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Konzentrierende Photovoltaik

Kugellinse bietet optischen Tracker

Forschungen in Barcelona haben ergeben, dass kugelförmige Linsen die Lichtausbeute von konzentrierenden Photovoltaikmodulen stark erhöhen. Vor allem bei diffusem Licht sind sie gegenüber Fresnellinsen deutlich im Vorteil.

 - Prototyp des neuen Solarmoduls mit Kugellinsen und III-V-Halbleitern als Zellen.
Prototyp des neuen Solarmoduls mit Kugellinsen und III-V-Halbleitern als Zellen.
Rawlemon

Kugellinsen verdoppeln die Solarerträge aus konzentrierenden Systemen. Das eröffnet neue Anwendungen in der Technik und in der Architektur. Nach anderthalb Jahren intensiver Forschung hat die deutsch-spanische Firma Rawlemon aus Barcelona nun erste Ergebnisse vorgelegt. Aufgrund der Kugellinse braucht die Solarzelle keine aufwändige Nachführung mehr. Denn die Geometrie der Kugel wirkt wie ein optischer Tracker. Auch wird diffuses Licht außerordentlich gut konzentriert. Die geringe Bautiefe des Moduls ermöglicht den Einsatz in Solarfassaden.

Komplexe Geometrie und aufwändige Simulation

Obwohl die klassische Linsenoptik als erforscht gilt, stellt die Kugellinse eine Ausnahme dar. Grund hierfür ist die geometrische Komplexität als auch der hohe numerische Aufwand bei der Berechnung oder Simulation der Lichtwellen. Einfallendes Sonnenlicht wandert 365 Tage lang über die Oberfläche der Kugel und bildet in axialer Symmetrie auf der gegenüberliegenden Seite einen in der Brennweite konstanten Brennpunkt ab. Simuliert man die Jahreslaufbahnen der Sonne und der Brennpunktebene, entsteht eine Fläche, die ungefähr der Viertelschale einer Kugel entspricht. Diese Anordnung erlaubt es im Gegensatz zu allen anderen Systemen, den Energiewandler von der Optik zu entkoppeln. Die zweiachsige Nachführung bekannter Fresnelsysteme entfällt.

Zweiachsige Nachführung entfällt

Der Kostenanteil einer zweiachsigen Nachführung am Gesamtsystem liegt bei etwa 40 Prozent. Auch der hohe Wartungsaufwand ist ein nicht unwesentlicher Kostenpunkt. Denn die Konzentratormodule müssen genau senkrecht zur Sonne stehen, um optimale Erträge zu liefern. Deshalb brauchen sie heiße und trockene Standorte, mit möglichst hoher direkter Sonneneinstrahlung und wenig Staub in der Luft. Die Kugel hingegen kann auch indirekte Einstrahlung auffangen und auf die Solarzelle bündeln. Der durchschnittliche gemessene Zugewinn der eingehenden Strahlung liegt bei 400 Prozent. Im direkten Vergleich schafft die Fresnellinse lediglich 20 Prozent Zugewinn. Die von Rawlemon eingesetzten Mehrfachstapelzellen von Azur Space Solar Power in Heilbronn reagierten bei diffuser Strahlung effizient. Immerhin erreichten sie einen Wirkungsgrad von 24 Prozent. Im groben Durchschnitt beziffern die Meteorologen den Anteil der diffusen Lichtsituation an der Globalstrahlung in Deutschland mit 50 Prozent jährlich. Die Kugellinse hat von allen konventionellen Linsen die kürzeste Brennweite. Das erklärt ihre hohe Strahlungsausbeute.

Umfangreiche Testreihen

Statisch gesehen ist die Kugel unverwüstlich, nimmt sie doch den Druck auf, ohne durchzubiegen. Rawlemon hat auch die optischen Eigenschaften der Linsen analysiert: Reflexion, Transmission und Absorption des Sonnenlichts. Diese Effekte wurden an Vergleichslinsen aus Mineralglas, Acrylbrenngläser, PVC-Fresnelfolien, Acryl-Fresnellinsen und die Acryl-Fresnellinse mit vierfacher Vergrößerung getestet. Die getesteten Kugellinsen aus Vollglas hatten Durchmesser von 50, 60, 80, 100, 120 und 200 Millimetern. Die Kugellinsen mit Wasserfüllung maßen 50, 80, 120, 160, 500 und 1.000 Millimeter im Durchmesser. Alle Tests liefen bei natürlicher Sonneneinstrahlung in Barcelona. Eine Messstation mit sechs Linearachsen und hoher Präzision zum direkten Vergleich wurde aufgebaut. (Heiko Schwarzburger)

Die Ergebnisse lesen Sie im Dezemberheft der Fachzeitschrift ERNEUERBARE ENERGIEN, die am 3. Dezember 2012 erscheint.