine Vielzahl von Heizkörpern 6 einer Heizeinrichtung 5 zugeordnet. Fig. 4 shows a perspective side view of a preferred embodiment of the heater. 6 A hollow tube 19 made of metal, such as brass, with an inner diameter of about five millimeters and a U-shaped course can be seen. The parallel pipe ends 20 and 21 are connected to increase the mechanical strength with a support strut 22 connected. In the interior of the tube 19 are connected in series ordinary semiconductor diodes 23 , for example of the 1N5400 type. To improve the heat transfer, the remaining interior of the tube 19 is filled with heat-conducting paste, not shown in FIG. 4. At the tube ends 20 and 21 , the semiconductor diodes 23 with the solar cell module 1 are electrically connected so that the semiconductor diodes 23 are polarized in the forward direction. Upon incidence of radiation of the solar cell module 1 applied to the semiconductor diodes 23 with power, and the semiconductor diodes 23 heat the tube 19th Depending on the power requirement, a large number of radiators 6 is assigned to a heating device 5 .
Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der mit den Heizkörpern 6 gemäß Fig. 4 versehenen Heizeinrichtung 5. Die Heiz einrichtung 5 weist ein zylinderförmiges Anschlußgehäuse 24 mit einer Kabeleinführung 25 auf. Auf einer ebenen Dichtseite 26 des zylinderförmigen Anschlußgehäuses 24 ist ein zylinderförmiger Dichteinsatz 27 ausgebildet, wobei die Symmetrieachse des zylinderförmigen Dichtein satzes 27 auf der Symmetrieachse des zylinderförmigen Anschlußgehäuses 24 liegt. Auf dem Zylindermantel des Dichteinsatzes 24 ist ein Schraubengewinde 28 ausgebil det, mit dem die Heizeinrichtung 5 in eine Öffnung des Warmwasserbehälters 4 einschraubbar ist. Dabei dichtet ein auf der ebenen Dichtseite 26 aufliegender, den Dichteinsatz 27 umschließender Dichtring 29 die Öffnung des Warmwasserbehälters 4 ab. Fig. 5 shows a preferred embodiment of the heaters 6 according to FIG in a perspective side view. 4 heating device 5 is provided. The heating device 5 has a cylindrical connection housing 24 with a cable entry 25 . On a flat sealing side 26 of the cylindrical connection housing 24 , a cylindrical sealing insert 27 is formed, the axis of symmetry of the cylindrical Dichteinset 27 lying on the axis of symmetry of the cylindrical connection housing 24 . On the cylinder jacket of the sealing insert 24 , a screw thread 28 is ausgebil det, with which the heating device 5 can be screwed into an opening of the hot water tank 4 . A sealing ring 29 lying on the flat sealing side 26 and enclosing the sealing insert 27 seals the opening of the hot water tank 4 .
Auf einer dem Anschlußgehäuse 24 abgewandten Stirnseite 30 des Dichteinsatzes 24 ist in der Mitte der Stirnseite 30 rechtwinklig zur Stirnseite 30 der stabförmige Tem peraturfühler 8 angeordnet. Um den Temperaturfühler 8 herum sind rechtwinklig auf der Stirnseite 30 stehend drei Heizkörper 6 angeordnet, von denen jeweils die Enden 20 und 21 an der Stirnseite 30 des Dichteinsatzes 24 befestigt sind.On a terminal housing 24 facing away from the end face 30 of the sealing insert 24 , the rod-shaped temperature sensor 8 is arranged in the middle of the end face 30 at right angles to the end face 30 . Around the temperature sensor 8 , three radiators 6 are arranged at right angles on the end face 30 , of which the ends 20 and 21 are each fastened to the end face 30 of the sealing insert 24 .
