Solar-Reports:

• Solarstrom für den Rest der Welt: Netzunabhängige Photovoltaik für Millionen Menschen
• Gebäudeintegrierte Photovoltaik auf dem Weg zum Massenprodukt
• Photovoltaik-Trends 2010: Weltweites Wachstum; Verunsicherung auf dem deutschen Markt
• Solar unterstütztes Heizen und Kühlen von Gebäuden: Technik, Märkte und Perspektiven
• Photovoltaik-Markt der USA wird bis 2012 die Nachfrage weltweit anführen
• Farbstoff-Solarzellen und Organische Photovoltaik: Dritte Generation der Dünnschicht-Technologie vor dem Durchbruch
• Konzentrierte solarthermische Energie: enorme Potenziale in der MENA-Region

In Spanien koordiniert das Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentracion (ISFOC) den Bau der ersten größeren CPV-Solarkraftwerke in Europa an verschiedenen Standorten in der Provinz Castilla La Mancha mit insgesamt 3 Megawatt Nennleistung. Ziel des ersten Bauabschnitts sind 1,7 MW; die ersten Systeme sind bereits aufgestellt. Die Concentrix Solar GmbH (Freiburg) hat im Februar achtzehn CPV-Systeme mit einer Leistung von jeweils 5,75 Kilowatt (kWp) in Puertollano für den Netzanschluss vorbereitet. Concentrix ist damit das erste Unternehmen, das im Rahmen des ISFOC-Projekts eine vollständige 100 kW-Kraftwerkseinheit fertig gestellt hat. Insgesamt will das Freiburger Unternehmen 500 kW in Puertollano installieren.

Concentrix - ein Spin-Off des Freiburger Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme ISE - setzt auf Fresnel-Linsen, die das Sonnenlicht fast 500-fach konzentrieren, und die am ISE entwickelten Hocheffizienz-Solarzellen (III-V-Stapelsolarzellen aus Galliumindiumphosphid, Galliumarsenid und Germanium). Die aus dem Stuttgarter Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) hervorgegangene ARCHIMEDES Solar GmbH verwendet für ihre zwei- bis zehnfach konzentrierenden Module preisgünstige Spiegel (Parabolrinnen- beziehungsweise V-Trog-Konzentratoren) und steigert den Wirkungsgrad herkömmlicher Silizium-Solarzellen zusätzlich durch passive Kühlung der Solarzellen. Der Solar-Report 4/2008 skizziert die Geschichte der Konzentrator-Photovoltaik, neue Konzepte und Systeme sowie die Perspektiven der Technologie.

Vom Labor bis zum Großkraftwerk in der Wüste

Bereits im Jahr 1976 realisierten die Sandia Labors in den USA ein erstes 1 kW-CPV-System, kommerzielle Systeme sind seit den 1990er Jahren des vergangenen Jahrhunderts am Markt. Das australische Unternehmen "Solar Systems" fokussiert die Sonnenstrahlen mit so genannten Dish-Reflektoren auf die Solarzellen. Die "Solar-Schüsseln" (dishes) bestehen aus 121 gewölbten Spiegeln in einem Stahlrahmen; sie bündeln die Sonnenstrahlung 500-fach und werden dem Lauf der Sonne nachgeführt. Eine erste "Concentrator Dish Power Station" mit zehn Konzentrator-Einheiten und insgesamt 220 Kilowatt Leistung erzeugt seit 2003 im Bundesstaat South Australia elektrischen Strom. Im Nordwesten von Victoria soll ein 154 Megawatt-Kraftwerk entstehen.

Kleiner fällt ein Vorhaben des US-amerikanischen Unternehmens Amonix in Colorado mit sieben bis zehn Megawatt aus. Amonix erzielte 1994 mit einer kommerziellen Rückseitenkontaktsolarzelle einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 25.5%. Auch das Konzentrator-System aus den USA schafft es, das Sonnenlicht 500-fach zu konzentrieren - mit Fresnel-Linsen aus Kunststoff, die das Licht auf die Solarzellen bündeln. Durch die Konzentration wird die Menge des notwendigen Silizium annähernd um den gleichen Faktor reduziert, um den das Licht gebündelt wird. Das bedeutet, dass eine extrem kostengünstige optische Linse aus Kunststoff das relative teuere Silizium ersetzen kann.

Erste CPV-Großkraftwerke in Europa

An dem ambitionierten 3 MW-Projekt von ISFOC in Castilla La Mancha arbeiten Concentrix, Isofoton (Spanien) und SolFocus (USA), die bereits in der ersten Ausschreibungsrunde einen Zuschlag erhielten. In einer zweiten Ausschreibung Ende 2007 erhielten vier weitere Unternehmen den Zuschlag für das CPV-Kraftwerksprojekt in Kastilien: Concentración Solar La Mancha (Spanien), Emcore (USA), Arima Eco (Taiwan) und Sol3G (Spanien). CPV-Kraftwerke an sonnenreichen Standorten, mit einer Vielzahl von Trackern, die jeweils mit mehreren hundert Modulen ausgerüstet werden, sind längst keine Vision mehr, sondern eine Option für die Solarstromproduktion der Zukunft.

CONCENTRIX: Wettbewerbsfähiger Solarstrom
aus winzigen Weltrekord-Solarzellen und hoch konzentriertem Sonnenlicht

Zentrum einer Photovoltaik-Solarzelle ist ein Halbleiterkristall, in dem durch Lichtzufuhr Ladungsträger freigesetzt werden und auf diese Weise Solarstrom produziert wird. Mehrere Solarzellen werden dann zu Modulen mit Leistungen von einigen 100 Watt zusammengeschaltet, aus denen wiederum photovoltaische Großanlagen aufgebaut werden. Die am Fraunhofer ISE entwickelten FLATCON®-Module, verbinden hoch effiziente Solarzellen mit kostengünstiger Modul- und Linsentechnologie.

