Het zonnepaneel

zonnepaneel _2De zon als energiebron

Net buiten de dampkring van de aarde is het energetische vermogen van de zonnestraling 1353 W/m2 op een vlak loodrecht op de zonnestraling. Dit wordt de zonneconstante genoemd. Omgerekend per jaar en per m2 aardoppervlak betekent dit gemiddeld iets minder dan 2000 kWh/m2.jaar. In de Benelux ontvangen wij ongeveer 1000 kWh/m2.jaar. Door de hogere breedtegraad (52° noorderbreedte) levert de zonnestraling minder energie per m2, en de vaak voorkomende bewolking “verstrooit” de zoninstraling tot zogenaamd “diffuus” licht: het gelijkmatig uit alle richtingen komende daglicht bij volledig bewolkte hemel. Maar ook bij heldere hemel is een klein deel van de lichtinstraling diffuus – vandaar de helderblauwe kleur van de hemel. Over een heel jaar bereikt ongeveer 60% van de totale zoninstraling ons hier in de vorm van diffuus licht, dat ook in nuttige energie wordt omgezet door zonne-energiesystemen. Het is duidelijk dat zonlicht een wisselend aanbod heeft: gedeeltelijk onvoorspelbaar, afhankelijk van bewolking – gedeeltelijk voorspelbaar door de meetkundig gekende positie van de zon t.o.v. een waarnemer, in functie van de dag en het

uur (verschillen in daglengte en zonnehoogte).

Wat is zonne-energie

De zon is een van de belangrijkste bronnen voor duurzame energie. De zon levert ons meer dan vijftig keer zoveel energie als wij jaarlijks in Nederland aan gas, elektriciteit en benzine verbruiken. Zonne-energie is volop voorradig en schoon. Er bestaan verschillende manieren om van zonne-energie gebruik te maken. Zo kunt u gebruik maken van  zonneboilers en zonnepanelen.In Nederland levert een zonne-energiesysteem optimaal rendement als het is gericht op het zuiden en aangebracht onder een hellingshoek van 35 à 40 graden. In de tabel hieronder kunt u zien hoeveel de opbrengst afwijkt bij andere oriëntaties en hellingshoeken

Opbrengst bij verschillende hellingshoeken en oriëntaties

  30° 45° 60° 90°
Zuid (180°) 87% 98% 97% 94% 74%
ZO en ZW (135° en 225°) 87% 95% 94% 85% 70%
O en W (90° en 270°) 87% 84% 78% 73% 56%
Noord (0°) 87% 65% 52% 42% 33%

 zonnepaneel _1

 

Eenheden van energie

1 J = 1 Joule = eenheid van energie
1 kWh = 1 kilowattuur = eenheid van energie
1 kWh (energie) = 1 kilowatt (vermogen) gedurende 1 uur (tijd)
1 kWh = 3,6 miljoen J = 3,6 MJ

Een elektrisch verwarmingstoestel van 1000 W verbruikt op
1 uur werking (vol vermogen) 1 kWh.
1 MWh = 1 megawattuur = 1000 kWh = 103 kWh
1 GWh = 1 gigawattuur = 1 miljoen kWh = 106 kWh
1 TWh = 1 terawattuur = 1 miljard kWh = 109 kWh

 

Eenheden van vermogen

Vermogen = energie per tijdseenheid

1 W = 1 Watt = eenheid van vermogen

1 W = 1 Joule per seconde = 1 J/s

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W

1 MW = 1 megawatt = 1000 kilowatt

1 GW = 1 gigawatt = 1 miljoen kW = 106 kW

 

De totale zoninstraling per jaar op de totale aardoppervlakte is gelijk aan 10 000 maal de totale wereldenergievraag per jaar. Dat is het theoretische aanbod. Het is de kunst omdat aanbod zo goed mogelijk op te vangen en in nuttige energievormen om te zetten tegen aanvaardbare kosten. zonwering en daglichttoetreding. Dit wordt soms ook “passieve” zonne-energie genoemd. Een eerste vorm van actieve zonne-energie is de zonneboiler die sanitair water voorverwarmt. Een zonnecollector warmt met het invallende licht via een transportvloeistof het watervolume in een opslagvat op. Daaruit wordt sanitair warm water afgetapt. Een elektronische regeling schakelt het systeem aan en uit in functie van de temperatuurverschillen en beveiligt het systeem tegen oververhitting en bevriezing. Grote oppervlakten van zonnecollectoren kunnen ook voor ruimteverwarming gebruikt worden door warmteopslag in een vloer- of wandverwarming. Daarnaast zijn er ook hoge temperatuur collectoren waarbij het zonlicht via spiegels of lenzen wordt geconcentreerd op een warmtetransporterende vloeistof. De zonnewarmte wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken in een stoomturbine of Stirlingmotor. In fotovoltaïsche zonne-energiesystemen zetten zonnecellen het opgevangen licht rechtstreeks om in elektriciteit via een totaal ander werkingsprincipe dan de thermische systemen. De term ‘fotovoltaïsch’ betekent letterlijk ‘licht-elektriciteit’. ‘Foto’ is afgeleid van het Griekse woord “phos”, licht, en ‘voltaïsch” verwijst naar Alessandro Volta (1745-1827), onderzoeker van elektriciteit. De Engelse term “photovoltaic” wordt meestal afgekort tot PV. In de brochure gebruiken we deze afkorting met zijn samenstellingen (zoals PV-module, PV-systeem). Al deze toepassingen van zonne-energie werken zowel bij diffuus als direct zonlicht, maar bij directe instraling is de opbrengst natuurlijk wel hoger.

