Ontwerpen met ‘luminescente solar ­concentrator pv-technologieën’

2. De vijf meest relevante ­aspecten van het ontwerpen met lsc-pv-technologieën.

LSC-pv-technologieën

Om de potentie van lsc-pv-technologieën in de volle omvang te kunnen begrijpen, eerst een stukje geschiedenis. Het functionele principe van lsc-pv stamt uit de late jaren zeventig en betreft een technologie om zonne-energie op te vangen met een transparante, dunne en gevormde plaat die als lichtgeleider fungeert. Deze geleider bestaat uit een materiaal met een brekingsindex groter dan lucht. Dit materiaal bevat tevens licht-actieve deeltjes die luminoforen heten en zowel organische kleurstoffen als anorganische kleurstoffen (waaronder kwantum dots) kunnen zijn. Fotonen afkomstig van zonnestraling die de lsc binnendringen, worden geabsorbeerd door deze luminoforen en vervolgens weer uitgestraald met een langere golflengte. Daarnaast wordt een deel van de zonnestraling ‘gevangen’ in de lichtgeleider door volledige interne reflectie aan de materiaaloppervlakken. Dit blijkt een zeer effectief mechanisme te zijn voor het vasthouden en concentreren van diffuse straling. Reinders: ‘De belangrijkste uitdaging bij lsc-pv-systemen was indertijd het verbeteren van het omzettingsrendement van fotonen naar elektriciteit. Oplossingen hiervoor zijn gevonden in de ontwikkeling van betere luminoforen die de inkomende straling beter kunnen concentreren en hiermee de efficiëntie verbeteren. Daarnaast is het mogelijk de vorm van de lsc te optimaliseren om zo de concentratie van invallend zonlicht te maximaliseren. Beide ontwikkelingen leveren een wezenlijke bijdrage aan het rendement.’ Traditioneel worden in lsc-pv-systemen gangbare pv-technieken toegepast, zoals cellen van kristallijn silicium. Daarbij bestaat de keuze om de cellen op de achterzijde van de lsc aan te brengen of aan de randen. In het eerste geval bedraagt de tot nu toe hoogst behaalde efficiëntie rond de 6 procent; voor cellen die op de randen zijn aangebracht geldt een percentage van 7,1 procent. Reinders: ‘Uit een onderzoek met een aantal collega’s hebben we berekend dat de combinatie van cellen op de randen en op de achterzijde van lsc’s zou kunnen resulteren in rendementen van rond de 17 procent [1].

Specifiek lsc-systemen zijn veelbelovend in het kader van de energietransitie

De kracht van een ontwerp

Specifiek lsc-systemen zijn veelbelovend in het kader van de energietransitie, omdat ze een probleem oplossen dat veel mensen hebben met de standaard pv-panelen die op daken en ook in de vorm van zonneparken worden gelegd. ‘Men’ vindt deze panelen te donker, te blauw, te hoekig en dikwijls (zacht uitgedrukt) minder aantrekkelijk. Reinders: ‘Hieruit blijkt onder meer dat de huidige generatie ontwikkelaars van pv-systemen zich onvoldoende bewust is van het feit dat er meer aspecten een rol spelen bij het aantrekkelijke maken van het gebruik van pv-systemen dan de technische prestaties (rendement) alleen.’

Belangrijk voor een goed ontwerp zijn tevens:

• financiële aspecten;
• sociaal-maatschappelijke context;
• menselijke factoren;
• vormgeving en styling.

De financiële kant van het verhaal wordt door de meeste ontwerpers – al dan niet gedwongen – opgepakt. Maar de laatste twee aspecten – ‘menselijke factoren’ en ‘vormgeving en styling’ – zijn minder bekend en behoeven dus extra uitleg. ‘Het aspect ‘menselijke factoren’ heeft te maken met de manier waarop gebruikers aankijken tegen pv-technologieën en dus hoe ze hiermee omgaan. Een positieve kijk zal in dat kader leiden tot een hogere bereidheid om pv-technologieën en -systemen toe te passen en te gebruiken dan een negatieve kijk. Uit een eerdere studie is bijvoorbeeld gebleken dat respondenten behoorlijk positief zijn over pv-producten die een milieuvriendelijk of sociaal karakter hadden.’
Kijken we naar ‘vormgeving en styling’ dan gaat het echt om de vraag: hoe ziet een product dat gebruikmaakt van pv-technologie er uit? Reinders: ‘Een interessante en hedendaagse vormgeving vergroot de bereidheid om deze pv-systemen toe te passen en verhoogt tevens de acceptatie van de directe omgeving. De functie van de vormgeving van producten, of zoals je wilt: design, speelt hierin een niet te onderschatten rol. Een rol die door lsc’s maximaal is in te vullen vanwege de vormvrijheid en de uiteenlopende kleuren.’

