DE3617439A1 - Verfahren und anordnung zum abtauen eines solarzellenpaneels an einem kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 oder 2 sowie eine Anord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 zur Durchführung des Verfahrens.

Das zugehörige Hauptpatent Nr. 35 40 353 befaßt sich mit einer möglichst effektiven Nutzung von Solarenergie für Kraftfahrzeuge durch wahlweise Versorgung des Lüf­ ters oder der Bordbatterie(n) mit photovoltaisch er­ zeugtem Gleichstrom, wobei das von den Solarzellen ge­ bildete Paneel in zwei leistungsgleiche Felder aufge­ teilt ist, welche elektrisch parallel oder in Reihe ge­ schaltet werden können. Dabei wird stillschweigend da­ von ausgegangen, daß die auf den Solarzellen angeord­ nete, im allgemeinen aus Glas bestehende Abdeckung sau­ ber, trocken und somit weitgehend lichtdurchlässig ist. Gerade das ist aber praktisch häufig nicht der Fall. Daran ist zum einen die Anreicherung der Luft mit Staub, Ruß oder sonstigem Schmutz schuld, zum anderen führt die natürliche Luftfeuchtigkeit dazu, daß Fahr­ zeugkarosserien einschließlich ihrer Glasflächen bei entsprechenden Temperaturen mit Tau, Reif, Schnee oder Eis überzogen sind. Das Entfernen der auf die Luft­ feuchtigkeit zurückzuführenden, lichtabsorbierenden bzw. lichtreflektierenden Schichten erfolgt üblicher­ weise auf thermischem, chemischem oder mechanischem Wege, z.B. durch warme Luft, durch warmes Wasser, mit flüssigen Enteisungsmitteln, mit Tüchern, Schwämmen, Schabern usw. Bei Kraftfahrzeugheckscheiben ist es all­ gemein üblich, durch metallische Leiterbahnen Gleich­ strom zu schicken und auf diese Weise die Glasscheibe zu erwärmen. Solarzellen für Kraftfahrzeuge sind auf­ grund ihres Flächenbedarfes und ihrer Ausrichtung auf die Sonne in der Regel auf dem Dach oder dem Koffer­ raumdeckel angeordnet und für manuelle Verfahren nur schwer zugänglich. Bei mechanischen Abtau- oder Entei­ sungsmethoden besteht die Gefahr, daß die gläserne Schutzschicht getrübt wird und damit die elektrische Leistung des Solarzellenpaneels sinkt. Die Verfahren, welche sich fahrzeugeigener oder fahrzeugfremder, ther­ misch oder chemisch wirkender Fluide bedienen oder das elektrische Erwärmen metallischer Heizdrähte vorsehen, sind aufwendig, energie- bzw. kostenintensiv und somit wenig praktikabel.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein einfaches, wirkungsvolles, kostengünstiges und bequemes Verfahren zum Abtauen bzw. Enteisen eines kraftfahrzeugeigenen Solarzellenpaneels anzugeben sowie eine dafür geeignete Anordnung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird alternativ entweder durch die im Hauptanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale oder durch die im Nebenanspruch 2 sowie im Nebenanspruch 7 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Das Verfahren nach Anspruch 1 bedient sich des Effek­ tes, daß sich Solarzellen unter Stromaufnahme erwärmen, wenn an sie bei unveränderter Polung eine höhere Gleichspannung angelegt wird, als die momentan erzeugte Solarspannung. Dadurch wird in den Solarzellen ein dem Solarstrom entgegengesetzter Rückstrom hervorgerufen.

Das alternative Verfahren nach Anspruch 2 benutzt eine elektrisch leitende, lichtdurchlässige Metalloxid­ schicht, welche auf die Außenseite der transparenten Abdeckung der Solarzellen aufgebracht ist und sich bei Stromdurchgang erwärmt. Der innere Widerstand dieser Schicht ist proportional zur Länge des Stromweges in der Schicht und umgekehrt proportional zur Schichtbrei­ te quer zur Stromrichtung. Durch geeignete Wahl der geometrischen Verhältnisse und durch günstige Anordnung der Elektroden läßt sich der elektrische Widerstand der Schicht so niedrig halten, daß mit der Batteriespannung ein ausreichend hoher Heizstrom erzeugt werden kann.

