Die Kugel als Konzentrator

N ach 20 Jahren Forschung und Entwicklung von solaren Energiewandlern haben die leistungsstärkeren Konzentratorsysteme in der Photovoltaik oder in der solarthermischen Stromerzeugung einen gravierenden Nachteil. Sie brauchen viele Sonnenstunden. Denn diffuse oder indirekte Einstrahlung können sie nicht in Strom umsetzen. Die Kugellinse kann diesen Nachteil überwinden. Nach zwei Jahren intensiver Forschung liegen erste Ergebnisse vor: Das geometrisch durch die Kugel vorgegebene, optische Tracking erlaubt es, auch diffuses oder indirektes Licht (ab etwa 100 Watt pro Quadratmeter Globalstrahlung) außerordentlich gut zu konzentrieren.

Die Idee des optischen Trackings

Durch diese Parameter setzt die Kugellinse als Primärkonzentrator neue Maßstäbe – auch für den Einsatz in Mitteleuropa. Das optische Tracking und die geringe Bautiefe des Moduls ermöglichen erstmals den Einsatz konzentrierender Photovoltaik (CPV) in Fassaden. Obwohl die klassische Optik als erforscht gilt, stellt die Kugellinse eine Ausnahme dar. Grund hierfür ist die geometrische Komplexität als auch der hohe numerische Aufwand bei der Berechnung oder Simulation der Lichtwellen.

Schon 1853 erfanden John Francis Campbell und George Gabriel Stokes den Sonnenscheinschreiber (Autografen), der lange Zeit unter Meteorologen als Standardapparat galt: eine einfache mechanische Apparatur mit einer Kugellinse als Brennglas. War diese einmal installiert, wurde nur ein spezieller Papierstreifen eingelegt. Scheint die Sonne, wird dem Papier eine Markierung eingebrannt. Auf diese Weise entstand ein Messstreifen für die Sonnenscheindauer. Heute wird die Kugellinse in Mikrogröße bei der Lasertechnik als Kuppler eingesetzt. Wie bei allen optischen Linsen wird ihr Brennpunkt relativ einfach ermittelt. Direktes paralleles Licht geht auf einer Seite hinein, wird gebrochen und fällt in axialer Symmetrie als gebündeltes Licht wieder heraus.

Viertelschale für die Zellen

In Zeiten des Sonnenscheinschreibers gab es keine solaren Energiewandler. Betrachtet man den Aufbau eines Autografen, erkennt man sofort, dass die Kugellinse ein optisches Tracking erlaubt. Sie ist ein 360-Grad-Projektor. Einfallendes Sonnenlicht wandert 365 Tage lang über die Oberfläche und bildet in axialer Symmetrie auf der gegenüberliegenden Seite einen in der Brennweite konstanten Brennpunkt ab.

Simuliert man die Jahreslaufbahnen der Sonne und der Brennpunktebene, entsteht eine Fläche, die ungefähr der Viertelschale einer Kugel entspricht. Diese Anordnung erlaubt es im Gegensatz zu allen anderen Systemen, den Energiewandler (Viertelschale) von der Optik zu entkoppeln. Im direkten Vergleich mit den bekannten Sammellinsen oder Fresnellinsen liegt dieser Vorteil auf der Hand: Linsen sind Ausschnitte der Kugel. Um ein Abbild der Sonne präzise zu positionieren, müssen Abbild und Linse lotrecht axial zueinander stehen. Das setzt bei einem bewegten Abbild voraus, dass man diese Linsen (Panel oder Modul) zweiachsig nachführt.