3. Visuele representatie van de ‘zonnelelies’, ontworpen door Hanbo Yang en Monika Michalska.

Het project

Om te onderzoeken waartoe deze ontwerpvrijheid bij toepassingen van lsc’s kan leiden, heeft Reinders met collega’s tijdens een ‘summer school’ in 2019 een interdisciplinair ontwerpproject opgezet voor studenten en onderzoekers. Hierin werden niet alleen de technische aspecten van lsc meegenomen, maar ook menselijke, sociale, maatschappelijke en styling-aspecten. De summer school werd georganiseerd in het arc Centre of Excellence in Exciton Science en de School of Photovoltaic & Renewable Engineering aan de unsw Sydney.
Reinders: ‘Een van de expliciete doelstellingen van het ontwerpproject was het samenbrengen van technische georiënteerde mensen – vooral mensen met een achtergrond in scheikunde, natuurkunde en elektronisch ontwerpen – en personen die in vormgeving zijn geïnteresseerd. Met deze combinatie is de kans het grootst om tot ontwerpen te komen die recht doen aan de genoemde aspecten en dus ook een hogere acceptatiegraad hebben. Belangrijk om grootschalig te kunnen toepassen in de gebouwde omgeving.’ Het ontwerpproject omvatte zowel een stukje theorie over lsc-pv-systemen en was verder voornamelijk praktisch georiënteerd, waarbij de deelnemers in groepen verschillende concepten hebben uitgewerkt. Reinders selecteerde voor haar boek ‘Designing with Photovoltaics’ de meest prominente resultaten: zonne-lelies en bouwelementen.

4. Cad-presentatie van een zonne-lelie met boven een 3D-zijaanzicht en onder een transparante blik vanaf de bovenkant.

Zonne-lelies

De uiterlijke vormgeving is een aspect dat bij de ‘zonne-lelies’ optimaal tot zijn recht komt. Bij dit concept zijn de lichtgeleiders gevormd tot bladerachtige elementen die aan de basis met zonnecellen worden gekoppeld (figuur 3). Deze basis kan van vorm veranderen, waarmee de vorm van de bladerachtige lichtgeleiders zodanig is aan te passen dat dit resulteert in verschillende typen zonne-lelies. De toegepaste kunststoffen in het ontwerp hebben een extreem laag gewicht en zijn te produceren in vlakke of gebogen vormen zodat verschillende geometrieën in het ontwerp zijn te integreren. Naast de vorm van de lelies is het ook mogelijk te spelen met kleur die willekeurig is te kiezen, en kan variëren van geel tot roodachtig. De hiervoor benodigde fluorescentiekleurstoffen dekken de verschillende ranges van het zonnespectrum af en zijn ontwikkeld om een hogere output te realiseren. De elementen zijn te plaatsen in bijvoorbeeld bomen, maar kunnen ook drijven op water zoals ‘echte’ waterlelies. Naast het design leveren de elementen (uiteraard) ook praktisch nut: in serie geschakelde lelies produceren bijvoorbeeld voldoende elektriciteit om kleine elektronische apparaten op te laden. Omdat dit óók mogelijk is bij diffuus licht, vormen de lelies een aantrekkelijke aanvulling op de traditionele solar-oplossingen die veelal direct zonlicht nodig hebben.
Elk van de acht bladeren van pmma – waarin 150 ppm Lumogen Red 305-kleurstof is verwerkt – bestaat uit een vijfhoek met een dikte van 1 cm en een lengte van 8,5 cm. De volledige lelie meet een lengte van 21 cm. De zonnecellen met een dikte van 0,03 cm, een lengte van 3 cm en een breedte van 1,1 cm, zijn vastgemaakt aan de bladranden die gekoppeld zijn aan de paarse basis met een diameter van 5 cm. De andere vier randen van het blad zijn bedekt met spiegeltjes om de interne reflectie te vergroten en de verliezen te verkleinen. Om een inschatting te kunnen maken van de prestaties van de zonne-lelie zijn ray-tracing simulaties uitgevoerd met LightTools-software. Het uitgaande vermogen is onder andere verder te verhogen door de geometrie van de lelie aan te passen.

