Due to the dilute nature of the solar radiation reaching the surface of the earth, the greatest power output that can be generated by any solar collector is around 1 kW per m² of collecting aperture. Minimization of the cost per m² of collecting aperture is therefore considered to be a major driver in achieving a cost-competitive system. Due to their line symmetry, solar trough collectors have a low-cost construction and are highly-scalable, making them good candidates for achieving this primary goal. However, this line symmetry restricts the achievable solar concentration to at most 215×, thus limiting range of useful applications and the efficiency of downstream processes.

This work investigates ways in which this concentration limit can be broken through the introduction of a novel secondary concentrator stage, while still maintaining the benefits of having a line-symmetric primary concentrator. Thus the concept of the high-concentration solar trough collector is introduced.

The starting point for a high-concentration solar trough collector should be a low-cost, high-performance trough. For this purpose, a construction based on inflated polymer membranes mounted on a rigid concrete structure is considered. The mirror comprises a stack of N polymer membranes, the topmost membrane being metallized to form the reflector surface. When appropriately dimensioned and inflated, the top membrane assumes the shape of N tangentially connected circular arcs whose shape has been denoted the “arcspline”. This inflated construction allows for primary aperture widths of up to 10 m and trough lengths of over 200 m to be realized. Improved methods to design the arcspline profile are developed. In particular, it is shown that, as a nonimaging concentrator, the arcspline can always be designed to match the concentration of a parabola.

To break the 2D limit of concentration inherent to line-symmetric systems, the line-to-point (LTP) focus optical configuration is presented. An LTP concentrator utilizes an array of nonimaging secondary concentrators arranged along the primary focal line, thus effectively creating a three-dimensional concentrator structure which allows the 2D limit to be considerably surpassed. By incorporating an individual tracking axis perpendicular to the primary tracking axis into each secondary concentrator, it is shown that total concentrations of up to 6000× are theoretically possible. This considerable augmentation in concentration warrants the additional complexity of the system resulting from the introduction of the secondary stage.

In addition to significantly augmenting the achievable concentration, the LTP configuration breaks up the continuous line focus of the primary into a multitude of discrete point-like foci. This is a particular advantage for the application of concentrating photovoltaics (CPV), since smaller solar cells can be used, leading to higher efficiencies and more effective cell cooling. The CPV application is therefore considered in detail, and a linear semi-dense solar cell array comprising five 1 cm² triple-junction concentrator cells is developed for use in LTP systems.

Based on the proposed inflated trough and line-to-point focus concepts, the design, modeling and experimental proof-of-concept of a 600× highconcentration photovoltaic (HCPV) collector is presented. The design utilizes an arcspline primary concentrator with an array of tracking reflective nonimaging concentrators arranged along its focal line. The secondaries are based on asymmetrically truncated θ_i/θ_o transformers crossed with hyperbolic side-walls each with an array of five triple-junction solar cells coupled to its exit aperture. The primary achieves a concentration of C_g,1 = 72.4× while each secondary achieves Cg,2 = 8.14×, resulting in a total concentration of C_g,tot = 590× for the system.

An optical-electrical model of the proposed system was developed using the Monte Carlo ray-tracing technique to simulate the transfer of radiant energy through the optical system, and an equivalent circuit model to predict the electrical performance of the array. The model predicts peak optical, array and overall system efficiencies of 62.5%, 34.9% and 21.7% respectively. The optical efficiency is limited mostly by the materials used in the initial design, while the array efficiency is limited mostly by irradiance mismatch between the subcells of the triple-junction cell, resulting from the optical transfer function of the system. By improving the optical properties of the concentrator materials, and using cells with a spectral response tailored to the spectrum at the exit of the secondaries, system efficiencies approaching 30% are expected.

An on-sun prototype of the proposed HCPV collector was constructed in Biasca, Switzerland. The prototype comprises a 1.2 m long section of the primary trough concentrator, constructed from aluminum sheet mirror pressed on a form having the exact multi-arc shape of the arcspline concentrator. At the focus of the primary, an array of ten secondary concentrator modules was placed. The peak irradiance measured over the array was 328.0 kW/m² at a direct normal irradiance of 901.9 W/m², corresponding to a mean flux concentration ratio over the array of 364 suns:​ the highest solar concentration ratio ever measured on a parabolic-trough-based system. A maximum solar-toDC efficiency of 20.2% was measured for the system.