Der Kostenanteil einer zweiachsigen Nachführung am Gesamtsystem liegt bei etwa 40 Prozent. Auch der hohe Wartungsaufwand ist ein nicht unwesentlicher Kostenpunkt. Das wesentliche Leistungsmerkmal für den optimalen Wirkungsgrad bei allen Solarsystemen ist der Sonneneinstrahlungswinkel von 90 Grad. Mit diesem Parameter werden alle Systeme vermessen und zertifiziert. Das erklärt, warum man quasi ein zweiachsig nachgeführtes Photovoltaikpanel erwirbt. Und nicht selten sieht man diese Systeme selbst in Andalusien in waagerechter Position, um sich gegen zu hohe Windstärken zu sichern.

Alleine der Einsatz in Fassaden könnte die Erträge durch das optische Tracking und die neu positionierte zweiachsige Nachführung nahezu verfünffachen (490 Prozent). Dieser Wert bildet sich zum großen Teil aus dem Zugewinn der Fassadenflächen mit Tageslichtanforderung und dem Strahlungszugewinn durch zweiachsige Nachführung. Das derzeit sich in der Entwicklung befindliche Fassadenmodul „Micro Track” reduziert die Zellfläche auf ein Prozent pro Quadratmeter. Es ist nahezu transparent, aber dennoch ertragreicher im Vergleich zu einem opaken Modul (Wirkungsgrad von 18 Prozent). Dabei ist der Zugewinn durch diffuse Lichtkonzentration noch nicht mit eingerechnet.

Konzentration von diffusem Licht

Interessant sind die Eigenschaften der Kugellinse als Konzentrator bei indirektem oder diffusem Licht. Der durchschnittliche gemessene Zugewinn der eingehenden Strahlung durch Konzentration liegt bei 400 Prozent. Im direkten Vergleich schafft die Fresnellinse lediglich 20 Prozent Zugewinn. Entscheidend ist das Durchbrechen des Absorptionskoeffizienten der ersten Zellschicht (Verkapselung/Außenhaut) im unteren Strahlungsbereich, der bei etwa 400 Watt je Quadratmeter liegt.

Durch die Konzentration der Kugellinse wird dieser bereits ab circa 100 Watt pro Quadratmeter (Siliziumdünnschicht) einfallendem Licht durchbrochen. Auch die eingesetzten Mehrfachstapelzellen (III-V-Multi-Junction) von Azur Space Solar Power in Heilbronn reagieren bei diffuser Strahlung ab rund 180 Watt je Quadratmeter effizient und erreichen immerhin einen Wirkungsgrad von 24 Prozent. Wissenschaftlich ist das in der solaren Strahlenoptik eine kleine Sensation.

Tracking am Gebäude

In der wirtschaftlichen Betrachtung birgt dieses Ergebnis aber eine große Chance zur Verbreitung von effizienten Konzentratorsystemen auf Basis der Kugellinse. Im groben Durchschnitt messen die Meteorologen in Deutschland den Anteil der diffusen Lichtsituation an der Globalstrahlung mit 50 Prozent jährlich. Der Jahresanteil der Globalstrahlung unter 100 Watt pro Quadratmeter beträgt fünf bis zehn Prozent. Die verbleibenden 45 Prozent lassen sich effizient nutzen und könnten nach ersten Simulationen den Jahresertrag um weitere 25 Prozent steigern.

Erklären lässt sich dieser Effekt relativ einfach: Je größer die Brennweite zwischen Konzentrator (Linse oder Spiegel) und Energiewandler, desto mehr streut und löst sich das Licht (Strahlenfeld) in alle Richtungen auf. Speziell bei den Modulen mit optischen Linsen müsste man eine dritte Achse einbringen, die die dahinterliegende Zelle bei diffuser Strahlung näher an die Linse fährt. Selbst dann bekäme die Zelle nur geringfügig konzentriertes Licht (rund 20 Prozent Zugewinn). Aufwand und Ertrag stünden in keinem wirtschaftlichen Verhältnis. Die Kugellinse hat von allen konventionellen Linsen die kürzeste Brennweite. Das erklärt hauptsächlich ihre hohe Strahlungsausbeute. Inwieweit und in welcher Höhe Reflexionen und Light Trapping die Ausbeute beeinflussen, muss näher untersucht werden. Reflexionen werden über den Albedo-Faktor definiert.

