Optik Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2014

Transkript

1

2 Übersicht Einleitung Licht als Elektromagnetische Welle kurze Wiederholung Das Elektromagnetische Spektrum Beschreibung der optische Materialeigenschaften komplexe, relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante) Ein optisches System zur Nutzung der Sonnenenergie Konzentration der Bestrahlungsstärke Unterdrückung der Reflexion an der dem Licht zugekehrten Oberfläche eines Absorbers Reduzierung der Transmissionsverluste im Absorber Ein Teil der Abbildungen stammt aus dem Vorlesungsskriptum von R. Gross und Quantenphänomene

3 Zusammenfassung und Problemstellung Quelle: T. Buonassisi, MIT OpenCourseWare Quelle: Solmetric Corporation

4 Wofür brauchen wir bei der PV die Strahlen- oder Wellenoptik? Quelle: Dennis Schroeder/NREL Sonnenstrahlführung R+A+T = 0 + A + 0 = 1

5 Wellengleichung Dispersionsfreie Wellen 2 Ebene Welle Phasengeschwindigkeit Wellenzahl. Kreisfrequenz Es gilt die Superposition von harmonsichen Wellen

6 Maxwell sche Gl. isotropes, lineares Medium 2 µ r 1 Permeabilitätszahl für ein optisches Medium ε r relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante) n Brechungsindex

7 Elektromagnetische Wellen Poyntingvektor Energietransport wird durch die Intensität I a) (W/m 2 )beschrieben: a) Korrekt wäre die Strahldichte L e (W/(m 2 sr)) zu benennen.

8 Elektromagnetisches Spektrum Sonnenspektrum

9 Optische Materialeigenschaften Dispersion und Absorption n=n(ω) und n r beschreibt die Dispersion k r Extinktionskoeffizient, beschreibt die Absorption Beersches Absorptionsgesetz: α Absorptionskoeffizient (cm -1 )

10 Solarenergie - Ernte Maßnahmen um die absorbierte Leistung zu maximieren: Erhöhe I 0 Vergrößere αd Minimiere Verluste R, T TI 0

11 Konzentratoren (Erhöhe I 0 ) Ziel ist die Fokussierung der Solarstrahlung auf den Absorber. Betrachtungsweise im Modell der Geometrischen : Wellenvektor k Lichtstrahl. Lichtstrahlen breiten sich im homogenen Medium geradlinig aus An Grenzschichten zwischen 2 Medien gilt das Snellius sche Brechungsgesetz. Mehrere Strahlbündel die einander durchdringen beeinflussen sich (im Rahmen der linearen ) nicht. Voraussetzung ist eine punktförmige Lichtquelle.

12 Brechung und Reflexion Lassen sich aus dem Fermat schen Prinzip herleiten. Fermat sche Prinzip: Optischer Pfad AB =v ph.t 0 t 0.. Minimum (Maximum)

13 Elemente der Konzentratortechnik Atmosphäre Medium Konzentrationsfaktor X=A K /A R Opt. Achse Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme Lichtquelle Optische Übertragungsmedien Optisches System aus Linsen und/oder Spiegeln Empfänger

14 Lichtquelle Die Sonne ist Ausgedehnt ( punktförmig) Die Strahldivergenz (2θ c ) begrenzt den maximalen Konzentrationsfaktor, X max =n 2 /sin 2 θ c θ c =0.0047rad (0.27 ) Für n 1 (Atmosphäre) ergibt sich X max Ändert ihre Position gegenüber dem Empfänger. Nachführung: 1) Manuell, Neigungswinkel 2) Einachsig, Neigungswinkel 3) Zweiachsig, Himmelsrichtung + Neigungswinkel

15 Anmerkung zur Nachführung (tracking unit) Quelle: SolarServer.de Bei hoher Konzentration trägt ein (kleiner) Fehler in der Ausrichtung zur Strahldivergenz bei und kann den tatsächlich erzielten Konzentrationsfaktor stark reduzieren. Zwei Verfahren der Nachführsteuerung werden verwendet: Astronomische Berechnung des Sonnenstands aus der Zeit Systeme die den aktuellen Sonnenstand kontinuierlich überwachen und die Ausrichtung nachregeln.