Based on the successful on-sun prototype demonstration, a 15 kW pilot plant comprising an array of 200 secondary concentrator modules mounted at the focus of a 52 m long inflated trough collector, is currently being constructed in Biasca, Switzerland.

The methods and designs presented in this work open new avenues for solar trough collectors, reducing their cost, increasing their efficiency, and widening their range of potential applications.

Aufgrund der geringen Strahlungsdichte der auf die Erde auftreffenden Sonnenstrahlung beträgt die maximale Leistung die von einem Solarkollektor erzielt werden kann, etwa 1 kW pro m² Primärapertur. Die Minimierung der Kosten pro m² Primärapertur ist demzufolge einer der wichtigsten Faktoren zur Verwirklichung eines wettbewerbsfähigen Systems. Parabolrinnen-Kollektoren sind, dank ihrer Liniensymmetrie, skalierbare und kostengünstige Systeme und somit vielversprechende Kandidaten zum Erreichen dieses primären Ziels. Diese Liniensymmetrie beschränkt jedoch die maximal erreichbare Solarkonzentration auf 215× weshalb die nützlichen Anwendungen solcher Systeme und die Effizienz der nachfolgenden Prozesse begrenzt sind.

Diese Arbeit untersucht Möglichkeiten, wie das erwähnte Konzentrationslimit durch die Einführung einer neuartigen sekundären Konzentratorstufe überschritten werden kann, während die Vorteile eines liniensymmetrischen Primärkonzentrators beibehalten werden können. Somit wird das Konzept eines hochkonzentrierenden Rinnenkollektors eingeführt.

Der Ausgangspunkt für einen hochkonzentrierenden Rinnenkollektor muss eine kosteneffiziente Hochleistungs-Rinne sein. Für diesen Zweck wird eine Konstruktion basierend auf aufgeblasenen Polymermembranen, welche auf einer starren Betonkonstruktion angebracht sind, betrachtet. Der Spiegel besteht aus einem Verbund bestehend aus N Polymermembranen, wobei die oberste Membran metallisiert ist und die Spiegeloberfläche bildet. Bei entsprechender Dimensionierung und Aufblähung, übernimmt die oberste Membran die Form von N tangential verbunden Kreisbögen, deren Form als „Arcspline“ bezeichnet wird. Diese aufgeblasene Konstruktion ermöglicht primäre Aperturweiten von bis zu 10 m und Rinnenlängen von über 200 m. Stark verbesserte Design-Methoden für das „Arcspline“-Profil wurden entwickelt. Insbesondere wird aufgezeigt, dass dieses als nichtabbildender Konzentrator immer so gestaltet werden kann, dass die gleiche Konzentration wie mit einem parabolischen Konzentrator erreicht wird.

Um das 2D-Konzentrationslimit von liniensymmetrischen Systemen zu überschreiten wird die „line-to-point“ (LTP) Konzentrations-Konfiguration eingeführt. Ein LTP-Konzentrator verwendet eine Reihe von nichtabbildenden sekundären Konzentratoren die entlang der primären Brennlinie eingebaut sind. Dies erzeugt eine dreidimensionale Struktur, die es erlaubt das 2D-Limit zu überschreiten. Durch die Installation einer eigenen, senkrecht zur Hauptdrehachse angeordneten Drehachse für jeden Sekundärkonzentrator, sind Konzentrationen von bis zu 6000× möglich. Die Einführung der Sekundärstufe ist trotz der zusätzlichen Komplexität gerechtfertigt da sie zu einer beträchtlichen Erhöhung der Konzentration führt.

Neben dem deutlichen Anstieg der Konzentration teilt die LTP Konfiguration den kontinuierlichen Linienfokus des primären Konzentrators in eine Vielzahl diskreter punktförmiger Fokusse. Dies ist besonders bei konzentrierter Photovoltaik (CPV) ein grosser Vorteil, da kleinere Solarzellen verwendet werden können welches zu höheren Wirkungsgraden und effektiverer Kühlung führt. Die CPV-Anwendung wird daher im Detail betrachtet und eine Solarzellenreihe aus fünf 1 cm² Triple-Junction-Solarzellen für LTP-Systeme entwickelt.

