Expert Talk: Precieze voorspelling van energieopbrengsten voor fotovoltaïsche systemen

In de zoektocht naar duurzame energie speelt zonne-energie een centrale rol, maar de onvoorspelbare aard ervan vormt een uitdaging voor nauwkeurige voorspellingen van energie- (en financiële) opbrengsten. Binnen hun partnerschap bij EnergyVille hebben imec en de Universiteit Hasselt deze hindernis frontaal aangepakt met een baanbrekend Energy Yield Model. In tegenstelling tot traditionele modellen houdt deze bottom-up benadering minutieus rekening met licht, temperatuur en elektrische dynamiek binnen zonnepanelen. Het biedt een ongeëvenaarde precisie en kan een baken worden voor efficiënte benutting van zonne-energie. Dit artikel verkent het Energy Yield Model, van zijn kerncomponenten tot praktische toepassingen, en is een must-read voor degenen die gepassioneerd zijn door zonne-technologie.

De uitdagingen van voorspellingen voor zonne-energie

De overstap naar een duurzame toekomst hangt af van ons vermogen om de kracht van hernieuwbare bronnen effectief te benutten. Zonne-energie is, in het bijzonder, een hoeksteen van deze overgang. Maar, de onvoorspelbare en variabele aard van zonlicht is een uitdaging voor het nauwkeurig kunnen voorspellen van energieopbrengsten.

Terwijl de conversie-efficiëntie van een zonnecel traditioneel wordt gemeten in een gecontroleerde omgeving, kan de werkelijke prestatie ervan – sterk beïnvloed door weersomstandigheden – aanzienlijk afwijken. Voor investeerders zoals zonneparkbeheerders en energieleveranciers ligt de belangrijkste zorg dan ook niet in het efficiëntiepercentage van de zonnecel zelf, maar in het begrijpen van de daadwerkelijke jaarlijkse energieopwekking op een specifieke locatie. Deze (financiële) onzekerheid belemmert niet alleen innovatie, maar vertraagt ook onnodig het gebruik van de zon in de globale energieproductie – denk aan de integratie in gebouwen, autodaken of agrarische toepassingen.

De urgente behoefte aan precisie

Voorspellende modellen van energieopbrengsten bestaan, met als doel de nauwkeurigheid en toepasbaarheid over verschillende fotovoltaïsche (PV) technologieën te verbeteren. Maar deze traditionele ‘grijze doos’ modellen zijn vaak afhankelijk van historische gegevens en empirische inzichten, en hebben moeite met het bereiken van de precisie die nodig is voor het optimaliseren van zonne-installaties.

Als reactie op deze dringende behoefte aan precisie presenteerde het Energy Systems team van imec/EnergyVille in 2017 hun eigen model. In tegenstelling tot conventionele benaderingen neemt het model een bottom-up benadering – het duikt in de complexe interactie van licht, temperatuur en elektrische dynamiek binnen zonnepanelen, met een op natuurkunde gebaseerd model van hun interacties. Deze holistische aanpak is cruciaal, vooral omdat het landschap van hernieuwbare energie zich uitbreidt naar onontgonnen gebieden, zoals integratie van zonnecellen in infrastructuur.

Het begrijpen van het Energy Yield Model: een op natuurkunde gebaseerd simulatiekader

Het systeemmodel weeft drie onderling verbonden componenten samen: een optisch, een thermisch en een elektrisch model.

Het optische model maakt gebruik van geavanceerde ‘ray tracing’ technieken, waarbij gesimuleerd wordt hoe zonnemodules optisch reageren. Door ook rekening te houden met reflectie of absorptie over verschillende golflengten en hoeken, excelleert het model in het vastleggen van de nuances van zonlichtinteractie met verschillende paneeltechnologieën. Ten tweede gaat het thermische model verder dan gemiddelde temperatuurschattingen, door lokale variaties mee te nemen. Dit onderscheid is met name belangrijk voor op gebouwen gemonteerde installaties, waarbij een groot temperatuursverschil kan ontstaan door enerzijds naadloze hechting aan (betonnen) muren of door ruimte te laten voor luchtstroom. Het begrijpen van deze lokale ‘schoorsteeneffecten’ is cruciaal voor nauwkeurige temperatuurmodellering en biedt meer genuanceerde voorspellingen. Ten slotte, kijkend naar de kern van de stroomopwekking, houdt het elektrische model rekening met factoren zoals het specifieke type zonnecel en de aanwezigheid van (akoestisch) absorberend materiaal. Het geeft zo inzicht in de gegenereerde stroom en identificeert potentiële gebieden van efficiëntieverlies.

“De synergie van deze drie modellen en hun reactie op omgevingsfactoren vormt een 3D simulatie van de energie opbrengst, onder variërende meteorologische en bestralingsomstandigheden. Naast de impact van direct zonlicht, kunnen namelijk factoren zoals verhoogde temperaturen en verminderde windstromen de opbrengst van zonnepanelen nadelig beïnvloeden. De extra inclusie van lokale meteorologische complexiteiten in het model, zorgt voor een nauwkeuriger en dynamischere representatie van de werkelijkheid, waardoor de dagelijkse of jaarlijkse energieopbrengst van zonnecellen kan voorspeld worden”, benadrukt Prof. Michaël Daenen, Hoofdonderzoeker bij imec/UHasselt/EnergyVille.

Van theorie naar real-world validatie

Naast theoretische simulaties heeft het Energy Yield-model sindsdien gediend als praktische gids voor het optimaliseren van PV-integratie – met experimentele energieopbrengsten die werden vergeleken met de gesimuleerde. Het Interreg Rolling Solar-project bijvoorbeeld, richtte zich op de integratie van PV-systemen in de publieke infrastructuur, met als doel grootschalige elektriciteitsopwekking mogelijk te maken, zonder de noodzaak van extra oppervlakte in te nemen. In EnergyVille, Genk, werd hiervoor onder anderen een betonnen geluidsmuur gebouwd met integratie van bestaande en nieuw ontwikkelde zonnemodules, om hun haalbaarheid te demonstreren en hun energieopbrengsten gedurende meerdere jaren te meten.

Prof. Ivan Gordon, Afdelingsdirecteur bij imec/UHasselt/EnergyVille, licht de energieopbrengstresultaten toe: “Ons op natuurkunde gebaseerde model gaf opmerkelijk nauwkeurige voorspellingen, vooral voor kristallijne silicium zonnepanelen, binnen een venster van 15 minuten. Met meer dan 95 procent van de huidige PV-installaties gebaseerd op silicium, zijn dergelijke nauwkeurige voorspellingen zeer waardevol. Uitdagingen ontstonden toen we de voorspellingen uitbreidden naar dunne-film technologieën zoals CIGS-modules. Als antwoord hierop ontwikkelden we een afzonderlijk elektrisch model voor dunne-filmmaterialen en includeerden we empirische correcties. Met iteratieve verfijning konden we de foutmarge (Root Mean Square Error (RMSE)) van onze voorspellingen aanzienlijk verkleinen. Dit toont de aanpasbaarheid van het model aan verschillende materialen en technologieën.”

In een tweede fase van het Rolling Solar-project werden modulaire bifaciale zonnepanelen opgenomen in de muur, waardoor het bereik van het model opnieuw werd uitgebreid. Terwijl bifaciale PV-systemen tot 20% meer elektriciteit kunnen genereren dan monofaciale PV-systemen, is hun energiedynamiek aanzienlijk complexer. Fotonen kunnen namelijk van beide zijden binnendringen – een proces sterk afhankelijk van de omgeving en tijdstip doorheen de dag. Deze unieke uitdagingen werden aangepakt met aanpassingen in het optische model.

“De belangrijkste kracht van het Energy Yield Model ligt in zijn flexibele kader,” benadrukte dr. Arnaud Morlier, teamleider van het Energy Systems team bij imec/EnergyVille. “Dit stelt ons model in staat om te evolueren met real-world experimentatie en vooruitgang in zonnepaneeltechnologieën en -toepassingen. Het dient als een fundamenteel kader dat kan worden uitgebreid om verschillende materialen en toepassingen op te nemen, waardoor inzichten worden geboden in energieopwekking onder verschillende omstandigheden.”

