Entwicklung und Inbetriebnahme eines Prüfsystems für die Charakterisierung von CPV-Modulen

Abstract

Konzentrierte Photovoltaik (engl.: concentrated photovoltaic, CPV) ist ein recht junges Forschungsgebiet auf dem Sektor der solaren Energieerzeugung. Dabei wird über optische Systeme wie Fresnellinsen oder Parabolrinnen¬spiegel die Sonneneinstrahlung auf Photovoltaik-zellen (PV-Zellen) gebündelt, um eine höhere Energiedichte und somit eine höhere Strom-generation aus den kostenintensiven Halbleiterzellen zu erzielen.<br />Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Prüfsystem entwickelt, mit dem Photovoltaikmodule (CPV-Module, eine Serienschaltung von mehreren PV-Zellen) in einem Konzentrator vermessen werden können. Um CPV-Module möglichst effektiv testen zu können, müssen diese ähnlich den realen Einsatzbedingungen verwendet werden. Daher ist es naheliegend, die Sonne als Lichtquelle zu verwenden. Das Prüfsystem wird aus einem mobilen Parabolrinnenspiegel bestehen, der die Sonnen¬strahlung auf die Module bündelt. Aufgrund der hohen Energiedichte im Linienfokus des Spiegels steigt die Zellentemperatur der Module stark an. Dies wirkt sich sehr schlecht auf die Effizienz der PV-Zellen aus, weshalb ein Kühlrohr in den CPV-Receivern integriert ist.<br />Die Realisierung einer Sonnennachführung des Spiegels sowie die Implementierung eines aktiven Kühlsystems sind somit die ersten Punkte dieses Projekts.<br />Für die Charakterisierung der CPV-Module ist die Aufzeichnung der Strom-Spannungskennlinie nötig, aus der viele wichtige Eigenschaften der Prüflinge abgelesen werden können. Da viele Standard-Testgeräte für Photovoltaikzellen am Markt sind, diese allerdings nicht die hohen Ströme von CPV-Modulen messen können, muss eine spezielle Elektronik für die Messung der U/I Kennlinien entwickelt werden. Die Aufzeichnung vieler wichtiger Parameter wie Zellen-, Kühlwasser und Umgebungstemperatur, Sonnenintensität und die Fokusqualität soll er-möglichen, dass verschiedene Einflussfaktoren auf die Charakteristik von CPV-Modulen festgestellt werden können.<br />

Concentrated photovoltaic is a young field of research in the sector of solar power generation. For this purpose optical systems like Fresnel lenses or parabolic trough mirrors concentrate the sun radiation on a photovoltaic cell. So the density of energy rises and thus the current output of expensive semiconductor cells gets much higher.<br />Within this diploma thesis a test system for testing photovoltaic modules (CPV-modules, a serial connection of PV-cells) in a concentrator will be developed. For effective testing of these CPV-modules the operational conditions should be similar to conditions in reality. So the obvious solution is to use the sun as light source.<br />The test system will consist of a mobile parabolic trough mirror which focuses the sun radiation onto the modules. Because of the high density of energy in the linear focus the cell temperature rises considerably.<br />This affects the efficiency of the cells negatively. Because of this a cooling pipe is integrated in the CPV-receivers. To set up an active cooling system as well as a one-axe sun tracking system will be the first tasks to be realised. For characterising CPV-modules the current-voltage curve has to be measured. Many important qualities of the modules can be read from this curve. A lot of standard test equipment for photovoltaic already exists, but mostly it is not able to measure the high currents of CPV modules.<br />So a special electronic application has to be developed to measure the V/I-curve. The recording of many parameters like the temperatures of the cells, the cooling water and the ambient temperature as well as the intensity of the sun and the focus quality makes it possible to determine the different factors, which influence the characteristics of CPV-modules.<br />