Auf Grundlage der vorgeschlagenen aufgeblasenen Rinnen-Solarkollektorund „line-to-point“-Fokuskonzepte, werden das Design, die Modellierung und der experimentelle Nachweis von einem 600× HochkonzentrationsPhotovoltaikkollektor (HCPV) vorgestellt. Das Design verwendet einen „Arcspline“-Primärkonzentrator mit einer Reihe von nichtabbildenden drehenden Sekundärkonzentratoren, die entlang der Brennlinie angeordnet sind. Jeder Sekundärkonzentrator besteht aus einem asymmetrisch abgeschnittenen θ_i/θ_o Transformator mit hyperbolischen Seitenwänden. Am Ausgang jedes Sekundärkonzentrators ist eine Reihe von fünf Triple-Junction-Solarzellen platziert. Der Primärkonzentrator erreicht eine Konzentration von C_g,1 = 72.4× und jeder Sekundärkonzentator erreicht C_g,2 = 8.14×, was einer Konzentration von C_g,tot = 590× für das Gesamtsystem entspricht.

Ein optisch-elektrisches Modell des vorgeschlagenen Systems wurde mithilfe der Monte Carlo Strahlverfolgungsmethode und eines Ersatzschaltmodells entwickelt. Die Monte Carlo Methode wurde verwendet um die Übertragung der solaren Strahlungsenergie durch das optische System zu simulieren, das Ersatzschaltmodell um die elektrische Leistung der Solarzellen-Reihe vorauszusagen. Das Modell sagt maximale optische, Reihen- und Gesamtsystems-Wirkungsgrade von jeweils 62.5%, 34.9% und 21.7% voraus. Der optische Wirkungsgrad ist vor allem durch die im ersten Design verwendeten Materialien beschränkt, während der Reihen-Wirkungsgrad hauptsächlich durch unregelmässige Ausleuchtung zwischen den Unterzellen der Triple-Junction-Solarzellen beschränkt ist. Durch die Verbesserung der optischen Eigenschaften der Konzentratormaterialien und durch die Verwendung von Zellen mit einer wellenlängenabhängigen Charakteristik auf die Ausgangsstrahlung des Sekundärkonzentrators, können Systemwirkungsgrade von 30% erwartet werden.

Ein real getesteter Prototyp des vorgeschlagenen HCPV-Kollektors wurde in Biasca (Schweiz) aufgebaut. Der Prototyp besteht aus einem 1.2 m langen Abschnitt des primären Rinnen-Konzentrators. Der Abschnitt ist aus Aluminiumblechspiegel aufgebaut und auf einer Struktur mit der genauen „Arcspline“-Form gepresst. Im Fokus des Primärkonzentrators wurde eine Reihe von zehn Sekundärkonzentrator-Modulen montiert. Die über der Reihe gemessene Spitzenbestrahlungsstärke war 328.0 kW/m² bei einer Direktnormalstrahlung von 901.9 W/m², was einer mittleren Strahlungsflussdichtekonzentration über der Reihe von 364 Sonnen entspricht und das höchste je gemessene Sonnenkonzentrationsverhältnis mit einem auf einem Parabolrinnenkonzentrator basierenden System darstellt. Ein maximaler „solarto-DC“ Wirkungsgrad von 20.2% wurde für das System gemessen. Basierend auf der erfolgreichen Demonstration wird derzeit eine 15 kW-Pilotanlage in Biasca aufgebaut. Die Pilotanlage besteht aus einer Reihe von 200 Sekundärkonzentrator-Modulen, die im Fokus eines 52 m langen aufgeblasen Rinnen-Solarkollektors montiert werden.

Die Methoden und Designs in dieser Arbeit eröffnen neue Wege für RinnenSolarkollektoren:​ Verringerung der Kosten, Verbesserung des Wirkungsgrads und die Erweiterung ihrer Einsatzmöglichkeiten.