Van golven naar schaduwen: Zonnesystemen optimaliseren door hun energieopbrengst te modelleren
Toen Alba Alcañiz Moya jonger was, liep ze door haar huis om alle lichten uit te doen als ze niet aan hoefden te zijn. “Toen wist ik al dat ik geen energie en elektriciteit wilde verspillen”, legt zij uit. En dat is niet veranderd. Als PhD binnen de Photovoltaic Materials and Devices groep richt zij zich op de optimalisatie van zonne-energiesystemen om ervoor te zorgen dat ze zoveel mogelijk energie opleveren. Zij doet dit door digitale modellen te ontwikkelen van zonnepanelen in verschillende situaties, en richt zich op vragen als: Wat is het effect van schaduw op de energieopbrengst van zonnepanelen? En hoe beïnvloeden golven de energieopbrengst van drijvende zonnepanelen?
De elektriciteitsproductie verhogen
Photovoltaics is gericht op het omzetten van zonlicht - of zonne-energie - in elektriciteit. “Het doel van mijn onderzoek is dat de zonnepanelen zoveel mogelijk groene energie produceren en op die manier bijdragen aan de energietransitie. Mijn doelstellingen zijn eigenlijk twee gezichten van dezelfde medaille; het doel is om de stroomproductie van zonnepanelen te verhogen en de verliezen te verminderen”, legt Alba uit. “Verschillende van mijn collega's werken aan de materialen van zonnepanelen, of hoe ze geproduceerd kunnen worden, maar ik werk op een meer overkoepelend niveau. Als team werken we aan alles in de gehele waardeketen, van het begin tot het einde van de cyclus van het zonnepaneel.”
“Ik heb een heel breed PhD-onderzoek, maar de gemene deler van mijn onderzoek is het modelleren van de energieproductie van zonnepanelen. Ik maak digitale modellen die een schatting maken van de elektriciteit die het systeem gaat produceren of verliezen. En modellen maken betekent dat ik eigenlijk al mijn tijd achter een computer doorbreng. Dat is wat ik het grootste deel van mijn tijd heb gedaan tijdens mijn PhD, en ik vind het geweldig.”
Drijvende zonnepanelen
Alba legt uit dat drijvende zonnepanelen steeds populairder worden. “Er is een toenemende vraag naar duurzame energiebronnen en een gebrek aan ruimte op het vasteland. De zee is een gebied dat niet vaak wordt gebruikt. En net als windturbines kunnen we zonnepanelen in het water plaatsen. Er wonen meestal ook veel mensen in de buurt van het water, die de geproduceerde energie kunnen gebruiken.”
Naast de voordelen van drijvende zonnepanelen, kunnen er ook nadelen zijn. Alba heeft een 3D-model gemaakt - gebaseerd op gegevens van echte drijvende zonnepanelen - dat laat zien hoe de zonnepanelen bewegen op de golven, en hoe dit de productiviteit van de zonnepanelen beïnvloedt. “De zonnepanelen drijven in zee, maar er zijn natuurlijk behoorlijk wat golven in zee. De beweging van de golven kan bijvoorbeeld de hoek van het zonnepaneel ten opzichte van de zon beïnvloeden, wat kan leiden tot een verlies in stroomproductie.”
Toen Alba jonger was liep ze door haar huis om alle lichten uit te doen als ze niet aan hoefden te zijn. “Toen wist ik al dat ik geen energie en elektriciteit wilde verspillen”, legt zij uit. En dat is niet veranderd.
Tolerantie voor schaduw
Als zonnepanelen gedeeltelijk in de schaduw liggen, produceren ze natuurlijk minder stroom. Maar sommige zonnepanelen verliezen meer stroom dan andere. “Ik werk aan een model voor schaduwtolerantie (ST) om de prestaties van zonnepanelen in de schaduw te rangschikken”, legt Alba uit. “Twee soorten zonnepanelen kunnen allebei 100% van hun ontworpen capaciteit produceren in het laboratorium. Maar wanneer je ze op je dak plaatst, waar bomen, gebouwen en wolken schaduwen werpen, kan het ene zonnepaneel meer energie produceren dan het andere en verliest het daarom minder energie in de schaduw. We willen dit kwantificeren. Deze verliezen door schaduw zijn belangrijker dan ze op het eerste gezicht lijken, omdat ze de prestaties van het systeem kunnen beïnvloeden, zelfs als er maar één module in de schaduw staat. Modules zijn meestal in serie geschakeld, wat betekent dat de module die het minst produceert de productie van de andere beperkt.”
