CPVMod – CPV Modul im modularen Aufbau

Teilvorhaben: Moduldesign und -performance

Laufzeit: März 2017 - Februar 2020
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), PTJ Forschungszentrum Jülich, AZUR Space Solar Power
Kooperationspartner: AZUR SPACE Solar Power, ORAFOL Fresnel Optics
Webseite: http://www.azurspace.com/index.php/en
Projektfokus:
AZUR C3PV Module
© Fraunhofer ISE
AZUR C3PV Module montiert auf der Sonnennachführeinheit am Fraunhofer ISE. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der beiden CPV Module wird zusammen mit Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Bestrahlungsstärke und spektrale Verteilung automatisiert vermessen.
Thermische Simulation unter Verwendung der Finiten Element Method
© Fraunhofer ISE
Thermische Simulation unter Verwendung der Finiten Element Methode. Gezeigt ist die Temperaturverteilung in einem AZUR C3PV Modul. Aufgrund der Bündelung des Sonnenlichts entstehen am Ort der Millimeter kleinen Solarzellen die höchsten Temperaturen (rote Farbgebung).
Zugschertest
© Fraunhofer ISE
Probe zur Untersuchung der Haftung des Klebers zwischen Glas und Aluminium mit einem Zugschertest. Hier reist die Probe in der Kleberschicht, damit ist die Haftung des Klebers sehr gut.

Der Fokus im CPVMod Projekt liegt auf der Entwicklung von innovativen, hochleistungsfähigen Konzentratorphotovolatik (CPV) Modulen. Der Vorteil von CPV Modulen liegt in der Bündelung des Sonnenlichts auf Millimeter kleine, hocheffiziente Solarzellen und damit der Einsparung von Halbleitermaterial. Zudem ermöglichen es die Module Umwandlungswirkungsgrade über 30% zu erzielen. Die im CPVMod-Projekt entwickelten Module sollen mit kostengünstigen und robusten Fertigungstechnologien produziert werden. Diese Fertigungstechnologien sollen eine zuverlässige Modulfertigung auch in der Nähe von zukünftigen CPV Installationsorten mit einem hohen regionalen Wertschöpfungsanteil ermöglichen. Die Technologie eignet sich besonders für Gegenden im Sonnengürtel der Erde, mit einem hohen Anteil an direktem Sonnenlicht.

Im Teilprojekt "CPV Modul im modularen Aufbau: Moduldesign und -performance" wird vom Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern AZUR SPACE und ORAFOL das Moduldesign evaluiert und weiterentwickelt. Dabei liegt der Fokus des Moduldesigns neben einem hohen elektrischen Wirkungsgrad auf der zu verwendenden Fertigungstechnologie basierend auf einfachen Methoden zur Qualitätssicherung. Ein weiteres Projektziel ist die Untersuchung der Komponenten und des Moduls auf Langzeitstabilität und die Evaluierung der Modulausgangsleistung unter Außenbedingungen.
In Abbildung 1 sind AZUR C3PV Module montiert auf Sonnennachführeinheiten am Fraunhofer ISE dargestellt. Die elektrische Modulausgangsleistung von 440 W bei Wirkungsgraden von 32 % dieser C3PV Module wurde anhand von standardisierten Außenmessungen am Fraunhofer ISE bestätigt. Die C3PV Module bestehen aus Arrays mit Fresnellinsen und Enhanced Fresnel Assemblies (EFA)s montiert auf einer Metallwanne. Die Metallwanne dient dabei als effizienter Wärmeverteiler und somit zur passiven Kühlung der Solarzellen. Aufgrund der Bündelung des Sonnenlichts durch die Fresnellinsen entstehen neben elektrischer Energie auch nicht zu vernachlässigende Wärmemengen in den Solarzellen. Diese Wärme muss ausreichend im CPV Modul umverteilt werden, um elektrische Verluste durch erhöhte Temperatur zu verhindern. Die Wärmeunterschiede innerhalb der CPV Module konnten im CPVMod Projekt anhand thermischer Finite Element Simulationen (FEM) bestimmt werden. Abbildung 2 zeigt die Wärmeverteilung innerhalb des CPV Moduls. Die höchsten Temperaturen treten wie zu erwarten in den Solarzellen auf, jedoch in einem für CPV Module üblichen Bereich.
Um diese Temperaturunterschiede bewerten zu können wurden im nächsten Schritt thermo-mechanische FEM Simulationen durchgeführt. Dabei konnten bisher weder signifikante mechanische Belastungen im Modul noch kritische Verschiebung der Solarzellenposition ermittelt werden. Eine ausreichende Umverteilung der Wärmemenge im Module ist somit gewährleistet.

Ein weiterer Schwerpunkt im Projekt ist die Untersuchung der Langzeitstabilität des Moduls durch beschleunigte Alterung. Dafür wurden unterschiedliche Belastungstests an Modulkomponenten durchgeführt. Nach dem Test werden die Proben umfangreich charakterisiert. Dazu werden elektrische Messungen aber auch das Material durch Zugscherprüfung (siehe Abbildung 3), mechanische Belastung, Ultraschallmikroskopie analysiert. Durch die Tests können neue Materialien und Prozesse bewertet werden.