DE1960377C - Solarzellenanordnung - Google Patents

Description

Dio vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine SolarzollcubaUerio, in welcher eine belichtete Solar-ZuIIc mit einer verdunkelten Solarzelle parallel gosehnltct ist.

Für viele Anwendungen der Weltraumfahrt wird S Strom erzeugt durch eine pn-SoUirzellcnbattcrie. In jeder ßinzelzelle einer solchen Batterie besteht die dem Licht zugewandte Obcrllüclio aus N-dotierter Substanz und ist versehen mit einem Leitergiltcr und einem elektrischen Ausschluß. Das P-dotierte Material to der Zelle beiiiidet sich auf der unbelichteten Rückseite. Einfallendes Licht erzeugt eine Spannung, derart, daß die belichtete Oberllüche negatives und die Rückseite positives Potential erhiilt. Wird zur Herstellung einer Solarzellenbatterie eine Anzahl solcher Zellen in Serie geschaltet, so ist die vordere Oberfläche einer jeden Zelle verbunden mit der rückseitigen Oberfläche der Nachbarzelle, und ein Strom wird erzeugt, der vom positiven zum negativen Pol fließt, d. h. von der rückseitigen Oberfläche der einen ao Zelle zur vorderen Oberfläche der Nachbarzelle. Wenn jedoch eine der Zellen wegen Nichtfunktionierens oder zeitweiliger Verdunkelung unwirksam wird, so ist der Stromlluß unterbrochen, denn eine unwirksame Zelle bildet einen in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang und verhindert deshalb den Slromlluß durch die übrigen in Serie geschalteten Zellen.

In einem früheren Vorschlag zur Lösung dieses Problems wurde eine umgekehrt gepolte Diode parallel zu jeder Solar/eile gelegt. Im Prinzip bildet die Diode einen in Durchlaßrichtung vorgespannten pnübergang und hebt deshalb ilen Effekt des in Sperrrichlung vorgespannten pn-Übergangs der unwirksamen Zelle auf. Jedoch ergaben sich wegen des zusätzlichen Schaltungsaiifwandes steigende Kosten und eine verminderte Zuverlässigkeit.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Probleme für die Benutzung der bekannten Anwendung einer Vielzahl von Solarzeüenbatterien für die Raumfahrt und für andere Zwecke, wobei die der Sonnenseile zugekehrten Batterien beleuchtet sind, während jene der anderen Seite im Schatten liegen. Gemäß der Hi limiting ist jede Zelle der verdunkelten bzw. im .ichatten liegenden Solarzellenbatterie parallel und mit umgekehrter Polarität verbunden mit einer entsprechenden Zelle einere Solarzellenbatterie auf der beleuchteten Seite des Raumschiffes. Jede unbelichtcte Solar/eile wirkt damit als ein äquivalenter in Durchlaßrichtung vorgespannter pn-übergang parallel zn jeder der beleuchteten Zellen. Wenn eine Zelle der belichteten Batterie unwirksam wird, so verursacht dieser äquivalente in Durchlaßrichtung vorgespannte pn-übergang der entsprechenden Zelle von der nichtbeleuchtcn Seite einen Überbrückungsstromweg parallel zur Zelle, welcher es der Solarzellenbatterie mit der unwirksamen Zelle trotzdem ermöglicht, Strom zu liefern. Wenn sich das Raumsdiilf um 180" dreht, so werden die beleuchteten /eilen verdunkelt und dienen nun als Überbriickungsdioden für die jetzt beleuchteten Zellen, welche sich zuvor auf der im Dunkeln liegenden Seite des Raumschiffes befanden. Derart erlaubt die Erfindung auf besondere Dioden für jede einzelne Solarzelle zu verzichten.

