DE102018001181B3

DE102018001181B3 - Sonnenstandssensor

Info

Publication number: DE102018001181B3
Application number: DE102018001181.0A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Löckenhoff
Original assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Current assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: CN110160486B; CN110160486A

Abstract

Sonnenstandssensor zur Bestimmung eines Einfallswinkels von Sonnenlicht aufweisend einen optischen Körper und einen Halbleitersubstrat mit einer planen Unterseite und einer Oberseite und mit an der Oberseite des Halbleitersubstrats ausgebildeten mindestens drei Solarzellen und jeder der Solarzellen eine plane Empfangsfläche und einen ersten elektrischen Anschluss an der Empfangsfläche aufweist und der zweite elektrische Anschluss der Solarzellen gemeinsam an der Unterseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und der optische Körper einen konvex ausgebildeten transparenten Oberflächenbereich umfasst und mittels des optischen Körpers das durch den Oberflächenbereich einfallende direkte Sonnenlicht einen Brennfleck auf den planen Empfangsflächen der Solarzellen ausbildet und die planen Empfangsflächen der Solarzellen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und jede Empfangsfläche ganzflächig an den optischen Körper angrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnenstandssensor.
Aus „Design and Manufacturing of a High-Precision Sun Tracking System Based on Image Processing“ von Kianoosh Azizi and Ali Ghaffari, International Journal of Photoenergy, Volume 2013, ID 754549, ist eine Sonnennachführungsvorrichtung für eine Photovoltaikanlage bekannt, welche einer Anordnung von vier Fotowiderständen mit einer Kamera kombiniert, wobei in einem ersten Modus eine näherungsweise Ausrichtung der Photovoltaikanlage mittels der Fotowiderstände vorgenommen wird und anschließend eine Optimierung der Ausrichtung anhand von Kameradaten und Bildverarbeitungsmethoden durchgeführt wird.
Aus der US 8 592 738 B1 ist eine Detektoreinheit zur Ermittlung des Sonnenstands bekannt, welche an einem Ende eine konvexe Oberfläche und an einem gegenüberliegenden Ende einen Lichtdetektor aufweist.
Aus der US 8 785 858 B2 ist ein Sonnenstandssensor mit mehreren in einem als Linse fungierenden optischen Gehäusekörper integrierten Sensoren bekannt, wobei die Sensorflächen zu einer Fokusebene des als Linse fungierenden Gehäusekörpers angeordnet sind.
Ein weiterer Sonnenstandssensor mit Linse und darunter angeordneten Sensorelementen ist aus der JP 2002 - 296 107 A bekannt.
Aus der DE 691 21 853 T2 ist eine Detektoreinheit zur Bestimmung des Azimuts einer Lichtquelle bekannt, wobei das Licht durch eine Lichteintrittsöffnung und ein lichtbrechendes Medium auf ein Array von Photoelementen gelangt.
Aus der DE 10 2005 047 061 A1 ist ein Strahlungsdetektor mit einer an einem unteren Rand von einem opaken Gehäuse umschlossenen Linse und in der Brennebene angeordnetem Strahlungsdetektor bekannt.
Aus der US 6 521 882 B1 ist ein Lichtsensor bekannt, wobei die Sensoreinheit als IC auf Siliziumbasis ausgebildet ist.
Aus der US 2016/ 0 118 524 A1 ist eine stapelförmige Mehrfachsolarzelle bekannt.
Insbesondere für sogenannte CPV-Photovoltaikanlagen ist ein Sonnenstandssensor zur exakten Nachführung zur Erhöhung des Wirkungsgrads besonders wichtig, damit die Sonneneinstrahlung auf den Fresnel-Spiegel der CPV-Module vorzugsweise exakt senkrecht erfolgt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch einen Sonnenstandssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Sonnenstandssensor zur Bestimmung eines Einfallswinkels von Sonnenlicht aufweisend einen optischen Körper und einen Halbleitersubstrat bereitgestellt.