Die in Fig. 5 gezeigte Heizeinrichtung 5 zeichnet sich durch ihren einfachen und platzsparenden Aufbau aus. Eine Öffnung im Warmwasserbehälter 4 mit einem Innen durchmesser von eineinhalb Zoll ist für eine Heizein richtung 5 gemäß Fig. 5 ausreichend. Die Länge der Rohre 19 der Heizkörper 6 ist durch die benötigte Leistung festgelegt. Mit 80 Halbleiterdioden vom Typ 1N5400 er gibt sich eine Leistung des Heizkörpers 6 von 200 Watt und eine Rohrlänge von 600 Millimetern.The heating device 5 shown in Fig. 5 is characterized by its simple and space-saving construction. An opening in the hot water tank 4 with an inner diameter of one and a half inches is sufficient for a heating device 5 according to FIG. 5. The length of the tubes 19 of the radiators 6 is determined by the power required. With 80 semiconductor diodes of the 1N5400 type, the radiator 6 has an output of 200 watts and a tube length of 600 millimeters.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Heiz körpers 6 gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungs beispiel weist der Heizkörper 6 ein Rohr 31 auf, das über zwei Rohrenden 32 und 33 verfügt. In die Außenseite des Rohres 31 ist eine gerade Anzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Nuten 34 eingebracht. An den Rohrenden 32 und 33 sind die Nuten 34 durch zu den Nuten 34 quer verlaufende Nuten 35 verbunden. In den Nuten 34 und 35 befindet sich eine mäanderförmig eingelegte Kette von in Reihe geschalteten gewöhnlichen Halbleiterdioden 23, deren beide Enden am ein und demselben Rohrende 32 die Wand des Rohres 31 verlassen. Zwischen den Nuten 34 und 35 sind Ausnehmungen 36 in die Wand des Rohres 31 eingebracht, um die dem Wasser 7 im Warmwasserbehälter 4 ausgesetzte Oberfläche des Rohres 31 zu vergrößern und um eine Durchflutung des Rohres 31 zu ermöglichen. 4 Fig. 6 shows another embodiment of the heating body 6 according to the invention. In this embodiment, the radiator 6 has a tube 31 which has two tube ends 32 and 33 . An even number of grooves 34 running parallel to the longitudinal axis are introduced into the outside of the tube 31 . At the tube ends 32 and 33 , the grooves 34 are connected by grooves 35 extending transversely to the grooves 34 . In the grooves 34 and 35 there is a chain of ordinary semiconductor diodes 23 inserted in a meandering shape, the two ends of which leave the wall of the tube 31 at the same tube end 32 . Recesses 36 are made in the wall of the tube 31 between the grooves 34 and 35 in order to enlarge the surface of the tube 31 exposed to the water 7 in the hot water tank 4 and to allow the tube 31 to be flooded. 4th
Fig. 7 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht die fertig zusammengebaute Heizeinrichtung 5 mit einem Heiz körper 6 gemäß Fig. 6. Wie in Fig. 5 erkennt man ein zylinderförmiges Anschlußgehäuse 24, an dem ein zylin derförmiger Dichteinsatz 27 ausgebildet ist. In der Mitte der Stirnseite 30 des Dichteinsatzes 27 ist der stabförmige Temperaturfühler 8 rechtwinklig zur Stirn seite 30 angeordnet. Das Rohr 31 umgibt den Temperatur fühler 8 und ist mit seinem Rohrende 32 an der Stirn seite 30 befestigt. Zum Abdichten der Nuten 34 und 35 ist auf das Rohr 31 ein Außenrohr 37 aufgebracht, dessen Innendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser des Rohre s 31 entspricht. Dabei sind in die Wand des Außenrohres 37 Ausnehmungen eingebracht, die sich mit den Ausnehmungen 36 des innen liegenden Rohres 31 decken. Die Fugen zwischen dem Rohr 31 und dem Außenrohr 37 sind dabei durch Löten, Schweißen oder geeignete Dichtmittel ab gedichtet. Fig. 7 shows a perspective side view of the fully assembled heating device 5 with a heating body 6 according to FIG. 6. As in Fig. 5 you can see a cylindrical connector housing 24 on which a cylin-shaped sealing insert 27 is formed. In the center of the end face 30 of the sealing insert 27 is arranged in the rod-shaped temperature sensor 8 perpendicular to the front side 30th The tube 31 surrounds the temperature sensor 8 and is attached with its tube end 32 to the front side 30 . To seal the grooves 34 and 35 , an outer tube 37 is applied to the tube 31 , the inner diameter of which approximately corresponds to the outer diameter of the tube s 31. 37 recesses are made in the wall of the outer tube, which coincide with the recesses 36 of the inner tube 31 . The joints between the tube 31 and the outer tube 37 are sealed by soldering, welding or suitable sealants.
