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:
© 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 Temperature, Bestrahlungsstärke und spektrale Verteilung automatisiert vermessen.

© 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).

© Fraunhofer ISE

Versuchsaufbau zur elektrischen Charakterisierung von einzelnen Zell-Linsen-Einheiten am Fraunhofer ISE Sonnensimulator für CPV Module. Der Versuchsaufbau ermöglicht die schrittweise Variation der Linsenposition gegenüber der Solarzelle. Das Ergebnis einer solchen Messung ist beispielhaft in Abbildung 4 dargestellt.

Der Fokus im Forschungsprojekt CPVMod 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 von über 30% zu erzielen. Die in CPVMod 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 zwei AZUR C3PV-Module dargestellt. Beide Module liefern jeweils über 400 W elektrische Ausgangsleistung bei Wirkungsgraden von über 30 %. Die 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 in CPVMod 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.

Des Weiteren wurden im Projekt Fertigungstoleranzen im Modulbauprozess quantitativ bewertet. Eine wichtige Einflussgröße ist dabei die Positionierung der Fresnellinse in Bezug auf die Solarzelle. Um diese Einflussgröße zu bewerten, wurden einzelne Linsen-Zell-Einheiten elektrisch mit Hilfe eines speziellen Versuchsaufbaus an einem Sonnensimulator charakterisiert (Abbildung 3). Das Ergebnis dieser Charakterisierung ist in Abbildung 4 gezeigt als normierte Ausgangsleistung gegenüber einer Verschiebung der Linse in Relation zur Solarzelle. Es konnte gezeigt werden, dass das Moduldesign sehr tolerant gegenüber lateraler Verschiebung ist. Selbst bei einer Verschiebung in x-Richtung von mehr als ±0.3 mm ist der relative Leistungsverlust kleiner als 3 %. Diese Evaluierungen helfen unseren Industriepartnern die Zuverlässigkeit und Fertigungstechnologie für CPV-Module weiter zu verbessern.

© Fraunhofer ISE

Normierte elektrische Ausgangsleistung einer Linsen-Solarzellen-Einheit als Funktion der Linsenpositionierung. Die Linsenposition wurde dabei schrittweise gegenüber der Solarzellenposition verschoben. Das Ergebnis dieser Messung ermöglicht beispielsweise die quantitative Bewertung von Produktionstoleranzen.