Der Halbleitersubstrat weist eine plane Unterseite und eine Oberseite auf. An der Oberseite des Halbleitersubstrats sind mindestens drei Solarzellen bis maximal acht Solarzellen ausgebildet.
Jeder der Solarzellen weist eine plane Empfangsfläche und einen ersten elektrischen Anschluss an der Empfangsfläche auf.
Der zweite elektrische Anschluss der Solarzellen ist gemeinsam an der Unterseite des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Der optische Körper umfasst einen konvex ausgebildeten transparenten Oberflächenbereich und bildet mittels des optischen Körpers das durch den Oberflächenbereich einfallende direkte Sonnenlicht einen Brennfleck auf den planen Empfangsflächen der Solarzellen aus.
Die planen Empfangsflächen der Solarzellen sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
Jede Empfangsfläche grenzt ganzflächig an den optischen Körper an und ist formschlüssig und kraftschlüssig mit dem optischen Körper verbunden.
Der optische Körper umfasst oder besteht aus transparenten Materialien mit einem Brechungsindex von mindestens 1,1
Es sei angemerkt, dass bei konzentrierenden Systemen, sogenannten CPV-Systemen bereits geringe Abweichung von der Flächennormalen, d.h. von der senkrechten Einstrahlung, aufgrund der optischen Fehlabbildung zu drastischen Wirkungsgradeinbußen führen.
Des Weiteren sei angemerkt, dass mit dem Begriff „angrenzt“ vorzugsweise unmittelbar angrenzt umfasst ist. Anders ausgedrückt zwischen dem optischen Körper und den Empfangsflächen ist kein Luftspalt ausgebildet.
Es versteht sich, dass mit der Bezeichnung Brennfleck eine Fläche auf der Empfangsfläche der Solarzellen bezeichnet wird. Hierbei ist der Brennfleck bei einem senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf den Oberflächenbereich des optischen Körpers eine Fläche von mehreren Solarzellen oder allen Solarzellen bedeckt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau sowie eine einfache und kostengünstige Herstellung aus.
Unter geringen Abweichungen wird vorliegend ein Winkel von kleiner als 1,5°, vorzugsweise von kleiner als 1°, höchst vorzugsweise von kleiner als 0,5° höchst vorzugsweise von kleiner als 0,1° höchst vorzugsweise kleiner 0,05° verstanden. Anders ausgedrückt, um die optischen Verluste insbesondere von CPV-Systemen gering zu halten, muss eine höchst präzise Ausrichtung der Solarzellen zur Sonne und ein zuverlässiges Nachführung mittels eines Sonnenstandssensors sichergestellt werden.
Aus der Verteilung der Intensität zwischen den Empfangsflächen lässt sich die Einfallsrichtung des Sonnenlichts bestimmen, und die Photovoltaikanlage mittels einer Steuereinheit nachführen, so dass das Sonnenlicht unabhängig vom Azimut der Sonne senkrecht auf die Oberfläche der Module der Photovoltaikanlage auftreffen.
In einer Weiterbildung bestimmt die Größe des konvexen Oberflächenbereichs die Aperturfläche. Vorzugsweise ist der Oberflächenbereich kreisförmig ausgebildet.
Erfindungsgemäß umschließt ein an den Oberflächenbereich angrenzender Bereich den Oberflächenbereich vollständig, wobei der angrenzende Bereich opak ausgebildet ist. Anders ausgedrückt, der opake Bereich verhindert ein Eindringen des Sonnenlichtes in den angrenzenden Bereich.
Erfindungsgemäß umfasst das opake Material eine Vergussmasse, wobei ein Teil des konvexen Oberflächenbereichs oder der gesamte konvexe Oberflächenbereich aus der Vergussmasse hervorsteht und an die Umgebungsluft angrenzt.