zonnepaneel _3

Hoe werkt een zonnecel

In een fotovoltaïsche zonnecel wordt licht rechtstreeks omgezet in elektriciteit. Een zonnecel bestaat uit een dun plaatje halfgeleidend materiaal dat alleen goed elektriciteit geleidt als er licht opvalt. Het meest gebruikte materiaal is zuiver silicium, dat door chemische bewerkingen een negatieve bovenlaag en een positieve onderlaag krijgt, zoals ‘min’ en ‘plus’ van een batterij. Als we die twee koppelen aan een elektrisch toestel zoals een lampje, en we laten licht op de zonnecel vallen, ontstaat er een elektrische gelijkstroom die het lampje doet branden.

 

Opbouw van PV-modules

De voorkant van fotovoltaïsche modules bestaat uit een lichtdoorlatende plaat, meestal een glasplaat, maar het kan ook in polycarbonaatfolie  (die wel na verloop van tijd onder invloed van het licht kan vergelen). Het glas is thermisch gehard en heeft een laag ijzergehalte om zoveel mogelijk licht door te laten. Het is water- en dampdicht, kras- en hagelbestendig en zelfreinigend bij regen. Voor de achterkant is waterdichtheid, dampdichtheid en warmtegeleiding belangrijk. Bij semitransparante modules wordt hiervoor opnieuw glas gebruikt; bij dichte standaardmodules wordt meestal een speciale folie gekozen om het grote gewicht van glas te vermijden (meestal een PVF film, merknaam ‘Tedlar’, ook in combinatie met polyester of aluminium). De zonnecellen worden tussen voor- en achterzijde op hun plaats gehouden en beschermd tegen weersinvloeden door ‘inkapseling’ met een vochtbestendige kunststof, meestal ethylvinylacetaat (afgekort EVA). Indringing van vocht kan immers de metaalcontacten op en tussen de cellen aantasten. Het incapsulatiemateriaal moet ook bestand zijn tegen hoge temperaturen, temperatuurschommelingen en veroudering door UV-straling. Bij glas-glas-modules worden de cellen met een speciaal hars ‘ingegoten’ tussen twee glasplaten. Rond de module wordt meestal een aluminium kader bevestigd voor de stevigheid en een gemakkelijke montage op een draagstructuur. Op de achterkant van de module kleeft men een waterdichte aansluitdoos voor elektrische kabelverbindingen naar andere PV-modules of naar de invertor.

 

Zonnecellen uit kristallijn silicium

Monokristallijn silicium zonnecellen zijn gemaakt van siliciumschijven, die uit één groot ‘monokristal’ zijn gezaagd. Monokristallijne cellen zijn rond of meestel vierkant met afgeronde hoeken – fragmenten van de buitenrand van de ronde cilinder waaruit ze gezaagd zijn. Ze zijn egaal donkergrijs of donkerblauw. Polykristallijn of multikristallijn silicium wordt gegoten en dan gezaagd. Dit is een goedkoper en eenvoudiger proces dan dat van monokristallijn silicium. Tijdens het stollen ontstaan de verschillende kristallen die het materiaal zijn typische onregelmatig geschakeerde uitzicht geven. Het rendement van polykristallijne cellen ligt iets lager dan dat van monokristallijne cellen. Polykristallijne cellen zijn vierkant met een zijde van 10, 12,5 of 15 cm, of rechthoekig. De kleur varieert van gemarmerd donkerblauw tot donkerpaars. Ook andere kleuren zoals goudbruin en groen zijn mogelijk, maar ten koste van het rendement. Sinds kort bestaan er ook zeshoekige en driehoekige cellen waarmee speciale PV-modules gemaakt kunnen worden.

