Solar Team Twente bereidt zich voor op de World Solar Challenge. In een exclusieve blogreeks voor De Ingenieur geven ze deze zomer een kijkje achter de schermen. Wat is er nodig om voor de winst te gaan in de grootste race voor zonneauto's ter wereld? Deze week: hoe kies je de juiste zonnecellen?
Een nieuwe editie Solar Team Twente betekent natuurlijk een nieuwe zonneauto. Op 21 juli hebben wij onze nieuwe zonneauto RED E onthuld. Deze auto is een stuk compacter dan de zonneauto van de voorgaande editie (2017) door de keuze voor een nieuw type zonnecel: galliumarsenide cellen. Waarom hebben we deze zonnecellen gekozen? Wat is het grote verschil ten opzichte van twee jaar geleden? En hoe werken deze cellen precies?
Geschikt voor de ruimtevaart
Volgens de reglementen van de Bridgestone World Solar Challenge mag van een type zonnecel een gelimiteerde hoeveelheid oppervlakte worden gebruikt. Een paneel van silicium (Si)-cellen mag bijvoorbeeld 4 m2 zijn, terwijl voor een paneel met galliumarsenide (GaAs)-cellen maar 2,64 m2 aan cellen is toegestaan.
GaAs-cellen worden voornamelijk in de ruimtevaart gebruikt en zijn een stuk efficiënter dan Si-cellen (die laatste hebben een efficiëntie van 24%, terwijl GaAs-cellen meer dan 34% efficiënt zijn). Door regels te stellen aan de toegestane oppervlakte zijn de energie-inkomsten van het zonnepaneel per team vergelijkbaar.
Gaan voor GaAs
De inkomsten vanuit het paneel verschillen nauwelijks, maar doordat de oppervlakte aan zonnepaneel kleiner is, kan de gehele auto een stuk compacter worden ontworpen. Dit verschil is goed te zien tussen onze nieuwe zonneauto RED E en zijn voorganger RED Shift. De neus mist als het ware.
Het compacte ontwerp heeft veel voordelen op aerodynamisch vlak. In het begin van onze editie zijn berekeningen uitgevoerd om te onderzoeken hoe groot deze voordelen daadwerkelijk zijn. Uit deze resultaten is geconcludeerd dat we, om een winnende zonneauto te ontwikkelen, moeten gaan voor GaAs - ook al zijn die cellen een stuk duurder.
Hoe werkt een zonnecel?
Zonnecellen zijn gebaseerd op zo genoemde bandgaps. Die ontstaan door twee types van bijvoorbeeld Si erg dicht bij elkaar te leggen. Wanneer licht op de bandgaps komt, verspringen de elektronen naar een hoger energieniveau, voordat ze weer naar beneden vallen en stroom leveren. Een bandgap werkt met een smal spectrum van golflengtes licht, wat betekent dat het niet werkt voor alle golflengtes die voorkomen in zonlicht. Si-cellen hebben maar een soort bandgap.
GaAs-cellen echter zijn zo genoemde multijunction cellen. Dit betekent dat verschillende lagen materialen op elkaar zijn gelegd, die elk verschillende bandgaps bevatten. Deze lagen zijn zo gestructureerd dat elke laag energie uit een andere golflengte opvangt en de overgebleven golflengtes doorlaat naar de volgende laag. Op deze manier wordt energie uit meerdere golflengtes opgevangen door de cel. Daardoor is het mogelijk om meer energie te genereren. Dit is het grote verschil tussen de prestaties van een Si- en een GaAs-zonnecel.
Een groter effectief oppervlak
De GaAs-cellen liggen op een bijzondere manier op de zonneauto. We cellen worden namelijk geshingeld. Dit betekent dat een deel van de cellen elkaar overlappen. Hierdoor is het effectief oppervlak van het zonnepaneel gelijk, maar neemt het paneel minder ruimte in beslag. Op deze manier is het mogelijk om de auto nog compacter te maken.
Tekst: Frances van Elburg
Foto's: Jerome Wassenaar
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.