Zonne-energie van 'The Dark Side' ontgrendeld door een nieuwe formule

- Jan 03, 2020-

Bron: sciencedaily


Solar Power From 'The Dark Side' Unlocked By A New Formula


De meeste zonnepanelen van vandaag vangen zonlicht op en zetten het alleen om in elektriciteit van de kant die naar de hemel is gericht. Als de donkere onderkant van een zonnepaneel ook zonlicht kan weerkaatsen dat vanaf de grond wordt gereflecteerd, kan er nog meer elektriciteit worden gegenereerd.


Met dubbelzijdige zonnecellen kunnen panelen al verticaal op het land of op daken staan en zelfs horizontaal als de overkapping van een benzinestation, maar het is niet precies bekend hoeveel elektriciteit deze panelen uiteindelijk kunnen genereren of het geld dat ze kunnen besparen.


Een nieuwe thermodynamische formule onthult dat de bifaciale cellen die dubbelzijdige panelen vormen gemiddeld 15% tot 20% meer zonlicht voor elektriciteit genereren dan de monofaciale cellen van de hedendaagse eenzijdige zonnepanelen, rekening houdend met ander terrein zoals gras, zand, beton en vuil.


De formule, ontwikkeld door twee natuurkundigen van Purdue University, kan worden gebruikt om in minuten de meeste elektriciteit te berekenen die bifaciale zonnecellen kunnen genereren in verschillende omgevingen, zoals gedefinieerd door een thermodynamische limiet.


"De formule omvat slechts een eenvoudige driehoek, maar het destilleren van het uiterst gecompliceerde fysica-probleem tot deze elegant eenvoudige formulering vereiste jaren van modellering en onderzoek. Deze driehoek zal bedrijven helpen betere beslissingen te nemen over investeringen in volgende-generatie zonnecellen en erachter te komen hoe te ontwerpen ze om efficiënter te zijn, "zei Muhammad" Ashraf "Alam, Jai N. Gupta hoogleraar elektrische en computertechniek Purdue.


In een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, tonen Alam en co-auteur Ryyan Khan, nu een universitair docent aan de East West University in Bangladesh, ook hoe de formule kan worden gebruikt om de thermodynamische limieten van alle ontwikkelde zonnecellen te berekenen in de laatste 50 jaar. Deze resultaten kunnen worden veralgemeend tot technologie die naar verwachting in de komende 20 tot 30 jaar zal worden ontwikkeld.


De hoop is dat deze berekeningen zonneparken zouden helpen om bifaciale cellen eerder in hun gebruik ten volle te benutten.

"Het duurde bijna 50 jaar voordat monofaciale cellen op een kosteneffectieve manier in het veld verschenen," zei Alam. "De technologie is opmerkelijk succesvol geweest, maar we weten nu dat we hun efficiëntie niet meer aanzienlijk kunnen verhogen of de kosten kunnen verlagen. Onze formule zal de ontwikkeling van bifaciale technologie op een snellere tijdschaal begeleiden en versnellen."


Het papier heeft de wiskunde misschien net op tijd geregeld: experts schatten dat tegen 2030 bifaciale zonnecellen bijna de helft van het marktaandeel voor zonnepanelen wereldwijd zullen uitmaken.


De benadering van Alam wordt de "Shockley-Queisser-driehoek" genoemd, omdat deze voortbouwt op voorspellingen van onderzoekers William Shockley en Hans-Joachim Queisser over de maximale theoretische efficiëntie van een monofaciale zonnecel. Dit maximale punt, of de thermodynamische limiet, kan worden geïdentificeerd op een naar beneden hellende lijngrafiek die een driehoekvorm vormt.


De formule laat zien dat de efficiëntiewinst van bifaciale zonnecellen toeneemt met licht dat wordt gereflecteerd door een oppervlak. Aanzienlijk meer vermogen zou bijvoorbeeld worden omgezet van licht dat wordt gereflecteerd door beton, vergeleken met een oppervlak met vegetatie.


De onderzoekers gebruiken de formule om betere bifaciale ontwerpen aan te bevelen voor panelen op landbouwgrond en de vensters van gebouwen in dichtbevolkte steden. Met transparante, dubbelzijdige panelen kan zonne-energie op landbouwgrond worden opgewekt zonder schaduwen te werpen die de gewasproductie zouden blokkeren. Ondertussen zou het creëren van bifaciale vensters voor gebouwen steden helpen om meer duurzame energie te gebruiken.


Het artikel beveelt ook manieren aan om het potentieel van bifaciale cellen te maximaliseren door het aantal grenzen tussen halfgeleidermaterialen te manipuleren, knooppunten genoemd, die de stroom van elektriciteit vergemakkelijken. Bifaciale cellen met enkele juncties bieden de grootste efficiëntiewinst ten opzichte van monofaciale cellen.


"De relatieve winst is klein, maar de absolute winst is aanzienlijk. Je verliest het initiële relatieve voordeel naarmate je het aantal kruispunten verhoogt, maar de absolute winst blijft stijgen," zei Khan.


De formule, gedetailleerd in het artikel, is grondig gevalideerd en is klaar voor bedrijven om te gebruiken bij het beslissen hoe zij bifaciale cellen ontwerpen.