Alba is erg enthousiast over dit deel van haar onderzoek. “Eén van de doelen van het onderzoek is dat deze informatie in de datasheet van alle (consumenten)zonnepanelen terechtkomt.” De datasheet is de handleiding van een zonnepaneel. Wanneer je bijvoorbeeld een koelkast koopt, geeft een handleiding instructies en informatie over de koelkast. De datasheet beschrijft de specificaties van het zonnepaneel. En in de toekomst zal dit hopelijk ook de schaduwtolerantie van het zonnepaneel bevatten. “Dat zou betekenen dat in elk zonnepaneel dat je kunt kopen, iets zit waar ik aan heb gewerkt. Als dat gebeurt, is dat geweldig; dan ben ik heel blij!”
Eén van de doelen van het onderzoek is dat deze informatie in de datasheet van alle (consumenten)zonnepanelen terechtkomt. Dat zou betekenen dat in elk zonnepaneel dat je kunt kopen, iets zit waar ik aan heb gewerkt. Als dat gebeurt, is dat geweldig; dan ben ik heel blij!
Zonnepanelen die met elkaar praten
Als onderdeel van haar onderzoek gebruikt Alba ook machine learning om voorspellingen te doen over hoe zonnepanelen zich zullen gedragen. Eén van de modellen voor machine learning is gericht op gekoppelde zonnepanelen. Het idee is dat als je een groep zonnepanelen hebt die dicht bij elkaar geplaats zijn, je in de gaten kunt houden hoe de systemen presteren. “Stel je voor dat jij een zonnepaneel op je dak hebt, en ik heb ook een zonnepaneel op mijn dak”, deelt Alba als voorbeeld. “Jouw zonnepaneel is twee keer zo groot als die van mij. En we wonen dicht bij elkaar. Jouw zonnepaneel produceert elke week 20 kWh energie en die van mij 10. Omdat de zonnepanelen dicht bij elkaar staan, verwachten we dat dit consistent met het verschil in paneelgrootte zal zijn. Volgende week is het bewolkt en produceert jouw zonnepaneel 12 kWh en de mijne 6. Maar de week daarna zien we dat mijn paneel 8 kWh produceert, maar die van jou op de één of andere manier 6. Dat betekent dat er waarschijnlijk iets mis is met jouw zonnepaneel.”
Deze methode wordt peer-to-peer toezicht genoemd en kan worden beschreven als de zonnepanelen die met elkaar “praten”. Deze methode wordt ook gebruikt voor andere velden, zoals computernetwerken. “Dit is echt een krachtige methode om erachter te komen of er iets mis is met een zonnepaneel. Weergegevens worden ook gebruikt om voorspellingen te doen over zonnepanelen. Maar weergegevens kunnen onvoorspelbaar zijn en we kunnen niet afhankelijk zijn van weergegevens voor deze informatie”, verduidelijkt Alba.
Het voorspellen van het vermogen van niet-bestaande zonnepanelen
Alba werkt met haar modellen zelfs aan het voorspellen van de toekomst van zonnepanelen. “Binnen onze groep hebben we een simulatieraamwerk ontwikkeld dat het vermogen kan voorspellen van zonnepaneelsystemen die nog niet bestaan”, deelt Alba enthousiast. “Deze simulatietool kan de energie-output van een zonnepaneelsysteem berekenen op basis van de fundamentele materiaaleigenschappen. Het simulatiemodel kan werken zonder metingen en gegevens van echte zonnepaneelsystemen.”
En dat is belangrijk, want een gebrek aan gegevens is een van de grootste uitdagingen binnen Alba's werk. “Om goede modellen voor machine learning te maken, hebben we nauwkeurige gegevens nodig over de output van zonnepanelen, en het kan moeilijk zijn om deze gegevens te achterhalen. Ik heb zelfs een website gemaakt om gegevens over zonnepanelen te verzamelen en het delen van gegevens tussen onderzoekers te bevorderen.” Alba's onderzoek naar peer-to-peer toezicht van zonnepanelen is ook een oplossing als het gaat om een gebrek aan gegevens, omdat de zonnepanelen zelf gegevens leveren die nauwkeurig en gemakkelijk toegankelijk zijn.
