OPTOWIND – Optisch versorgte Sensornetzwerke für die Windkraftenergie

Photovoltaische Zellen für die optische Leistungsübertragung

Laufzeit: Juli 2012 - Oktober 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Institut für Technik der Informationsverarbeitung ITIV;
Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Institut für Photonik und Quantenelektronik IPQ; 
Bosch Rexroth
Webseite: https://www.itiv.kit.edu/optowind/
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE
Schema eines Power-by-Light Systems zur optischen Energieübertragung.
© Fraunhofer ISE
Photovoltaische Zellen aus GaAs zur Umwandlung von monochromatischem Licht im Bereich von 800-850 nm.
© Fraunhofer ISE
Drahtbonder zur elektrischen Kontaktierung der Photovoltaik-Zelle auf dem Bauteilträger.

Im Projekt »Optowind« wird ein optisch versorgtes Sensorsystem zur Zustandsüberwachung und -bewertung der Rotorblätter von Windenergieanlagen entwickelt. Konventionelle Systeme dieser Art sind aufgrund der eingesetzten Kupferleitungen sehr anfällig gegenüber Blitzschlag und zudem im Sensordesign eingeschränkt. Daher wurde ein optisch versorgtes Sensorsystem entwickelt, das eine inhärente galvanische Trennung bietet und damit Stör- und Blitzsicherheit gewährleistet; zudem kann die Sensoreinheit bis in der Rotorblattspitze montiert werden. Zur optischen Leistungsversorgung wird Energie dabei in Form von monochromatischem Licht von der in der Nabe befindlichen Basisstation über einen Lichtleiter zur Sensoreinheit geleitet. Dort wird es mit Hilfe eines am Fraunhofer ISE entwickelten photovoltaischen Konverters hocheffizient in elektrische Leistung gewandelt (Abb. 1).

Photovoltaische Zellen aus III-V Halbleitern können monochromatisches Licht sehr effizient in elektrische Energie umwandeln. Mit Galliumarsenid (GaAs) basierten Photovoltaikzellen, ­ was für Wellenlängen im Bereich 800-850 nm ein sehr gutes Absorbermaterial darstellt, ­ wurden am Fraunhofer ISE sehr hohe Wirkungsgrade bis 57,4 % erreicht. Allerdings liefern Zellen mit herkömmlichen Zelldesigns einstrahlungsabhängig Ausgangsspannungen von nur etwa 1.0-1.2 V. Dies ist für die elektrische Versorgung der Sensoreinheit nicht ausreichend.

Im Projekt »Optowind« haben wir daher Photovoltaikzellen mit erhöhter Ausgangsspannung entwickelt und für die im System vorliegenden Bedingungen optimiert. Dazu werden auf Bauteilebene zwei Photovoltaikzellen seriell verschaltet (Abb. 2), wodurch sich die Ausgangsspannung auf 2.0-2.4 V verdoppelt. Zudem haben wir die Vorderseitenmetallisierung optimiert.

Um die Dämpfung in der optischen Faser zu reduzieren, sind auch höhere Wellenlängen interessant. Für den photovoltaischen Konverter werden dazu andere Absorbermaterialen benötigt. Der Schlüssel für hohe Wirkungsgrade liegt dabei in der Abstimmung der Bandlücke des Absorbermaterials der Photovoltaikzelle auf die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Im Projekt »Optowind« wurden photovoltaische Zellen aus dem ternären III-V Verbindungshalbleiter Galliumindiumarsenid (GaInAs) realisiert, die Licht von Lasern mit einer Wellenlänge von 980 nm effizient umwandeln können. Dazu haben wir eine spezielle, sogenannte metamorphe Pufferstruktur entwickelt, welche die unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen Substrat und photoaktivem Absorber ausgleicht, was für die Realisierung hoher Materialqualität von entscheidender Bedeutung ist. Mit der Produktion einer Serie von 400 Zellen auf Standard-Bauteilträgern der Optoelektronik (Abb. 3) konnten wir die Serienreife der von uns entwickelten Technologie erfolgreich demonstrieren.