We hebben steeds meer zonnepanelen, maar een aanzienlijk deel van het zonlicht kan niet in energie worden omgezet.
Natuurkundige Angèle Reinders (Universiteit Twente en TU Eindhoven) probeert daar iets aan te doen. In de Gelderlander van 31 oktober 2020 legt ze uit hoe ze dat doet: door zonnepanelen een kleurtje te geven.
,,Het vermogen van de zon is enorm. De zon straalt per seconde per m2 triljard (1021) fotonen naar de aarde. Dat is duizenden keer meer energie dan wij als mensheid per dag verbruiken'' .
Je zou dus in principe de hele wereld van elektriciteit kunnen voorzien. Helaas gaat er nu nog veel zonlicht verloren. Om de oorzaak daarvan te begrijpen, moeten we dieper inzoomen op het zonlicht en hoe we dat omzetten in bruikbare energie.
a) Bereken het vermogen van de 1021 fotonen in W/m2 dat loodrecht op het aardoppervlak valt. Ga bij je berekening uit van een gemiddelde golflengte van de fotonen van 7 . 10-7 m.
De energie per foton met een golflengte van 711 nm is:
$E_f = h\frac{c}{\lambda} = 6,63\cdot 10^{-34}\cdot \frac{3,0\cdot 10^8}{711\cdot 10^{-9}}=2,8\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$
Per seconde komen er op iedere vierkante meter 1021 fotonen op de aarde aan.
Tezamen is dat dus: $2,8\cdot 10^{-19}\cdot 10^{21}=280~\mathrm{W}$
In BINAS tabel 32C wordt de hoeveelheid energie die aarde van de zon ontvangt per seconde (de zonneconstante) gesteld op 1,368 . 103 Wm-2 .
b) Geef de reden waarom dat bedrag veel groter is dan wat jij hebt uitgerekend. .
Het bedrag dan In BINAS in tabel 32C wordt genoemd, is de energie van de straling aan de rand van de atmosfeer. Op het aardoppervlak is de inkomende straling door relflectie en absorptie in de atmosfeer een stuk lager en komt in de buurt van de 300 W/m2.
Zonnepanelen vangen fotonen op en zetten ze om in elektrische energie. Maar dat lukt niet bij elk foton even goed. Dit komt omdat het zonlicht uit allerlei verschillende kleuren fotonen bestaat. Iedere kleur foton heeft een eigen hoeveelheid energie. Prof. dr. ir. Angèle Reinders licht dit toe met figuur 2. Hier zie je hoe de opgewekte elektrische energie afhangt van de kleur van de fotonen.
Om zo hoog mogelijk rendement te halen uit de zonnepanelen zouden we dus graag veel rode en infrarode fotonen op de zonnepanelen willen laten vallen. We zouden ook graag de blauwe fotonen willen benutten.
c) Bedenk een manier om dat voor elkaar te krijgen, zonder de zonnepanelen zelf te veranderen.
Om de blauwe fotonen toch te gebruiken, zou je het inkomende zonlicht op het zonnepaneel kunstmatig kunnen veranderen. Dit is mogelijk met behulp van speciale kleurstoffen. Door een laagje rode kleurstoffen toe te voegen aan de bovenlaag van het zonnepaneel, maak je die blauwe fotonen als het ware ook rood. Die speciale kleurstoffen absorberen de blauwe fotonen en zenden op hun beurt weer rode fotonen uit die door de zonnepanelen gebruikt kunnen worden om energie op te wekken.
Op internet staat een mooie video van 10 minuten waarin prof Angela Reinders stap voor stap het bovenstaande bespreekt en op het laatst antwoord geeft op vraag c.