Neben den gängigen Untersuchungen zur Performance der Kugellinse liegt der entscheidende Schlüssel eines solaren Energiewandlers in den Systemkosten (Balance of System: BOS). Bedenkt man, dass die konzentrierende Photovoltaik doppelt so hohe Effizienz wie herkömmliche Module erzielen kann, sind diese Solarmodule zur Anwendung in die Wüste verbannt.

Denn die Verluste der herkömmlichen Module bei der Gebäudeintegration sind zu hoch. Bekannte Trackingsysteme zu integrieren, ist aus mehreren Gründen wenig sinnvoll. Der Großteil unserer Architektenkollegen ist wenig aufgeschlossen, wenn es um gebäudeintegrierte Photovoltaik geht. Das ist verständlich. Denn Design, Kosten, Transparenz und Wirtschaftlichkeit sind nicht ausgeglichen. Um akzeptable Systemkosten zu erreichen, bedarf es viel technischen Grundwissens und neuer Konzepte.

Die folgenden Abschnitte kennzeichnen die hauptsächlichen Grundbedingungen, die wir untersucht haben.

In einer frühen Analyse eines renommierten deutschen Ingenieurbüros wurden Kugellinsen simuliert. Dabei kam heraus, dass man die Reflexionsverluste auf der Kugeloberfläche vernachlässigen kann. Glatte Glasoberflächen werfen das Sonnenlicht zurück und verursachen in der Photovoltaik erhebliche Einbußen. Ist der Einfallswinkel zu spitz oder zu stumpf, wird die Lichtstrahlung zu großen Teilen reflektiert, denn dann wirkt die Totalreflexion. Die darunterliegende Halbleiterschicht wird nur schwach erreicht. In unseren Breitengraden summieren sich die Jahresverluste auf bis zu 40 Prozent bei optimaler Ausrichtung im Dach und ohne Tracker.

In der senkrechten Fassade sind weitere 40 bis 50 Prozent Reflexionsverluste während des Tageslaufs der Sonne abzuziehen. Die Tracker helfen diesem Problem ab, indem sie die Solarmodule möglichst senkrecht zur Sonne ausrichten. Neuartige Glasoberflächenstrukturen wie kleine Pyramiden oder selektive Filter können die Verluste zwar reduzieren (bis zu acht Prozent), aber keineswegs eliminieren.

Gläser wirken als Sunblocker

Wünschenswert wäre eine Geometrie oder Struktur, die unabhängig von der Neigungslage der Halbleiter funktioniert. Mathematisch gesehen, ist das beispielsweise bei der Pyramidenstruktur auszuschließen. Eine weitere Faustregel besagt, dass rund vier Prozent Verlust beim Eintritt und weitere vier Prozent beim Austritt des Lichts ins oder aus dem Glas oder einem transparenten Material (Folie) auftreten. Rechnet man alle Faktoren zusammen, ist die vorgeschriebene schützende Glasabdeckung mit dem Sunblocker (Sonnenschutzfaktor 50) in einer Sonnencreme vergleichbar.

Ein zweites Kriterium bildet die Transmissions- und Absorptionsqualität des Frontglases. Entscheidend ist die optische Qualität und Stärke des Glases. Die Transmissionsqualität wird über den Brechwert (Brechungsindex) klassifiziert. Zu beachten gilt aber auch die Absorption der Wellenlänge des Lichts.

Stapelzellen als Absorber

Jedes Photovoltaikkonzept reagiert unterschiedlich auf die Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Silizium benötigt hauptsächlich kurzwellige (blau-grüne) Strahlung. Die langwellige (gelb-rote) Strahlung hemmt die Performance, zumal sie auch Wärme überträgt. Um das Absorptionsspektrum zu verbreitern, wurden Stapelzellen (Multi-Junction-Cells) entwickelt. Je nach Wellenlängendurchgang des optischen Konzentrators finden die einzelnen Schichten ihre Anordnung im Halbleiter.