Die Unteransprüche 3, 4, 5, 6 und 8 enthalten bevorzug­ te Ausgestaltungen der Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bzw. der Anordnung nach Anspruch 7.

In gewissen Fällen, beispielsweise bei Direktaufheizung der Solarzellen mit in Reihe geschalteten Solarzellen­ feldern oder beim Aufheizen einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden Schicht mit relativ großem Innen­ widerstand, kann es vorkommen, daß die Batteriespannung zur Erzeugung eines ausreichend großen Abtaustromes nicht mehr ausreicht. Dann kann man sich dadurch behel­ fen, daß die Batteriespannung elektronisch zerhackt und in höhere Spannungsimpulse transformiert wird. Durch Gleichrichtung der dabei auftretenden Wechselstromim­ pulse lassen sich ausreichend hoch transformierte Gleichspannungsimpulse für den Abtaustrom erzeugen. Dieser Vorgang findet in einem sogenannten Sperrfluß­ wandler statt, welcher elektrisch zwischen Batterie(n) und Paneel geschaltet wird. Diesen Fällen tragen die Unteransprüche 4 und 5 Rechnung.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 soll sicherstellen, daß der Abtauvorgang die Batterie(n) nicht zu sehr schwächt und nur gezielt, in Anwesenheit des Fahrers stattfindet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Solarzellenpaneel im Bereich einer undurchsichtigen Karosserie­ fläche,

Fig. 2 einen vergleichbaren Teilschnitt im Bereich einer transparenten Karosseriefläche,

Fig. 3 die für das Abtauen vorgesehene, elektrische Schaltung mit Sperrflußwandler.

Fig. 1 zeigt den häufiger zu erwartenden Fall, bei welchem das Solarzellenpaneel 1 auf einer lichtundurch­ lässigen Fläche 5 der Karosserie angeordnet ist, bei­ spielsweise auf dem Blech des Daches oder des Koffer­ raumdeckels. Im gezeigten Fall ist das Solarzellenpa­ neel 1 über der Blechhaut dreischichtig aufgebaut und zwar aus den eigentlichen Solarzellen 2, vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, aus einer die Solarzel­ len 2 schützenden Abdeckung 3 aus mechanisch und che­ misch sehr widerstandsfähigem, chemisch gehärtetem Dünnglas sowie aus einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht 4 aus Indium-Zinn-Oxid, im folgen­ den ITO-Schicht 4 genannt. Die Solarzellen 2 sind mit der lichtundurchlässigen Fläche 5 sowie mit der Ab­ deckung 3 unlösbar verklebt. Der Einfachheit halber sind diese Klebeschichten nicht dargestellt. Aus Grün­ den der Ästhetik und der Aerodynamik ist es sinnvoll, das Karosserieblech im Bereich des Solarzellenpaneels 1 mit einer entsprechenden Vertiefung zu versehen, so daß die Abdeckung 3 bündig mit der gewünschten Außenkontur verläuft. Für den Fall, daß das Abtauen bzw. Enteisen durch direktes Erwärmen der Solarzellen 2 erfolgen soll, kann die ITO-Schicht 4 weggelassen werden.

Fig. 2 zeigt den Fall, daß die Solarzellen 2 auf die Unter- bzw. Innenseite einer transparenten Fläche 6 der Karosserie geklebt sind, beispielsweise auf ein Schie­ bedach aus Plexiglas. Dabei bildet die transparente Fläche 6 die Schutzschicht für die Solarzellen 2, wo­ durch sich - abgesehen von der nicht dargestellten Kle­ berschicht - ein zweischichtiger Aufbau ergibt.

Fig. 3 schließlich zeigt in stark vereinfachter Form die für das Abtauen bzw. Enteisen vorgesehene, elektri­ sche Schaltung und zwar unter Verwendung des Sperr­ flußwandlers 9. Ganz links im Bild ist die Batterie 7 des Kraftfahrzeuges dargestellt, welche mittels des Schalters 8 mit dem Stromkreis verbunden werden kann. Dieser Schalter 8 ist Bestandteil der Schalt- und Re­ geleinrichtung, welche den Solarstrom nach Bedarf dem Lüfter für die Fahrgastzelle oder der bzw. den Batte­ rien zum Laden zuführt. Nicht dargestellt ist, daß der Schalter 8 vorzugsweise mit einer Zeitautomatik gekop­ pelt ist, welche den Abtaustrom nach einer vorgegebenen Zeitspanne wieder ausschaltet, um ein ungewolltes Ent­ laden der Batterie 7 zu vermeiden. Ganz rechts in Fig. 3 symbolisiert ein ohmscher Widerstand das Solarzellen­ paneel 1 oder die elektrisch leitfähige ITO-Schicht 4.

