Hans-Eggenberger-Preis 2014 für innovative Solartechnologie

Thomas Cooper, der heute als promovierter Forscher im ?Renewable Energy Carriers?-Labor von Professor Aldo Steinfeld t?tig 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 b¨¹ndeln, bevor es auf Solarzellen trifft. Durch die mehr als 500-fache Konzentration der Sonneneinstrahlung braucht es f¨¹r 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 f¨¹r CPV. Sie sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Bauweise allerdings teuer. Um kosteng¨¹nstig und wettbewerbsf?hig zu bleiben, muss das Material f¨¹r Solarkonzentratoren so billig wie m?glich sein.

Pneumatische Linienkonstruktion

Genau hier setzt die erste wichtige Innovation an: ein neuartiger Spiegel aus d¨¹nner Polymerfolie, die pr?zise aufgeblasen werden kann. Dadurch entsteht die Form von vier tangential verbundenen Kreisb?gen. 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 f¨¹r die Solarzellen und die elektronischen Komponenten.

Der Grad der Solarkonzentration ist ein bedeutender Parameter f¨¹r die Bauweise des Systems. Um Triple-Junction-Solarzellen einsetzen zu k?nnen, deren Wirkungsgrad heute bei ¨¹ber 40 Prozent liegt, ist eine mehr als 500-fache Konzentration von Sonnenlicht n?tig. Fr¨¹her waren solch hohe Konzentrationen nur mit dreidimensionalen Spiegelsystemen m?glich, die das Licht auf einen Brennpunkt konzentrierten. Das Problem von billigeren und robusteren liniensymmetrischen Spiegelsystemen war, dass sie die Sonnenstrahlung theoretisch h?chstens 200-fach konzentrieren k?nnen.

Bahnbrechender Sekund?rkonzentrator

Hier kommt Thomas Coopers zweite bahnbrechende Innovation ins Spiel: ein neuartiger Sekund?rkonzentrator, der die Konzentration in einem liniensymmetrischen System auf mehr als das 500-fache steigern kann. Diesen Sekund?rkonzentrator optimierte Cooper speziell f¨¹r die Kombination mit dem pneumatischen Prim?rspiegel.

Aldo Steinfelds Labor f¨¹hrte diese Forschungsarbeiten in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Unternehmen Airlight Energy und der Fachhochschule der Italienischen Schweiz (SUPSI) durch. Finanziert wurde das Projekt durch die Kommission f¨¹r Technologie und Innovation (KTI). Airlight Energy ist ein Cleantech-Anbieter, der auf neuartige L?sungen im Bereich Solarenergie spezialisiert ist. An dessen Unternehmenssitz in Biasca (TI) baute die Kollaboration ein Prototyp des Systems in Originalgr?sse auf. Beim ersten Test erreichte sie das h?chste je f¨¹r Parabolrinnen-Konzentratoren gemessene Sonnenkonzentrationsverh?ltnis. Ausserdem massen die Forscher einen maximalen ?Solar-zu-Gleichstrom?-Wirkungsgrad von 20,2 Prozent ¨C Weltrekord f¨¹r eine derartige Konstruktion.

Option f¨¹r entlegene Ecken der Erde

In diesem multidisziplin?ren Projekt kamen Erkenntnisse aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik und dem Bauwesen zum Einsatz, um das System stabil zu bauen. Die neuartige Konstruktion auf Grundlage eines Gussbetonrahmens gew?hrleistet h?chste Festigkeit, einen ausgezeichneten Windwiderstand und eine lange Lebensdauer. Ausserdem sind die f¨¹r diese Bauweise n?tigen Ressourcen auch in abgelegenen Gebieten von Entwicklungsl?ndern vorhanden. Dadurch k?nnten lokale Arbeitskr?fte einen Grossteil der Konstruktion vor Ort aufbauen.

Die Spiegel, die das Gewicht und die Kosten bei einem konventionellen System stark beeinflussen, sind aus einer hauchd¨¹nnen Polymermembran gefertigt. Diese Membran ist nicht einmal ein Zehntelmillimeter dick und l?sst 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 kosteng¨¹nstigeren Strukturen dar, die grosse Fl?chen bedecken und damit hohe elektrische Leistungen generieren k?nnen. Schliesslich er?ffnet die in Thomas Coopers preisgekr?nter Arbeit pr?sentierte Bauweise zusammen mit den vorgestellten Methoden neue M?glichkeiten f¨¹r kosteng¨¹nstige konzentrierende Sonnenkollektoren mit hohem Wirkungsgrad. Dadurch erweitert sich das m?gliche Anwendungsfeld f¨¹r diese Kollektoren.