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Leichte Solarzellen folgen der Sonne : Ausgabe 19/2015, 19.11.2015

Inspiriert durch die japanische Kirigami-Kunst

Solarzellen nehmen bis zu 40 Prozent mehr Energie auf, wenn sie dem Verlauf der Sonne folgen können, aber motorisierte Folgesysteme sind zu schwer und unförmig für eine Installation auf den geneigten Dächern oder den Oberflächen von Fahrzeugen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Aaron Lamoureux

In Anlehnung an Kirigami, die bekannte japanische Papierschneide- und Falttechnik, entwickelten Forscher von der University of Michigan eine Solarzelle, die nunmehr zwei wichtigen Forderungen in der Solartechnik gerecht wird: Energie sammeln und simultan der Sonne folgen. «Unser spezielles Design übernimmt das, was ein grosses Nachführ-Solarpanel tut und kondensiert es in etwas, das praktisch flach ist», sagte der Doktorand Aaron Lamoureux.

Laut Reports des US-Department of Energy tragen die Dächer von Privathäusern in den USA etwa 85 Prozent der Solarpanelinstallationen. Diese Dächer müssten aber erheblich verstärkt werden, wenn sie zusätzlich herkömmliche Sonnennachführsysteme tragen müssten. Ein Team von Ingenieuren und Künstlern entwickelte nunmehr ein Array aus kleinen Solarzellen, die sich innerhalb eines grösseren Panels neigen können. Damit bleiben die Oberflächen der Zellen länger senkrecht zu den Sonnenstrahlen.

Geringer Installationsaufwand

«Für den Anwender dieser Panele ist das Besondere an unserem Design, dass sich beim Anbringen dieser Panele gegenüber herkömmlichen Installationen praktisch nichts ändert», sagte Assistenzprofessor Max Shtein. «Aber innerhalb der neuen Solarpanele geschieht etwas Bemerkenswertes in einem sehr kleinen Format: Die Solarzelle teilt sich in winzige Segmente auf, die alle gemeinsam der Sonnenposition folgen.»

Forscher von Solarzellen gehen bei der Nachführung unter anderem davon aus, wie viel Fläche die Sonne vom Panel «sehen» kann. Befindet sich das Panel in einer Winkelposition, sieht das Panel schmaler aus. Wenn sich das Array bei schräg einfallenden Sonnenstrahlen neigt, erhöht sich dagegen die effektive Fläche. Um entsprechende Strukturen zu untersuchen, arbeiteten die Forscher mit dem Papierkünstler Matthew Shlian von der U-M School of Art and Design zusammen. Shlian zeigte den Forschern mit einem Plotter-Schneider die Strukturherstellung in Papier. Dr. Lamoureux fertigte dann mit einem Kohlenstoffdioxidlaser genauere Strukturen aus Kapton, einer Hochleistungsfolie.

Ein flaches Kunststoffblatt teilt sich bei einer Streckung in wellenförmige, verbundene Bänder. Die Neigung der Zellen hängt also von der Streckung ab, also ein simpler Mechanismus für das Nachführen entsprechend der Sonnenbahn.

Konkurrenzfähiges Design

Es nahm einige Zeit in Anspruch, das Design zu optimieren. Erste Simulationen im Sommer in Arizona zeigten, dass das neue Design fast so gut ist wie ein herkömmliches einachsiges Nachführsystem. Gegenüber einem stationären Panel konnte das neue Design eine 36-prozentige Verbesserung erzielen. Normale «Tracker» erzielten etwa 40 Prozent.

Der Forschungsbericht trägt den Titel: «Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking.» Finanziell gefördert wurde das Forschungsprojekt von der National Science Foundation und der NanoFlex Power Corporation. Die Universität beantragte inzwischen einen Patentschutz für das Projekt und sucht nach entsprechenden Partnern für eine Kommerzialisierung dieser Technologie. 

Infoservice


University of Michigan
500 S State St, Ann Arbor, MI 48109, USA
www.umich.edu



Blick auf die neuen Solarzellen


Aufbau einer nachführbaren Solarzelle

Quick-Link

Kirigami-Tracker www.polyscope.ch/2015/kirigami