I·'i;;. I zeigt zwei mit einer Vielzahl von Solarzrlli-nballcricn bestückte Anschlußtafeln, wobei die liinzelzcllen einer jeden Batterie der einen Anschlußtafel parallel verbunden sind mit entsprechenden Einzelzellcn der SolnwellenbiUterie auf der anderen AnsehliißtaM;

Fig. 2 zeigt einen Solarausleger, bestehend aus einer Anzahl Tafeln, bestückt mit Solarzellen auf den nach außen gerichteten seillichen Oberflächen, zum Teil aufgebrochen, um die Verbindungen zwischen den Solarzellen verschiedener Tafeln zu zeigen;

F i g. 3 zeigt als weiteres Ausflihrungsbeispiel ein Raumschiff mit entfernter Außenhlllle;

Fig. 4 zeigt eine Anzahl in Serie geschalteter Solarzellen, die eine Solarzellenbatterie bilden;

F i g. 5 zeigt die gleiche Schaltung wie F i g. 4, aber mit einer unwirksamen Zelle;

Fig. 6 zeigt die Solarzellenbatterie gemäß Fig. S, wobei deren Einzclzellen gemäß der vorliegenden Erfindung parallel verbunden sind mit einer zweiten iihnlichen Batterie.

Eine Anzahl Solarzellen VJ, 21, 23 und 25, die in Serie geschaltet eine Solarzellenbatterie 10 bilden, sind in F i g. 4 dargestellt. Die dem Licht zugewandte Oberfläche^ einer jeden Zelle trägt N-dotiertes Material und ist versehen mit einem elektrischen Kontakt J4, einem Leitergitter 16 und einem mit dem Kontakt 14 verbundenen positiven Anschluß. Zum Beispiel ist der für die Zelle 59 vorgesehene positive Anschluß 18 an dem Kontakt 14 angebracht.

Die Unterseite einer jeden Zelle (nicht gezeigt) besteht aus P-dotiertem Material und weist einen negativen Anschluß auf. Zum Beispiel gehört zu Zelle 19 ein negativer Anschluß 20, der bei Punkt 21« an ihrer Unterfläche angebracht ist. Dere Anschluß 20 stellt also die Verbindung her zwischen der Zelle 19 und der mit ihr in Serie geschalteten unmittelbar danebenliegenden Zelle 21. Auf ähnliche Weise sind die übrigen Zeilen mit den Anschlüssen 22 respektive 24 zur Serienschaltung benachbarter Zellen versehen. An Zelle 25 ist der negative Anschluß 26 angebracht. Die Verbindung der Zellen untereinander in Serienschaltung ergibt eine Solarzellenbatterie, die bei Belichtung eine dauernde Spannung erzeugt und einen entsprechenden Strom vom positiven Anschluß 18 durch die Oberfläche zur Unterfläche einer jeden Zelle sowie durch die verbindenden Anschlüsse 20, 22 und 24 und beim Anschluß 26 aus der Batterie heraus bewirkt.

Die F i g. 5 zeigt die gleiche Schaltung wie in F i g. 4 mit der durch den Schatten 28 verdunkelten Zelle 21. Unter solchen Bedingungen ist es der Zelle 21 unmöglich Spannung zu erzeugen oder Strom zu leiten. Genauer ausgedrückt, zeigt die obere Oberfläche von Zelle 21 positives Potential, während die untere Oberfläche der Zelle negatives Potential besitzt.

Da die Zelle 21 einen pn-übergang besitzt, stellt ihre Ersatzschaltung eine Diode dar, die schematisch bei 30 angesteuert ist. Angesichts ihrer Lage zwischen den Anschlüssen 20 und 22 ist diese äquivalente Diode in Sperrichtung vorgespannt, verhindert deshalb den Stromfluß durch die Zelle und sperrt die ganze Batterie 10, weil die Zelle 21 ein Teilstück von dieser ist.

In der Schaltung nach Fir. 6 ist erfuulungsgemiiß jede einzelne Solarzelle der Batterie 10 parallel verbunden mit einer entsprechenden Zelle von einer ähnlich aufgebauten Batterie 32. Die Batterie 32 besitzt eine Anzahl in Serie geschalteter Zellen 34, 36, 38 und 40. Die Zelle 34 besitzt an ihrer Unterseite einen Anschluß 42. Die Anschlüsse 44, 46 und 48