Mit dem in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbei spiel lassen sich im Vergleich zu dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer entspre chenden Zahl von Nuten 34 eine höhere Leistungsdichte erzielen. Außerdem weist es eine höhere mechanische Fes tigkeit auf. Darüberhinaus ist dieses Ausführungsbei spiel auch für eine Serienherstellung geeignet. Die Halbleiterdioden 23 sind auf einfache Weise in das im Spritzguß herstellbare Rohr 31 einbringbar und die Nuten 34 und 35 sind leicht mit dem Außenrohr 37 abdichtbar. Wie das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbei spiel benötigt dieses Ausführungsbeispiel eine verhält nismäßig kleine Öffnungen in der Wand des Warmwasser behälters 4.With the game shown in FIGS. 6 and 7 game can be compared to the embodiment shown in FIGS . 4 and 5 with a corre sponding number of grooves 34 achieve a higher power density. It also has a higher mechanical strength. In addition, this game is also suitable for series production. The semiconductor diodes 23 can be introduced in a simple manner into the tube 31 that can be produced by injection molding, and the grooves 34 and 35 can be easily sealed with the outer tube 37 . As the Ausführungsbei in FIGS. 4 and 5 illustrated game of this embodiment, the hot water requires a behaves ately small openings in the wall of the container 4.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, das ebenfalls auf einfache Weise herstellbar ist und bei dem der Heizkörper 6 in der Form einer rechteckigen Platte ausgebildet ist. Im platten förmig ausgebildeten Heizkörper 6 befindet sich - ein mäanderartig verlaufender Diodenkanal 38, in dem die in Reihe geschalteten gewöhnlichen Halbleiterdioden 23 angeordnet sind. An einer Schmalseite 39 sind zwei Befestigungsstreben 49 am Heizkörper 6 angebracht, an deren dem Heizkörper 6 abgewandten Ende sich die Enden 41 des Diodenkanals 38 befinden.In Fig. 8, another embodiment of the invention is shown, which is also easy to manufacture and in which the radiator 6 is designed in the form of a rectangular plate. In the plate-shaped heater 6 there is - a meandering diode channel 38 , in which the series-connected ordinary semiconductor diodes 23 are arranged. Two mounting stays 49 are attached to the radiator 6 at a narrow side 39, at whose end facing away from the radiator 6, the ends 41 are of the diode channel 38th
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch den entlang der Schnittlinie A-B geschnittenen, plattenförmigen Heiz körper 6. Im einfachsten Fall bilden zwei aufeinander gelegte Bleche 42 aus Metall den plattenförmigen Heiz körper 6. Dementsprechend erkennt man in Fig. 9 die beiden Bleche 42, in die der Diodenkanal 38 zur Aufnahme der Halbleiterdioden 23 eingeformt ist. Fig. 9 shows a cross section through the cut along the section line AB, plate-shaped heating body 6 . In the simplest case, two metal sheets 42 placed one on top of the other form the plate-shaped heating body 6 . Accordingly, the two sheets 42 can be seen in FIG. 9, into which the diode channel 38 for receiving the semiconductor diodes 23 is molded.