Alba werd gevraagd als commissielid op een van de grootste conferenties over zonne-energie in Europa. “Toen ze me vroegen, realiseerde ik me dat ik echt een impact had, en dat in slechts twee jaar als PhD."
Grote impact
Tijdens haar PhD werd Alba gevraagd als commissielid op een van de grootste conferenties over zonne-energie in Europa. “Ik was erg verbaasd dat ze van mij afwisten”, vertelt Alba. “Toen ze me vroegen, realiseerde ik me dat ik echt een impact had, en dat in slechts twee jaar als PhD. Ik was echt blij en enthousiast toen ze me vroegen. Ik heb het mijn hele familie verteld en ze waren allemaal erg trots op me.”
Ondanks de opwinding kwam er toch een vraag om de hoek kijken: “Ik vroeg me echt af: Hoe is het mogelijk dat ze van mij afweten?” Alba werd gevraagd om papers voor de conferentie te beoordelen en ook om een van de sessies van de conferentie voor te zitten. “Ik moest de deelnemers introduceren en hen vragen naar het podium te komen. Ik was erg zenuwachtig, maar het was heel leuk! Tijdens de conferentie spraken de organisatoren me aan en zeiden: je hebt het eerste jaar echt een grote impact gemaakt. En te weten dat ze mij echt erkennen; die erkenning betekent meer dan wat dan ook.”
Mijn moeder is mijn rolmodel
Alba's gezicht straalt als zij het over haar onderzoek heeft en nog meer als ze het over haar familie heeft. “Mijn moeder is mijn rolmodel. Ze is altijd een ongelooflijk hardwerkend persoon geweest en een echte vechter. Hoewel in zekere zin mijn hele familie mijn rolmodel was. We zijn allemaal ingenieurs. Mijn vader, mijn ooms, mijn neven. Het was altijd al vanzelfsprekend dat ik ingenieur zou worden. Het is leuk om een band te hebben met mijn familie over dit onderwerp, over de technische kant.
In het Spaans hebben we een gezegde: Más vale maña que fuerza, wat betekent 'hersenen zijn beter dan de spierkracht'. Mijn filosofie is om altijd mijn hersenen op de proef te stellen. Als het op examens aankwam, streefde ik er nooit naar om een 10 te halen, maar altijd om een 12 te halen. Mijn ambitie was om zoveel mogelijk te leren en zo vaardig mogelijk te worden in wat ik doe.”
Op elkaar bouwen
“Als ik naar de toekomst kijk, wil ik me bezig blijven houden op het gebied van zonne-energie, omdat ik het erg leuk vind”, vertelt Alba. “Mijn academische reis begon eigenlijk op het gebied van kernenergie. Maar daar kwam veel scheikunde bij kijken en dat sprak me niet aan. Ik kwam uiteindelijk bij natuurkunde uit. Binnen dit vakgebied leerde ik hoe zonnepanelen werken. Ik waardeer echt het werkingsmechanisme achter elektronen. Ik kon die ‘kleine dingen’ begrijpen en ik begreep het hele idee. Ik vind het werk erg leuk en omdat ik altijd al bezig ben geweest met energie en elektriciteit besparen, maakte de duurzame kant van dit vak het nog aantrekkelijker.”
“Een deel van mijn onderzoek wordt al toegepast door bedrijven”, deelt Alba. “Dat is geweldig en het geeft me een gevoel van voldoening. Wat ik niet wil is dat iets waar ik hard aan heb gewerkt in een la belandt. Al denk ik wel dat mijn onderzoek een druppel op de gloeiende plaat is van al het onderzoek naar zonnepanelen. Of een “druppel in de zee van de drijvende zonnepanelen”, zeg maar. Onderzoek is samenwerken. Dat is één van de belangrijkste dingen van onderzoek, dat je voortbouwt op het werk van eerdere onderzoekers. Ik heb een bouwsteen geplaatst op het onderzoek van iemand anders, en iemand anders kan weer zijn eigen steen bovenop mijn werk plaatsen.”