16 Bestrahlung auf der ausgerichteten Fläche Atmosphäreneinflüsse Globalstrahlung = Summe aus direkter + diffuser Einstrahlung Geometrische Quelle: V. Quaschning, contribution of concentrated solar thermal power for a competitive sustainable energy supply

17 Atmosphäreneinflüsse

18 Optisches System Das optische System kann ein- oder mehrstufig sein und muß auf der Nachführeinheit montiert werden (Gewicht). Es kann punkt- oder linienförmige Fokussierung bewirken. Es kann Abbildend oder Nicht-abbildend sein. Quelle: D. Pelka, Lightning by design X + - θ c - + I(F) + -

19 Beispiel eines non-imaging Konzentrators mit Lichtleiter Quelle: B.L.Unger, Dimpled Planar Lightguide Solar Concentrators, PhD thesis, Univ. Rochester, NY, 2010

20 Zusammenfassung (Erhöhtes I 0 ) Grob unterscheidet man zwischen folgenden Systemen Niederer Konzentration (X>1.. 10) mit einfachen optischen Elementen (Planspiegel) und z.t. ohne Nachführung Mittlerer Konzentration (X> ) mit t.w. fokusierender (Parabolrinnen) und Nachführung (1 Achsig) Hoher Konzentration (X>50) mit punktfokusierender (Fresnellinsen) und Nachführung (2 Achsig). Das Design muß außer den rein optischen Eigenschaften auch mechanische Stabilität und ein thermisches Management berücksichtigen. Mit zunehmender Komplexität steigt der Wartungsaufwand im Betrieb. Nicht jeder Standort ist für jedes Konzentratorsystem geeignet.

21 Solarenergie - Ernte 1 2 Maßnahmen um die absorbierte Leistung zu maximieren: Erhöhe I 0 Vergrößere αd Minimiere Verluste R, T TI 0

22 Minimieren des Reflexionsvermögen 1 Problem an der ebenen Grenzschicht 1 R=I r /I 0... Reflexionsgrad der Intensität (reflectivity) r...reflexionskoeffizient der elektrischen Feldamplitude, E (reflection coefficient) n 0 Es gilt allgemein R=rr* Für θ e =0 : TI 0

23 Abschätzung der Notwendigkeit Welcher Aufwand ist vertretbar? TI 0

24 Antireflexbeschichtung (Anti-reflective coating, ARC) Ziel ist die Minimierung der Reflexion im Bereich der Absorption Lösungsansatz als destruktive Interferenz an der Grenzschicht. Amplitudenverhältnisse E Die Oberfläche des Absorbers wird mit einer dünnen, transparenten Schicht überzogen. Für die Reflexionskoeffizienten, r 1, r 2 gilt dann: 2δ t r 1 r2 n 0 n AR n r Die Phasenverschiebung, 2δ ist: Quelle: Wikipedia, Optical-coating-2.png

25 Bedingungen für ein Minimum: r 1 =r 2 und 2δ=π Optische Dicke, OD Bsp: c-si, λ 0 =600nm: n 0 =1, n r = n AR = (z.b. Ta 2 O 5 n AR =1.80) d AR =81nm Auswirkungen auf R?: Ideal im Minimum Real wenn λ λ 0 wenn n AR abweicht

26 Rechnung & Experiment: Gewinn: +30% Erweiterung auf mehrschichtigen Antireflexbelag

27 Erweiterung auf mehrschichtigen Antireflexbelag

28 Verhindern der Transmissionsverluste Problem an der ebenen Grenzschicht 2 Ansatz: Rückreflexion, R B in den Absorber 2 Einfache Lösung: Eine spiegelnde Rückseite verdoppelt die Länge des Lichtwegs L=2d im Absorber. Verbesserung: Einfangen des Lichtstrahls im Absorber (light trapping). n 0 Dies ist durch eine Totalreflexion im optisch dichterem Medium (n r >n 0 ) möglich. Der Grenzwinkel ist durch θ T =arcsin(n 0 /n r ) bestimmt. Für θ e > θ T tritt Totalreflexion auf. TI 0

29 Technische Umsetzung Für Luft/c-Si ist θ T 17 für Si 3 N 4 /c-si ist θ T 30 Eine Lambertfläche (Lambertian surface) reflektiert in sphärischer Symmetrie. Der mittlere optische Pfad <L> innerhalb des Absorbers ist durch <L>/d 4n 2 r gegeben. Oberflächentexturierung

30 Zusammenfassung (Minimaler R, T) Um den Reflexions- und Transmissionsgrad an den Grenzschichten des Absorbers zu minimieren werden die Flächen den Gesetzen der Wellenoptik folgend modifiziert. Dafür nutzt man: Destruktive Interferenz durch die Beschichtung mit transparenten Materialien (R). Das Reflexionsvermögen von spiegelnden (metallischen) Schichten (T). Die Struktuierung der Absorberoberflächen derart, daß Totalreflexion im optisch dichtem Medium stattfindet (R,T). Je dünner der Absorber desto wichtiger ist die optische Grenzflächengestaltung. Optische Maßnahmen können die elektrische Optimierung von Photovoltaikzellen einschränken oder verhindern.

31 Zusammenfassung des Abschnitts Die Betrachtung des Lichts als elektromagnetische Welle erklärt sowohl die Gesetzmäßigkeiten der Geometrischen (Strahlen) als auch Beugung und Interferenz. Aus diesem Grund ist das Wellenmodell des Lichts das geeignete Werkzeug um die optischen Erfordernisse bei der Nutzung der Solarenergie zu modellieren.