Solarhelme liefern schon bald die Energie, um im Helm integrierte Headsets oder Stereokopfhörer zu betreiben. Möglich wird das durch ein dreidimensionales Solarmodul, das Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration entwickelt haben. Mit der neuartigen Methode lassen sich die leistungsfähigen Solarzellen erstmals an die gekrümmte Form eines Helms anpassen, ohne dass dabei Robustheit und Leistung auf der Strecke bleiben.

In Zusammenarbeit mit der TU Berlin und der Firma TEXSYS hat das Fraunhofer IZM mit dieser Entwicklung den Grundstein für eine vollständige Deckung des Energiebedarfs direkt in den Helm integrierter Kommunikationsmodule gelegt: Stereo-Kopfhörer oder Headsets können schon bald mit der Energie betrieben werden, die allein durch die Solarzellen auf der Oberfläche eines Skihelms gewonnen wird. Das Anschließen eines mobilen Gerätes wie Smartphone oder MP3-Player ist dabei kabellos über Bluetooth möglich. Mit dem dazugehörigen Bluetooth-Handschuh hat der Anwender direkten Zugriff auf eingehende Anrufe. Selbst der MP3-Player kann so bequem ferngesteuert werden, sodass das umständliche Ausziehen der Handschuhe bei Minusgraden endlich der Vergangenheit angehört. Der Nutzer erhält so ein komplettes Kommunikationssystem, das ganz ohne lästige Kabel und nahezu ohne zusätzliches Gewicht direkt in die Skiausrüstung integriert ist.

Wie funktioniert’s?
Um eine vollständige Deckung des Energiebedarfs bei allen Wetterbedingungen zu garantieren, müssen großflächige Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad (> 20 Prozent) eingesetzt werden.
Die größte Herausforderung stellte die Anpassung des Solarmoduls an die gekrümmte Fläche des Skihelms dar. Bisher war es nur möglich, recht kleine Solarmodule auf unebenen Oberflächen zu integrieren. Auch mechanisch flexible, in Folienform erhältliche Solarmodule sind für diese Zwecke nicht geeignet, da sie zum einen nur in einer Richtung (zylindrisch) biegbar sind und meist auch einen Wirkungsgrad besitzen, der deutlich unter dem von starren Solarzellen liegt.

Das Fraunhofer IZM hat deshalb eine neue Aufbau- und Verkapselungstechnologie entwickelt, bei der sehr hochwertige Solarzellen aus einkristallinem Silizium in sehr kleine Einzelchips segmentiert und an eine dreidimensionale, gekrümmte Form angepasst werden können. Das Bruchrisiko der Einzelzelle bei starker punktförmiger mechanischer Belastung wird dadurch ebenfalls stark reduziert. Darüber hinaus ist durch die redundante Auslegung der Solarzellen auch dann noch die einwandfreie Funktion gesichert, wenn eine einzelne Zelle ausfällt.

Mögliche Anwendungen
Die Stromversorgung wurde als kompakte Einheit aus Solarmodul, Elektronik und Speicher entwickelt und kann leicht an andere Anwendungen mit gekrümmten Oberflächen angepasst werden, wie z. B. Rad- und Reithelme, Rucksäcke, Bestandteile der Kleidung, Karosserieteile und ähnliches. Auch ein nachträgliches Aufrüsten von gängigen Helmen ist mit dem Solarmodul möglich. Ein Einsatz ist überall da denkbar, wo Headsets im Helm schon jetzt zum Alltag gehören, etwa bei Motorradhelmen oder Helmen für Rettungskräfte. Auch der Betrieb eines Lüfters ist denkbar. Auf einem typischen Helm ist ein Modul mit einer Nennleistung von 2 W bequem integrierbar, was der Leistungsaufnahme eines Smartphones entspricht.

Herausforderungen
Die niedrigen bzw. stark wechselnden Temperaturen beim Skifahren mussten bei der Entwicklung der Speichereinheit besonders berücksichtigt werden. Während sich die Leistung der Solarzellen bei tiefen Temperaturen sogar verbessert, nimmt die Leistung des Akkus signifikant ab. Bei Temperaturen unter 0°C ist das Aufladen des Akkus außerdem nur schlecht bis gar nicht möglich. Hier greift die eigens entwickelte Mikrokontrollersteuerung, die das Laden des Akkus bei Kälte anpasst bis verhindert und die Funktionalität der Ladeelektronik im Temperaturbereich von -30°C bis +60°C gewährleistet. Eine Nutzung der integrierten Kommunikationsmodule ist jedoch auch dann lückenlos möglich, da die Energieversorgung in diesen Perioden bei ausreichendem Licht direkt über das Solarmodul erfolgt. Die Mikrokontrollersteuerung sorgt dafür, dass bei allen Bedingungen (Temperatur, Einstrahlung) immer die maximale Leistung der Solarzelle nutzbar ist (Maximum-Power-Point Tracking).

Ein Nachladen aus dem Stromnetz wird durch die Energieversorgung über das 3D-Solarmodul auf der Oberfläche des Skihelms nahezu überflüssig. In Phasen der Nichtnutzung des Helms ist es außerdem möglich, Smartphone oder MP3-Player direkt über den Akku aufzuladen. Die Suche nach einer Steckdose gehört somit der Vergangenheit an und die Nutzung von Sonnenenergie schont gleichzeitig die Umwelt.


Den Artikel finden Sie unter:

http://www.fraunhofer.de/de/fraunhofer-forschungsthemen/energie-wohnen/solarenergie/solarhelm.html

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft  (01/2012)