Ook tweezijdige pv-panelen kunnen een oplossing voor de toekomst zijn

Aanpasbare bouwelementen

Een tweede uitgewerkt concept waarbij Reinders zelf betrokken was, betreft gekleurde bouwelementen (figuur 5) die gebruikmaken van zogeheten bifacial (tweezijdige) zonnecellen. Deze varianten bieden extra ontwerpflexibiliteit aangezien zij aan twee zijden zijn aan te lichten. Elke unit bestaat uit een kubusvormige lichtgeleider die aan elke zijde wordt bedekt door vier zonnecellen. Deze zijn weer omgeven door andere kubusachtige elementen die eveneens fungeren als lichtgeleiders. In dit voorbeeld meet elke kubus 1x1x1 cm, maar de optimale maatvoering varieert afhankelijk van de luminoforen en het gebruikte basismateriaal. In dit conceptuele ontwerp wordt in de pmma-lichtgeleider de organische kleurstof Lumogen Orange 240 toegepast. Uiteraard is het ook mogelijk om voor andere kleurstoffen te kiezen waarmee de kleuren van de tweezijdige pv-modules zijn aan te passen. Dit maakt deze elementen bij uitstek geschikt voor een ‘esthetisch verantwoorde’ oplossing voor geïntegreerde pv-applicaties.
De opbrengst van een bifacial lsc pv-module is eveneens gesimuleerd met Light Tools. Hierbij is de totale zonne-instraling ingesteld op 1.000 W/m² op de bovenkant van het middelste lichtgeleider oppervlak. De straling is daarbij verdeeld in 70 procent (700 W/m²) directe straling en 30 procent (300 W/m²) diffuse instraling. De directe bron is aan de voorzijde van het systeem geplaatst, maar dermate ver weg dat hij te beschouwen is als de zon. De diffuse straling omgeeft het volledige systeem. De simulaties zijn vervolgens uitgevoerd bij veranderende concentraties van de kleurstof (figuur 7). Hieruit volgt dat het uiteindelijke rendement van dit nieuwe type bifacial lsc-pv-module richting de genoemde 17 procent gaat. Reinders: ‘Door dit ontwerp is niet alleen de lsc-pv-technologie ingezet voor een esthetisch verantwoord product, maar tevens voor een product dat een concurrerende efficiëntie heeft. Door de efficiëntie van de cel verder te optimaliseren evenals de geometrie van de unit cellen, door het toevoegen van semi-transparante spiegels, is het rendement nog verder te verhogen.’

5. Conceptueel ontwerp van een pv-bouwelement met lsc tweezijdige pv-technologie waarbij de aanpasbare eigenschappen van kleur worden getoond.

Simulatieresultaten

Bij de simulatieresultaten van het pv-bouwelement (figuur 7 en 8), zijn de oppervlakken die naar binnen zijn gericht apart weergegeven van de vlakken die naar buiten zijn gericht. Uit deze grafieken is op te maken dat het invallende stralingsvermogen van de oppervlakken van de zonnecellen (1x1 cm) stijgt met de concentratie kleurstof waarbij een optimum ontstaat. Het vermogen bij nog hogere concentraties neemt weer af als gevolg van onder meer reabsorptie verliezen. Het totale invallende stralingsvermogen op de bovenkant van elke kubus bedraagt 0,082 W. In deze situatie is het maximale gemiddelde stralingsvermogen 0,015 W op elk naar binnen gericht oppervlak van de zonnecellen bij een kleurstofconcentratie van 150 ppm. De naar buiten gerichte oppervlakken bereiken een maximaal stralingsvermogen van 0,017 W, aangezien zij meer licht ontvangen. Wanneer vervolgens wordt uitgegaan van een cel-efficiëntie van 15 procent, zullen de naar buiten gerichte zonnecellen een maximale vermogensopbrengst hebben van 0,0026 W per cel en de naar binnen gerichte oppervlakken 0,0022 W per cel. Een simpele berekening geeft aan dat het koppelen van vele unitcellen in een pv-module waarbij alle pv-cellen naar binnen zijn gericht, leidt tot een geschatte opbrengst van 0,009 W per 1 cm². Dit is gelijk aan 90 W/m² bij een instralend vermogen van 1.000 W/m² en het gebruik van cellen met een efficiëntie van 15 procent. Op basis van bovenstaande is te concluderen dat lsc pv een serieus alternatief zou kunnen zijn voor traditionele pv-modules. Om de technologie echter breder te kunnen inzetten, en gebruik te kunnen maken van de grote vormvrijheid, zullen de prestaties van de lsc-technologie nog verder moeten worden verbeterd. De inzet van simulatiesoftware is daarbij zeer bruikbaar gebleken. Een brede toepassing is bovendien te stimuleren door ontwerpen daadwerkelijk te realiseren en hiermee de werking van dit type product in de gebouwde omgeving te demonstreren. <<

Designing with Photovoltaics

In haar boek ‘Designing with Photovoltaics’ [2] beschrijft prof.dr. Angèle Reinders samen met verschillende zonne-energie experts en professionele ontwerpers een brede range onderwerpen die van belang zijn bij het ontwerpen van producten waarin pv-technologieën worden geïntegreerd; inclusief de opslag van energie. Deze producten variëren van transportmiddelen tot aan gebouwen en worden gekoppeld aan ontwerp- en productiegerelateerde informatie over zonnecellen.

Bronnen en verwijzingen
- Reinders et.al., ‘Simulation of a Novel Configuration for Luminescent Solar Concentrator Photovoltaic Devices Using Bifacial Silicon Solar Cells’, tu/e, Eindhoven, 2020.
- Reinders, ‘Designing with Photovoltaics’, CRC Press, Boca Raton (vs), 2020.

Tekst: Marjolein de Wit – Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie