Hans-Eggenberger-Preis 2014 für innovative Solartechnologie

Thomas Cooper, der heute als promovierter Forscher im «Renewable Energy Carriers»-Labor von Professor 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.

Pneumatische Linienkonstruktion

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 40 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.

Bahnbrechender Sekundärkonzentrator

Hier kommt Thomas Coopers zweite bahnbrechende 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 (SUPSI) 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 Solarenergie spezialisiert ist. An dessen Unternehmenssitz in Biasca (TI) baute die Kollaboration ein Prototyp des Systems in Originalgrösse auf. Beim ersten Test erreichte sie das höchste je für Parabolrinnen-Konzentratoren gemessene Sonnenkonzentrationsverhältnis. Ausserdem massen die Forscher einen maximalen «Solar-zu-Gleichstrom»-Wirkungsgrad von 20,2 Prozent – Weltrekord für eine derartige Konstruktion.

Option für entlegene Ecken der Erde

In diesem multidisziplinären 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 gewährleistet höchste Festigkeit, einen ausgezeichneten Windwiderstand und eine lange Lebensdauer. Ausserdem sind die für diese Bauweise nötigen Ressourcen auch in abgelegenen Gebieten von Entwicklungsländern vorhanden. Dadurch könnten lokale Arbeitskräfte 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 Polymermembran gefertigt. Diese Membran ist nicht einmal ein Zehntelmillimeter 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 kostengünstigeren Strukturen dar, die grosse Flächen bedecken und damit hohe elektrische Leistungen generieren können. Schliesslich eröffnet die in Thomas Coopers preisgekrönter Arbeit präsentierte Bauweise zusammen mit den vorgestellten Methoden neue Möglichkeiten für kostengünstige konzentrierende Sonnenkollektoren mit hohem Wirkungsgrad. Dadurch erweitert sich das mögliche Anwendungsfeld für diese Kollektoren.