vorbinden die Zollen 34, 36, 38 und 40 der Batterie 32 miteinander in Sürlensehallung. Die Zelle 40 ist versehen mit dom Anschluß SO. Die Zelle JD von der Batterie 10 ist mit umgekehrter Polarilllt zu der Zelle 34 der Batterie 32 parullel geschaltet durch die olektrischeu Leitungen 52 und 54. Auf iilmliehe Weise ist durch die Leitungen 56, 58 und 60 jede der Übrigen Zellen 2I₁ 23 und 25 von Batterie IO mit umgekehrter l'olaritiit zu ilen entsprechenden Zellen 36, 38 und 40 von Batterie 32 parallel geschaltet. Um die Wirkungsweise der gemäß oboiutehenden Angaben zusainmengcscluilleten Batterien zu erlUutern, wird die Batterie 32 als verdunkelt angenommen, wie es die Schraffierung 62 andeutet, während die Batterie IO belichtet sein soll, Demgemäß wird in der Batterie 10 eine stündigc Spannungserzeugung erfolgen mit einem entsprechenden StromlluH von oben nach unten, wie zuvor beschrieben. Die verdunkelte Batterie 32 erzeugt keinen Strom, denn sie ist nicht belichtet. Folglich wirkt jede ihrer Zellen als äquivalente Diode parallel zu einer entsprechenden belichteten Zelle der Batterie 10. Im Prinzip ist die Zelle 34 schematisch dargestellt durch das Ersatzbild der Diode 64, Zelle 36 ist dargestellt als Diode 66, Zelle 38 als Diode 68 und Zelle 40 als Diode 70. Ein Strom wird durch die Batterie 32 nicht Hießen, da jede Zelle der Batterie 10 eine Spannung solcher Polarität erzeugt, welche die parallelgeschaltete äquivalente Diode von Batterie 32 in Sperrichtung vorspannt.

Wenn die Zelle 21 z. B. auf irgendeine Weise nicht mehr arbeitet oder unwirksam wird, etwa wegen einer Beschattung 28, dann entspricht ihre Wirkung derjenigen einer Diode, die durch den Rest der Batterie in Sperrichtung vorgespannt ist. Diese äquivalente Diode 30 würde dabei normalerweise wie vorangellend beschrieben eine Unterbrechung der Solarzellenbalterie 10 verursachen. Jedoch wirkt nun gemäß der Erfindung die parallelgeschaltete Zelle 36 als in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 66, die eine Überbrückung oder einen Nebenschluß für den Stromfluß bildet, der durch die übrigen beleuchteten Zellen 19, 23 und 25 der Batterie 10 erzeugt wird. Den ein/igen Verlust bewirkt der Spannungsabfall von 0,6 Volt, den die Diode als Vorspannung in Durchlaßrichtung benötigt, sowie ein Verlust von 0,5 Volt bei der Ausgangsspannung der Zelle 21, was zusammen einen Spannungsabfall von 1,1 Volt ergibt. Der Strom aus den Zellen 19, 23 und 25 ist mehr als ausreichend, um die Diode 66 leitend zu machen.

Die F i g. 1 zeigt eine praktische Anwendung der Solarzellenbatlerie, deren Schaltung die F i g. 6 wiederiiibt. Die Anschlußtafel 72 trägt eine SolarzcllenbaUerie 10, deren Einzdzellen 19, 21, 23 und 25 durch Metallgitteranschlüsse 74, 76, 78 und 80 in Serie miteinander verbunden sind, entsprechend den Anschlüssen 18, 20, 22 und 24 in Fi μ. 6. Die Gitternnsihliisse werden nicht im einzelnen beschrieben, da ihre Bauart bekannt ist. Zur Aufnahme zusätzlicher Solarbatterien 82, 84 und »6 erstreckt sich jeder der Gittcranschlüsse seitlich und faßt jeweils eine Anzahl Solarzellen entsprechend ilen Zellen 19, 21, 23 und 25 der Batterie 10 zusammen. Die Batierien 10, 82, 84 und 86 sind durch diese Gitteranschlüsse parallel miteinander verbunden und erzeugen je einen Stromlluü vertikal nach unten in Fig. 1. Diese Solarbatterien ergeben eine Solarzellenanordnung mit einem gemeinsamen Anschluß 74 an der Sammelschiene 88, die auf der Anschlußtufel 72 angebracht Ist, In gleicher Weise ist auf einer zweiten Anschlußtal el 90. eine der Batterie 32 von Fi g. 6 entsprechende Solnrzellenbiitter'io montiert. Wiederum stimmen die Au-Schlüsse 42, 44, 46 und 48 überein mit ύαη McIaII-gitterimschlllsscn 92, 94, 96 und 98. Diese Anschlüsse erstrecken sich nach der Seite, um eine Anzahl weiterer Batterien 100, 102 und 104 parallel mit der Batterie 32 zu verbinden. Der gemeinsame Anschluß