Verder dan modeloptimalisatie

Een nauwkeurige voorspelling van de energieopbrengst van een specifieke toepassing biedt tal van voordelen: een module-ingenieur kan de werkelijke impact beoordelen van technische aanpassingen aan zonnecellen, zonder dat fysieke productie nodig is. Bovendien kan een virtuele presentatie helpen bij het optimaliseren en testen van scenario’s voor de plaatsing van zonnepanelen, rekening houdend met factoren zoals hoekaanpassingen. Van het ontwerp van PV-geïntegreerde oplossingen tot het schatten van de energieopbrengst op een specifieke locatie en het optimaliseren van investeringsstrategieën, het Energy Yield Model kan een leidend baken zijn gedurende de hele reis. Enkele voorbeelden:

Samen met het softwarebedrijf PVcase heeft imec het voorspellende model omgezet in commercieel verkrijgbare simulatiesoftware, op maat gemaakt voor zonneparken. De software is veelzijdig, waarbij bifaciale en andere geavanceerde technologieën worden geïntegreerd, wat zorgt voor een eenvoudig ontwerp en nauwkeurige voorspelling van de energieopbrengst in PV-elektriciteitscentrales.

Het voorspellende model blijft ook een cruciale rol spelen bij het ontwerpen en optimaliseren van gebogen zonnepanelen voor autodaken. Met huidige zonnedaken die slechts een beperkte toename van het rijbereik bieden, integreerde het SNRoof-project zeer efficiënte zonnecellen in autodaken. Tegelijkertijd onderzocht het HighLite-project de ontwikkeling van kosteneffectieve zonnedakmodules, met als doel bij te dragen aan een concurrerende Europese PV-productie-industrie. Momenteel evalueert het Energy Systems-team de optimale plaatsing van zonnecellen om de ontwikkeling van volledig autonome elektrische voertuigen te vergemakkelijken.

Recenter, voortbouwend op het succes van Rolling Solar, werd het SolarEMR-project afgerond. Dit 18 maanden durende project richtte zich op het demonstreren van kosteneffectieve geautomatiseerde productie van PV-modules en elektrische interconnectie van zonnecellen, zowel voor gebouwen als voor infrastructuurintegratie. Interessant genoeg hield het project ook rekening met aspecten buiten technische en financiële optimalisatie, zoals regelgevende kaders en zakelijke levensvatbaarheid, en legde zo de weg vrij voor grootschalige PV-projecten. Door samen te werken met energiemarktproviders werd het simulatiemodel gebruikt om niet alleen efficiëntere zonnecellen te creëren, maar ook installatietechnieken te verbeteren en de stabiliteit van microgrids te verbeteren – een gezamenlijke inspanning om zo sneller groene oplossingen mogelijk te maken.

Neem bijvoorbeeld de winstgevendheid van investeren in zonne-geïntegreerde geluidswanden – een onderneming waarvan het succes in een delicate balans hangt van hun plaatsing. Met wegen die kronkelen, soms weg van de zonnestralen, is de integratie van PV-technologie in geluidswanden niet altijd een nuttige keuze. Enter het Energy Yield-model, dat inzichten biedt voor de naadloze uitvoering van dergelijke grootschalige projecten, op basis van ingewikkelde routekaarten, eigenschappen van zonnecellen en lokale weersomstandigheden en regelgeving.

Een baken voor een duurzame toekomst

Naast ontwerpen en optimalisatie kan een nauwkeurige virtuele presentatie van PV-geïntegreerde toepassingen ook helpen bij de bediening en het onderhoud ervan. Wanneer een experimentele energieopbrengst niet overeenkomt met de gesimuleerde opbrengst, kan dit wijzen op bijvoorbeeld schade aan de zonnepanelen of gras dat te veel groeit en moet worden gemaaid, waardoor afwijkingen eenvoudig kunnen opgespoord worden. Dit maakt zelfs een gecentraliseerd bedieningssysteem mogelijk, waardoor de noodzaak om de zonne-installatie te bezoeken verminderd – extra voordelig voor afgelegen of geïsoleerde zonneparken.