Unter Hervorstehen wird hierbei verstanden, dass alle weiteren Teile des Sonnenstandssensors entlang der optischen Achse unterhalb des konvexen Oberflächenbereichs, also unterhalb eines untersten Punkts oder untersten Bereich des Oberflächenbereichs angeordnet sind bzw. dass keine Teile auch keine Teile eines Gehäuses des Sonnenstandssensors in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse neben dem konvexen Oberflächenbereich angeordnet sind.
Anders ausgedrückt, vorzugsweise sind keine Teile des Sonnenstandssensors entlang der optischen Achse oberhalb des Oberflächenbereichs angeordnet.
In einer Ausführungsform sind die Solarzellen als Dünnschichtsolarzelle ausgebildet. Als Dünnschichtsolarzelle werden Photovoltaikmodule mit durch großflächige Dünnschichttechnik, z.B. mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschiedenen, dünnen photoelektrischen Schichten bezeichnet. Die aktive Schicht, d.h. die Solarzelle besteht typischerweise aus nur wenigen Mikrometer dünnen Materialien.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Solarzelle parallel mit einem Widerstand verbunden, welcher aus dem Stromsignal ein Spannungssignal generiert. Höchst vorzugsweise werden hierzu die weiter unten im Text erwähnten Stapel-Solarzellen verwendet, welche durch ihre hohe Spannung Signalpegel von 2V und mehr erlauben, welche ideal für den Anschluss an kostengünstige Digital-Analog-Wandler geeignet sind.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Solarzellen als Photodioden ausgebildet. Es sei angemerkt, dass sich Solarzellen durch Anlegen einer äußeren Spannung auch als Photodioden verwenden lassen. Fällt Licht auf die Photodiode wird die Photodiode leitend und es lässt sich ein Stromfluss detektieren.
In einer anderen Ausführungsform umfassen die Solarzellen mehr als 60% III-V Halbleitermaterialien und Germanium oder bestehen aus III-V Halbleitermaterialien und Germanium.
In einer Weiterbildung besteht oder umfasst der optische Körper ein Polymer, Vorzugsweise umschließt das Polymer das Halbleitsubstrat mit den Solarzellen vollständig bis auf aus dem optischen Körper herausgeführte elektrische Anschlüsse.
In einer Weiterbildung weisen die Solarzellen einen stapelförmigen Schichtaufbau aus mehreren Teilsolarzellen auf, wobei der stapelförmige Schichtaufbau wenigstens zwei Teilsolarzellen umfasst. Erfindungsgemäß weisen die Teilsolarzellen unterschiedliche Bandlücken auf. Derartige Solarzellen werden als Mehrfachsolarzelle bezeichnet.
In einer Weiterbildung umfasst die Mehrfachsolarzelle eine Ge-basierte Teilzelle. Vorzugsweise ist die Mehrfachsolarzelle monolithisch ausgebildet oder umfasst einen Waferbond oder eine metamorphe Pufferstruktur.
Auf dem Halbleitersubstrat bilden in einer Weiterbildung die Solarzellen mit dem Halbleitersubstrat einen epitaktischen monolithisch-integrierten Kristallverbund aus. Vorzugsweise ist zwischen den Solarzellen, d.h. zwischen zwei unmittelbar benachbarten Solarzellen ein Mesagraben ausgebildet. Hierbei ist der Mesagraben bis auf oder in das Substrat ausgebildet.
In einer Weiterbildung bildet die Empfangsfläche jedes Lichtsensors den ersten Anschlusskontakt jedes Lichtsensors und der Halbleitersubstrat einen gemeinsamen zweiten Anschlusskontakt für alle Solarzellen. Anders ausgedrückt, auf der Empfangsfläche eines jedes Lichtsensors ist jeweils ein erster Anschlusskontakt ausgebildet.
In einer Weiterbildung weisen die Empfangsflächen mindestens drei Solarzellen zu einem auf der optischen Achse des optischen Körpers liegenden gemeinsamen Punkt einem Abstand von der optischen Achse von höchstens 1 mm insbesondere höchstens 0,5 mm insbesondere höchstens 0,2 mm insbesondere höchstens 0,1 mm oder höchstens 0,05 mm haben.
