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Breakthrough high performance cost competitive solar concentration system for combined heat and power generation

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Brandaktuelle Technologie konzentriert einen größeren Teil der Sonnenenergie auf Photovoltaikmodule

Hybride hochkonzentrierende thermische Photovoltaiksysteme gehören zu den vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen. Durch ein patentiertes Optikdesign, das verspricht, Wärme und Strom zu geringeren Kosten effizienter zu liefern, erhielt die Technologie einen neuen Aufschwung.

Industrielle Technologien
Energie

Ungefähr 50 % des Energieverbrauchs in der EU gehen auf Heizung und Kühlung von Gebäuden und die Industrie zurück, die selbst 2018 noch größtenteils auf fossile Brennstoffe angewiesen waren, trotz des zunehmenden Interesses an erneuerbaren Energiequellen. Solartechnologien zur Nutzung der praktisch unbegrenzten Energieversorgung der Sonne spielen eine entscheidende Rolle bei der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, und damit auch bei der Minderung der Auswirkungen menschlicher Handlungen auf den weltweiten Klimawandel. Das EU-finanzierte Projekt FOCALSTREAM konzentrierte sich auf die Optimierung einer Konfiguration, die auch bisher bereits zu den besten zählte, und die Patentierung der Technologie im Verlauf der Projektlaufzeit. Gleichzeitig wurde das Interesse internationaler Interessengruppen geweckt.

Die Hitze aufdrehen

Herkömmliche Photovoltaikmodule (PV) weisen relativ niedrige Wirkungsgrade auf, weshalb viel Wärmeenergie verschwendet wird. Hybride hochkonzentrierende thermische Photovoltaiksysteme geben Photovoltaikmodulen in zweierlei Hinsicht einen Schub. Zum einen versorgen Sonnenkollektoren die Photovoltaikzellen mit konzentriertem Licht. Die dahinter stehende Optik ist dabei die gleiche, wie bei einem Kind, das mithilfe eines Spiegels ein Stück Papier mit Sonnenlicht in Brandt setzt. Konzentrierende Photovoltaikmodule benötigen daher weniger Material und Platz. Außerdem werden kostspielige Photovoltaikmaterialien hier durch kostengünstige Spiegel ersetzt. Zum anderen erfordern hocheffiziente Mehrfachphotovoltaikzellen eine aktive Kühlung zur Vorbeugung von Schäden. Die dabei gewonnene Wärme kann zur Erwärmung von Warmwasser oder zur Klimatisierung genutzt werden.

Herausforderungen bieten Chancen

Die Entwicklung des hochkonzentrierenden thermischen Photovoltaiksystems unter FOCALSTREAM wurde durch eine Reihe von Hindernissen gebremst. So gab es Verzögerungen aufgrund der schlechten Verfügbarkeit von Mehrfachzellen und DBC-Leistungsmodulen (Direct Bonded Copper). Dann stellten die Forschenden fest, dass dicht aneinandergereihte Zellen mit Schweißverbindungen nicht mehr hergestellt werden und ein völlig neues Design erforderlich war. Projektkoordinator Ugo Manfredi erklärt: „Während des Projekts haben wir ein weiteres FOCALSTREAM-System entworfen, bei dem Standardzellen anstelle von dicht aneinandergereihten Mehrfachzellen verwendet wurden. Darüber hinaus haben wir die inzwischen patentierte ‚PCC-Optik‘ (parabolic cline collector) erfunden, die das Licht in einem gleichmäßigen Strahl mehr als fünfhundert Mal konzentriert. Dank kleinerer Spiegel und einer kurzen Brennweite werden wir die Leistung durch Systeme verbessern, die auch einfacher und kostengünstiger herzustellen sind.“ Manfredi erklärt weiter dazu: „Die derzeit besten Silizium-Photovoltaikmodule auf dem Markt haben bei Elektromodulen einen Wirkungsgrad von 22 %. Der FOCALSTREAM-Prototyp mit handgefertigten Spiegeln mit langer Brennweite erzielte einen elektrischen Systemwirkungsgrad von mehr als 25 %. Das kommerzielle FOCALSTREAM-System mit präziseren Spiegeln mit kurzer Brennweite wird einen Modulwirkungsgrad von 40 % und einen Systemwirkungsgrad von 33 % erreichen, wobei 82 % der einfallenden Sonnenenergie genutzt werden.“

Das internationale Patent mit internationalem Interesse verbinden

Das patentierte hochkonzentrierende thermische Photovoltaiksystem mit kurzer Brennweite ist leicht und dennoch leistungsstark und wird eine hervorragende Option für Dächer und städtische Anwendungen bieten. FOCALSTREAM zeigt insbesondere Interesse an Energiedienstleistern und Energieversorgern. In diesem Sinne wurde das Patent im Rahmen des Vertrags über die Internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet des Patentwesens auf China, die EU, Indien, Italien und die Vereinigten Staaten erweitert. Die EU-finanzierte hochkonzentrierende thermische Photovoltaiktechnologie von FOCALSTREAM wird einen weltweiten Beitrag zur Bewältigung einer der größten globalen Herausforderungen unserer Zeit leisten. Manfredi fasst zusammen: „Wir sind stolz auf unsere Widerstandskraft und Fähigkeit, radikale Veränderungen einzuführen, um Herausforderungen zu meistern und sich den Marktanforderungen anzupassen. Das System mit kurzer Brennweite von FOCALSTREAM trug maßgeblich dazu bei, die Aufmerksamkeit von Energieversorgern und Investoren zu gewinnen. Wir sind derzeit auf der Suche nach Startkapital, um die zur Realisierung der verbesserten FOCALSTREAM-Version mit kurzer Brennweite erforderlichen finanziellen Mittel zu beschaffen. Eine europaweite Interessengruppe im Stromsektor und Energieversorger sind ebenso interessiert wie mehrere Wissenschafts- und Forschungsorganisationen.“

Schlüsselbegriffe

FOCALSTREAM, Photovoltaik (PV), Energie, Patent, hochkonzentrierende thermische Photovoltaik, Wärme, Licht, Kühlung, Solar-, Energieversorger, thermisch, Photovoltaikmodul, Photovoltaikzelle, Mehrfachzelle, hybrid

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