Kleurrijke zonne-energie 23 Artikel Kleurrijke zonne-energie Door de voortdurende prijsstijgingen van traditionele fossiele brandstoffen en de toenemende zorg over de gevolgen van deze brandstoffen voor het milieu, worden steeds meer activiteiten ondernomen om hernieuwbare energiebronnen effici?nter en goedkoper verkrijgbaar te maken. Van de talrijke natuurlijke energiebronnen lijkt de zon de grootste exploitatiepotentie te hebben, zeker in de stedelijke omgeving. Afgezet tegen de moeilijk heid om windmolens of stuwdammen in de deze omgeving te integreren, heeft de zon als energiebron een groot voordeel. Denk aan de enorme oppervlakten op daken, gevels, stoepen, wegwijzers en andere veel voorkomende constructies die we dagelijks tegen komen. Stel dat die oppervlakten worden gebruikt voor het opwekken van energie. Een mogelijke optie hiervoor is de zogenaamde fluorescente zonnegeleider, ofwel de luminescent solar concentrator (LSC). Michael G. Debije EduardoSEntchordi Kleurrijke zonne-energie 24 Artikel geen elektriciteit genereren. Er zijn slechts kleine aanpassingen in de struc- tuur nodig om ze geschikt te maken voor het produceren van elektriciteit. Rendement het rendement van dergelijke LSc-panelen is bij lange na niet zo hoog als die van traditionele zonnepanelen. Een doorsnee zonnepaneel heeft een effici?ntie van 14 tot 16 procent voor de omzetting van licht naar elektrici- teit. Maar de beste resultaten van laboratoriumproeven van LSc's laten een effici?ntie zien van een paar procent voor een paneel van 50 x 50 cm2, waarbij aan de randen silicium zonnecellen zijn aangebracht. de directe energieopwekking van de LSc-panelen is dus niet groot ten opzichte van de traditionele silicium panelen. Maar de lage kosten van het plastic ge- combineerd met de aanpasbaarheid van de panelen, zorgen ervoor dat grote oppervlakken kunnen worden geplaatst. Een voorbeeld: een 3 m hoge en 2 km lange geluidswal met een effici?ntie van 2 procent, kan in zonnige omstandigheden 120 kW produceren. Een behoorlijke opbrengst dus. daarnaast kunnen de panelen heel gemakkelijk in de stedelijke gebie- den worden opgenomen, zonder dat ze zelfs worden opgemerkt. denk aan wegwijzers, bushaltehokjes, straatmeubilair, balkonhekken enzo- voorts. Zet dit maar eens af tegen grote oppervlakken traditionele panelen die vrijwel alleen uit het zicht geplaatst worden. de luminescent solar concentrator is in wezen een vrij eenvoudig systeem. het is gemaakt van een plastic paneel, dat gevuld is met fluorescerende kleurstof of bedekt is met een dunne folie, waarin zich kleurstoffen bevin- den. deze kleurstoffen vangen een deel van het indirecte zonlicht op, waarna ze het licht bij een langere golflengte weer uitzenden. Een deel van het uitgezonden licht wordt gevangen in de plastic plaat door zogenaamde totale interne reflectie. uiteindelijk wordt dit licht naar de randen van de plaat getransporteerd. aan deze randen zijn lange, dunne zonnecellen be- vestigd, die het uitgaande licht omzetten in elektriciteit. in figuur 1 is de werking van het systeem te zien. Nieuwe mogelijkheden als een architect een zonnepaneel in een gebouw wil integreren, wordt hij geconfronteerd met allerlei beperkingen. de meeste zonnepanelen zijn ge- maakt van silicium. de kleur is voor de echte kunstenaar onder de archi- tecten vaak een groot probleem. de meeste zonnepanelen zijn verkrijg- baar in ??n of twee kleuren: zwart of donkerblauw. Bovendien worden ze in standaard afmetingen geproduceerd; hoofdzakelijk als rechthoekige verzamelingen van individuele cellen. op maat gemaakte vormen zijn erg duur, als je al iemand kunt vinden die ze kan maken. tot slot is de positie van de zonnepanelen ten opzichte van de zon ook bepalend voor de effi- ci?ntie en energieopbrengst van de panelen. normaal gesproken leveren zonnepanelen minder elektriciteit als ze lang in de schaduw staan of gro- tendeels te maken hebben met indirecte inval van zonlicht. deze beperkin- gen hebben ertoe geleid dat silicium zonnepanelen vooral op daken zijn geplaatst die op het zuiden zijn geori?nteerd. het LSc-systeem is daarentegen helemaal op maat te maken. hierdoor kan de architect zich uitleven qua vorm en kleur, en toch energie opwek- ken. Er bestaat vrijwel geen beperking meer wat betreft kleur, omdat de kleurstoffen te verkrijgen zijn in de kleuren blauw, geel, groen en rood. de panelen kunnen in nagenoeg alle vormen worden gesneden. ook zijn de plastic panelen substantieel lichter qua gewicht in vergelijking met de stan- daard zonnepanelen, en werken bijna even goed in direct of indirect zon- licht. als het gaat om de totale prestaties, dan heeft schaduw minder im- pact op de LSc-panelen dan op een silicium zonnepaneel. daardoor zijn de LSc-panelen ook geschikt als het bewolkt is, op de schaduwzijde van gebouwen, of op locaties waar veel verkeer en vervuiling het zonlicht be- lemmeren. indien gewenst, kunnen de panelen zelfs transparant worden gemaakt, waardoor ze als ramen kunnen