Der gesamte mittlere Bildbereich innerhalb der vier un­ terbrochen gezeichneten Leitungsabschnitte dient der Darstellung des Sperrflußwandlers 9, welcher auch als Sperrschwinger bezeichnet werden kann. Der Sperrfluß­ wandler besteht im wesentlichen aus einem Primärkreis 10 und einem Sekundärkreis 11, welche über einen Trans­ formator 14 induktiv gekoppelt sind. Mittels eines Transistors 12 und eines Kondensators 13 wird die Gleichspannung der Batterie 7 in Spannungsimpulse zer­ hackt, wobei die im Kollektor-Emitter-Stromkreis des Transistors 12 auftretenden Spannungsimpulse entspre­ chend dem Windungszahlverhältnis der Sekundärwicklung 16 und der Primärwicklung 15 vom Primärkreis 10 in den Sekundärkreis 11 hochtransformiert werden. Die beiden Kreise 10 und 11 beeinflussen sich aber auch über die Rückkopplungswicklung 17 und die Sekundärwicklung 16, so daß auch die beim Entladen des Kondensators 13 im Basis-Emitter-Stromkreis des Transistors 12 auftreten­ den, negativen Spannungsimpulse induktiv in den Sekun­ därkreis 11 übertragen werden. Auf diese Weise treten im Sekundärkreis 11 Wechselspannungsimpulse auf, welche Wechselstromimpulse erzeugen würden, falls nicht zur Gleichrichtung eine Diode 18 vorgesehen wäre. Die Sperrichtung der Diode 18 ist so gewählt, daß jeweils die in der Durchlaßphase des Transistors 12 von den Kollektorstromimpulsen erzeugten Gleichstromimpulse durchgelassen werden, daß die bei gesperrtem Transistor 12 vom Kondensator 13 erzeugten Stromimpulse entgegen­ gesetzter Polarität jedoch gesperrt werden. Es wird al­ so nur die Durchlaßphase des Transistors 12 genutzt, weshalb man diese Betriebsart des Sperrflußwandlers 9 auch als Durchlaßbetrieb bezeichnet. Die auf diese Weise durch das Solarzellenpaneel 1 bzw. durch die ITO-Schicht 4 geleiteten Gleichstromimpulse besitzen etwa rechteckige Form, eine gegenüber der Batterie 7 höhere Spannung und eine so hohe Frequenz, daß sie hin­ sichtlich der gewünschten Erwärmung des Verbrauchers (Solarzellenpaneel 1, ITO-Schicht 4) wie ein konstanter Gleichstrom wirken. Die nicht näher bezeichneten Wider­ stände in Primär- 10 und Sekundärkreis 11 dienen der Abstimmung des Sperrflußwandlers 9 und dessen Schutz vor Überlastung.

Um falsche Vorstellungen zu vermeiden, sei darauf hin­ gewiesen, daß die durch den Abtaustrom hervorgerufene Erwärmung des Solarzellenpaneels 1 bzw. der ITO-Schicht 4 aus energetischen Gründen nicht so groß sein kann, daß dicke Schnee- oder Eisschichten sofort schmelzen.

