Leistungsstarke Schweizer Solarmodule - Hiperion Project
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PA N O R A M A | E R N E U E R B A R E E N E R G I E N
Leistungsstarke
Schweizer Solarmodule
Technologische Innovation | Dank einer Hybridtechnologie, die die Konzentration
von direktem Licht und die Nutzung von diffusem Licht kombiniert, kann ein
neuartiges PV-Modul bis zu 50 % mehr Energie erzeugen als bisherige Modelle. Ein
Konzept auf der Basis transparenter Module mit breit gefächerten Anwendungs-
möglichkeiten, zum Beispiel in der Agri-Photovoltaik, wurde ebenfalls entwickelt.
J. L E V R AT, D. P E T R I , M . D E S P E I S S E , L . C O U LOT, M . AC K E R M A N N
S
eit Anfang der 1990er-Jahre hat Potenzial, schnell und günstig ver- Das Helios-Projekt
sich der Wirkungsgrad von han- marktet zu werden. Aufgrund der effi- Das Streben nach höherer Effizienz ist eng
delsüblichen Solarmodulen fast zienten Umwandlung der direkten mit den Energiekosten verbunden. Jedes
verdoppelt: Von etwa 11 % auf heute fast Sonnenstrahlung mit einer integrier- installierte Solarmodul-Kilowatt produ-
20 %. Physikalische und praktische ten Linse, die dem Sonnenverlauf ziert in seinem Leben eine bestimmte
Bild: Sven Almeida, für Compáz
Grenzen verhindern jedoch, dass der folgt, konnte die Technologie von Inso- Menge Energie. Je mehr Energie es gibt,
Wirkungsgrad auch längerfristig 25 % light [1] bis 2018 einen Wirkungsgrad desto geringer sind die Kosten für den
überschreiten wird. von 29 % erzielen [2] und damit einen erzeugten Strom. Zu diesem Zweck kön-
Um ihn weiter zu erhöhen, ist des- ersten Meilenstein setzen. Damit ist nen mehrere Parameter optimiert wer-
halb ein Paradigmenwechsel nötig. Es sie deutlich besser als herkömmliche den: die Lebensdauer der Anlage, die
werden zwar mehrere Möglichkeiten Technologien, die auf kristallinem Rohstoffkosten, die Installationsgebüh-
erwogen, aber nur wenige haben das Silizium beruhen. ren und die Leistung der Module. Mit
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a b
Assembling the optical glass Mounting the space grade cells
array onto a PV backplane
Glass cover
Optical array
Glass protective Space grade cells
layer and interconnections
Embedded
lenses
Space-grade
solar cells Glass assembly PV backplane
1 mm2
Standard
frame
Final assembly
Mobile back plane:
Horizontal movements of
a few mm per day keep
the cells aligned with
Hexagonal lenses the lights beams
concentrate lights
beams by 200x Standard frame
(45 mm)
Bild 1 Funktionsweise des Mikro-Tracking (a) und Beschreibung der im Helios-Projekt entwickelten Hybridarchitektur (b).
einem um 50 % höheren Wirkungsgrad leistungs-PV-Zellen werden in Bezug d
.h . einem Zweihundertstel der
als herkömmliche Module senkt die neue auf die Linsen mechanisch bewegt, Gesamtfläche des Moduls, was eben-
Technologie nicht nur die Kosten pro damit die direkte Sonnenstrahlung falls zur Kostenreduzierung beiträgt.