Transmission und Absorption gilt es zu optimieren und zu steuern. Je reiner und dünner das Frontglas, desto geringer sind die Verluste durch Transmission und Absorption. Wie sieht es aber an der Fassade aus? Hier gelten besondere Bestimmungen. Sicherheit steht vor Effizienz. Zwei Millimeter Glas auf dem Dach wären noch denkbar, da es absturzsicher installiert werden kann. An der Fassade jedoch bedarf es einer Folie oder eines Sicherheitsglases mit entsprechender Stärke. Dieser Zusatz bedeutet zusätzliche acht Prozent Ertragsverlust. Hier muss man also viel rechnen und simulieren, um eine ökonomische Variante zu erreichen.

Statisch gesehen ist die Kugel unverwüstlich, nimmt sie doch den Druck auf, ohne durchzubiegen. Was geschieht bei der optischen Kugellinse bezüglich Reflexion, Transmission und Absorption? Diese Effekte wurden im Experiment untersucht. Als Vergleichslinsen wurden Brenngläser aus Mineralglas (einfache Leselupe), Acrylbrenngläser, PVC-Fresnelfolien, Acryl-Fresnellinsen und die Acryl-Fresnellinse mit vierfacher Vergrößerung getestet. Die getesteten Kugellinsen aus Vollglas hatten Durchmesser von 50, 60, 80, 100, 120 und 200 Millimetern. Die Kugellinsen mit Wasserfüllung maßen 50, 80, 120, 160, 500 und 1.000 Millimeter im Durchmesser. Alle Tests liefen bei natürlicher Sonneneinstrahlung in Barcelona. Eine Messstation mit sechs Linearachsen und hoher Präzision zum direkten Vergleich wurde aufgebaut. Auch die 1.000-Millimeter-Kugellinse steht als Messstation unter freiem Himmel zur Verfügung.

Umfangreiche Testreihen

Ziel dieser Testreihe war es, die Eignung der Kugellinse als Primärkonzentrator zu untersuchen und ihre Eigenschaften exakt darzustellen. Dabei wurden ähnliche Testparameter angewandt wie für Kameraobjektive (Blendenwirkung, chromatische Aberration). Neben der Leistungsabgabe durch die Multi-Stapelzellen vom Typ 3C40C (bis 39 Prozent Wirkungsgrad) wurde die Temperatur in der Brennebene vom Kugelaustritt bis zum Brennpunkt untersucht. Multi-Stapelzellen wurden ursprünglich für Anwendungen im Weltraum (Satelliten) entworfen. Damit sie auf der Erde ausreichend Solarerträge abwerfen, muss man das Licht 50-fach konzentrieren.

Vergleicht man die Messergebnisse bei den Kugeln mit den kleineren Durchmessern, liegen die Verluste bei direkter Sonneneinstrahlung im Schnitt bei 15 Prozent. Wenn diese mit dem Zellwirkungsgrad von 39 Prozent verrechnet werden, erzielt die Anlage immerhin 33 Prozent Zellwirkungsgrad. Bedenkt man, dass bei den bekannten CPV-Modulen die Primärlinsen (wie Fresnelkonzept) durch eine Glasplatte geschützt werden, fallen hier acht Prozent Verluste an, sodass 36 Prozent Zellwirkungsgrad erzielt werden.

Spannende Ergebnisse ergaben die Ermittlung der Brennebenen (Brennweite). Hier liegt die Kugellinse mit Abstand vorn. Eine kurze Brennweite hat zwei entscheidende Vorteile. Die Zelle liegt näher an der Linse, sodass diffuses Licht noch vor der totalen Streuentwicklung konzentriert wird. Zweitens: Die Bautiefe des Moduls kann geringer ausfallen. Es wird flacher als mit herkömmlichen Linsen.