Fig. 10 stellt eine mit plattenförmigen Heizkörpern 6 bestückte Heizvorrichtung 5 dar. Wie bei den in Fig. 5 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen weist die hier gezeigte Anordnung ein zylindrisches Anschlußgehäuse 24 auf. Am Zylindermantel des Anschlußgehäuses 24 ist ein ringförmiger Dichtflansch 43 ausgebildet, mit dem die Heizeinrichtung 5 an der Wand des Warmwasserbehälters 4 anbringbar ist. Auf der im eingebauten Zustand dem Inneren des Warmwasserbehälters 4 zugewandten Dichtseite 26 des Anschlußgehäuses 24 sind die plattenförmigen Heizkörper 6 mit ihren Befestigungsstreben 40 recht winklig auf der Dichtseite 26 stehend befestigt. Die Be festigungsstreben 40 dienen neben dem Befestigen auch dazu die plattenförmigen Heizkörper 6 vom Anschlußge häuse 24 thermisch zu isolieren. Fig. 10 illustrates a fitted with plate-shaped radiators 6 heater 5. As with the in Figs. 5 and 7 illustrated embodiments has the arrangement shown here a cylindrical housing 24 connection. On the cylinder jacket of the connection housing 24 , an annular sealing flange 43 is formed, with which the heating device 5 can be attached to the wall of the hot water tank 4 . On the sealing side 26 of the connection housing 24 facing the interior of the hot water tank 4 in the installed state, the plate-shaped heating elements 6 are fastened at right angles to the sealing side 26 with their fastening struts 40 . Be fastening struts 40 serve in addition to attaching to the plate-shaped radiator 6 from the housing 24 thermally isolating.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf die Heizeinrichtung 5 von der Linie C-D in Fig. 10 aus. In der Mitte der Dichtfläche 26 erkennt man den auf der Dichtfläche 26 senkrecht stehenden, stabförmigen Temperaturfühler 8. Um den Temperaturfühler 8 herum sind die plattenförmigen Heizkörper 6 tangential zum Temperaturfühler 8 und vom Temperaturfühler 8 wegweisend angeordnet. FIG. 11 shows a plan view of the heating device 5 from the line CD in FIG. 10. In the middle of the sealing surface 26 one can see the rod-shaped temperature sensor 8 standing vertically on the sealing surface 26 . Around the temperature sensor 8 , the plate-shaped radiators 6 are arranged tangentially to the temperature sensor 8 and pointing away from the temperature sensor 8 .
Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine große Leistung erforderlich ist. In dem plattenförmigen Heizkörper 6 findet eine große Anzahl von Halbleiterdioden 23 Platz. Bei einer Länge des plattenförmigen Heizkörpers 6 von 350 Milli metern und einer Breite von 100 Millimetern passen je weils 80 Dioden vom Typ 1N5400 in den Heizkörper 6. Ord net man sechs der plattenförmigen Heizkörper 6 auf der Dichtseite 26 an, ergibt sich insgesamt eine Heizlei stung von 1,2 Kilowatt. Allerdings benötigt eine derar tige Heizeinrichtung 5 eine verhältnismäßig große Öff nung von 180 Millimetern in der Wand des Warmwasser behälters 4.This embodiment is particularly suitable for applications where high performance is required. A large number of semiconductor diodes 23 can be accommodated in the plate-shaped heating element 6 . With a length of the plate-shaped radiator 6 of 350 millimeters and a width of 100 millimeters, 80 diodes of the 1N5400 type each fit into the radiator 6 . Ord net six of the plate-shaped radiators 6 on the sealing side 26 , there is a Heizlei stung of 1.2 kilowatts. However, such a heating device 5 requires a relatively large opening of 180 millimeters in the wall of the hot water tank 4 .
Mit den in den Fig. 4 bis 11 dargestellten Heizeinrich tungen 5 lassen sich Heizleistungen im Bereich von Kilowatt erzielen. Allerdings ist dazu bei jedem dieser Ausführungsbeispiele ein Volumen im Bereich von Kubik dezimetern erforderlich, bedingt durch die Größe der Halbleiterdioden 23. Eine größere Leistungsdichte läßt sich aber durch abgewandelte Dioden erreichen. With the Heizeinrich lines 5 shown in FIGS . 4 to 11, heating outputs in the range of kilowatts can be achieved. However, for each of these exemplary embodiments, a volume in the range of cubic decimeters is required, due to the size of the semiconductor diodes 23 . A higher power density can be achieved by using modified diodes.
Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch die gewöhnliche Halbleiterdiode 23. Ein plattenförmiger Diodenchip 44 ist über Metallkontakte 45 und einen Nagelkopfanschluß 46 beidseitig mit Anschlußdrähten 47 elektrisch verbun den. Sowohl der Diodenchip 44 als auch die beiden Me tallkontakte 45 und der Nagelkopfanschluß 46 sind dabei von einer zylinderförmigen Plastikverkapselung 48 um schlossen. Fig. 12 shows a cross section through the ordinary semiconductor diode 23. A plate-shaped diode chip 44 is electrically connected via metal contacts 45 and a nail head connection 46 on both sides with connecting wires 47 . Both the diode chip 44 and the two Me tallkontakte 45 and the nail head connection 46 are closed by a cylindrical plastic encapsulation 48 to.