Die Erwärmung bewirkt aber, daß die Haftwirkung an der Abdeckung 3 bzw. an der Fläche 6 durch das Entstehen eines Schmelzwasserfilmes so stark reduziert wird, daß der Fahrer Schnee oder Eis auf mechanischem Wege, bei­ spielsweise mittels eines Besens, mühelos entfernen kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur Nutzung solarer Energie für Kraft­ fahrzeuge, insbesondere für Personenkraftwagen, wobei auf, in, oder unter der Oberfläche der Karosserie bzw. des Aufbaues angeordnete Solarzellen unter Lichteinwir­ kung einen elektrischen Gleichstrom erzeugen, mit wel­ chem wahlweise ein Lüfter zur Frischluftversorgung der Fahrgastzelle bzw. des Laderaumes angetrieben wird, oder die Batterie bzw. die Batterien des Kraftfahrzeu­ ges aufgeladen werden, wobei die Solarzellen ein Solar­ zellenpaneel bilden, welches aus zwei aneinandergren­ zenden Solarzellenfeldern gleicher photovoltaischer Leistung besteht, welche elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden können, und wobei jedes der Solarzellenfelder bei mittlerer Sonneneinstrahlung eine Gleichspannung erzeugt, welche etwa halb so groß ist wie die von der bzw. den Batterien gelieferte Spannung, nach Patent Nr. 35 40 353, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Solarzellen (2) zum Abtauen bzw. Enteisen während einer vorgegebenen Zeitspanne un­ ter Erwärmung aus der bzw. den Batterien (7) elektri­ sche Energie aufnehmen, wobei die an den Solarzellen­ feldern anliegende Spannung größer ist als die von ihnen erzeugbare Solarspannung im Arbeitspunkt und einen dem Solarstrom entgegengesetzten Rückstrom her­ vorruft.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (4), welche auf die Oberfläche einer die lichtaufneh­ mende Seite der Solarzellen (2) schützenden, elektrisch isolierenden Abdeckung (3) bzw. Fläche (6) aufgebracht ist, zum Abtauen bzw. Enteisen des Solarzellenpaneels (1) während einer vorgegebenen Zeitspanne unter Erwär­ mung elektrische Energie aus der bzw. den Batterien (7) aufnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Solarzellenfelder des Solarzellenpaneels (1) zum Abtauen bzw. Enteisen elektrisch parallel geschaltet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Solarzellenfelder des Solarzellenpaneels (1) beim Abtauen bzw. Enteisen elektrisch in Reihe geschaltet sind, und daß das Solar­ zellenpaneel (1) über einen Sperrflußwandler (9) elek­ trische Energie aus der bzw. den Batterien (7) aufnimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (4) über einen Sperrfluß­ wandler (9) elektrische Energie aus der bzw. den Batterien (7) aufnimmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ nahme elektrischer Energie aus der bzw. den Batterien (7) für das Abtauen bzw. Enteisen des Solarzellenpa­ neels (1) nur bei entriegeltem Zündschloß und/oder bei eingeschaltetem Batteriehauptschalter (LKW) möglich ist, daß der dafür erforderliche Betätigungsvorgang von den übrigen Schaltvorgängen im Fahrzeug getrennt ist und eine Zeitautomatik in Gang setzt, welche nach einer vorgegebenen Zeitspanne den Abtaustrom wieder unter­ bricht.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 5, mit einem am oder im Kraftfahrzeug angeordneten Solarzellenpaneel, wobei die Solarzellen entweder mit der Außenseite lichtundurchlässiger Flä­ chen der Karosserie bzw. des Aufbaues oder mit der In­ nenseite trartenter Flächen unlösbar verklebt sind und im Falle der Anordnung auf der Außenseite mit einer biegsamen, weitgehend kratz- und bruchfesten, transpa­ renten Abdeckung, vorzugsweise aus chemisch gehärtetem Dünnglas, überzogen sind, mit mindestens einer wieder­ aufladbaren Batterie, welche die Bordbatterie des Kraftfahrzeuges ist, sowie mit einer Schalt und Regel­ einrichtung für die elektrische Verbindung des Solar­ zellenpaneels mit der bzw. den Batterien, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Fläche (6) der Karosserie bzw. des Aufbaues, an deren Innenseite Solarzellen (2) angeordnet sind, bzw. die Abdeckung (3) des Solarzellenpaneels (1) oberflächen­ seitig mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leiten­ den Schicht (4) aus Indium-Zinn-Oxid, einer sog. ITO-Schicht (indium-tin-oxide), überzogen ist, und daß diese Schicht (4) über die Schalt- und Regeleinrichtung mit der bzw. den Batterien (7) elektrisch verbunden werden kann.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schicht (4) aus Indium-Zinn-Oxid einen flächenbezogenen Widerstand R von 15-50 Ω/cm² aufweist.