de.wedoany.com-Bericht: Ein Team der Universität Katar (Qatar University) hat auf Komponentenebene einen Reflektor-unterstützten sphärischen Photovoltaik-Prototyp entwickelt und experimentell validiert sowie ein neuntägiges Proof-of-Concept-Experiment im Freien durchgeführt. Der Prototyp besteht aus 450 einseitigen Silizium-Solarzellen, die auf einem sphärischen Substrat mit einem Durchmesser von 0,70 Metern verteilt sind und mit einem halbkugelförmigen Reflektor ausgestattet sind. Die Tests bestätigten die Außentauglichkeit des Systems, aber die Ganzjahressimulation zeigte, dass seine jährliche Stromerzeugung immer noch unter der eines planaren Referenzmoduls liegt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen planaren Modulen, die nur eine einzige dominante Oberflächenausrichtung aufweisen, verteilt die sphärische Struktur die Photovoltaikzellen über einen kontinuierlichen Bereich von Neigungs- und Azimutwinkeln; im Vergleich zu nicht-planaren Konfigurationen wie zylindrischen oder konischen Formen hat die Kugel keine bevorzugte Azimutrichtung und kann daher ohne mechanische Nachführung die Sonnenstrahlung im Tagesverlauf erfassen. Die wichtigste Innovation ist der halbkugelförmige schalenartige Reflektor, der die sonst ungenutzte einfallende Strahlung auf verschiedene Bereiche der Kugeloberfläche umlenkt. Simulationen zeigen, dass der Reflektor die Energieausbeute im Vergleich zu einer identischen sphärischen Konfiguration ohne Reflektor um etwa 71 % steigern kann. Das Forschungsteam hat außerdem ein geometrisch sensitives Leistungsmodellierungs-Framework entwickelt, um die richtungsabhängige Bestrahlungsstärke auf der Kugeloberfläche zu bewerten und in eine temperaturkorrigierte Stromerzeugung umzurechnen.
Der korrespondierende Autor Amith Khandakar erklärte gegenüber pv magazine, dass der Kern dieser Technologie darin besteht, die vollständig sphärische Photovoltaik-Architektur, die Reflektor-unterstützte Bestrahlungsstärke-Erfassung, das oben genannte Modellierungs-Framework sowie den tatsächlich gefertigten und im Freien getesteten Prototyp in einem einheitlichen Rahmen zu integrieren. Das Forschungsteam sieht potenzielle Anwendungen dieser Komponente an Orten mit nicht optimaler Ausrichtung und niedrigem Sonnenhöhenwinkel, in gebäudeintegrierten Systemen, bei mobilen oder in der Ausrichtung eingeschränkten Anlagen sowie in Umgebungen mit eingeschränkter Reinigung. Die entsprechende Studie wurde unter dem Titel „Reflector-assisted spherical photovoltaic module for solar energy harvesting" in der Fachzeitschrift Solar Energy veröffentlicht.
Der Reflektor-unterstützte sphärische Photovoltaik-Prototyp verwendet 52 mm × 52 mm große Zellen ohne kommerzielles Glas oder vollständige Verkapselung; die Zellen sind in Reihe geschaltet und auf einem undurchsichtigen Polystyrolschaum-Kugelkern montiert, wobei etwa 80 % der Kugeloberfläche von aktiven Zellen bedeckt sind und der Rest für Verdrahtung, Verschaltung und mechanische Abstände genutzt wird. Das optische Design umfasst einen polierten Aluminium-Halbkugelreflektor, der das reflektierte Licht auf die untere Hemisphäre lenkt, ohne zusätzliche Photovoltaikzellen zu benötigen. Der Reflektor hat eine effektive Albedo von 0,95, einen radialen Abstand von 0,40 Metern und eine Reflexionsfläche von etwa 3,07 Quadratmetern; die projizierte Bodenfläche der gesamten Vorrichtung wird auf 1,74 Quadratmeter geschätzt.
Das Team nutzte ein auf ESP32 basierendes Überwachungssystem und führte ein neuntägiges Proof-of-Concept-Experiment im Freien durch, bei dem Spannung, Strom, Leistung, Oberflächentemperatur und Umgebungsparameter aufgezeichnet und mit einem Referenz-Planarmodul verglichen wurden (das Referenzmodul wurde mit einem festen Neigungswinkel von 25° nach Süden ausgerichtet, unter Bezugnahme auf die Bedingungen in Doha, Katar). Während des Testzeitraums erzeugte das sphärische System 183,17 Wattstunden elektrische Energie unter Außenbedingungen, die von den Standardtestbedingungen (STC) abweichen, wobei die elektrische Reaktion klar mit der Bestrahlungsstärke variierte; nach neun Tagen ohne Reinigung behielt der sphärische Prototyp etwa 92 % seiner anfänglichen Ausbeute, was das Forschungsteam als mögliche Verschmutzungsresistenz interpretierte, jedoch wurden keine quantitativen Staubmessungen durchgeführt. Die gemessenen Kurven entsprachen den erwarteten tageszeitlichen Schwankungen der Solarverfügbarkeit und lieferten experimentelle Unterstützung für das qualitative Verhalten der geometrisch sensitiven Modellvorhersagen; die durch Infrarotaufzeichnungen gewonnenen Oberflächentemperaturbeobachtungen werden nur als indikative thermische Trends dargestellt und nicht als bestätigter Nachweis thermischer Vorteile betrachtet.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Reflektor-unterstützte Sphärenmodul von Juni bis August 2025 113,0 Kilowattstunden pro Modul erzeugte, während das planare Referenzmodul 105,3 kWh/Modul erreichte, was einer Steigerung von 7,3 % entspricht. Die anschließende optimierte Ganzjahressimulation kehrte diesen Vorteil jedoch um: Der Reflektor-unterstützte Sphärenmodul erzeugte 405,5 kWh/Modul pro Jahr, während das planare Referenzmodul etwa 425,0 kWh/Jahr erreichte; die Kugel übertraf das planare Referenzmodul nur in 4 von 12 Monaten, was darauf hindeutet, dass der Hauptvorteil des Designs in einer breiteren Richtungsantwort liegt und nicht in einer durchgehend höheren jährlichen Energieausbeute.
Unter vorläufigen wirtschaftlichen Annahmen werden die Stromgestehungskosten (LCOE) des sphärischen Systems auf 0,0424 USD/kWh geschätzt, gegenüber 0,0320 USD/kWh beim planaren Referenzmodul, was etwa 32,5 % höher ist. Insgesamt etabliert die Studie die Außentauglichkeit und die optischen Vorteile des Reflektors, hat jedoch noch nicht bewiesen, dass das System bei jährlicher Energieausbeute, thermischer Leistung, Verschmutzungsresistenz oder Wirtschaftlichkeit überlegen ist. Das Team fasst zusammen, dass die aktuelle Arbeit eine praktische Prototyp-Maßstabsbasis für die Entwicklung sphärischer Photovoltaik geschaffen und die wichtigsten Designverbesserungen für zukünftige Optimierungen identifiziert hat, darunter Schutzverkapselung, kalibrierte Bestrahlungsstärkemessungen, quantitative Verschmutzungsbewertung, Haltbarkeitstests sowie eine längerfristige Außenvalidierung.
