Nieuwe methode voor snel en nauwkeurig berekenen potentieel zonne-energie in steden

Onderzoekers van de TU Delft hebben een nieuwe methode ontwikkeld om snel en nauwkeurig het potentieel voor zonne-energie in een stedelijke omgeving te berekenen. De methode kan architecten en stedenbouwkundigen aanzienlijk helpen bij het verwerken van zonne-energietechnologie in hun ontwerpen. De bevindingen zijn maandag 4 februari gepresenteerd in Nature Energy.

Gebouwen, bomen en andere objecten in stedelijke gebieden werpen schaduwen over zonnepanelen, wat de prestaties ervan sterk beïnvloedt. Een nauwkeurige beoordeling van deze prestaties en de daarmee samenhangende prijs-prestatieverhouding van zonne-energiesystemen (ook wel PV-systemen) kan zorgen voor een betere integratie in de stedelijke omgeving.

Veel rekenkracht
Om de energieopbrengst van PV-systemen te simuleren, worden verschillende tools gebruikt. Daarbij wordt gebruik gemaakt  van wiskundige modellen waarmee de stralingsinval op zonnemodules wordt bepaald. Door de berekening van de stralingsinval in de loop van het jaar te herhalen, leveren de tools een jaarcijfer voor de door de panelen opgevangen straling. Het is alleen niet eenvoudig om nauwkeurig te bepalen hoeveel elektriciteit een PV-systeem genereert in een stedelijk gebied. De huidige simulaties vragen veel rekenkracht, omdat rekening moet worden gehouden met de schaduwwerking van omringende objecten die het hele jaar door verandert door de stand van de zon.

Twee parameters
Een nieuwe methode vereenvoudigt deze berekening en stelt gebruikers in staat om het potentieel van zonne-energie voor grote stedelijke gebieden snel en nauwkeurig te beoordelen. De methode is gebaseerd op de correlatie tussen het skylineprofiel en de jaarlijkse straling die op een bepaalde stedelijke plek wordt ontvangen. Dit wordt uitgelegd en onderbouwd in de studie die is gepubliceerd in Nature Energy. Het onderzoek laat zien dat de totale jaarlijkse zonnestraling die een bepaald oppervlak in een stedelijk gebied ontvangt, kan worden gekwantificeerd aan de hand van twee parameters die zijn afgeleid van het skylineprofiel: de sky view factor (percentage van de hemelkoepel dat zichtbaar is vanaf een bepaald punt) en de sun coverage factor (percentage zonnedekking). De eerste parameter wordt gebruikt om de straling uit diffuus zonlicht te schatten, de tweede is een indicatie voor de straling uit direct zonlicht. Deze twee parameters kunnen eenvoudig en snel worden verkregen uit het skylineprofiel. De studie laat zien dat het gebruik van deze twee parameters de rekencomplexiteit van het probleem aanzienlijk vermindert.

De nieuwe methode die is ontwikkeld door de PVMD-groep kan worden gebruikt om het zonnepotentieel van gebouwen in complexe stedelijke omgevingen te berekenen. De afbeelding toont de resultaten van het model toegepast op geselecteerde gevels en daken van gebouwen in de stad Boston, MA. De daken zijn met fellere kleuren geschilderd dan de gevels, wat wijst op een hoger energiepotentieel. Basis 3D model van Boston Planning & Development Agency is gelicentieerd onder CC BY 3.0.

Softwaretoolbox
Andrés Calcabrini, promovendus bij de afdeling Electrical Sustainable Energy, heeft de nieuwe methode ontwikkeld onder supervisie van dr. Olindo Isabella en professor Miro Zeman. De onderzoeksgroep Photovoltaic Materials and Devices (PVMD) heeft de methode al geïntegreerd in een softwaretoolbox die nauwkeurig de energieopbrengst van PV-systemen op een willekeurige locatie kan berekenen. Olindo Isabella, hoofd van de PVMD-groep: “Onze snelle methode, geïntegreerd in softwaretools voor het berekenen van het zonne-energiepotentieel, kan het ontwerp en de distributie van gebouwen met geïntegreerde PV-systemen in stedenbouwkundige contexten aanzienlijk vereenvoudigen. En investeerders kunnen hiermee gemakkelijker beslissingen nemen over de integratie van PV-systemen in gebouwen en andere stedelijke locaties.”

Dit onderzoek is uitgevoerd als onderdeel van het programma <link urbanenergy solarurban>Solar Urban van de Technische Universiteit Delft.

Meer informatie
A simplified skyline-based method for estimating the annual solar energy potential in urban environments
Andres Calcabrini, Hesan Ziar, Olindo Isabella, Miro Zeman

Nature Energy 4 februari 2019
DOI 10.1038/s41560-018-0318-6

Contact
Prof. Miro Zeman (hoofd afdeling Electrical Sustainable Energy, voorzitter onderzoeksgroep Photovoltaic Materials and Devices TU Delft), M.Zeman@tudelft.nl, +31 15 2782409
Dr. Olindo Isabella (hoofd onderzoeksgroep Photovoltaic Materials and Devices TU Delft), O.Isabella@tudelft.nl, +31 15 2781947
Andrés Calcabrini, (PhD Electrical Sustainable Energy TU Delft) A.Calcabrini-1@tudelft.nl, +31 15 27 88905

Sharita Balgobind (persvoorlichter TU Delft), U.S.Balgobind@tudelft.nl, +31 15 2781588