 

Elektrische eigenschappen van silicium zonnecellen

Bij standaardzonnestraling wekt een zonnecel van 10 cm x 10 cm een gelijkstroom van 3 Ampère op of een gelijkspanning van 0,5 Volt. Omdat stroom en spanning in realiteit niet tegelijk maximaal zijn, bedraagt het nominale vermogen ongeveer 1,3 W (en niet 1,5 W), gemeten onder standaard testvoorwaarden). Een typisch rendement van commercieel geproduceerde kristallijn silicium zonnecellen varieert van 13% voor polykristallijn silicium tot 15% voor monokristallijn silicium, beide met zeefdruktechnieken. Deze techniek wordt door de meerderheid van de fabrikanten toegepast en werkt eenvoudig en snel. Met dezelfde techniek kan door bijkomende behandelingen van de zonnecellen het rendement nog verbeterd worden. Bij de toepassing daarvan in een testproductielijn van Imec werden op courante polykristallijne cellen van 10 x 10 cm rendementen van bijna 16% gehaald.

 

Standaardmodules

Een standaard fotovoltaïsche module bestaat typisch uit 36 cellen in serie, met een vermogen van ongeveer 54 Wp (spanning 18V en stroom 3A), om een eenvoudige koppeling met 12-V batterijen mogelijk te maken voor optimale oplading.

 

Systemen met batterijen

Eenvoudige zelfregulerende systemen met batterij

Fotovoltaïsche modules kunnen direct parallel geplaatst worden op een batterij, op voorwaarde dat een diode in serie tussen module en batterij geplaatst wordt. Deze verhindert de ontlading van de batterij tijdens de nacht als de module zich als belasting zou gedragen.

Tijdens zonnige uren levert de fotovoltaïsche module rechtstreeks elektriciteit aan de energieverbruiker; het overschot wordt opgeslagen in de batterij. ’s Nachts en bij lage zonne-instraling haalt de energieverbruiker energie uit de batterij.

 

Systemen met een batterijregelaar

Een batterij heeft een beperkte energieopslagcapaciteit en een beperkte levensduur, die verkort wordt door verkeerd gebruik: loodzuurbatterijen bv. worden beschadigd door te zwaar overladen en te diep ontladen. Om dit te voorkomen en voor een optimale automatische sturing van laden en ontladen wordt een laadregelaar ingebouwd. Typische toepassingen zijn: verlichting (zeeboeien, straatlantaarns), milieusensoren, telecommunicatietoepassingen (doorzendstations), elektrische boten, zeilboten, caravans, afgelegen woningen …. In ontwikkelingslanden zijn dergelijke systemen vaak de enige betaalbare en betrouwbare oplossing voor basisvoorziening van elektriciteit in afgelegen gebieden (zgn. “solar home Systems”) en zelfs goedkoper dan de aanleg van een openbaar elektriciteitsnet. Bij inschakeling van een omvormer kunnen bovendien ook ‘klassieke’ huishoudtoestellen en lampen op 230 V wisselspanning gebruikt worden.

 

Vragen

Als de zon weinig schijnt, heb ik dan stroom Ieder beetje (zon)licht is bruikbaar voor de omzetting in elektriciteit, ongeacht of het om directe of indirecte instraling gaat. De opbrengst is echter het grootst bij volle zon.

Hoe moeten de zonnepanelen onderhouden wordenZonnepanelen vereisen nagenoeg geen onderhoud. De panelen regenen schoon. Het wordt wel aangeraden om af en toe te controleren of geen hardnekkig vuil op de panelen zit. Dit kunt u verwijderen met water en een zachte borstel.

Is het systeem weerbestendig Ja, als de panelen op de juiste manier zijn aangebracht zijn ze bestand tegen extreme weersomstandigheden zoals storm, hagel, sneeuw en zware vorst.

 

Grondstoffen

Zonnecellen worden meestal van silicium gemaakt, een materiaal dat uit zand wordt gewonnen – en dat is in overvloed beschikbaar. Zand is ook de grondstof voor de glasplaten van de PV-modules. De metalen contacten op de zonnecellen bestaan uit zilver en aluminium en ook daarvoor zijn zelfs in een sterk groeiende PV-industrie de voorraden ruim voldoende.

 

