Geknipte zonnecellen volgen eenvoudig de zon

Met de Japanse kirigami-kunst kun je zonnecellen maken die zonder dure motoren efficiënt het zonlicht kunnen vangen.

Beweegbare zonnecel, in stroken van 0,5 cm. Foto’s Aaron Lamoureux.

In de categorie ‘wetenschappelijk onderzoek dat je thuis met papier en schaar na kunt doen’: de flexibele zonnecel die op de zon gericht blijft met hulp van de Japanse papierknipkunst kirigami.

Deze vinding beschrijven Aaron Lamoureux van de University of Michigan en collega’s deze week in een artikel in Nature Communications (8 september). Lamoureux werkte hierbij samen met kirigamikunstenaar Matt Shlian. Lamoureux, per e-mail: „Toen we een jaar geleden ons artikel indiende bij een ander tijdschrift werd het afgewezen. Het idee zou te simpel zijn. Maar complexe patronen werken juist niet!”

Zonnecellen, die energie uit zonlicht omzetten in elektriciteit, werken het efficiëntst als het zonlicht er loodrecht op valt. Daarom staan ze vaak schuin op naar het zuiden gerichte daken. Maar die vaste oriëntatie is niet optimaal, omdat zon in de loop van de dag langs de hemel beweegt.

Er bestaan ‘zonnevolgers’, apparaten die de zonnecel met elektromotoren voortdurend op de zon gericht houden. Dat kan tot 40 procent meer stroom opleveren. Maar de elektromotoren in zo’n zonnevolger zijn duur en storingsgevoelig.

Lamoureux en collega’s lieten zich inspireren door kirigami-artiesten, waarvan de meest getalenteerde complete Escheriaanse trappenhuizen laten verschijnen uit één vel verknipt papier.

Daarbij vergeleken hielden de onderzoekers het eenvoudig. Ze maakten een herhalend patroon van parallelle sneden in een vel plastic. Op dat vel waren 3 micrometer dunne, plooibare gallium-arsenide-zonnecellen aangebracht.

Door het vel vervolgens uit te rekken, plooit het in een vast patroon, en en kantelen de gedeelten met zonnecellen in een afstelbare hoek. Voor die verandering is maar een klein elektromotortje nodig.

Zo is invallend licht veel efficiënter te gebruiken, rapporteren Lamoureux en collega’. Het beste werkt het om de sneden heel dicht op elkaar te plaatsen. Zulke kirigami-cellen vingen op een zonnige dag in Phoenix, Arizona, gemiddeld 250 watt per vierkante meter, tegen 187 watt voor de platte variant. Stijging: 36 procent.

Voor praktisch gebruik lijkt de constructie voorlopig mechanisch kwetsbaar, al is er na 300 herhaalde uitrekkingen geen zichtbare slijtage.

Er is nog een nadeel dat moet worden opgelost voordat deze vouwconstructie op de daken zullen verschijnen. Om de constructie tegen regen, wind en vuil te beschermen zou hij hermetisch afgesloten moeten worden met glas (dat ook weer licht reflecteert afhankelijk van de lichtinval).

    • Bruno van Wayenburg