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StromZiegel mit Kameleon-Effekt

Die Effizienz eines PV-Moduls ist speziell bei BIPV-Anwendungen von grosser Wichtigkeit. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Spezialisten und Fachfirmen haben wir eine Oberflächenstruktur für farbige BIPV-Module entwickelt welche einen derzeit höchstmöglichen Wirkungsgrad ermöglichen.

 

Ein bischen Physik ist notwendig: Wenn man auf eine Wasseroberfläche schaut bemerkt man, dass mit zunehmendem Blickwinkel das Wasser undurchsichtig wird. Stattdessen reflektiert das Wasser nur noch den Horizont. Blickt man von oben senkrecht in das Wasser hinein, so reflektiert es nur sehr wenig, ist dafür aber durchsichtig. Das nennt man den Fresnel'schen-Effekt. Der Fresnel-Effekt ist für Glas von grosser Bedeutung. Die Physik dahinter exakt zu simulieren ist mit vertretbarer Aufwand vermutlich nicht möglich. Letztlich wird es also immer auf den zu erzielenden Effekt ankommen. Die wesentlichen Faktoren die zu beachten sind:

  • Ray Mirror: Raytracing-Spiegelungen
  • RayMir: gerichtete Reflektivität (Spiegelung) des Materials. Hier gilt: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel. RayMir= 1 bedeutet ideal spiegelnd, RayMir= 0 entsprechend überhaupt nicht spiegelnd
  • Fresnel: Blickwinkelabhängigkeit der Reflexion. Fresnel = 0 bedeutet keine Blickwinkelabhängigkeit
  • Fac: Einflussfaktor des Fresnel Wertes. Fac=1 schaltet Fresnel aus, 5 spiegelt das Material überhaupt aus keiner Richtung
  • Depth: Wie oft ein gespiegelter Lichtstrahl wieder gespiegelt wird, ein Depth Wert von 2 oder 3 genügt in der Regel

In der realen Welt wird der Glanz einer Oberfläche durch mikrofeine Unebenheiten verursacht, die das Licht zerstreuen. Je rauher die Oberfläche ist, desto verschwommener wird der Glanz. In Blender wird dieser Effekt nachgebildet, indem mehrere Samples überblendet werden, die konusförmig um den eigentlichen Raytracing Strahl angeordnet sind. Je mehr Samples verwendet werden, um so besser fällt das Ergebnis aus. Der Oberflächenglanz mit Wert 1 bedeutet vollkommen scharfe Reflexionen wie z.B. bei glattem Glas oder Spiegeln. Werte geringer als 1 erzeugen immer verschwommenere Reflexionen. Anisotropische Reflexionen entstehen durch Mehrfachreflexionen in dünnen Schichten. Diese Mehrfachreflexionen treten bei ganz bestimmten Einfallswinkeln des Lichtes auf, und dieser Winkel ist abhängig von der Wellenlänge - also der Farbe des Lichtes.

 

Für den Alltag genügt die Erkenntnis:

Auf die Grenzfläche zweier Materialien fallendes Licht erfährt prinzipiell drei Energieeffekte:

  1. Transmission: Ein Teil des Lichtes scheint durch ein Material hindurch, dabei wird es gebrochen.
  2. Reflexion: Ein Teil des Lichtes wird reflektiert, dabei gilt das Reflexionsgesetz Einfallswinkel=Ausfallswinkel.
  3. Absorption: Ein Teil des Lichtes wird verschluckt.

Die Summe aus Transmission, Reflexion und Absorption muss gleich der einfallenden Lichtmenge sein. Die Summe der relativen Anteile muss also 1 (100%) ergeben. Je höher der Brechungswert IOR (Index of refraction von Glas: 1.5) der Oberfläche des Modulglases ist, umso besser ist die Energieausbeute für Solarstrom

Energieanteile/Einstrahlwinkel Standardglas mit Fresnel 1.0
Energieanteile/Einstrahlwinkel Standardglas mit Fresnel 1.0
Energieanteile/Einstrahlwinkel SZ Kameleon mit Fresnel 5.0
Energieanteile/Einstrahlwinkel SZ Kameleon mit Fresnel 5.0