Fig. 13 stellt im Vergleich dazu ein abgewandeltes Aus führungsbeispiel einer Diode 50 gemäß der Erfindung dar. Zwei plattenförmige in einer Ebene liegende Diodenchips 44 sind über zwei Metallkontaktverbindungen 50 an einer metallischen Brücke 51 angebracht, die die beiden Dio denchips 44 verbindet. Auf den den Metallkontaktverbin dungen 50 entgegengesetzten Seiten der Diodenchips 44 sind die Diodenchips 44 über Metallkontaktverbindungen 52 mit jeweils zwei Anschlußfahnen 53 verbunden. Bis auf die Anschlußfahnen 53 sind sämtliche Bestandteile der Diode 50 von einer Plastikverkapselung 54 umschlossen. Fig. 13 shows in comparison to a modified example from a diode 50 according to the invention. Two plate-shaped in-plane diode chips 44 are attached via two metal contact connections 50 to a metal bridge 51 which connects the two diode chips 44 . On the metal contact connections 50 opposite sides of the diode chips 44 , the diode chips 44 are connected via metal contact connections 52 , each with two terminal lugs 53 . Except for the connecting lugs 53 , all components of the diode 50 are enclosed in a plastic encapsulation 54 .
Dadurch daß zwei Diodenchips 44 nahe beieinander liegend in einer Plastikverkapselung 54 angeordnet sind, ergibt sich eine hohe Leistungsdichte. Außerdem ergibt sich ein verbesserter Wärmeübertrag, da die Plastikverkapselung 54 im Vergleich zur Plastikverkapselung 48 der Halb leiterdiode 23 aus Fig. 15 verhältnismäßig dünn gehalten ist. Dadurch ist die Gefahr der Überhitzung des Dioden chips 44 vermindert. Dazu trägt auch die Anordnung der plattenförmigen Diodenchips 44 parallel zur Längsachse der Diode 50 bei, da dadurch das Volumen der Plastikver kapselung 48 auf das geringste notwendige Maß herabsetz bar ist. Die Bündelung von mehreren Diodenchips 44 auf engem Raum zur Verminderung des Platzbedarfs läßt sich noch weiter fortführen. The fact that two diode chips 44 are arranged close together in a plastic encapsulation 54 results in a high power density. In addition, there is an improved heat transfer, since the plastic encapsulation 54 is kept relatively thin compared to the plastic encapsulation 48 of the semiconductor diode 23 from FIG. 15. This reduces the risk of the diode chips 44 overheating. The arrangement of the plate-shaped diode chips 44 parallel to the longitudinal axis of the diode 50 also contributes to this, since as a result the volume of the plastic encapsulation 48 can be reduced to the minimum necessary amount. The bundling of several diode chips 44 in a small space to reduce the space requirement can be continued.
Fig. 14 zeigt einen Querschnitt durch eine Diodenanord nung mit besonders hoher Leistungsdichte. Bei dieser Anordnung ist eine Vielzahl von Diodenchips 44 mit einem bestimmten Abstand in einer Ebene angeordnet. Metall kontaktverbindungen 55 und metallische Brücken 56 ver binden die Diodenchips 44 so untereinander, daß die Diodenchips 44 jeweils in die gleiche Richtung gepolt und in Reihe geschaltet sind. Eine Kunststoffmatrix 57, der zur Erhöhung der Wärmeleitung Diamantpulver zuge setzt ist, umschließt die Diodenchips 44 und ihre elek trischen Verbindungen. Die Kunststoffmatrix 57 ist ihrerseits von einem Metallmantel 58 umgeben. Zwischen dem Metallmantel 58 und der Kunststoffmatrix 57 befindet sich ein Zwischenraum 59, um die Kunststoffmatrix 57 vom Metallmantel 58 mechanisch zu entkoppeln. Dies ist not wendig wegen des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoef fizienten des für die Kunststoffmatrix 57 verwendeten Kunststoffs und des für den Metallmantel 58 verwendeten Metalls. Der Zwischenraum 59 ist mit Wärmeleitpaste gefüllt, um den Wärmeübertrag zu gewährleisten. Fig. 14 shows a cross section through a Diodenanord voltage with a particularly high power density. In this arrangement, a large number of diode chips 44 are arranged at a certain distance in one plane. Metal contact connections 55 and metallic bridges 56 connect the diode chips 44 to one another so that the diode chips 44 are poled in the same direction and connected in series. A plastic matrix 57 , which is added to increase the heat conduction diamond powder, encloses the diode chips 44 and their elec trical connections. The plastic matrix 57 is in turn surrounded by a metal jacket 58 . There is an intermediate space 59 between the metal jacket 58 and the plastic matrix 57 in order to mechanically decouple the plastic matrix 57 from the metal jacket 58 . This is not necessary because of the different coefficient of thermal expansion of the plastic used for the plastic matrix 57 and the metal used for the metal jacket 58 . The space 59 is filled with thermal paste to ensure the heat transfer.