Lopende projecten die gebruik maken van het voorspellingsmodel omvatten de verbetering van nauwkeurige weersvoorspellingen (E-TREND) en ‘nowcasting’ (TRUST-PV) met behulp van sky-imagers en kunstmatige intelligentie (AI). De vooruitzichten voor nauwkeurige modellering van zonne-energie zijn veelbelovend, van individuele installaties tot gehele energienetwerken. Neem bijvoorbeeld die laatste: om de stabiliteit te garanderen, is het cruciaal dat vraag en aanbod altijd in evenwicht zijn. Een simulatiemodel dat energieopbrengsten voorspelt met een nauwkeurigheid van 15 minuten kan niet alleen helpen bij het beheer van het netwerk voor grote productiefaciliteiten of stedelijke gebieden, maar kan ook landen in staat stellen energie efficiënter te verhandelen op de internationale markt.

Dit artikel verscheen ook op Science X – TechXplore news.

Over de projecten

De projecten Rolling Solar en SolarEMR waren samenwerkingsverbanden, uitgevoerd binnen het kader van Interreg V-A Euregio MaasRijn, met financiering van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling en aanvullende financiële steun van de Provincie Limburg.

Het HighLite 2020 project werd gecoördineerd door imec/EnergyVille en ontving financiering van het Horizon2020-programma van de Europese Unie voor onderzoek, technologische ontwikkeling en demonstratie.

SNRoof is een imec.icon-onderzoeksproject gefinancierd door imec en het Vlaams Agentschap Innoveren & Ondernemen. Het imec.icon SNRoof-consortium bestond uit industriële partners AGP eGlass, IPTE Factory Automation, Arkema France Sa en Michiels Group, evenals de onderzoekscentra imo-imomec en imec/EnergyVille (TFPV, PVCM, Energy Systems-onderzoeksgroepen).

Over de auteurs

Dr. Arnaud Morlier, Teamleider R&D Energy Systems

Arnaud Morlier behaalde zijn doctoraat aan de Universiteit van Grenoble-Alpes in 2011 op het gebied van flexibele gasbarrière-materialen voor opto-elektronica. Hij begon zijn carrière in 2011 met specialisatie in de betrouwbaarheid van fotovoltaïsche modules bij ISFH, Duitsland. Sinds 2022 leidt hij het Energy Systems-team bij imo-imomec in EnergyVille, Genk.

Prof. Ivan Gordon, Afdelingsdirecteur imec/UHasselt/EnergyVille

Ivan Gordon behaalde zijn doctoraat in 2002 aan de KU Leuven op het gebied van nieuwe magnetische materialen voor sensorapplicaties. Hij maakte de overstap naar fotovoltaïca in 2003 bij imec. Momenteel is hij directeur van de imec/imomec-afdeling bij EnergyVille en vice-directeur van het Instituut voor Materiaalonderzoek (imo) van de Universiteit Hasselt, België. Daarnaast is hij deeltijds professor in Digitale Fotovoltaïca aan de Technische Universiteit Delft, Nederland.

Prof. Ir. Michaël Daenen, Hoofdonderzoeker imec/UHasselt/EnergyVille

Michaël Daenen behaalde zijn doctoraat in 2008 in Materiaalfysica aan de Universiteit Hasselt, waar hij momenteel de positie van professor in de ingenieurstechnologie bekleedt. Zijn onderzoeksactiviteiten zijn gericht op de betrouwbaarheid van PV-modules en -systemen, en vinden plaats in het Energy Systems-team en Wafer PV-team bij imo-imomec in EnergyVille. Hij is momenteel betrokken bij verschillende EU-, Interreg- en Transitiefonds-gefinancierde projecten.