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Ein schärferer Fokus für die Photovoltaik
Konzentrieren Sie genügend Sonnenlicht auf ein Blatt Papier und Sie können ein Feuer entzünden. Konzentrieren Sie das gleiche Sonnenlicht auf eine Solarzelle und Sie können viel Strom erzeugen. Diese Strategie zur Steigerung der Effizienz von Solarstrom ist, wie Palo Alto, ein in Kalifornien ansässiges Startup SolFocus demonstrierte letzte Woche einen der heißesten Trends im Bereich der alternativen Energie. SolFocus, das sich 25 Millionen US-Dollar an Risikokapitalfinanzierung gesichert hat, um die Entwicklung seiner Konzentrator-Photovoltaik zu beschleunigen, verwendet Spiegel, um das Sonnenlicht 500-fach auf hocheffiziente Solarzellen zu fokussieren.
Die Solarmodule der zweiten Generation von SolFocus senken die Kosten, indem sie die Menge an benötigtem Photovoltaikmaterial reduzieren. Sie verwenden viertelgroße Spiegel, die das Sonnenlicht auf Photovoltaik-Punkte von nur einem Millimeter im Quadrat fokussieren. (Quelle: SolFocus)
Die Konzentratortechnologie zur Steigerung der Leistung von Solarstrom ist nicht neu. Aber dank hocheffizienter Photovoltaik und neuartiger Fertigungstechniken, die bessere Solarzellen, Linsen und Spiegel erzeugen, liefern Konzentrator-Photovoltaiksysteme mehr Leistung zu geringeren Kosten.
Gleichzeitig übersteigt das zweistellige Wachstum der Nachfrage nach Solarstromanlagen die Fähigkeit der Hersteller, angesichts des knappen Siliziumangebots für konventionelle Solarzellen und der hohen Kosten für die zu ihrer Herstellung erforderlichen Anlagen Schritt zu halten (siehe Large- Skala, billiger Solarstrom).
Die Technologie hat das Potenzial zur Kostensenkung, weil sie einen Bruchteil der halbleitenden Materialien verwendet, die in der Photovoltaik Licht in Strom umwandeln. Die meisten Kosten entfallen auf die Linsen oder Spiegel, um das Licht zu fokussieren, und die Nachführausrüstung, um das Gerät auf die Sonne zu richten – Elemente, die anfälliger für Skaleneffekte sind als die Siliziumproduktion. Da ich aus der Halbleiterindustrie komme, wusste ich, dass wir die Menge an Silizium, die wir brauchen würden, um den Weltenergiebedarf massiv zu senken, niemals erhöhen könnten, sagt Mitbegründer und CEO Gary Conley.
Das Design von SolFocus beispielsweise verwendet ein Tausendstel so viel Halbleitermaterial pro produziertem Watt wie eine herkömmliche Silizium-Photovoltaikzelle. Die Technologie verwendet Verbundphotovoltaik wie Germanium und Galliumarsenid, die ursprünglich für den Einsatz in Satelliten entwickelt wurde und bis zu 40 Prozent der auf sie treffenden Sonnenenergie einfangen kann – mehr als die doppelte Effizienz von High-End-Siliziumzellen.
Aber der Großteil der Materialreduzierung kommt vom Konzentrator, der laut Conley dem Scheinwerfer in den meisten modernen Autos ähnelt. Stellen Sie die Zelle dort, wo die Glühbirne ist, und Sie haben unser Design, sagt Conley. Spiegel sind der Schlüssel: ein Hauptspiegel, der das Sonnenlicht auf einen darüber liegenden kleineren Spiegel fokussiert, der wiederum das Licht auf die Solarzelle bündelt.
Das aktuelle Design der ersten Generation von SolFocus formt eine Anordnung von 635 Quadratzentimeter großen Spiegeln in eine Glasplatte. Darüber angebrachte Sekundärspiegel reflektieren das Licht durch Löcher in der Platte auf ein Quadratzentimeter große Hochleistungszellen darunter.
Ein Design der zweiten Generation drückt den Prozess in einen einzigen Glasblock: Licht, das durch die Oberseite des Blocks strahlt, wird von Primärspiegeln reflektiert, die in die Unterseite geformt sind, bis zu Sekundärspiegeln, die in die Oberseite geformt sind, und zurück zu einem Millimeter-Quadrat Photovoltaikzellen tauchten in die Mitte der Hauptspiegel auf.
Während die Herstellung von Silizium-Solarmodulen heute fast 3 US-Dollar pro Watt kostet, sagt Conley, dass SolFocus Solarsysteme für 2 US-Dollar pro Watt herstellen wird, wenn es nächstes Jahr seine erste Konzentratoranlage eröffnet; und er sagt, dass die Produktion im Gigawatt-Maßstab die Kosten pro Watt auf nur 50 Cent senken wird. Die zweite Generation soll die Kosten weiter senken, sagt Conley, auf bis zu 32 Cent pro Watt.
Trotz dieser optimistischen Behauptungen wird SolFocus jedoch viel Konkurrenz haben. Laut Robert McConnell vom US-Energieministerium und Experte für konzentrierte Photovoltaik muss SolFocus nicht nur seine Technologie beweisen, sondern auch ein wachsendes Feld von Wettbewerbern übertreffen. Sie haben mindestens drei Dutzend Konkurrenten, darunter Unternehmen, die über viele Jahre Entwicklungszeit verfügen, sagt McConnell.
Der härteste Wettbewerb von SolFocus könnte tatsächlich vom weltgrößten Photovoltaik-Hersteller Sharp ausgehen, der einen Konzentrator mit Fresnel-Linsen entwickelt hat – der gleichen Basistechnologie, die zur Verstärkung des Signalstrahls in Leuchttürmen verwendet wird. Das System von Sharp verwendet eine Reihe solcher Linsen in einem einzigen Block aus relativ billigem Spritzgusskunststoff.
McConnell vom DOE sagt, dass der kritischste Test für Konzentratoren die Haltbarkeit sein wird. In der ersten Entwicklungsphase der Konzentrator-Photovoltaik in den 1970er und 1980er Jahren litt die Technologie unter einer Reihe von Katastrophen, ähnlich den fliegenden Blättern und kaputten Getrieben, die die Pioniere der Windkraft verteufelten. Schwefel in der Luft erodierte Spiegel. Hagel und Wind zerschmetterten empfindliche Linsen. Staub blockierte die Tracking-Geräte, die benötigt wurden, um die Systeme auf die Sonne auszurichten. Und im schlimmsten Fall stellten beschädigte Systeme eine ernsthafte Brandgefahr dar.
Die eigenständigen Geräte von SolFocus sollten weniger anfällig für Beschädigungen und sicherer sein als ihre Vorgänger, behauptet Conley. Dennoch zielen sie für ihre ersten Rollouts auf große feldbasierte Solarkraftwerke ab und überlassen den lukrativeren kommerziellen Dachmarkt für später.