Anstelle von Halbleiterdioden 23 sind auch Transistoren oder andere Halbleiterbauelemente als Heizelemente ein setzbar.Instead of semiconductor diodes 23 , transistors or other semiconductor components can also be used as heating elements.
Fig. 15 zeigt ein Schaltbild einer Kette von bipolaren npn-Transistoren 60 für einen Heizkörper 6 gemäß der Erfindung. Dabei ist die Basis 61 eines jeden Transis tors 60 über einen Widerstand 62 an seinem Kollektor 63 angeschlossen, so daß sich ein Zweipol ergibt. Die so erhaltenen Zweipole sind in Reihe geschaltet, wobei der Emitter 64 eines ersten Transistors 60 mit dem Kollektor 63 eines zweiten Transistors 60 verbunden ist. Beide Enden der Transistorenkette sind an die vom Solarstrom modul 1 kommenden, elektrischen Leitungen 3 angeschlos sen. Dabei ist das vom Kollektor 63 des ersten Transis tors 60 in der Kette gebildete Ende der Kette mit positiver Versorgungsspannung beaufschlagt und das vom Emitter 64 des letzten Transistors 60 in der Kette gebildete Ende der Kette ist mit negativer Versorgungs spannung beaufschlagt. Fig. 15 is a diagram showing a chain of npn bipolar transistors 60 for a heater 6 according to the invention. The base 61 of each transistor 60 is connected via a resistor 62 to its collector 63 , so that there is a two-pole connection. The two-terminal poles thus obtained are connected in series, the emitter 64 of a first transistor 60 being connected to the collector 63 of a second transistor 60 . Both ends of the transistor chain are connected to the electrical lines 3 coming from the solar power module 1 . The end of the chain formed by the collector 63 of the first transistor 60 in the chain is supplied with a positive supply voltage and the end of the chain formed by the emitter 64 of the last transistor 60 in the chain is supplied with a negative supply voltage.
In der in Fig. 15 gezeigten Schaltung wirken die zu einer Kette verbundenen Transistoren 60 wie die Halb leiterdioden 23. Liegt an den Enden der Kette eine Spannung an, fällt zwischen Kollektor 63 und Emitter 64 an jedem Transistor 60 in etwa die gleiche Spannung ab. Über den Widerstand 62, der der Strombegrenzung dient, liegt diese Spannung, um dem Spannungsabfall am Wider stand 62 vermindert, auch an der Basis 61 an. Übersteigt die an der Basis 61 anliegende Spannung die Durchlaß spannung des pn-Übergangs zwischen Basis 61 und Emitter 64 öffnet der Transistor 60. Dabei verhält sich der Transistor 60 wie die in Vorwärtsrichtung gepolte Halb leiterdiode 23.In the circuit shown in FIG. 15, the transistors 60 connected to a chain act like the semiconductor diodes 23 . If a voltage is present at the ends of the chain, approximately the same voltage drops between the collector 63 and the emitter 64 at each transistor 60 . About the resistor 62 , which serves to limit the current, this voltage is reduced to the voltage drop at the opposing stand 62 , also at the base 61 . If the voltage applied to the base 61 exceeds the forward voltage of the pn junction between the base 61 and the emitter 64 , the transistor 60 opens. The transistor 60 behaves like the semiconductor diode 23 which is polarized in the forward direction.