installiertem kW, sondern amortisiert stets auf die PV-Zellen (Bild 1a) fokus- Dank dieses Konzepts konnte man
auch die bei der Herstellung der Module siert ist. Die Konzentration ist deshalb bereits mit der ersten Architektur einen
entstehenden CO2-Emissionen im Ver- so wichtig, weil die Hochleistungszel- Wirkungsgrad von 29 % erzielen. [2]
gleich zu einer Standardanlage schneller. len, die aufgrund ihrer Kosten norma-
Diese Wertschöpfung ist besonders dort lerweise auf Anwendungen der Raum- ... ohne die diffuse Strahlung zu
interessant, wo die verfügbare Dach- fahrttechnik beschränkt sind, einen vergessen
fläche sehr begrenzt ist oder bei mehr- sehr hohen Wirkungsgrad besitzen, Das Mikro-Tracking-System erfasst
stöckigen Gebäuden. meistens mehr als 42 % mit dem in die- jedoch nur die direkte Sonnenstrah-
Das Helios-Projekt von Innosuisse sem Projekt verwendeten Konzentra lung. Diffuses Licht wird nicht auf die
setzt sich zum Ziel, den Wirkungsgrad tionsfaktor (200 x). Weiterer Vorteil: PV-Zellen gebündelt und daher nicht in
zu erhöhen, um die Energiekosten zu Die mit diesen Zellen bestückte Fläche Energie umgewandelt. Hier liegt die
senken. Vor diesem Hintergrund wandte entspricht nur einem winzigen Teil, wesentliche Innovation des Helios-
sich das Start-up Insolight an das CSEM
(Schweizerisches Zentrum für Elektro-
nik und Mikrotechnik), das für sein tech-
nologisches Know-how auf dem Gebiet
der Photovoltaik sowohl auf der Zellen-
als auch auf der Modulebene bekannt ist.
Da durch die neue Technologie die Bran-
chenstandards auf den Kopf gestellt wer-
den, brauchte es einen dritten Partner,
um die Messwerte und die Zuverlässig-
keit zu validieren: Die Supsi (Fachhoch-
schule der italienischen Schweiz) ist in
der Lage, die entsprechenden Zertifikate
auszustellen. Natürlich muss dafür das
Konzept der Messung und Zertifizie-
rung selbst durch Forschungsarbeiten
erst definiert werden.
Direkte Sonnenstrahlung
Bilder: Insolight
nutzen ... Bild 2 Zweiter Ansatz, bei dem die Ebenen der Mehrfachsolarzellen (Primärzellen) und
Die neue Technologie basiert auf dem der Siliziumzellen (Sekundärzellen) mit einer lichtdurchlässigen Leiterplatte getrennt
Prinzip des Mikro-Tracking: Die Hoch- werden können.
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a b c Translucent PV modules at 30% record e˛iciency
under direct sunlight produce more electricity
Direct sunlight
Direct sunlight
Di˛use sunlight
Di˛use sunlight
Di˛use sunlight Di˛use sunlight
Natural di˛use sunlight illuminates
the interior of the building with
no shading and no glare
Bild 3 Die lichtdurchlässigen Module Theia (a), deren Anteil an der übertragenen direkten Strahlung dem Bedarf angepasst werden
kann, finden in der Agri-Photovoltaik (b) und in Bahnhöfen oder Einkaufszentren (c) Verwendung.
Projekts. Dieses nicht in Strom umge- Rahmen des Helios-Projekts gemeis- Natürlich sind noch einige Heraus-
wandelte Licht macht je nach Wolken tert. Danach wurden Dutzende Hybrid- forderungen zu meistern, bevor wir
bedeckung zwischen 10 und 40 % der module hergestellt, von denen einige diese Module auf unseren Dächern
Lichtintensität aus. Durch die Nutzung derzeit in Pilotanlagen in der Schweiz, sehen. Das Hiperion-Projekt versucht
dieser Komponente kann die Energie- Spanien und Deutschland im Einsatz seit einem Jahr, alle Probleme zu lösen.
effizienz weiter gesteigert werden. sind. Für diese Module ist eine Lebensdauer
Das CSEM hat mehrere Ansätze von 25 Jahren zu gewährleisten, um das
getestet, um Streulicht mit kristallinen Von einem Projekt zum nächsten Risiko bei der Implementierung sol-
Siliziumzellen effizient umzuwandeln. Die Begeisterung für diese Hybrid cher disruptiven Produkte zu senken.