worden gebruikt in trappenhui- zen en atria. in feite maken de gekleurde panelen gebruik van materialen die in de stedelijke omgeving al voorkomen, met het verschil dat die nu Vier LSC-panelen, blootgesteld aan licht, waardoor de concentratie van licht aan de randen van het paneel is te zien. Figuur 1 De werking van de LSC Inkomend zonlicht wordt opgenomen door een luminescent gekleurde molecuul, die in of op een plastic paneel is aangebracht. Het licht wordt uitgestraald door de kleurstofmoleculen en een fractie wordt door totale interne reflectie in de plaat gevangen en via de randen uitgestraald. Aan deze randen zijn zonnecellen aangebracht die het vrijgekomen licht omzetten in elektriciteit. Een geluidswal in de buurt van 's-Hertogenbosch harryharkEMa Kleurrijke zonne-energie 25 Artikel Verlies de effici?ntiebeperkingen van de panelen kunnen verschillende oorzaken hebben. Belangrijkste oorzaak is het verlies van gezond licht door de fluo- rescerende kleurstoffen, dat ontsnapt door het oppervlak van de trans- portplaat. dit kan wel 50 procent van de opgenomen energie bedragen. diverse andere oorzaken van effici?ntieverlies zijn direct toe te wijzen aan de luminiscerende moleculen. ten eerste hebben ze een beperkt absorp- tiespectrum waardoor ze niet het hele zonnespectrum kunnen opnemen. ten tweede hebben ze een beperkte effici?ntie. dit betekent dat niet ieder opgenomen lichtdeeltje resulteert in de emissie van een andere lichtdeel- tje, alhoewel sommige moleculen een effici?ntie van meer dan 99 procent kunnen halen. ten derde overlappen het absorptie- en emissiebereik van de luminiscerende moleculen deels. dit betekent dat het door de luminis- cerende moleculen uitgestraalde licht opgenomen kan worden door een andere molecuul, hetgeen een ongewenst effect is. En ten slotte hebben de meeste luminiscerende moleculen een levensduur van gemiddeld min- der dan tien jaar (figuur 2). Controle de LSc's hebben onlangs de belangstelling gewekt van de wetenschap- pelijke wereld. hierdoor worden onder andere in de Verenigde Staten, australi?, isra?l, Groot-Brittanni?, duitsland ?n nederland pogingen ge- daan om de prestaties van de panelen te verbeteren. het gemeenschap- pelijke doel van de onderzoeken is om de verliezen te beperken en zo de LSc een echte concurrent van hernieuwbare energiebronnen te maken. Een van de manieren om de eigenschappen van LSc te verbeteren, is om controle te krijgen over de richting van het uitgezonden licht. de luminis- cerende moleculen worden doorgaans lukraak over de transportplaat ver- deeld, en de lichtemissie is in alle richtingen. Een oplossing is om de ge- kleurde moleculen allemaal in specifieke richting te plaatsen, waardoor een zekere controle kan worden verkregen over de richting waarin de uitzending van het licht plaatsvindt. hierdoor kan het lichtverlies door het oppervlak worden verminderd en de emissie door de randen worden ver- groot. om het lichtverlies door het oppervlak nog verder terug te brengen, kunnen ook selectief reflecterende lagen worden aangebracht. deze zijn transparant voor het licht dat door luminiscerende moleculen wordt opge- nomen, maar reflecterend voor licht dat door de moleculen wordt uitge- straald. hierdoor kan het licht wel naar binnen bij de plaat, maar het uit- gestraalde licht kan er vervolgens niet meer uit. uiteraard is onderzoek naar meer robuuste en effici?nte luminiscerende moleculen ook van groot belang. Samenwerking om de LSc-panelen op de markt te brengen, zullen onderzoekers moeten samenwerken met de bouwsector. hierdoor kunnen de behoeften van de bouwsector helder in beeld worden gebracht en tegelijkertijd de mogelijk- heden en de beperkingen van LSc duidelijker worden. LSc heeft de po- tentie om een significante rol te gaan spelen in het energiebeleid van een stedelijke omgeving. in gebieden waar een maximale elektriciteitsvraag gewenst is en waar geen esthetische beperkingen zijn ? denk aan het dak van een industrieel complex ? kunnen het beste standaard zonnepanelen worden geplaatst voor de energieopwekking. in omgevingen waarin es- thetiek een even grote rol speelt, kan de elektriciteit worden opgewekt met behulp van LSc-panelen. Een belangrijke stap in de ontwikkeling van LSc kan worden gezet als een grootschalig project tussen onderzoekslaboratoria en de bouwsector wordt opgezet. hierdoor kunnen LSc's worden ontwikkeld met een grote potentie voor de stedelijke omgeving. het is te hopen dat een dergelijk project op korte termijn in nederland wordt opgestart, voordat de know- how elders op de wereld wordt ontwikkeld en een potenti?le groei van de zonne-energie-industrie in nederland verloren gaat. Figuur 2 De belangrijkste bronnen van lichtverlies in de LSC-panelen. Selectief reflecterende, chiraal nematische folies. Het aanbrengen van dergelijke lagen op het LSC-oppervlak kan de effici?ntie vergroten en tegelijkertijd zorgen voor een verhoogde visuele impact. Een concept LSC-paneel met daarin een logo verwerkt.