ίο 92 der Batterien liegt an der Sammelschiene 106, welche auf der Anschlußtafel 90 montiert ist. Der Anschluß 74 ist mit einer Verbindungsklemme 108 versehen, die sich längs der ganzen Anschlußtafel erstreckt. Ähnlich liegt der Anschluß 76 an einer Ver-

bindungsklemme 110, der Anschluß 78 an einer Verbindungsklemmc 112 und Anschluß 80 an einer Verbindungsklemme 114. Die auf der Anschlußtafel 90 montierten Batterien sind mit ähnlichen Verbindungsklemmen 116, 118, 120 und 122 versehen. Um die

so Batterien, wie an Hand von Fig. 6 beschrieben, parallel miteinander zu verbinden, sind die Leitungen 124, 126, 128 und 130 zwischen gegenüberliegenden Verbindungsklemmen vorgesehen. Damit ist jede der in Serie geschalteten Zellen auf der Tafel 72 parallel

as verbunden mit einer entsprechenden Zelle auf der Tafel 90.

Die Anschlußtafeln 72 und 90 können einander gegenüberliegende Seitenwände eines Raumschiffes oder eines Solarauslegers bilden, wie die Fig. 2 in

einem Ausführungsbeispiel eines Solarauslegers 132 mit dem Deckel 134 zeigt. Sind die Tafeln nach Fig. 2 montiert und miteinander verbunden wie in Fig. I, so werden die Zellen auf der nichtbelichlcten Tafel 90 zu Nebenschlußdioden für die auf der belichteten Tafel 72 montierten Zellen. Rotiert der /Xusleger beim Durchlaufen eines Orbits um 180'', so ist ersichtlich, daß die Solarzellen auf den Tafeln 72 und 90 ihre Rollen vertauschen, denn die Zellen von Tafel 90 werden nun belichtet, und die Zellen auf Tafel 72 werden ver.'lunkelt.

Die Fig. 3 zeigt ein Raumschiff mit entferntet Außenseite als Ausführungsbeispiel einer anderen Anordnung der Verbindung von einander gegenüberliegenden Solarzellentafeln. Hier sind einander gegrn-

überliegende Tafeln 72 und 90 durch ein Kabel 140 miteinander verbunden, welches an beiden Tafeln an je einer Verbindungsdose befestigt ist. Das Kabel läuft auf der Rückseite der Tafeln 144, 146 und 148 herum und ist dort mittels der Briden 150 gehalten.

Das Kabel 140 kann alle Verbindungsleitungen 124, 126 usw. enthalten. Diese Anordnung hält das Innere des Raumschiffes frei zur Aufnahme der notwendigen Führungs-, Instrumentierimgs- und Überwachungseinrichtungen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   L Solarzellenanordnung mit mindestens zwei Batterien, von denen jede eine Anzahl in Serie geschalteter pn-Solarzellcn umfaßt und von denen eine der Batterien verdunkelt, während die andere belichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltniittel jede Solarzelle der einen Batterie parallel und mit umgekehrter Polarität mit einer Solarzelle der anderen Batterie verbinden, also dann, wenn eine Solarzelle der belichteten Batterie unwirksam wird, die ihr parallelgeschaltete Solarzelle der verdunkelten Batterie als eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode

   wirkt und einen leitenden Nebenschluß zur gesperrten Zelle bildet.
2. 2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Batterien, die auf Tafeln montiert sind, welche einander gegenüberliegende Seitenwände eines Solarauslegers oder eine Weltraumschiffes bilden.
3. 3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch Schaltmittel, die aus Anschlüssen zur Verbindung der einzelnen Solarzellen innerhalb einer Batterie in Serie miteinander bestehen und aus einer Vielzahl von Verbindungsleitungen zwischen den Anschlüssen zweier Batterien.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen