1. Outdoor-Charakterisierung einer
Kugel-Konzentratorzelle
Auftraggeber: Rawlemon Solar Energy GBR
ANG-101443
P-101225
Zentrum für Sonnenenergie- und
Wasserstoff-Forschung
Baden-Württemberg
Fachgebiet Module Systeme Anwendungen
15.02.2013

3. 1 Ziel der Untersuchung
Vom AG wurde ein Prüfmuster einer Vorstudie des Microtrack, einer planen Anordnung von
9 Kugellinsen, wobei die mittlere mit einer Konzentratorzelle ausgestattet ist, zur Verfügung
gestellt. Mit Hilfe von Outdoorvermessung am Prototypen, soll das Verhaltens bei direktem
und diffusem Licht untersucht werden.
2 Ablauf der Untersuchungen und Aufbau
Der Microtrack-Prototyp wurde auf dem ZSW-Testgelände Widderstall (9,713°O, 48,537°N,
750üNN) auf einem nach Süden ausgerichteten, eigens dafür aufgebauten Teststand mit
einstellbarer Neigung, ca. 1m über dem Boden installiert (Abbildung 2.1 und Abbildung 2.2).
Die Zelle wurde über einen Präzisions-Shuntwiderstand kurzgeschlossen, die daraus
resultierende Messung des Kurzschlussstroms Isc wurde mit einem Datenlogger im
zeitlichen Raster von 10s aufgezeichnet. Eine Temperatur-Korrektur der Kurzschlussströme
wurde nicht durchgeführt.
Synchron zu den Strommessungen wurden die globale Bestrahlungsstärke (direkte und
diffuse Anteile) in der Modulebene (Plane of Array, POA) mittels eines kalibrierten
Pyranometer CMP11 von Kipp und Zonen gemessen und aufgezeichnet.
Messungen wurden an den Tagen 22., 23. und 24.01.2013 durchgeführt, dabei wurde an
über 35.000 Zeitpunkten Daten aufgenommen. Bei sonniger Einstrahlungsbedingung wurde
manuell so nachgeführt, dass der Fokus der Kugellinse so gut wie möglich auf der Zelle
abgebildet wurde. Bei diffusen Einstrahlungsbedingungen wurde der Aufbau in einigen
verschiedenen Positionen (senkrecht und mit Neigung) für einige Zeit jeweils konstant
gehalten.
Während der Messtage war das Gelände schneebedeckt, die Rückstrahlung vom Boden
(Albedo) war somit sehr günstig.
- Seite 3 von 7 -

4. Abbildung 2.1: Ansicht des Messaufbaus seitlich von vorne
Abbildung 2.2: Ansicht des Messaufbaus von der Rückseite
- Seite 4 von 7 -

5. 3 Untersuchte Zelle/Modul
Einige wesentliche Herstellerangaben auf dem Datenblatt lauten:
Hersteller AZUR SPACE Solar Power
Zelltyp……………… Concentrator Triple Junction Solar Cell; 3C40C
P_mpp ………………. 5,98 W (bei C=500)
U_oc ………………….. 3,14 V (C=500)
I_sc …………………… 2,15 A (C=500)
FF 85,0 % (C=500)
Active area 30,25 mm²
Zelle GaInP/GaAs/Ge Triple Junction
Moduldesign 1 Zelle hinter Kugellinse mit 50mm Durchmesser;
Abstand fixiert durch AG
Die Messbedingungen beziehen sich auf Spektrum AM1.5d (Direktstrahlung), 1000W/m²,
25°C. Die Angaben C bezeichnen den Konzentrationsfaktor des Sonnenlichts.
4 Messergebnisse und Interpretation
Die gemessenen Kurzschlussströme Isc der AZUR Triple Junction Zelle wurden in
Abhängigkeit von der globalen (direkt und diffus) Einstrahlung in der Modulebene (POA) in
Abbildung 4.1 dargestellt. Dabei wird unterschieden zwischen den Daten, die während der
manuellen Nachführung bei sonniger Bedingung erzeugt wurden (blaue Punkte) und den
Datenpunkten (Punkte in Magenta), die während diffuser Bedingungen und fixierter Position
erzeugt wurden. Als „Guide for the eye“ sind die Stromwerte eingezeichnet (unterbrochene
Linie), die bei einer Konzentration von C= 25 und C=50 bei rein direkter Einstrahlung zu
erwarten wären. Bei einer globalen Einstrahlung von 1,0 kW/m² liefert die Zelle etwa 150 mA
Strom, was nominell einer Konzentration von C=35 entspräche. Da der direkte
Strahlungsanteil aber etwa 10 bis 15% kleiner ist, liegt der tatsächliche Konzentrationsfaktor
für die vorliegende Anordnung bei etwa C=40. Darüber hinaus sind auch die spektralen
Gegebenheiten zu berücksichtigen, da zum Messzeitpunkt im Januar das angebotene
Spektrum auch zur Mittagszeit immer noch einen AM-Wert größer als 1.5 aufweist, was zu
einer Stromfehlanpassung in der Dreifach-Zelle, und damit zu etwas kleineren Strömen führt.
Mit abnehmender globaler Einstrahlung nimmt die nominelle Konzentration ab, da der Anteil
der direkt gerichteten Strahlung an der globalen Strahlung abnimmt und da die spektralen
Verhältnisse durch zunehmende Rotverschiebung noch ungünstiger für die Zelle werden.
- Seite 5 von 7 -

6. Abbildung 4.1: Abhängigkeit des Kurzschlussstroms von der globalen Einstrahlung
Abbildung 4.2: Stark vergrößerter Ausschnitt der Abbildung 4.1
- Seite 6 von 7 -

7. - Seite 7 von 7 -
In Abbildung 4.2 sind die Daten von Abbildung 4.1 in einem stark vergrößerten Bereich
dargestellt. Während für die sonnige Bedingung mit Nachführung die Stromwerte
überproportional mit der Einstrahlung ansteigen, zeigen die unter diffuser Einstrahlung
gewonnenen Stromwerte im untersuchten Bereich von etwa 20 bis 150W/m² ein innerhalb
der Messfehler lineares Verhalten. Wie Abbildung 4.2 ebenfalls zu entnehmen ist, liegt die
Konzentration unter diffusen Bedingungen erwartungsgemäß nicht größer als C=1, sondern
geringfügig kleiner. Diese kleine Differenz ist den optischen Verlusten durch die Kugellinse
geschuldet.