Een wigvormige zonneconcentrator kan bijdragen aan het vergroten van de opbrengst van zonnepanelen op gebouwen. Dat blijkt uit experimenteel onderzoek in de Verenigde Staten. Het ding werkt vooral goed op buitenmuren waar verticale zonnepanelen niet optimaal functioneren.

Hoewel de verduurzaming van onze stroomvoorziening gestaag doorgaat, kunnen gebouwen nog veel beter worden benut. We zien steeds meer zonnepanelen op daken verschijnen, maar op de gevels van gebouwen nog nauwelijks. Terwijl je ook op deze oppervlakken groene stroom kunt produceren.

Een mogelijke optie is om simpelweg PV-panelen, die normaal gesproken onder een hoek op dak worden gelegd, verticaal aan een gevel te hangen. Zie bijvoorbeeld de foto boven dit stuk, van een gebouw in Toronto, Canada.
 

Wigvormig

Bij het Rensselaer Polytechnic Insitute in Troy (New York) in de Verenigde Staten komen ze nu met een alternatief: een wigvormige zonneconcentrator. Deze ‘zonnewig’ (de onderzoekers spreken van een luminescent solar concentrator) is een constructie die zonlicht opvangt en intern weerkaatst naar een kleiner zonnepaneel. Het idee is dat het ding door het jaar heen meer elektriciteit kan genereren dan een verticaal hangend zonnepaneel. Ook kan zo’n concentrator meer verspreid over de dag stroom leveren dan enkel een verticaal zonnepaneel dat doet.
 


‘Deze technologie is niet bedoeld om zonnepanelen te vervangen, maar zij breidt de capaciteit uit om efficiënt zonne-energie te oogsten in de gebouwde omgeving’, zegt Diana-Andra Borca-Tasciuc in een persbericht van haar universiteit. ‘De zonnewig werkt vooral goed voor verticale wanden waar een zonnepaneel minder goed presteert.’
 

Resultaten

De onderzoekers van Rensselaer zijn de eersten, naar eigen zeggen, die deze eigenschappen van de concentrator preciezer experimenteel hebben onderzocht. Hun resultaten beschrijven ze in een recent artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Renewable Energy.

De ‘zonnewig’ van de onderzoekers bestaat uit een wig van dun plaatstaal, waar op de korte kant een zonnecel is aangebracht (zie de figuur hierboven). Op de lange zijde zit een spiegel, die voor een groot deel bedekt is met een fosforescerende laag. Deze opbouw zorgt ervoor dat een flink deel van het zonlicht direct wordt weerkaatst op de zonnecel. De fosforescerende laag neemt zonlicht op en zendt licht uit bij een deel van het spectrum dat gunstiger is voor het PV-paneel.

De rest van de driehoekige holte wordt opgevuld met doorzichtig siliconenrubber. Zoals de zonnewig is afgebeeld, valt licht van boven in; in de praktijk hangt de constructie verticaal, dus met de zonnecel onderaan (zie figuur hieronder).
 


 

Twee steden

Allereerst lieten de onderzoekers in hun lab licht onder verschillende hoeken op hun zonneconcentrator vallen om de elektrische karakteristieken te bepalen. Daarnaast hingen ze hun zonnewig ook – virtueel – een jaar lang op in twee verschillende steden in de VS: Albany (in de staat New York en vlakbij de stad waar de onderzoekers werken) en Phoenix (Arizona). Dit zijn met opzet twee steden op een lage (Phoenix) en op een hoge breedtegraad (Albany), die dus door hun geografie respectievelijk beter en minder geschikt zijn voor zonne-energie.
 

Beter presteren

De wetenschappers concluderen uit deze simulaties dat een verticale zonnewig beter kan presteren dan een verticaal opgehangen zonnepaneel, afhankelijk van de windrichting van de gevel waar hij aan hangt. Voor het opwekken van dezelfde hoeveelheid stroom is een kleiner oppervlak aan zonnecellen nodig.

Wél moet het oppervlak van de zonneconcentrator meer dan drie keer zo groot zijn als van een verticaal zonnepaneel, om evenveel stroom op te wekken. Dus in andere woorden, zou een architect kiezen voor zonnewiggen op een nieuw gebouw, dan moet zij meer dan drie keer zoveel geveloppervlak vol hangen dan wanneer ze voor zonnepanelen zou kiezen. Maar in die zonneconcentratoren zit dan wel minder zonnecelmateriaal, wat het grootste deel van de kosten bepaalt. Zo kan de wigvormige oplossing toch goedkoper uitpakken.
 

Gebouwde omgeving verduurzamen

De onderzoeksresultaten zijn relevant, omdat de gevels van gebouwen waarschijnlijk hard nodig zijn om de gebouwde omgeving te verduurzamen. Natuurlijk moeten de daken van gebouwen vol worden gelegd met zonnepanelen. Maar, zo merken de onderzoekers op, vaak is een deel van het dakoppervlak al in gebruik voor de installaties en kanalen voor het koelen en ventileren van het gebouw. ‘Dat kun je dus niet gebruiken om zonnepanelen op te installeren. Maar in deze zelfde gebouwen is er wel plek op de gevels’, zegt promovendus Duncan Smith van Rensselaer in het persbericht.

Na dit verkennende onderzoek bekijkt het team nu hoe hun zonnewig nog te verbeteren is. Ze bekijken andere materialen die de efficiëntie zouden kunnen verhogen van de omzetting van het invallende licht in elektriciteit.

 

Openingsfoto Archieffoto van verticaal opgehangen zonnepanelen op een gebouw in Toronto, Canada. Foto tai viinikka / CC BY-NC-ND 2.0.
Illustraties Hughes et al., Renewable Energy, 2020.