Mit III-V-Solarzellen sind Modulwirkungsgrade von bis zu 28% möglich

"Konzentrator-Photovoltaiksysteme haben das Potenzial, die Stromgestehungskosten für große Kraftwerkseinheiten an sonnenreichen Standorten erheblich zu senken", betont Concentrix-Geschäftsführer Hansjörg Lerchenmüller, der für das Unternehmen im Januar 2008 den 28. Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft entgegennehmen durfte. Vor dem entscheidenden Durchbruch stehe die Konzentrator-Technologie nicht zuletzt deshalb, weil bei hocheffizienten Solarzellen auf der Basis von III-V-Halbleitern große Fortschritte hinsichtlich des Wirkungsgrads erzielt wurden. Andreas Bett, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE und einer der Ideengeber für die FLATCON®-Technologie, sieht ein hohes Potenzial in der Entwicklung der Modulwirkungsgrade: "Prototypen liegen bereits heute bei 23%. Mit unserer jüngst entwickelten 35%-Zelle halten wir sogar Modulwirkungsgrade von bis zu 28% für möglich."

Fünfhundert Mal Sonne auf 0,031 Quadratzentimeter "große" Solarzellen

Das FLATCON®-Modul besteht aus einer Linsen- und einer Bodenplatte, die über einen Stahlrahmen miteinander verbunden werden. An der Oberseite konzentrieren 4 x 4 cm² große Fresnel-Linsen das Sonnenlicht nahezu 500-fach und lenken es auf die an der Unterseite angebrachten Hochleistungszellen von ca. 2 mm Durchmesser, die das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Module werden zweiachsig der Sonne nachgeführt, damit der Brennpunkt der Linse jederzeit den aktiven Bereich der Solarzelle trifft. Die FLATCON®-Module sind so konstruiert, dass sie mit derselben Zuverlässigkeit und Langlebigkeit arbeiten wie die etablierten Module der Silizium-Technik. Das einfach gehaltene Design und die Ausnutzung gut beherrschter Produktionstechnologien stellen laut Concentrix sicher, dass qualitativ hochwertige Module kostengünstig produziert werden können.

Mehr als 20 % Kostenvorteil angestrebt

Eine Kostenanalyse von Concentrix ergab, dass an guten Standorten in Spanien mit einem Kostenvorteil von über 15 % zu rechnen ist. In Regionen mit höherem Direktstrahlungsanteil wie den Wüsten in Nordafrika oder in den USA steigt der errechnete Kostenvorteil sogar auf über 20 %. Concentrix beziffert die energetische Amortisationsdauer der Systeme mit weniger als einem Jahr, das heißt, dass sie in dieser kurzen Zeit mehr Solarstrom produzieren, als die Energiemenge, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde. Kostenvorteile ergeben sich aus der Reduktion der aktiven Solarzellenfläche und dem geringeren Verbrauch an Halbleitermaterial. Die hohen Modul- und Systemwirkungsgrade ermöglichen einen geringeren Flächenverbrauch beim Bau von Kraftwerken.

Mehrere Demo-Systeme von Concentrix mit bis zu 5 kW wurden u. a. in Zypern, Spanien und Freiburg installiert. Zur Herstellung der Konzentrator-Module betreibt Concentrix eine Pilot-Produktionslinie am Standort Freiburg mit einer nominalen Produktionskapazität von 1 MW. Im Sommer 2008 will Concentrix eine 25 MW-Linie in Betrieb nehmen und damit diese neue Photovoltaik Technologie in die kommerzielle Serienfertigung führen.

ARCHIMEDES: PV-Systeme mit kleinen Konzentrationsfaktoren
und besonders niedrigen Systemkosten

Höchst effiziente Solarmodule zur Stromerzeugung, bei denen zugleich der kostenintensive Siliziumanteil reduziert wird, will die im Januar 2008 neu gegründete ARCHIMEDES Solar GmbH mit Sitz in Stuttgart in den Markt einführen. Das Unternehmen ist ein Spin-Off des renommierten Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Die Konzentrator-Technologie für die ARCHIMEDES-Systeme wurde von dem Diplom-Ingenieur Fritz Klotz während seiner langjährigen Tätigkeit im ZSW entwickelt und patentiert. Sie arbeitet mit preisgünstigen Spiegeln, die das Sonnenlicht zwei- bis zehnfach konzentrieren (Parabolrinnen/V-Trog-Konzentrator). Zum Einsatz kommen herkömmliche Silizium-Solarzellen.

Spiegel sind billiger als Solarzellen

Bei den ARCHIMEDES PV-Konzentratoren bündeln Reflektor-Spiegel die einfallenden Sonnenstrahlen auf Solarzellen in der Fokuslinie des Kollektors. Dadurch reduziert sich der Anteil an teuren Solarzellen, die Spiegelfläche ist deutlich billiger als die Modulfläche. Beim ARCHIMEDES IVT wird nur die Hälfte der von der Sonne beschienenen Fläche (Aperturfläche) mit Solarzellen bestückt und das Sonnenlicht zweifach konzentriert. In dem System ARCHIMEDES IVT mit zweifacher Konzentration wird durch die seitlichen Flachspiegel neben der Direkteinstrahlung auch ein großer Teil der diffusen Sonneneinstrahlung genutzt. Hoch reflektierende Spiegel, eine präzise einachsige Nachführung sowie eine effiziente passive Kühlung charakterisieren das universell einsetzbare System zur Gewinnung von kostengünstigem Solarstrom. Die Nachführung nach dem Sonnenstand erfolgt durch den weltweit einmaligen, patentierten thermohydraulischen Antrieb ARCHIMEDES THA.