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Untersuchung und Simulation zur Verwendung von Solarzellen in planaren Antennenstrukturen


Project Details
Project duration: 09/200106/2007


Abstract
Am Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET e.V) wurde die Fragestellung untersucht, ob sich Solarzellen bzw. Solarmodule neben der Gleichstromerzeugung auch zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen eignen. Zur Zeit handelsübliche PV-Module lassen sich gewiss nicht als Antennen verwenden. Eine aus HF Gesichtspunkten definierte Anordnung der einzelnen Solarzellen stellt jedoch eine planare Antenne bzw. Gruppenantenne dar. Durch eine geeignete Entkopplung der DC und HF Pfade kann erreicht werden, dass die hochfrequenten Ströme den Gleichstrompfad nicht "sehen". In diesem Fall wirkt die Solarzellenanordnung als Antenne, die gleichzeitig einen Gleichstrom zur Versorgung von elektronischen Komponenten generiert. Diese solare Planarantenne SOLPLANT ist überall dort besonders interessant, wo auf kompakte Bauweise und geringes Gewicht geachtet werden muss.

Diese Idee wurde zunächst mit Hilfe von Simulationen am ISET genauer untersucht. Im nächsten Schritt wurde die prinzipielle Machbarkeit durch einfache Laboraufbauten nachgewiesen. Ein Patent wurde inzwischen erteilt. Üblicherweise werden PV-Generatoren zusammen mit Batteriespeichern für eine netzunabhängige Energieversorgung eingesetzt. Eine je nach Anwendungsfall erforderliche Datenübertragung erfolgt über eine separate Antenne. Andere Anordnungen verwenden Solarmodule mit zusätzlichem Antennenrahmen oder auf die Solarmoduloberfläche zusätzlich aufgebrachte Leiterbahnen. Eine weitere bekannte Lösung ist eine Antenne mit Parabolspiegel aus einem Metallgitter hinter dem ein Solarmodul angeordnet ist. Auch die Innenseite einer Parabolantenne kann mit Solarzellen belegt werden, um angeschlossene elektronische Geräte zu versorgen. Allen bisher genannten Vorrichtungen ist gemeinsam, dass Solarzellen und Antennenelemente getrennte Funktionseinheiten darstellen, die lediglich in eine zusammenhängende Baueinheit integriert wurden. Bei der SOLPLANT Antenne ist die Solarzelle gleichzeitig die Antenne. Diesem Ansatz am nächsten kommen die Arbeiten der European Space Agency (ESA). Die dort entwickelte Antenne für Satellitenanwendungen besteht aus HF-Strahlerelementen und Solarzellen in Multilayer-Technologie. Obwohl damit eine sehr kompakte Bauform erreicht wird, sind Antenne und Solarzelle nach wie vor voneinander getrennt.

Das Ziel der Forschungsarbeit ist es, die Idee der solaren Planarantenne weiter voran zu bringen und die Grundlagen für eine praxisrelevante Realisierung der Idee zu erarbeiten. In diesem Rahmen wurden zunächst die HF-Eigenschaften von Solarzellen in unterschiedlicher Technologie untersucht, um ihre Eignung als Antenne beurteilen zu können. Verschiedene Antennenbauformen und Anregungsarten sind mit Hilfe von numerischen Simulationen erforscht worden. Hierbei wurden die besonderen Randbedingungen, die sich bei der Verwendung von Solarzellen als Antenne ergeben, berücksichtigt. Für den praktischen Einsatz besonders wichtig ist eine optimale Gleichspannungs- und Hochfrequenzentkopplung. Hierfür kommen Netzwerke mit diskreten und verteilten Bauelementen in Frage. Die Erkenntnisse aus den Simulationen flossen in die praktische Realisierung unterschiedlicher Solarantennen ein; Simulationsergebnisse wurden durch Messungen bestätigt.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen konventionellen Antennen mit planaren Kupferflächen und Antennen mit Solarzellen ist, dass die Solarzellen-Antenne zusätzliche Leitungen besitzt, die den generierten Gleichstrom abführen. Diese Leitungen beeinträchtigen die Antenneneigenschaften zunächst erheblich, insbesondere wenn mehrere Solarzellen seriell verschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzielen. Durch konstruktive Maßnahmen in der Verschaltung der Solarzellen untereinander sowie durch die Verwendung von Schlitzstrahlern in einem Solarzellen-Array anstelle von Flächenstrahlern, lassen sich die Einflüsse minimieren. Beispielhaft wurden verschiedene Antennenprototypen realisiert, an denen die Eignung von Solarzellen als Antennen demonstriert werden konnte. Dabei wurden sowohl Antennen mit einer als auch Antennen mit mehreren Solarzellen berücksichtigt.