Zuerst wurden kleine Öffnungen in die architektur führte zur Gründung eines Da diese Module nicht mit anderen ver-
Siliziumplatten geschnitten, um die grossen europäischen Konsortiums. Es gleichbar sind, wird die Arbeit einige
Fläche rund um die Stapelsolarzellen umfasst 16 Partner aus zehn Ländern, Zeit in Anspruch nehmen, weil jede
komplett abzudecken. Dieser Ansatz vier Forschungszentren und Univer- einzelne Komponente zu überprüfen
hat sich jedoch als nicht zuverlässig sitäten, sechs Industriepartner, drei ist. Danach muss die Wirksamkeit der
erwiesen. Letztlich wurden die Hoch- Solarinstallateure und zwei Unterneh- Module gemessen werden, was nicht
leistungszellen auf einer transparenten men, die im Bereich Management und einfach ist, existieren derzeit doch
Leiterplatte montiert. Diese wird dann Kommunikation rund um Insolight weder entsprechende Messwerkzeuge
auf ein kristallines Siliziummodul auf- tätig sind. Aus diesem Konsortium noch Standards. In der Tat bestehen
gebracht (Bilder 1b und 2). Der Vorteil entstand das europäische Hiper ion- keine Normen für Module, die sich je
dieser Methode besteht darin, dass die Projekt 1), das vom CSEM vier Jahre nach Menge des direkten und diffusen
beiden Zellenebenen vertikal getrennt lang mit einem Budget von 10,6 Mio.
sind, wodurch die einzelnen Zellen Euro koordiniert wird. Ziel der euro-
arten bei technologischen Fortschritten paweiten Ausschreibung war es, die Über Innosuisse
leicht durch andere ersetzt werden kön- Wettbewerbsfähigkeit der Photovol- Innosuisse, die Schweizerische
nen. Zudem gewährleistet diese Tren- taik-Industrie in Europa durch inno- Agentur für Innovationsförderung,
nung die Zuverlässigkeit der Bau- vative Lösungen zu steigern. Hiperion ermöglicht Unternehmen und
gruppe, da das kristalline Modul wie bei soll die im Helios-Projekt initiierte Forschenden die Zusammenarbeit
einem Standardmodul eingekapselt ist. und erprobte Hybridtechnologie zur bei der Entwicklung innovativer
Dieser Ansatz brachte jedoch erheb- Reife bringen. Endgültiges Ziel ist es, Produkte, Dienstleistungen oder Pro-
liche technologische Herausforderun- ein industrielles Potenzial von bis zu zesse. Unternehmen erhalten Zugang
gen mit sich. Zuerst musste ein sehr 1 GW Jahreskapazität zu erreichen. zu wissenschaftlichem Know-how,
präziser Schaltkreis gedruckt werden, Zu diesem Zweck wird in Neuenburg während Forschende von betriebs-
der eine hohe elektrische Leitfähigkeit eine Pilotfertigungsanlage gebaut, in wirtschaftlicher Expertise und der
aufweist, feuchtigkeitsbeständig ist der die von den Partnern entwickel- Kundenperspektive profitieren.
und Temperatursprünge aushält (von ten Hightech-Maschinen Verwendung Innosuisse unterstützt jährlich mehr
–40 °C bis + 85 °C). Dann musste ein Fer- finden. Die Hybridmodule werden als 400 Innovationsprojekte, insbe-
tigungsverfahren für das gesamte dort hergestellt und dann an mehreren sondere in den Bereichen Energie,
Modul entwickelt werden, das auf gros Standorten in Frankreich, Belgien, Por- Umwelt, Mobilität und Nachhaltig-
sen Entfernungen sehr kleine Toleranz- tugal, Deutschland, Spanien und der keit. So wurde das Helios-Projekt von
grenzen ermöglicht (unter 50 μm auf Schweiz installiert. Sie sollen unter den Innosuisse 24 Monate lang mit rund
1 m), sonst würde die Wirksamkeit der unterschiedlichen Klimabedingungen 550 000 CHF unterstützt.
Stapelzellen stark eingeschränkt. Diese bis zu 50 % mehr Energie erzeugen als Weitere Informationen: www.innosuisse.ch
beiden Herausforderungen wurden im herkömmliche Module.
