Ko-Generation von Wärme- und elektrischer Energie
In dieser Arbeit werden konzentrierende photovoltaisch-thermische (engl. „concentrating photovoltaic and thermal“, CPVT) Systeme untersucht. Solche CPVT-Systeme kombinieren Photovoltaik und Solarthermie mit Konzentratortechnologie zur Kogeneration von Elektrizität und Wärme. Durch die Nutzung sowohl der photovoltaisch erzeugten Leistung als auch der erzeugten Wärme erreichen CPVT-Systeme solare Wandlungswirkungsgrade von 75%.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte der CPVT-Technologie wissenschaftlich untersucht. Dabei wurden sowohl theoretische als auch experimentelle Ansätze verfolgt. Die folgende Aufzählung fasst die zentralen Inhalte dieser Arbeit zusammen:
• Das Verständnis der Leistungscharakteristik einzelner Teilzellen der gitterangepassten Dreifach-Solarzelle im Betrieb bei hoher Temperatur und hoher Einstrahlung wurde vertieft. Umfassende experimentelle Untersuchungen wurden durchgeführt und mit Hilfe eines theoretischen Solarzellmodells ausgewertet. Bei Hochtemperaturbetrieb wird die Leistung einer Zweifach-Solarzellstruktur vergleichbar mit der untersuchten Dreifach-Struktur.
• Eine Solarzellarchitektur für den Einsatz in dicht gepackten Modulen bei hoher Temperatur und hoher Einstrahlung wurde entwickelt. Sie kombiniert eine Zweifach-Solarzellstruktur mit dem Konzept monolithisch serienverschalteter Module (engl. „monolithic interconnected modules“, MIMs) mit integrierten Bypass-Dioden. Aufgrund minimaler Flächen¬verluste für die Verschaltung von weniger als 6% wird eine dichte Packung der Solarzellen ermöglicht.
• Ein Flussdichtehomogenisierer auf Basis eines Kaleidoskops wurde untersucht und zur Homogenisierung der Flussdichteverteilung über der Empfängerfläche eines zentralen CPVT-Empfängers eingesetzt. Mit Hilfe einer experimentell validierten Strahlverfolgungssimulation wurden verschiedene Abweichungen vom Ideal auf ihren Einfluss auf die optische Leistungsfähigkeit dieser Sekundäroptik hin analysiert.
• Die Hybridleistung von CPVT-Systemen wurde mit Hilfe eines Energiebilanzmodells untersucht. Die Einflüsse der Betriebstemperatur sowie des Konzentrationsfaktors werden im Detail diskutiert.
• Zusätzlich wurde ein empirisch motiviertes, physikalisches Leistungsmodell entwickelt und experimentell validiert. Auf Basis von ausschließlich Standardmessgrößen ermöglicht dieses eine vollständige Beschreibung der Leistungsfähigkeit über eine lineare Parametrisierung. Die direkte Analogie des Modells zu bestehenden Normen zur Prüfung solarthermischer Kollektoren macht es zu einem idealen Kandidaten zur Erweiterung der relevanten Normen um kombinierte (C)PVT Kollektoren.