Eggen­berger-Preis für inno­va­tive Solar­techno­logie

Test mit einem Prototypen in Originalgröße: Konzentriertes Sonnenlicht trifft auf eine Reihe aus zehn Sekundärkonzentratoren auf, die das Licht gebündelt zu Hochleistungssolarzellen leiten. (Bild: Airlight Energy)

Test mit einem Prototypen in Originalgröße: Konzentriertes Sonnenlicht trifft auf eine Reihe aus zehn Sekundär­konzentratoren auf, die das Licht gebündelt zu Hochleistungs­solarzellen leiten. (Bild: Airlight Energy)

Thomas Cooper entwickelte in seiner Doktorarbeit ein Solarstrom-System von kostengünstigen Parabol­rinnen-Kollektoren, die mit Hoch­leistungs­solarzellen gekoppelt sind. Dafür erhielt er den mit 10.000 Franken dotierten Hans-Eggenberger-Preis 2014. Der Maschinenbau­ingenieur, der heute im „Renewable Energy Carriers“-Labor von Aldo Steinfeld tätig ist, begann 2010 seine Doktor­arbeit in eben diesem Labor. Seither wurden dank seiner Forschung Technologien entwickelt, die die Effizienz der Solar­energie deutlich steigern, die Kosten jedoch signifikant senken kann.

Bei dem als konzentrierende Photovoltaik (CPV) bekannten Prinzip kommen Spiegel zum Einsatz, die sich nach dem Sonnenstand ausrichten und das Sonnenlicht bündeln, bevor es auf Solarzellen trifft. Durch die mehr als 500-fache Konzentration der Sonnen­einstrahlung braucht es für die Produktion der gleichen Strom­menge eine deutlich geringere Menge an Photo­voltaik­zellen. Außerdem kann die Solarzelle mit konzentriertem Licht viel effizienter arbeiten.

Um Sonnenlicht zu konzentrieren, reichen konventionelle Spiegel nicht aus. Bislang galten rotations­symmetrische Parabolspiegel als Idealform für CPV. Sie sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Bauweise allerdings teuer. Um kosten­günstig und wettbewerbs­fähig zu bleiben, muss das Material für Solar­konzentra­toren so billig wie möglich sein.

Genau hier setzt die erste wichtige Innovation an: ein neuartiger Spiegel aus dünner Polymerfolie, die präzise aufgeblasen werden kann. Dadurch entsteht die Form von vier tangential verbundenen Kreisbögen. Diese Form kann zudem so gestaltet werden, dass die gleiche Leistung wie mit einem Parabol­spiegel erreicht wird. Neben den hervorragenden optischen Eigen­schaften bietet der pneumatische Spiegel einen eingebauten Ballon als Schutz für die Solar­zellen und die elektronischen Komponenten.

Der Grad der Solarkonzentration ist ein bedeutender Parameter für die Bauweise des Systems. Um Triple-Junction-Solar­zellen einsetzen zu können, deren Wirkungsgrad heute bei über vierzig Prozent liegt, ist eine mehr als 500-fache Konzentration von Sonnen­licht nötig. Früher waren solch hohe Konzentrationen nur mit dreidimen­sionalen Spiegel­systemen möglich, die das Licht auf einen Brennpunkt konzentrierten. Das Problem von billigeren und robusteren linien­symme­trischen Spiegel­systemen war, dass sie die Sonnens­trahlung theoretisch höchstens 200-fach konzentrieren können.

Hier kommt Coopers zweite Innovation ins Spiel: ein neuartiger Sekundär­konzentrator, der die Konzentration in einem linien­symmetrischen System auf mehr als das 500-fache steigern kann. Diesen Sekundär­konzentrator optimierte Cooper speziell für die Kombination mit dem pneumatischen Primär­spiegel.

Aldo Steinfelds Labor führte diese Forschungsarbeiten in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Unternehmen Airlight Energy und der Fachhoch­schule der Italienischen Schweiz durch. Finanziert wurde das Projekt durch die Kommission für Technologie und Innovation KTI. Airlight Energy ist ein Cleantech-Anbieter, der auf neuartige Lösungen im Bereich SolarSUPSIenergie spezialisiert ist. An dessen UnternehSUPSImenssitz in Biasca (TI) baute die Kollaboration ein Prototyp des Systems in OriginalSUPSIgröße auf. Beim ersten Test erreichte sie das höchste je für Parabolrinnen-KonzenSUPSItratoren gemessene SonnenSUPSIkonzentrationsSUPSIverhältnis. Außerdem maßen die Forscher einen maximalen Solar-zu-Gleichstrom-Wirkungsgrad von 20,2 Prozent – Weltrekord für eine derartige Konstruktion.

In diesem multidisziplinären Projekt kamen Erkenntnisse aus dem Maschinenbau, der ElektroSUPSItechnik und dem Bauwesen zum Einsatz, um das System stabil zu bauen. Die neuartige Konstruktion auf Grundlage eines GussbetonSUPSIrahmens gewährleistet höchste Festigkeit, einen ausgezeichneten WindSUPSIwiderSUPSIstand und eine lange Lebensdauer. Außerdem sind die für diese Bauweise nötigen Ressourcen auch in abgelegenen Gebieten von EntwicklungsSUPSIländern vorhanden. Dadurch könnten lokale ArbeitsSUPSIkräfte einen Großteil der Konstruktion vor Ort aufbauen.

Die Spiegel, die das Gewicht und die Kosten bei einem konventionellen System stark beeinflussen, sind aus einer hauchdünnen PolymerSUPSImembran gefertigt. Diese Membran ist nicht einmal ein ZehntelSUPSImillimeter dick und lässt sich in Rollenform transportieren. Auch dies ist in abgelegenen Regionen ein Vorteil. Die Solarzellen selbst sind mehr als 500-mal kleiner als entsprechende Zellen eines konventionellen Systems, bieten aber die gleiche Leistung bei einem deutlich niedrigeren Materialeinsatz.

Die Bauweise stellt innerhalb der Sonnenkollektoren einen Paradigmenwechsel hin zu kostenSUPSIgünstigeren Strukturen dar, die große Flächen bedecken und damit hohe elektrische Leistungen generieren können. Schließlich eröffnet die in Coopers preisgekrönter Arbeit präsentierte Bauweise zusammen mit den vorgestellten Methoden neue MöglichSUPSIkeiten für kostenSUPSIgünstige konzenSUPSItrierende SonnenSUPSIkollektoren mit hohem Wirkungsgrad. Dadurch erweitert sich das mögliche Anwendungsfeld für diese Kollektoren. (Quelle: ETHZ)

Link: Lst. Erneuerbare Energieträger (A. Steinfeld), Institut für Energietechnik, Dept. Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Eidgenössische Technische Hochschule ZürichHans-Eggenberger-Stiftung, Zürich

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