Een beetje geschiedenis…

Het fotovoltaïsche effect werd in 1839 voor het eerst ontdekt door de Franse natuurkundige Alexandre Edmond Becquerel. Toen hij in een zwak geleidende vloeistof twee platinastaven dompelde, en één daarvan belichtte, kon hij een zwakke elektrische stroom meten. In 1876 ontdekte de Britse wetenschapper W.Adams dat kristallijn selenium bij belichting een zwakke stroom opwekte. In 1883 maakte de Amerikaanse uitvinder Charles Fritts de eerste selenium-zonnecel met een rendement van slechts 0,1 %; lichtmeters in fototoestellen apparaten waren de eerste concrete toepassing. Einstein beschreef in een artikel van 1904 het foto-elektrisch effect, in de jaren 20 en 30 werd daarop verder toegepast onderzoek uitgevoerd. In 1918 ontwikkelde de Poolse onderzoeker Czochralski de naar hem genoemde methode om monokristallijn silicium aan te maken. In 1951 werd de eerste monokristallijne germanium-zonnecel gemaakt en in 1954 ontdekte men het fotovoltaïsche effect in Cadmium. Nog in 1954 ontwikkelde het labo van de firma Bell Telephone de eerste silicium zonnecel met een rendement van 4,5%, later op het jaar bereikte men al 6%; het jaar daarop volgde de praktische toepassing voor de batterij van een telefoonrelaisstation in Georgia (US); in 1958 werd de eerste satelliet met zonnecellen gelanceerd, de VANGUARD I. Van dan af werden alle satellieten met zonnecellen uitgerust, die hoge rendementen haalden maar tegen zeer hoge productiekosten. De eerste auto op zonne-energie werd in 1959 gebouwd door op het dak van een elektrische oldtimer uit 1912 een zonnepaneel van 200 Watt te monteren. De Unesco-conferentie van 1973 met als titel ‘The Sun at the Service of Mankind’ gaf het startschot voor de aardse toepassing van zonne-energie; vanaf 1974 bracht de oliecrisis verschillende overheidsprogramma’s voor zonne-energie op gang. Vanaf 1979 startte de Europese Commissie met subsidies voor PV-demonstratieprojecten, en ook afzonderlijke nationale steunprogramma’s werden kort daarna uitgebouwd. Met andere woorden: de PV-industrie is een kwarteeuw jong en in volle ontwikkeling.

 

Energie uit licht. Gratis en milieuvriendelijk

Door behulp van een zonnepaneel kunt , ook u, elektriciteit opwekken.

Eigenlijk is de benaming ‘zonnepaneel’ fout, want de fabrikant heeft gezien dat de panelen ook elektrische energie leveren bij donker weer. Een dergelijk paneel, Solar module ( S ) genoemd

( Of zoals ik altijd zeg, Lichtpaneel ) zet licht om in elektrische energie waarbij een bruikbare gelijkspanning wordt bereikt.

De prestaties worden uitgedrukt in ‘Vermogen’ ( Watts ). Afhankelijk van de grootte, levert een S-40    40 Watt bij een goede instraling van de zon ( Licht ).

Omdat zo’n instraling niet iedere dag voorkomt, wordt bij iedere module ( Paneel ) naast het piekvermogen ook de te verwachten gemiddelde dagopbrengst ( G. D. O. )vermeld.

Deze dagopbrengst is een gemiddelde welke is berekend gedurende de zomermaanden.

 

Solar – modules zijn zeer eenvoudig te instaleren. Natuurlijk op een plaats waar u voldoende licht kunt opvangen. De modules zijn volledig weerbestendig  (Hagel en Vorst).

Er moet altijd een spanningsregelaar gemonteerd worden om de accu tegen overlading te beveiligen.

 

Voordat u tot aanschaf van een zonnepaneel (Lichtpaneel) overgaat, is het verstandig om eerst eens te bekijken hoeveel stroom u per dag ongeveer zult gaan verbruikt.

Een berekening daarvan gaat als volgt: Schrijf alle stroomverbruikers op, zet erachter hoeveel uur u ze per dag gebruikt en vermenigvuldig dat met het aantal Watt dat het apparaat verbruikt.

 

Voorbeeld

Radio 5 uur  X 5 Watt = 25 Watt/uur
Zwart/wit tv 2 uur X 16 Watt = 32 Watt/uur
3 Lampen 2 uur X 15 Watt = 90 Watt/uur
3 tl Lampen 1 uur X 8 Watt = 24 Watt/uur
      Totaal = 171 Watt/uur

Bij dit verbruik zult u dus genoeg hebben aan een S – 40 paneel (180 Watt/uur  / 24 uur) Bij een zonnepaneel hoort een accu. Laten we uitgaan van een accu van 100 Ah (lees Ampère uur) dat wil zeggen hij kan bv. 10 uur  lang 10 Ampère geven of 20 uur lang 5 Ampère, echter  niet 5 uur lang 20 Ampère, dat zou een te groteinspanning op korte termijn betekenen.

 

Laten we ons voorbeeld erbij halen

171 Watt/uur : 12 Volt = 14,25 Ampère/uur

Bij een zonnepaneel van 40 Watt zal de karakteristiek gedeeld moeten worden door ± 14 Volt het geen 2,86 Ampère betekent, onder de meest gunstige omstandigheden (12 uur ’s middags, zonnig weer). Dit betekent ± 7 tot 9 uur laden, afhankelijk van het aangeboden (zon) licht waarna de accu weer vol is (Zonder andere Hulpbronnen).

 

Aan te raden combinatie is ± 75 Watt paneel met ± 105 Ah accu.