Een voorspeller voor zonnepanelen

Een heel praktisch model 

Vorig jaar in mei kondigde imec aan dat ze een simulatiemodel ontwikkeld hadden dat, op basis van de weersomstandigheden, kan voorspellen hoeveel een zonnepaneel ‘in het echt’ produceert. Een zonnecel wordt typisch gekarakteriseerd door een bepaalde omzettingsefficiëntie (in %) die gemeten wordt onder standaardcondities in een labo. Maar wanneer die zonnecel wordt gebruikt in een module of paneel, en geïnstalleerd wordt op een dak of in een zonnecelpark, en moet functioneren in weer en wind, dan wordt dit heel wat anders. Voor beheerders van zonnecelparken, energieleveranciers, ontwikkelaars en investeerders etc. is het belangrijk te weten hoeveel een zonnepaneel op jaarbasis en op die bepaalde plaats, zal opleveren. Niet de omzettingsefficiëntie maar wel euro/kilowatt uur is voor hen de belangrijkste parameter. En daar kan het model hen bij helpen. We zetten even op een rijtje voor welke toepassingen het simulatiemodel interessant is.

• Load management. Om de stabiliteit van het energienetwerk te garanderen, is het belangrijk dat vraag en aanbod steeds op elkaar zijn afgestemd. Dat wordt moeilijk wanneer hernieuwbare energiebronnen – zoals zonne-energie – in het netwerk worden opgenomen. Hun opbrengst is immers sterk afhankelijk van de weersomstandigheden. Dankzij het nieuwe model kan, tot op 15 minuten nauwkeurig, en op basis van de weersomstandigheden, voorspeld worden hoeveel zonne-energie zal geproduceerd worden. Op korte termijn zal het model op die manier kunnen toegepast worden voor (micro)grids zoals op eilanden, in grote fabrieken, in woonwijken, etc. 
• Onderhandelingen over de energieprijs. Energie wordt verhandeld tussen landen. Wil je zo sterk mogelijk staan tijdens deze onderhandelingen, is het belangrijk exact te weten hoeveel energie je land zal produceren over een bepaalde periode. Dankzij het simulatiemodel, kan je berekenen hoeveel zonne-energie dit zal zijn en wordt dit steeds minder een ‘onvoorspelbare’ factor in je energieaanbod.
• Technische aanpassingen aan de zonnecel. Door de opbouw van het model is het ook mogelijk om te berekenen hoeveel een bepaalde aanpassing zal opleveren ‘in het echt’. Stel dat je een ander soort materiaal wil gaan gebruiken op een bepaalde plaats in de cel, of dat je de glascover wil vervangen door een folie, of ... Het model berekent hoeveel zo’n cel zou produceren in het zonnecelpark, onder de typische weersomstandigheden van die streek. Zo kunnen PV-onderzoekers en zonnecelfabrikanten de juiste keuzes maken bij het optimaliseren van de zonnecel en -module en dit zonder de cellen echt te moeten maken. Dit bespaart veel tijd en kosten.
• Plaatsing van het zonnepaneel. In landen zoals België worden zonnepanelen typisch onder een hoek van 36° geplaatst voor een goede belichting. Maar wat als je 30° zou toepassen? Dan heb je misschien minder belichting, maar ook meer koeling door de wind, en dus een betere werking van de zonnepanelen. Op jaarbasis kan dit dan meer opbrengen dan een plaatsing bij 36°. Zulke scenario’s kunnen gemakkelijk uitgerekend worden met het model, en geoptimaliseerd. 

Wat maakt dit model zo uniek?

Het nieuwe simulatiemodel is een holistisch model dat zowel optische, thermische als elektrische parameters in rekening brengt en ook kijkt naar de wisselwerking tussen al deze parameters. Bijvoorbeeld: als er meer licht op de cel valt (optische parameter), heeft dit een invloed op de opwarming van de cel (thermische parameter) en op de aanmaak van ladingsdragers (elektrische parameter). En zo zijn er veel scenario’s waarin de wisselwerking van deze parameters voor het uiteindelijke resultaat zorgt. 

Deze holistische aanpak maakt dat dit model veel nauwkeuriger voorspelt dan andere reeds bestaande modellen. Het feit dat dit model ook de bewolking en wind mee in de berekeningen neemt, is ook een belangrijk pluspunt dat andere modellen niet hebben. 

Als je weet dat de beschaduwing van één cel, tot 80% minder productie oplevert, is het logisch om ook bewolking – weliswaar geen ‘harde’ beschaduwing –  nauwkeurig mee in rekening te brengen. 

Beter dan andere modellen

Een jaar na de aankondiging van het nieuwe simulatiemodel, werd het gevalideerd in de zogenaamde ‘Oldenburg studie’. Aan de universiteit van Oldenburg werden zonnepanelen van een bepaald type gedurende 9 maanden nauwkeurig opgemeten, evenals de weersomstandigheden. Die parameters (temperatuur, wind, bewolking, ...) werden in het model ingevoerd en de resultaten werden vergeleken met de opgemeten energieproductie van de panelen. Het model bleek beter te scoren dan bestaande modellen, namelijk met 2.8 % root-mean-square error (RMSE) nauwkeurigheid voor de voorspelling van dagelijkse productie, daar waar ander modellen een nauwkeurigheid van 3.5 % RMSE hebben.