Es sei angemerkt, dass je geringer der Abstand der Empfangsflächen zu der optischen Achse ist, umso schneller kann eine Abweichung von einem senkrechten Lichteinfall festgestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform beträgt ein Abstand der Solarzellen paarweise zueinander, d.h. zwischen einer Seitenfläche eines Lichtsensors zu einer parallel verlaufenden Seitenfläche eines unmittelbar benachbarten Lichtsensors höchstens 1 mm oder höchstens 0,5 mm oder höchstens 0,2 mm oder höchstens 0,1 mm.
Durch möglichst kleine Abstände zwischen den Solarzellen wird sichergestellt, dass der Brennfleck in der justierten Ausrichtung des Sensors Teilflächen von benachbarten Solarzellen überdeckt. Anders ausgedrückt, trifft der Brennfleck in der justierten Ausrichtung des Sensors mindestens drei Solarzellen gleichzeitig und generiert somit ein Strom-Signal an den zugeordneten mindestens drei Anschlüssen. Aus dem Verhältnis der Strom-Signale werden die Richtung und die Höhe der Abweichung der Ausrichtung des Sensors zum direkten Sonnenlicht ermittelt.
In einer anderen Ausführungsform weist der Sonnenstandssensor eine Höhe von höchstens 50 mm oder höchstens 30 mm oder höchstens 20 mm oder höchstens 10 mm auf, um eine möglichst kompakte Bauweise zu erreichen. Hierdurch lassen sich Herstellungskosten und Ressourcen einsparen.
In einer Weiterbildung ist der Halbleitersubstrat auf einer mindestens vier Leiterbahnen aufweisenden Leiterplatine angeordnet und jeder elektrische Kontakt jedes Lichtsensors mit einer Leiterbahnen der Leiterplatine elektrisch verschaltet.
In einer anderen Weiterbildung ist pro Lichtsensor eine Schutz-Diode vorgesehen.
Mit genau drei Solarzellen lässt sich ein zuverlässiges und präzises Nachführen um eine Drehachse realisieren.
Die Anzahl der Solarzellen richtet sich im Wesentlichen nach der Anzahl der nachzuführenden Achsen. Für die Nachführung in einer Achse wären 2 Solarzellen ausreichend. Für ein zuverlässiges und präzises Nachführen um zwei Drehachsen wären 3 Solarzellen ausreichend. Es ergeben sich jedoch Herausforderungen bei der Steuerung, weil bei einer Detektion mit nur drei Solarzellen die zwei Stellmotoren der Nachführeinheit mehrfach abwechselnd oder simultan gesteuert laufen müssten, um einem schrägen Spalt zwischen zwei Solarzellen zu folgen. Für eine effektivere Ausrichtung in zwei Achsen werden typischerweise genau vier Solarzellen eingesetzt.
In einer Ausführungsform vier Solarzellen vorgesehen sind und die Empfangsflächen der vier Solarzellen zusammen eine quadratische Fläche ausbilden.
In einer Ausführungsform sind die mindestens 4 Leiterbahnen der Leiterplatine jeweils mit mindestens einer Ader eines Signalkabels oder mit mindestens einem Stift einer Stiftleiste elektrisch leitend und kraftschlüssig verbunden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sonnenstandssensors ist der kompakte und robuste Aufbau bei gleichzeitiger Sicherstellung einer hohen Messgenauigkeit. Der Sonnenstandssensor ist besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Umwelteinflüsse. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der erfindungsgemäße Sonnenstandssensor besonders kostengünstig herstellen lässt.
In einer Weiterbildung ist der optische Körper als ein Verbund aus einer Linse und einem optisch transparenten Klebstoff ausgebildet, wobei die Unterseite der Linse ausschließlich mittels des optisch transparenten Klebstoffes kraftschlüssig mit den Empfangsflächen der Solarzellen verbunden ist, wobei die Unterseite der Linse die Empfangsflächen vollständig überdeckt.