Wie bei der Verwendung der Halbleiterdioden 23 richtet sich die Anzahl der Transistoren 60 nach dem Abknick spannung Uk der Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe in Fig. 2. Die Anzahl der Transistoren 60 in der Kette ist dabei so gewählt, daß die Summe der Emitter-Basis-Durch laßspannungen in etwa der Abknickspannung Uk in Fig. 2 entspricht, und daß die Kennlinie der Transis torkette im Bereich großer Bestrahlungsstärken der Kennlinie 12 maximaler Leistungsabgabe folgt.As with the use of semiconductor diodes 23 , the number of transistors 60 depends on the kinking voltage U k of characteristic curve 12 of maximum power output in FIG. 2. The number of transistors 60 in the chain is chosen so that the sum of the emitter base -Lass voltages approximately corresponds to the kink voltage U k in Fig. 2, and that the characteristic of the transistor chain in the region of high irradiance follows the characteristic 12 maximum power output.
Es ist offensichtlich, daß eine analoge Schaltung mit
bipolaren pnp-Transistoren verwirklichbar ist. Dazu
werden die npn-Transistoren 60 in Fig. 15 durch
pnp-Transistoren ersetzt und die Polarität der Versorgungs
spannung an den Enden der Kette umgekehrt
Daneben kommen auch Feldeffekttransistoren in Frage.
Insbesondere selbstsperrende Metall-Oxid-Feldeffekttran
sistoren (MOSFETs) erlauben wegen der großen Schwellen
spannung die Zahl der erforderlichen Halbleiterbauele
mente zu begrenzen. Damit läßt sich eine steilere ge
meinsame Kennlinie als mit den gewöhnlichen Halbleiter
dioden 23 erzielen. Darüberhinaus ist die Schwellenspan
nung über die am Substrat der Metall-Oxid-Feldeffekt
transistoren angelegte Spannung einstellbar. Mit Hilfe
einer Regelung, die die Temperatur der Solarzellen 2
mißt und die die Substratspannung regelt, läßt sich
damit der Temperaturgang der Kennlinie maximaler Lei
stungsabgabe 12 und 16 kompensieren.It is obvious that an analog circuit can be implemented with bipolar pnp transistors. For this purpose, the npn transistors 60 in Fig. 15 are replaced by pnp transistors and the polarity of the supply voltage at the ends of the chain reversed
In addition, field effect transistors can also be used. In particular self-locking metal-oxide field-effect transistors (MOSFETs) allow the number of required semiconductor components to be limited because of the large threshold voltage. This enables a steeper common characteristic curve to be achieved than with the usual semiconductor diodes 23 . In addition, the threshold voltage is adjustable via the voltage applied to the substrate of the metal oxide field effect transistors. With the help of a control system that measures the temperature of the solar cells 2 and that regulates the substrate voltage, the temperature response of the characteristic curve of maximum power output 12 and 16 can thus be compensated.
Um die Feldeffekttransistoren gleichmäßig zu belasten schaltet man die Feldeffekttransistoren wie die bipola ren Transistoren 60 in Reihe. Eine Kette aus Feldef fekttransistoren hat demnach den gleichen Aufbau wie die in Fig. 15 gezeigte Kette von bipolaren Transistoren 60. Allerdings sind die Widerstände 62 wegen der Isolierung der Gates entbehrlich.In order to evenly load the field effect transistors, the field effect transistors are connected in series like the bipolar transistors 60 . A chain of field effect transistors therefore has the same structure as the chain of bipolar transistors 60 shown in FIG. 15. However, resistors 62 are unnecessary because of the isolation of the gates.
Abschließend sei angemerkt, daß sich eine derartige Heizanlage nicht nur zum Beheizen von Wasser eignet, sondern auch zum Erwärmen von Küchengeräten wie Herd platten oder Öfen verwendet werden kann.In conclusion, it should be noted that such Heating system is not only suitable for heating water, but also for heating kitchen appliances such as stoves plates or ovens can be used.
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