KoMGen – Entwicklung von Konzentratormodulen der nächsten Generation

CPV-Modul-Technologie auf Basis der Cassegrain-Optik

Laufzeit: April 2010 - März 2014
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Mono-Konzentrator-PV-Modul bestehend aus einer Einheit einer Cassegrain-Spiegeloptik mit Solarzelle. Das Sonnenlicht wird mehr als 1000fach auf die 1 mm² große Solarzelle konzentriert. Die Solarzelle befindet sich erhöht zwischen der Primär- und Sekundäroptik.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Außenmessung unseres Prototypen mit Cassegrain-Optik. Das Modul wurde über mehrere Monate im Außenteststand des Fraunhofer ISE vermessen. Bei der Messung am 01.08.2013 um 08:35 wurden z. B. 31,6 % der einfallenden Solarstrahlung in Strom gewandelt.

In der Konzentrator-Photovoltaik wird das Sonnenlicht mit einer kostengünstigen Optik auf eine kleine Solarzelle fokussiert. Dazu können gekrümmte Spiegel eingesetzt werden, z. B. in der Cassegrain-Anordnung. Hier wird das Licht von einem konkav gekrümmten Spiegel (Primäroptik) über einen kleineren, konvex gekrümmten Spiegel (Sekundäroptik) auf die Solarzelle gelenkt. Damit werden geringe Modulbauhöhen erreicht. Mit diesem Konzept haben wir ein Prototypenmodul aufgebaut und evaluiert. Wir erreichen eine sehr gute optische Effizienz von ca. 80 % bei einer geometrischen Konzentration von 1000x. Durch eine erhöhte Position der Solarzelle können wir auf eine dritte, sogenannte Tertiäroptik verzichten.

In der Konzentrator-Photovoltaik entwickeln und analysieren wir verschiedene Modulkonzepte. Unsere neueste Entwicklung ist ein Modul mit Cassegrain-Spiegeloptik. Ein großer Vorteil dieser Optik ist, dass keine chromatische Aberration auftritt. Wir erwarten zudem eine geringere Temperaturabhängigkeit als bei Fresnellinsen. Die Aperturfläche des Moduls ist mit einer Kantenlänge der Primäroptik von 32 mm relativ klein. Dadurch kann eine Modulhöhe von weniger als 25 mm erreicht werden. Bei solch geringen Größen ist es möglich, die Solarzelle passiv zu kühlen, d. h. sie auf einem Wärmespreizer aufzubringen und über Konvektion und Strahlung die Wärme an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich montieren wir die Solarzelle auf einem Turm. Das bedeutet, die Solarzelle befindet sich zwischen der Primär- und Sekundäroptik (Abb. 1). Wir erreichen so hohe Akzeptanzwinkel von 0,75°, d. h. auch bei einer Fehlausrichtung des Moduls von 0,75° gegenüber der Sonnenstrahlung werden noch 90 % der Leistung generiert.

Ein Schwerpunkt unseres Projekts war die Herstellung und Untersuchung der Konzentratoroptik. Neben einer diamantgedrehten Optik wurde eine Optik entwickelt, die in einem massenfertigungstauglichen Spritzgussprozess hergestellt wurde. Die Optiken haben wir in Labor- und Außenmessungen verglichen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Außenmessung des Konzentratormoduls ist in Abb. 2 dargestellt. Es wurden Wirkungsgrade von 31,6 % erzielt. Mit kontinuierlichen Außenmessungen können wir nun das Langzeitverhalten untersuchen.

 

Über das Projekt

Am Fraunhofer ISE decken wir die gesamte Entwicklungskette eines photovoltaischen Konzentratorsystems (CPV) ab, von der Entwicklung der Komponenten Solarzelle oder Konzentratoroptik bis zum kompletten Modul und System sowie die Charakterisierung der Komponenten und Module. Im Projekt „Entwicklung von Konzentratormodulen der nächsten Generation – KoMGen“ wurden am Fraunhofer ISE neue Konzepte für die photovoltaische Konzentratortechnologie entwickelt. Die Konzepte wurden im Projekt sowohl technologisch als auch ökonomisch evaluiert und bilden die Grundlage für zukünftige photovoltaische Konzentratorsysteme.

Der Artikel »CPV-Modul-Technologie auf Basis der Cassegrain-Optik« beleuchtet dabei nur einen Aspekt des KoMGen-Projekts. Ein weiteres Teilprojekt untersuchte die Charakterisierung von Parabolspiegeln für Konzentrator-PV.