In einer Ausführungsform liegt das Flächenverhältnis der Unterseite der Linse zu der Summe aller Empfangsflächen der Solarzellen in einem Bereich zwischen 1,0 bis 10 liegt, wobei die Empfangsflächen der Solarzellen zusammen mindestens 90% der Unterseite des Trägers überdecken.
In einer Weiterbildung sind die Empfangsflächen so groß ausgebildet, dass mittels den Empfangsflächen nur das Sonnenlicht detektiert wird, dass vorzugsweise einen Einfallswinkel von ±5 ° oder einen Einfallswinkel von ±10 ° oder einen Einfallswinkel von ±15 ° oder einen Einfallswinkel von ±20 ° in Bezug zur optischen Achse aufweist.
Es versteht sich, dass der hervorstehende erste Oberflächenbereich frei von Vergussmasse ist. Hierdurch wird der Lichteinfall auf einen Einfallswinkelbereich um die optische Achse beschränkt. Darüber hinaus und schützt die Vergussmasse die Bauteile zuverlässig vor Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, Staub, Fremdkörpern oder Wasser. Auch eine elektrische Isolation der Bauteile wird mittels der Vergussmasse sichergestellt.
Es wird angemerkt, dass mit Einbetten in eine Vergussmasse das Eingießen der Bauteile, insbesondere das luftfreie Vergießen bezeichnet wird, wodurch die Bauteile nahezu vollständig und insbesondere ohne Spalten oder Lücken zwischen der Vergussmasse und den Bauteilen von der Vergussmasse umhüllt sind.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Solarzellen, die Leiterplatine mit dem Halbleitersubstrat und der optischen Körper derart in die Vergussmasse eingebettet sind, dass nur der erste Oberflächenbereich des optischen Körpers aus der Vergussmasse hervorsteht, wobei mindestens ein Signalkabel und / oder Befestigungsmittel und / oder ein Kühlmittel (aus der Vergussmasse herausgeführt sind.
Durch das luftfreie Vergießen der Komponenten entsteht eine hermetisch dichte Einheit, die besonders witterungsbeständig ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Sonnenstandssensor durch das Gießen bzw. Vergießen besonders klein und kostengünstig hergestellt werden kann.
Da auch der optische Körper selbst luftfrei ausgebildet ist, also ausschließlich aus Materialien mit einem Brechungsindex von mindestens 1.1 besteht, werden Hohlräume vermieden, in denen kondensierte Feuchte das einfallende Licht streuen könnte. Es wird so eine zuverlässige Funktion auch bei wechselnder Witterung sichergestellt.
Gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform sind die Solarzellen, der Halbleitersubstrat und der optische Körper derart in einem Gehäuse angeordnet, dass der Oberflächenbereich des optischen Körpers aus dem Gehäuse hervorsteht und der weitere Bereich durch das Gehäuse gegen Licht abgeschirmt ist.
Auch ein Gehäuse vermag den dritten Oberflächenbereich der optischen Körper vor Lichteinstrahlung abzuschirmen und die Bauteile vor Umwelteinflüssen zu schützen. Durch das Hervorstehen des Oberflächenbereichs der Linse, also eine entsprechende Öffnung des Gehäuses gelang Licht auf die Solarzellen und der Einfallswinkel wird bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform überdecken die Empfangsflächen der Solarzellen zusammen mindestens 90% der Oberfläche des Trägers. Für eine möglichst kompakte Bauform ist es vorteilhaft, wenn die Größe der Trägeroberfläche die Größe der Empfangsflächen der Solarzellen nicht mehr als den Faktor 2 überschreitet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines Sonnenstandssensors der vorbeschriebenen Art zu der Ermittlung eines Einfallswinkels von auf den optischen Körper des Sonnenstandssensors treffendem Licht, und betrifft ferner eine Verwendung des Sonnenstandssensors der vorbeschriebenen Art zu der Nachführung von einer Solarzelle nach dem Sonnenstand.
