Nahwinkel-Lichtstreuung in Polymethylmethacrylat

Nahwinkel-Lichtstreuung in PMMA nach bis zu 27 Jahren als Konzentratorlinse in der Sonne

Laufzeit: Juni 2015 - Juli 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
DLR
Kooperationspartner: National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Schematische Darstellung des VLABS-Messsystems für die Messung in Transmission.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Schematische Darstellung des VLABS-Messsystems wie in Abb. 1, allerdings für eine Messung in Reflexion anstatt Transmission.

© Fraunhofer ISE

Abb. 3: Nahwinkelstreuung an PMMA-Proben, die bis zu 27 Jahre in CPV-Kraftwerken im Einsatz waren, sowie an Referenzproben dazu.

Die konzentrierende Photovoltaik (CPV) verfolgt einen alternativen Ansatz zu herkömmlichen Flachmodulen. Bei photovoltaischen Flachmodulen sammeln großflächige Halbleiter das Sonnenlicht ein und wandeln es direkt in elektrische Energie um. Im Gegensatz dazu verwendet die konzentrierende Photovoltaik nur winzig kleine Solarzellen und überdeckt die große Fläche mit Optiken, die das Licht fokussieren. Diese großflächigen Konzentratoroptiken sind zumeist Fresnellinsen, oft aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Im Photovoltaik-Kraftwerk sind sie der Witterung und intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Wir haben Materialproben von Linsen, die bis zu 27 Jahre im Kraftwerksbetrieb waren, an unserem Messsystem zur hochaufgelösten Analyse der Nahwinkelstreuung (VLABS) untersucht.

In linsenbasierten CPV-Modulen ist die plane Vorderseite der Fresnellinse zugleich die Außenfläche des Moduls. Jahrelange intensive Sonneneinstrahlung im Kraftwerksbetrieb und ungeschützte Bewitterung belasten so das Material der Fresnellinsen. Das NREL hat nun PMMA-Linsen aus unterschiedlichen Kraftwerken nach bis zu 27 Jahren im Betrieb intensiv untersucht. Das Fraunhofer ISE unterstützte diese Untersuchungen mit Messungen an seinem Messsystem zur hochaufgelösten Analyse der Nahwinkelstreuung (Very Low Angle Beam Spread, VLABS).

Die rückseitige Linsenstruktur war für diese Messungen von den PMMA-Linsen abgeschliffen worden, die Vorderseite blieb jedoch unverändert. So standen beidseitig plane Materialproben zur Verfügung. Das VLABS-Messsystem wurde speziell dafür entwickelt, die Strahlaufweitung durch Nahwinkelstreuung bei der Reflexion an Spiegeln und bei der Transmission durch Linsenmaterialien zu untersuchen. Beispielsweise Kratzer, Materialtrübung oder Staub auf der Oberfläche erhöhen diese Strahlaufweitung. Sie können die Effizienz eines konzentrierenden Photovoltaiksystemes erheblich reduzieren. Abb. 1 und Abb. 2 zeigen schematisch den Aufbau des VLABS-Messsystems. Die genaue Kenntnis des CCD-Sensors ermöglicht die präzise Messung der Winkelverteilung des monochromatischen Lichts mit 0.05 mrad (0.0029°) Auflösung und die Absolutmessung der gerichteten Transmission auf 0,5% genau. Weil unterschiedliche Lichtwellenlängen für die Messung zur Verfügung stehen, können bei Bedarf auch spektrale Eigenschaften der Nahwinkelstreuung untersucht werden. Als Beispiel für Messungen zeigt Abb. 3 Messergebnisse für Materialproben aus den Konzentratorlinsen, die bis zu 27 Jahre im Kraftwerksbetrieb waren.

Eine neue, plane Platte aus PMMA demonstriert als Referenzprobe, dass die Lichtstreuung in PMMA prinzipiell sehr gering sein kann. Jedoch streuen bereits die Proben NREL-R-07 und KACST-R-07, die nicht im Kraftwerk verbaut waren, das hindurchtretende Licht sehr viel stärker als die PMMA-Referenzprobe. Zu sehen ist zudem, dass die Lichtstreuung an den in den Kraftwerken eingesetzten Materialien ab etwa 20 Jahren Betrieb zunimmt. Diese winkelaufgelösten Verteilungen der Nahwinkelstreuung können beispielsweise in Computersimulationen genutzt werden, um die Auswirkungen auf den Stromertrag eines CPV-Systems vorherzusagen. Was für Material oder Oberflächendefekte die Lichtstreuung physikalisch verursachen, lässt sich nicht allein aus diesen Messungen ermitteln. Die Messergebnisse vom Fraunhofer ISE werden daher als Teil der umfangreichen Untersuchung der Linsenmaterialien am NREL im Gesamtkontext interpretiert. Wir danken David Miller vom NREL für die Bereitstellung der Proben.