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Verbesserungspotentiale für Silikonoptiken in der konzentrierenden Photovoltaik

 
: Jakob, Peter
: Reinecke, Holger; Glunz, Stefan W.; Nitz, Peter Markus

:

Freiburg, 2018, VII, 186 pp.
Freiburg, Univ., Diss., 2018
URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-169404
German
Dissertation
Fraunhofer ISE ()

Abstract
Bei der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) wird im Vergleich zur konventionellen PV-Technologie die einfallende Sonnenstrahlung durch eine Sammeloptik auf eine sehr viel kleinere Solarzellenfläche konzentriert, um einerseits den elektrischen Wirkungsgrad zu steigern sowie Kosten für Solarzellen zu sparen. In dem in der vorliegenden Arbeit betrachteten Fall wird als Sammeloptik eine lichtbrechende, segmentierte Fresnellinse eingesetzt, die aus dem Silikon Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt ist. Dieses Polymer wird auf einen Glasträger aufgebracht (engl.: silicone-on-glass, SOG), um der Fresnellinse Stabilität und Schutz zu bieten. Verbesserungspotentiale dieser Optik werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Der wissenschaftliche Fortschritt umfasst erstens eine kritische Auseinandersetzung mit der Wahl des Materials PDMS für Konzentratoroptiken in der CPV. Ohne zeitliche Extrapolation ist es im Experiment möglich, zu erwartende hohe UV-A-Belastungen eines jahrzehntelangen Betriebs einer CPV-Anwendung innerhalb kürzester Zeit im Labor mittels Laserstrahlung zu erzielen. Aufgrund der viel versprechenden Haltbarkeit der Proben kann PDMS weiterhin als geeignetes Material für CPV-Anwendungen empfohlen werden. Jedoch zeigt eine Simulationsstudie, dass diese Empfehlung nicht uneingeschränkt gilt: Für massive Sekundärkonzentratoren in Kombination mit neuester Solarzellentechnologie mit vier Bandlücken scheint dieses Material aufgrund spezifischer Absorptionen sehr wahrscheinlich ungeeignet zu sein. Einen zweiten zentralen Beitrag zum wissenschaftlichen Fortschritt leistet diese Arbeit durch die Modellierung der Fresnellinse als zentrales Bauteil einer möglichen CPV-Anwendung. Die durch Dritte veröffentlichte Arbeit zu Beugungsverlusten an Kanten der Fresnelstruktur kann dabei in wesentlichen Punkten ergänzt werden, indem die Beugungsverluste an der rauen Linsenoberfläche aus PDMS analysiert werden. Mit dieser Modellerweiterung wird die Auslegung einer Fresnellinsengeometrie im Detail diskutiert und optimale Geometrien im simulierten Betrieb untersucht. Die umfassende, forschungs-aktuelle Simulationsmethodik und anschließende Interpretation ermöglicht an dieser Stelle, die zukünftige Auslegung verschiedener Fresnellinsen für CPV-Anwendungen entscheidend zu erleichtern. Weiter kann der Stand der Technik zum thermischen Verhalten der SOG-Technolgie um die Beschreibung der Effekte durch Deformation und Lageänderung der Entformungsschrägen einer Fresnellinse ergänzt werden. Drittens basierte die Qualitätssicherung von Fresnellinsen bislang beinahe ausschließlich auf einer Funktionsüberprüfung der Optik, bei der die Verteilung der Bestrahlungsstärke am Ort der Solarzelle charakterisiert wird. Damit kann nur indirekt auf lokale Oberflächenfehler der Linse geschlossen werden. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals gezeigt, wie die komplexen Oberflächenstrukturen von Fresnellinsenwerkzeugen mittels Deflektometrie kontaktlos analysiert werden können. Zentrale Beiträge dieser Arbeit zum wissenschaftlichen Fortschritt bestehen dabei nicht nur in der eigentlichen Auswerteroutine für die Vermessung von Proben mit unstetigen Oberflächensteigungen, sondern insbesondere auch in einer umfassenden Fehlerbetrachtung und Auseinandersetzung mit der geometrischen Kalibrierung des deflektrometrischen Aufbaus als Quelle des wichtigsten systematischen Fehlers einer deflektometrischen Messung. Mit dieser Untersuchung wird zusammenfassend demonstriert, dass die Qualitätssicherung früh im Produktionsprozess von Fresnellinsen (und anderen Gießbauteilen) möglich ist.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-531296.html