Universität Jaén in Spanien entwickelt photovoltaischen Empfänger für drahtlose Laser-Energieübertragung mit einem Wirkungsgrad von nahezu 16,3 %

de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Universität Jaén in Spanien haben einen Niedrigkonzentrations-Photovoltaik (LCPV)-Empfänger für die drahtlose Laser-Energieübertragung (WLPT) entwickelt. Der Empfänger integriert einen gekreuzten Compound-Parabol-Konzentrator (CCPC) mit einem optimierten Verschaltungsansatz und erreicht unter nicht-uniformer Laserbeleuchtung bei einer Wellenlänge von 806 nm eine Leistungsumwandlungseffizienz von nahezu 16,3 %.

Die drahtlose Laser-Energieübertragung ermöglicht die Stromversorgung von Geräten wie autonomen Systemen, entfernten Sensoren und Luftplattformen ohne physische Verbindung, ihre Anwendung wird jedoch durch Faktoren wie optische Ausrichtung, atmosphärische Verluste, Umwandlungseffizienz, Augensicherheit und Brandschutz eingeschränkt. Auch die Auswirkungen nicht-uniformer oder dynamischer Bestrahlung auf photovoltaische Empfänger stellen eine wesentliche Einschränkung dar.

Um die Umwandlungseffizienz und Winkelakzeptanz unter nicht-uniformer Laserbeleuchtung zu verbessern, entwickelte und charakterisierte das Team experimentell einen LCPV-Empfänger in 3×3-Konfiguration. Der Empfänger besteht aus neun monokristallinen Siliziumzellen mit einer Fläche von jeweils 20×20 mm², die eine interdigitierte Rückkontakt (IBC)-Architektur aufweisen, wobei jede Zelle mit einem CCPC gekoppelt ist. Die Eintrittsapertur des CCPC ist 2,5-mal so groß wie die Zellfläche, wodurch der Halbleitermaterialeinsatz im Vergleich zu einem äquivalenten nicht-konzentrierenden Empfänger um 60 % reduziert wird; die Konzentratoren bestehen aus Polymethylmethacrylat (PMMA), und die gesamte Frontapertur des Empfängers beträgt 104×104 mm² (einschließlich Tragrahmen) bei einer Masse von 123 Gramm.

Die Experimente wurden unter monochromatischer Laserbeleuchtung bei 808 nm mit einem Gaußschen Strahl einer Leistung von 1,523 W durchgeführt. Das Team führte Strom-Spannungs (I-V)-Messungen sowohl mit als auch ohne CCPC durch und quantifizierte die durch das Konzentratormaterial verursachten optischen Absorptionsverluste mittels Spektralantwortmessungen; gleichzeitig wurden die elektrischen Antworten der neun Zellen bei verschiedenen Leistungen und Einfallswinkeln aufgezeichnet, die Fehlanpassungsverluste unter verschiedenen Serien- und Parallelverschaltungsansätzen berechnet und die tatsächlich gemessene Modulleistung mit der idealen Summe der Maximalleistungen jeder Zelle verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Kurzschlussstrom die Hauptquelle für Unterschiede zwischen den Zellen darstellt: Bei 5 W Leistung lag der Kurzschlussstrom der äußeren Zellen unter 0,1 A, während die mittlere Zelle etwa 0,45 A erreichte. Leerlaufspannung und Füllfaktor blieben relativ stabil, was darauf hindeutet, dass die Stromfehlanpassung der Hauptbegrenzungsfaktor auf Modulebene ist.

Die Gruppierung der Zellen nach ihrem Photostrom kann die Verluste erheblich reduzieren. Die ringförmige Verschaltungsarchitektur erreicht eine Ausgangsleistung nahe der idealen, fehlanpassungsfreien Konfiguration: Bei 5 W bleiben die Verluste unter 3 %, während sie bei der Serienverschaltung über 58 % und bei der Parallelschaltung etwa 6 % betragen. Bei 806 nm Wellenlänge erreicht die ringförmige Konfiguration eine Leistungsumwandlungseffizienz von nahezu 16,3 %, die Serienverschaltung 6,9 % und die Parallelschaltung 15,2 %; der theoretische Optimalwert bei 955 nm Wellenlänge beträgt 18,4 %.

Der Empfänger weist zudem eine hohe Winkelakzeptanz auf: Bei einem Einfallswinkel von 30° bleibt die maximale Leistung bei 80 % bis 90 % des Nennwerts; wenn der Strahl über die effektive Empfangsfläche hinaus verschoben wird, fallen Photostrom und maximale Leistung bei einem Einfallswinkel von 45° deutlich ab.

Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen die Verbesserung der Laser-zu-Strom-Umwandlungseffizienz, die Entwicklung von Empfängern mit breiterem Akzeptanzwinkel und größerer Toleranz gegenüber räumlich variabler Beleuchtung sowie die Integration adaptiver Strahlausrichtung und Energiemanagementsysteme, um eine zuverlässigere und effizientere Fernenergieübertragung durch WLPT in Szenarien zu ermöglichen, in denen herkömmliche kabelgebundene oder batteriebasierte Lösungen nur schwer einsetzbar sind.

Das Team fasst zusammen, dass wirksame Stromausgleichsstrategien und angepasste Verschaltungskonzepte für hocheffiziente laserbetriebene Photovoltaikempfänger unter realen Bestrahlungsbedingungen von entscheidender Bedeutung sind; bei Verwendung hocheffizienter Halbleiterbauelemente wird die Integration spezifischer optischer Elemente zu einer grundlegenden Designanforderung, die eine erhebliche Reduzierung der effektiven Halbleiterfläche bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung hoher Umwandlungseffizienz und Winkelakzeptanz ermöglicht.

Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Development and experimental characterization of a c-Si low concentrator photovoltaic receiver for wireless laser power transmission (WLPT) under non-uniform irradiance of 808 nm" in der Fachzeitschrift Optics & Laser Technology veröffentlicht.

Weitere Forscher der Universität Jaén haben kürzlich auch ein halbtransparentes kristallines Silizium-Photovoltaikmodul mit optischem Konzentrator auf der Rückseite für agrophotovoltaische Anwendungen entwickelt. Dieses Design zielt darauf ab, hohe Effizienz mit optischer Transparenz in Einklang zu bringen und die Verschattung des Moduls zu reduzieren, um den Anforderungen landwirtschaftlicher Szenarien gerecht zu werden.