Dabei ist ein Einfallswinkel messbar, so lange der Brennfleck mehrere Solarzellen gleichzeitig trifft. Trifft der Brennfleck hingegen nur eine Solarzelle, so ist zumindest die Richtung bekannt, in der die Ausrichtung geändert werden muss, damit wieder ein Winkel messbar wird. Dieses Ansprechverhalten ist optimal auf die Erfordernisse der Sonnennachführung abgestimmt, bei der in einem großen Raumwinkelbereich eine Richtungsinformation für eine schnelle Grobausrichtung und in einem engen Raumwinkelbereich eine Winkelinformation für eine feine Nachregelung benötigt wird.
In einer anderen Weiterbildung ist der optische Körper einstückig ausgebildet und eine Quarzglasverbindung umfasst und oder ein transparentes Polymer umfasst.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände, die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die:

1 eine Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Sonnenstandssensors,
2 eine Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Sonnenstandssensors,
3 eine Ansicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sonnenstandssensors
4 eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sonnenstandssensors
5 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Sonnenstandssensors.

Die 1 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenstandssensors 10 zur Bestimmung eines Einfallswinkels des Sonnenlichts.
Der Sonnenstandssensor 10 weist einen optischen Körper 20 und einen Halbleitersubstrat 40 mit einer planen Unterseite und einer Oberseite und mit an der Oberseite des Halbleitersubstrats 40 ausgebildeten mindestens drei Solarzellen 30 (nur zwei dargestellt) auf.
Die Solarzellen 30 sind monolithisch mit dem Halbleiterkörper 40 verbunden.
Jede der Solarzellen 30 weist eine plane Empfangsfläche 31 und einen ersten elektrischen Anschluss 33 an der Empfangsfläche 31 auf. Der zweite elektrische Anschluss 35 der Solarzellen 30 ist gemeinsam an der Unterseite des Halbleitersubstrats 40 ausgebildet.
Die Solarzellen 30 sind durch einen Mesa-Graben 37 voneinander getrennt, jedoch mittels des Halbleitersubstrats 40 verbunden.
Der optische Körper 20 umfasst einen konvex ausgebildeten transparenten Oberflächenbereich 22.
Mittels des optischen Körpers 20 bildet das durch den Oberflächenbereich 22 einfallende direkte Sonnenlicht L einen Brennfleck auf den planen Empfangsflächen 31 der Solarzellen 30 aus.
Die Größe des konvexen Oberflächenbereichs 22 bestimmt die Aperturfläche APF. Der Oberflächenbereich 22 ist konzentrisch ausgebildet.
An den Oberflächenbereich 22 angrenzender Bereich umschließt den Oberflächenbereich 22 vollständig, wobei der angrenzende Bereich opak ausgebildet ist.
Der angrenzende Bereich umfasst das opake Material, wobei das opake Material als eine Vergussmasse 60 ausgebildet ist. Der Teil des Oberflächenbereichs 22 steht aus der Vergussmasse 60 hervor und grenzt erfindungsgemäß an die Umgebungsluft an.
Die opake Vergussmasse 60 schirmt den optischen Körper 20 gegen Sonnenlicht ab. Darüber hinaus schützt die Vergussmasse 60 alle darin angeordneten Bauteile vor Umwelteinflüssen.
Der optische Körper 20 lässt sich als transparenter Voll-Verguss ausbilden.
Alternativ besteht der optische Körper 20 aus einer Glaslinse. Die Glaslinse wird mittels eines Silikons mit dem Halbleitersubstrat 40 und mit den Empfangsflächen kraftschlüssig verbunden.