Drie concrete cases  

Zoals eerder gezegd kan het model ook gebruikt worden om te simuleren hoeveel een bepaalde aanpassing aan de cel zou opleveren in het zonnecelpark zonder de cel daadwerkelijk te maken. Ter illustratie werden drie cases uitgewerkt waarbij telkens een optische, thermische en elektrische parameter wordt aangepast, om zo het belang van het holistische concept aan te tonen

1. UV-licht doorlaten. Zonnecellen hebben bovenaan typisch een inkapselfolie die UV-licht niet doorlaat omdat dit de folie onderaan de cel zou beschadigen. Wat als er bovenaan toch UV-licht zou doorgelaten worden? Op basis van standaard modellen en metingen zou deze aanpassing een stijging in vermogen opleveren van 1,8% (in standaard labcondities). Imecs simulatiemodel toont aan dat deze aanpassing in real-life omstandigheden slechts 1% meer energieproductie zou opleveren. Door de opbouw van het model, is het ook mogelijk om na te gaan waarom deze energieproductie lager ligt. Kort samengevat: het extra licht in de cel (UV-licht) zorgt voor een opwarming die nadelig is voor de energieproductie. 

2. Folie achteraan vervangen door glas. Traditionele modules zijn bovenaan bedekt met glas, en onderaan met een ‘backsheet’. Er is een trend naar glas/glas-modules. Op basis van het simulatiemodel werd berekend wat de verschillen zijn in energieproductie tussen beiden, waarbij verschillende glasdiktes en backsheetkleuren werden ‘uitgetest’. Kort samengevat: het gebruik van glas achteraan heeft geen groot voordeel, zeker niet op jaarbasis. Het gebruik van een witte in plaats van zwarte backsheet achteraan zorgt voor een toename in energieproductie van meer dan 6%, dit doordat er ook nog fotonen worden teruggekaatst door de witte achterkant die opnieuw in de cel terechtkomen.

3. Vergelijking van celtechnologieën. Warmte heeft een negatieve invloed op de productie van zonnecellen: typisch zorgt 2°C toename in een vermindering van 1% energieproductie. Maar niet alle types zonnecellen zijn even gevoelig voor warmte. Stel dus dat je moet kiezen uit verschillende zonneceltypes, die allemaal even duur zijn, welke kies je dan best? Dankzij het simulatiemodel kan je berekenen hoe temperatuurgevoelig verschillende zonneceltechnologieën zijn. Verschillende cellen – die door imec ontwikkeld worden –werden getest via het model, namelijk full BSF, PERC, hybrid SHJ, n-PERT(s), n-PERT(a) en SHJ-cellen. Kort samengevat: De SHJ-cellen bleken het best te scoren wat betreft temperatuurstabiliteit, onder real-life omstandigheden (de Oldenburg weersmetingen werden gebruikt, alsook een dataset die verkregen werd in samenwerking met de Kuwait University).  

Samenwerking is belangrijk

Dankzij modellen als dit, wordt het praktisch haalbaar om variabele energiebronnen zoals zonne-energie efficiënt te gaan gebruiken in het dagelijkse leven. Maar het blijft een complex vraagstuk omdat heel veel verschillende spelers betrokken zijn in de energiemarkt. Evenals complexe regulatiemechanismen, verschillen per land, continent enz. 

Daarom is samenwerking essentieel. Imec werkt samen met de verschillende spelers op de energiemarkt en er is zeker interesse om tools zoals dit simulatiemodel te gaan gebruiken. Al zal het in eerste instantie waarschijnlijk gebruikt worden om betere zonnecellen, modules en panelen te maken, de plaatsing ervan aan te passen, om microgrids stabieler te maken, en pas op langere termijn voor het gehele elektriciteitsnetwerk.

Omdat samenwerking zo belangrijk is, ontstaan ook initiatieven zoals de EnergyVille-samenwerking, waarin experten uit verschillende domeinen worden samengebracht. Voor de verdere validatie van het simulatiemodel bijvoorbeeld, zal een testopstelling van KU Leuven gebruikt worden. Imec gelooft sterk in dit initiatief om sneller tot groene oplossingen te komen die een verschil gaan maken voor iedereen, en in het dagelijkse leven.

 

Meer weten?

• Vraag de paper “Accuretely simulating PV energy production: exploring the impact of module build-up” op via dit contactformulier. 

 

Opening EnergyVille 2

In het kader van de EnergyVille-samenwerking worden kantoren en labo’s gebouwd in het Thor Park, op de oude mijnsite van Waterschei om de onderzoekers van KU Leuven, VITO, imec en UHasselt samen te brengen voor onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen. 
Op 31 mei wordt het tweede gebouw officieel in gebruik genomen. Er zullen hier zo’n 100 onderzoekers van imec en UHasselt aan de slag gaan om modules op basis van dunnefilm-zonnecellen te ontwikkelen, evenals een nieuw type vastestof-batterijen voor bv. elektrische auto’s.