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Lichts unterschiedlich verhalten. Des- Die Landwirtschaft zeigt grosses
halb ist geplant, Messinstrumente zu Interesse an dieser Technologie, denn Referenzen
entwickeln und die internationalen sie erzeugt nicht nur Energie, son- [1] Mathieu Ackermann, «La technologie spatiale enfin
à portée de toit», Bulletin SEV/VSE 10/2018, S. 18-20.
metrologischen Normen zu aktualisie- dern reguliert auch die Lichtmenge, www.bulletin.ch/de/news-detail/la-technologie-spa
ren. Schliesslich muss Hiperion nach- welche die Pflanzen erhalten, indem tiale-enfin-a-portee-de-toit.html.
[2] S. A. Askins, N. Jost, A. F. Aguilar, L. Anglade,
weisen, dass die Energiekosten im sie auf die Primärzellen fokussiert G. Nardin, M. Duchemin, F. Gerlich, M. Ackerman,
Vergleich zu bestehenden Lösungen oder nicht, je nachdem, ob die Strom L. Coulot, D. Petri, J. Levrat, A. Faes, J. Champliaud,
M. Despeisse, C. Domínguez Domínguez und I. Antón
wettbewerbsfähig sind. erzeugung oder der Pflanzenanbau Hernández, «Performance of Hybrid Micro-Con-
optimiert werden soll. Diese Idee centrator Module with Integrated Planar Tracking
Neue Anwendungsbereiche stammt aus dem Helios-Projekt, das and Diffuse Light Collection», Proc. of the 46th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Chicago,
als Bonus die Herstellung der ersten Freiflä- Illinois, 2019. oa.upm.es/57352/.
Neben der Fertigung von Hybridmodu- chen-Anlagen ermöglichte. Sie ver- Autoren
len ermöglichten die im Rahmen des anlasste Insolight die Entwicklung Dr. Jacques Levrat ist Projektleiter am CSEM.
Helios-Projekts entwickelten transpa- von Theia (Translucency & High Effi- JJ CSEM SA, 2002 Neuenburg
JJ jacques.levrat@csem.ch
renten Leiterplatten der Firma neue ciency In Agrivoltaics), dessen Ziel es
kommerzielle Entwicklungen, insbe- ist, optimalen landwirtschaftlichen Delphine Petri ist F&E-Ingenieurin am CSEM.
sondere im Bereich der Agri-Photovol- Ertrag und eine Stromerzeugung zu JJ delphine.petri@csem.ch
taik. Die Primärzellen wirken wie ein kombinieren, die den herkömmlichen Dr. Matthieu Despeisse ist Sektorleiter am CSEM.
Filter, der unter idealen Betriebsbedin- PV-Modulen in Gewächshäusern und JJ matthieu.despeisse@csem.ch
gungen das direkte Licht absorbiert im Freiland überlegen ist.
Laurent Coulot ist CEO von Insolight.
und nur diffuses Licht auf die nächste Da es derzeit keine andere Technolo- JJ Insolight SA, 1024 Ecublens
Ebene durchlässt. Statt das übertra- gie gibt, die diese Flexibilität zwischen JJ laurent.coulot@insolight.ch
gene Licht in Energie umzuwandeln, Transparenz und Stromerzeugung ver-
Mathieu Ackermann ist CTO von Insolight.
kann es für andere Zwecke eingesetzt bindet, stossen diese Module bei Land- JJ mathieu.ackermann@insolight.ch
werden, zum Beispiel für Pflanzungen wirten auf grosses Interesse. Diese
in Gewächshäusern, auf dem Feld oder Begeisterung ermöglichte es Insolight, 1) Hiperion-Projekt, gefördert durch das Forschungs- und
Innovationsprogramm Horizon 2020 der EU (Grant Agree-
für diffuses, schatten- und blendfreies 5 Mio. Franken aufzubringen, um diese ment No 857775).
Tageslicht in Bahnhöfen oder Ein- Module schon bald zu entwickeln und
kaufszentren (Bild 3). herzustellen.
Starkstromkomponenten
Starkstromkomponenten
von
von den
den Experten:
Experten:
Composants
Composantsbasse tension
basse tension
par des
par experts
des experts
pronutec
pronutecAGAG
Rosenweg
Rosenweg 3 3
6234 Triengen
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