In der Abbildung der 2 ist eine weitere Ausführungsform des Sonnenstandssensors 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den Abbildungen der 1 erläutert.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbleitersubstrat 40 mittels des flächig ausgebildeten Anschlusses 35 auf einem Leiterbahnabschnitt 49 einer Leiterplatine 50 angeordnet und mit dem Leiterbahnabschnitt 49 elektrisch verbunden. Auf der Oberseite der Leiterplatine 50 sind mehrere Leiterbahnabschnitte 49 ausgebildet. Die Leiterplatine 50 fungiert als Träger für die Anordnung.
Die ersten Anschlüsse 31 sind jeweils mittels eines Bonddrahtes mit einem der Leiterbahnabschnitte 49 verschaltet.
In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Sonnenstandssensors 10 dargestellt, wobei im Folgenden jeweils nur die Unterschiede zu der Ausführungsform der Abbildungen der 1 und 2 erläutert werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbleitersubstrat 40 mittels des flächig ausgebildeten zweiten Anschlusses 35 auf einem Metallstreifenabschnitt 51, auch als Leadframe bezeichnet, angeordnet und mit dem Metallstreifenabschnitt 51 elektrisch verbunden.
Die ersten Anschlüsse 31 sind jeweils mittels eines Bonddrahtes mit einem weiteren Metallstreifenabschnitte 51, auch als Pins bezeichnet, verschaltet.
Der optische Körper 20 ist als transparenter Verguss ausgebildet und umschließt die Metallstreifenabschnitte 51 derart, dass nur noch Abschnitte der Pins aus dem Verguss hervorstehen.
In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform des Sonnenstandssensors 10 in einer Draufsicht dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den Abbildungen der 1 und 2 erläutert.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform des Sonnenstandssensors weist genau drei Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3 auf.
Die Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3 sind so auf einer quadratischen Oberfläche der Platine angeordnet, dass die Empfangsflächen der Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3 die Oberfläche des Trägers 40 fast vollständig überdecken, einander zugewandte Seitenflächen der Solarzellen 30 zueinander parallel verlaufen und jede Empfangsfläche 31 zu einem auf der optischen Achse 24 liegenden Punkt P denselben Abstand haben, wobei auch jede Empfangsflächen 31 zu den anderen Empfangsflächen 31 einen geringen Abstand aufweist und zwischen den Empfangsflächen der Mesa-Graben 37 ausgebildet ist.
Jeder Lichtsensor 30.1, 30.2, 30.3 weist einen der ersten elektrischen Anschlüsse 33 auf.
Der optische Körper 20 überdeckt in der Draufsicht die Empfangsflächen 31 aller drei Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3 vollständig.
In der Abbildung der 5 ist eine weitere Ausführungsform des Sonnenstandssensors 10 in einer Draufsicht dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 4 erläutert.
Der Sonnenstandssensor 10 weist vier Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3, 30.4 auf. Die Solarzellen 30.1, 30.2, 30.3, 30.4 sind jeweils quadratisch ausgebildet und in einer Matrix mit zwei Reihen und zwei Zeilen angeordnet.

