Inmiddels zijn we er wel aan gewend, maar ze zijn niet altijd even handig, al die batterijen en stroomkabels. Een ingebouwd zonnepaneel is wellicht een oplossing, want dan zorgt het apparaat zelf voor de stroom. Maar ja, dat werkt alleen als er voldoende lichtinval is en dat kan binnenshuis best lastig zijn. Een veelvoorkomende reden voor productontwerpers om af te zien van een geïntegreerde zonnecel.
Vanaf nu is dat echter geen excuus. Promovendus Nils Reich (Universiteit Utrecht) heeft een methode ontwikkeld waarmee de energieopbrengst van een geïntegreerde zonnecel heel nauwkeurig voorspeld kan worden.
Tekenen met stralen
Reich’s methode maakt gebruik van ray tracing, een techniek die al verwerkt is in de 3D-software van ontwerpers. De Computer Aided Design (CAD)-programma’s kunnen een 3D-ontwerp van alle kanten laten zien door de 3D-wereld telkens ‘te vertalen’ naar een 2D-beeld. Voor die vertaalslag wordt vaak ray tracing gebruikt. Een illustratie van het principe zie je hieronder.
Achter het beeld staat een (fictieve) camera en hier vandaan worden ‘kijkstralen’ naar de 3D-wereld geschoten: één voor elke pixel (beeldpunt) in het 2D-beeld. De pixels worden vervolgens ingekleurd door te kijken naar de plek waar een straal terechtkomt. Bij het berekenen van de kleur wordt gelet op alle eigenschappen die van invloed kunnen zijn, zoals de kleur van het object, de belichting en het materiaal (bijvoorbeeld wel of niet glimmend).
Om onnodige berekeningen te voorkomen, worden ‘schaduwstralen’ gebruikt om te testen of een punt belicht wordt. Wanneer een kijkstraal ergens terecht komt, wordt daarvandaan een straal naar de lichtbron geschoten. Komt die schaduwstraal onderweg een (ondoorzichtig) object tegen, dan ligt het punt in de schaduw en hoeft de belichting niet meegenomen te worden in de berekeningen.
Van kleur naar getal
In principe berekent het ray tracing-algoritme alleen hoeveel licht een bepaald oppervlakte in de kijkrichting reflecteert. Maar voor het bepalen van de energieopbrengst van een zonnecel is meer nodig. Daarvoor moet je weten hoeveel licht er in totaal op een oppervlakte schijnt.
De 3D-software laat de totale hoeveelheid ‘inkomend licht’ op een oppervlakte zien aan de hand van een kleur. Dat zie je in de afbeelding hieronder: de rode gedeeltes krijgen erg veel licht en plekken in het blauw blijven juist heel donker.
Maar met een kleur kun je lastig berekeningen uitvoeren en daarom heeft Reich een formule bedacht om de kleur om te zetten naar een getal. Zo kon hij berekenen hoeveel energie een zonnepaneel van een bepaalde grootte op een bepaalde plek zou opbrengen.
Direct toepasbaar
De energieopbrengst die Reich met zijn ray tracing-methode berekende, heeft hij vergeleken met echte waarden. Hij legde hiervoor een computermuis op zonne-energie (zie afbeelding) een paar dagen in een raamkozijn en simuleerde diezelfde situatie met de 3D-software. Wat bleek: de voorspelling klopte vrij goed met de echte energieopbrengst.
Doordat Reich’s methode gebruikt maakt van bestaande technieken, kunnen ontwerpers er in feite nu al van profiteren. Dat kan leiden tot efficiënte ontwerpen voor mobiele electronica, maar architecten kunnen er in de toekomst ook gebruik van maken. Dat is iets waar Reich op hoopt: “Zonnecellen worden pas vaker toegepast als ontwerpers ze makkelijker kunnen inzetten. Ik hoop dat deze software architecten laat zien dat ze eenvoudig zonnecellen kunnen verwerken in ontwerpen van nieuwbouw. Dat zou tot een aanzienlijke verandering op de energiemarkt kunnen leiden.”
Nils Reich promoveert vandaag (14 september 2010) aan de Universiteit van Utrecht op het proefschrift ‘On the design of product integrated photovoltaic systems’. Zijn onderzoek maakte deel uit van het SYN-energy-project.
Lees meer over zonnecellen en -panelen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/zonnecel/zonnecellen/zonnepaneel/zonnepanelen/index.atom?m=of", “max”=>"5", “detail”=>"normaal"}