Die ersten Momentaufnahmen der 1.000-Millimeter-Kugellinse sind beeindruckend. Bei einer Dünnschichtzelle wurde ein Zugewinn durch Konzentration von bis zu 2.000 Prozent, bei einer Siliziumzelle bis zu 1.150 Prozent gemessen, allerdings mit einem relativ hohen Konzentrationsfaktor und erhöhter Temperatur. Auch hier konnten wir bei 300 Watt pro Quadratmeter diffuser Strahlung und geringen Reflexionen den doppelten Wert messen.

Diffuse Strahlung bündeln

Das spricht für gute Transmissionswerte. Die Temperaturmessungen im Brennpunktprofil sind zwar im Vergleich mit Vollglaskugellinsen abfallend, bieten aber dennoch Raum für die Entwicklung eines Hybridmoduls (thermische und elektrische Umwandlung). Die geplante Wasserkühlung der Zellen dient der thermischen Umwandlung zur Warmwasseraufbereitung im Gebäude. Ein israelischer Hersteller bietet für die südlichen Länder bereits ein solches Modul an. Eine Gebäudeintegration dieses leistungsstarken Moduls ist aufgrund der Trackingeinheit eher fraglich.

Aufgrund der nur sehr spärlichen Literatur über die Kugellinse und ihren hauptsächlichen Einsatz in der Lasertechnik wurden außerhalb der Mikrokugeln weitere Tests gemacht. Hierbei wurde eine Vollglaskugel (Durchmesser 200 Millimeter) in einer matten Blackbox mittels eines Laserdistanzmessgerätes untersucht. Das dabei „Light Trapping“ sichtbar wurde, ist ein deutliches Zeichen für die Komplexität der Kugellinse als Konzentrator. Diese Eigenschaft spielt auch bei der Nutzung von diffusem Licht eine Rolle. Selbst im unendlichen Raum (zum All ausgerichtet) entstehen vier sichtbare Reflexionen an der Innenhaut der Kugel. „Light Trapping“ – auch Lichtfalle oder Totalreflexion genannt – zählt in der Photovoltaik zu den Erfolg versprechenden Konzepten, um die Effizienz zu steigern.

Leuchtende Kugeln

Bei Versuchen mit Laserstrahlen leuchtet die Kugellinse halbseitig wie eine große Leuchtdiode (LED) mit Rundkopf. Das ist ein interessanter Nebeneffekt, der die Kugellinse zum Leuchtkörper macht. Die gleichmäßige Ausleuchtung funktioniert auch mit einer Mini-LED, sobald diese Kontakt mit der Außenhaut der Kugellinse hat. Weitergedacht kann dieser Effekt ein Pixel einer Monitorwand oder einer Medienfassade sein.

Durch die Zertifizierung des Fassadenmoduls durch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung in Stuttgart wurden die beschriebenen Messreihen bestätigt. Im Vergleich mit dem leistungsstärksten Photovoltaikmodul (18 Prozent Wirkungsgrad, vollständig opak) erhöhen wir den Jahresertrag um 14 Prozent in der Fassade. Das unser Modul dabei eine Zellreduzierung von 99 Prozent aufweist und nahezu transparent ist, bieten sich neue Anwendungen für Architekten. Neben der Eignung für Tageslicht bietet das neue Modul einen 50-prozentigen Sonnenschutz frei Haus. In einer weiteren Variante untersuchen wir das Modul in Kassettenbauweise mit einer mechanischen Lüftung. Für die zunehmende Planung von Medienfassaden besteht die Option, es als voll ansteuerbaren Monitor (Kugellinse als Pixel) zu konfigurieren.

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André Brößel

ist Architekt und Gründer der Firma Rawlemon Solar Architecture mit Sitz in Barcelona und Düsseldorf. Er hat den optischen Kugeltracker entwickelt und getestet. Mittlerweile hat er sich darauf spezialisiert.post@rawlemon.com