Claims

Sonnenstandssensor (10) zur Bestimmung eines Einfallswinkels von Sonnenlicht aufweisend - einen optischen Körper (20) und ein Halbleitersubstrat (40) mit einer planen Unterseite und einer Oberseite und mit an der Oberseite des Halbleitersubstrats (40) ausgebildeten mindestens drei Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4), wobei jede der Solarzellen (30) eine plane Empfangsfläche (31) und einen ersten elektrischen Anschluss (33) an der Empfangsfläche (31) aufweist und ein zweiter elektrischer Anschluss (35) der Solarzellen (30) gemeinsam an der Unterseite des Halbleitersubstrats (40) ausgebildet ist, - der optische Körper (20) einen konvex ausgebildeten transparenten Oberflächenbereich (22) umfasst, - mittels des optischen Körpers (20) das durch den Oberflächenbereich (22) einfallende direkte Sonnenlicht einen Brennfleck auf den planen Empfangsflächen der Solarzellen ausbildet, die planen Empfangsflächen (31) der Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, jede Empfangsfläche (31) ganzflächig an den optischen Körper (20) angrenzt und formschlüssig und kraftschlüssig mit dem optischen Körper (20) verbunden ist, der optische Körper (20) transparente Materialien mit einem Brechungsindex von mindestens 1,1 umfasst oder daraus besteht dadurch gekennzeichnet, dass - ein an den Oberflächenbereich (22) angrenzender Bereich den Oberflächenbereich (22) vollständig umschließt und der Bereich aus einem opaken Material ausgebildet ist, - das opake Material eine Vergussmasse (60) umfasst und wenigstens ein Teil des Oberflächenbereichs (22) aus der Vergussmasse (60) hervorsteht und an die Umgebungsluft angrenzt und - die Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) einen stapelförmigen Schichtaufbau aufweisen, wobei der stapelförmige Schichtaufbau wenigstens drei Teilsolarzellen umfasst und die Teilsolarzellen unterschiedliche Bandlücken aufweisen.
Sonnenstandssensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (20) aus einem Polymer besteht oder ein Polymer umfasst und das Polymer das Halbleitersubstrat (40) mit den Solarzellen bis auf aus dem optischen Körper (20) herausgeführte elektrische Anschlüsse vollständig umschließt.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (40) Silizium umfasst und die Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) an der Oberfläche des Siliziumsubstrates als voneinander getrennte Emitterbereiche ausgebildet sind.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (30) mit dem Halbleitersubstrat (40) einen monolithisch-integrierten Kristallverbund ausbilden.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) ein Mesa-Graben (37) ausgebildet ist.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsflächen (31) der Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) paarweise zueinander einen Abstand von höchstens 1 mm oder höchstens 0,5 mm oder höchstens 0,2 mm oder höchstens 0,1 mm 0,05 mm aufweisen.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenstandssensor (10) eine Höhe von höchstens 50 mm oder höchstens 30 mm oder höchstens 20 mm oder höchstens 10 mm aufweist.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass genau vier Solarzellen (30.1, 30.2, 30.3, 30.4) vorhanden sind und die Empfangsflächen (31) der vier Solarzellen zusammen eine quadratische Fläche ausbilden.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (40) auf einer mindestens vier Leiterbahnen aufweisenden Leiterplatine (50) angeordnet ist und jeder elektrische Kontakt (32, 42) jedes Lichtsensors (30) mit einer Leiterbahn der Leiterplatine (50) elektrisch verschaltet ist.
Sonnenstandssensor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 4 Leiterbahnen der Leiterplatine (50) jeweils mit je einer Ader eines Signalkabels oder mit je einem Stift einer Stiftleiste elektrisch leitend und kraftschlüssig verbunden sind.
Sonnenstandssensor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (20) als ein Verbund aus einer Linse und einem optisch transparenten Klebstoff ausgebildet ist und die Unterseite der Linse ausschließlich mittels des optisch transparenten Klebstoffes kraftschlüssig mit den Empfangsflächen (31) der Solarzellen (30, 30.1, 30.2, 30.3, 30.4) verbunden ist, wobei die Unterseite der Linse die Empfangsflächen (31) vollständig überdeckt.
Sonnenstandssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (20) eine Quarzglasverbindung umfasst und oder ein transparentes Polymer umfasst.
Sonnenstandssensor (10) nach Anspruch 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (30), die Leiterplatine (50) mit dem Halbleitersubstrat (40) und der optische Körper (20) derart in die Vergussmasse (60) eingebettet sind, dass nur der Oberflächenbereich (22) des optischen Körpers (20) aus der Vergussmasse (60) hervorsteht, wobei mindestens eines der Signalkabel und/ oder Befestigungsmittel und / oder ein Kühlmittel aus der Vergussmasse (60) herausgeführt sind.
Verwendung eines Sonnenstandssensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Nachführung einer Solarzellenanordnung an den Stand der Sonne.