Es zeigt sich, dass eine Integration von Solarzellen und Antennen möglich ist. Dabei kann das Solarmodul, in dem eine oder mehrere Solarzellen die Antennen bilden, in konventioneller Herstellungstechnologie gefertigt werden, wobei Zellen in handelsüblicher Größe verwendet werden können. Die mit der Solarzellengröße verbundenen Einschränkungen in der Wahl des Frequenzbereichs der Antenne können zum Teil durch konstruktive Maßnahmen im Antennendesign ausgeglichen werden. Jedoch wird bei der Verwendung von Dünnschicht-Solarzellen ein größerer Freiraum in der Gestaltung der Solarzellen ermöglicht, sodass hier ein Ansatz für zukünftige Arbeiten gegeben ist, der anhand einer Designstudie aufgezeigt wird.

Diese Zwischenergebnisse wurden im Rahmen einer Dissertation erzielt, siehe unten unter Publikationen.

Das Forschungsgebiet wird ab Mitte 2005 federführend durch das ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik Kassel) weitergeführt, zu dem Dr.-Ing. Norbert Henze gewechselt ist. Wissenschaftlich begleitet wird das Projekt weiterhin vom Fachgebiet.

Publikationen:

Henze, N.; Shtrikman, I.; Früchting, H.: Integrierte Planarantenne für Handfunktelefone und ihre Optimierung. FREQUENZ 53 (1999) 11-12, S. 245-251.

Henze, N.; Shtrikman, I.; Früchting, H.: Study of the Performance of Antennas for Handheld Mobile Telephones by Means of Current Distribution. International Journal of Electronics and Communications (AEÜ) 54 (2000) No. 2, pp. 93-100.

Henze, N.; Bopp, G.; Degner, T.; Häberlin, H.; Schattner, S.: Radio Interference on the DC Side of PV Systems ? Research Results and Limits of Emissions. 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Munich, 22-26 October 2001.

Henze, N.; Degner, T.: Radio Interference of Photovoltaic Power Systems. 16th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (EMC 2002), Wroclaw, Poland, 25-28 June 2002, pp. 213-218.

Henze, N.; Bendel, C.; Früchting, H.; Kirchhof, J.: Application of Photovoltaic Solar Cells in Planar Antenna Structures. 12th International Conference on Antennas and Propagation (ICAP 2003), Exeter, UK, March 31 ? April 3, 2003, pp. 731-734.

Henze, N.: Application of Photovoltaic Solar Cells in Planar Antenna Structures. 7th International Student Conference on Electrical Engineering 2003, Technical University Prague, Czech, May 22, 2003.

Henze, N.; Giere, A.; Früchting H.: GPS Patch Antenna with Photovoltaic Solar Cells for Vehicular Applications. 58th IEEE Vehicular Technology Conference Fall 2003, Orlando, US, October 6-9, 2003.

Henze, N.: Efficiency Measurement of Planar Solar Cell Antennas using the Wheeler Cap Method, 8th International Student Conference on Electrical Engineering, Technical University Prague, Czech, May 20, 2004.

Henze, N.; Weitz, M.; Hofmann, P.; Bendel, C.; Kirchhof, J.; Früchting, H.: Investigation of Planar Antennas with Photovoltaic Solar Cells for Mobile Communications, in Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC 2004), Barcelona, Spain, September 5-8, 2004.

Henze, N.: Untersuchungen zur Verwendung von Solarzellen in planaren Antennenstrukturen. Dissertation Universität Kassel, Kassel University Press 2005, ISBN 3-89958-148-2.

Henze, N.; Früchting, H.; Bendel, C.; Kirchhof, J.: Planar Antennas with Photovoltaic Solar Cells for Mobile Communications. FREQUENZ 59 (2005) 3-4, S. 77-83.


Last updated on 2017-11-07 at 13:58