Hoe werkt een zonnepaneel
Zonne-energie, (energie afkomstig van de zon) is een vrij en overvloedig beschikbare, niet verontreinigende en herbruikbare vorm van energie. De zon is een fusiereactor (in tegenstelling met de huidige kernreactors die energie opwekken door middel van kernsplijting) die jaarlijks 1.52 maal 10 tot de 18de kWh aan de aarde levert. De totale hoeveelheid benodigde energie door de gehele mensheid is minder dan 0.1% van deze hoeveelheid. In andere woorden, er valt elke minuut meer zonne-energie op aarde om de wereldbehoefte van een jaar te dekken.
Er zijn twee soorten zonne-energie systemen, passieve en actieve. In een passief zonneverwarming systeem wordt de zonne-energie door een gebouw opgevangen en bewaard door de manier waarop het is ontworpen , het materiaal waarvan het is gemaakt of de absorptiekarakteristieken die het bezit. Daartegenover staan actieve systemen die gebruik maken van pompen en ventilatoren om de warmte opgevangen met zonnecollectoren te verspreiden.
Zonnepanelen
Een zonnecollector is een apparaat dat energie van de zon absorbeerd en omzet in hitte voor de verwarming van gebouwen en water. Via lucht of water die door of langs de collector stroomt wordt de warmte opgenomen en getransformeerd naar een warmteopslagtank. Een conventioneel verwarmingssysteem wordt daarbij gebruikt als back-up voor wanneer de zonne-energie niet beschikbaar is. Zonneverwarming van water vindt plaats door gebruik van een collector, een heetwater reservoir en een pomp om het water te transporteren.
Als alternatief kan zonne-energie ook worden opgevangen en omgezet in elektrische energie door gebruik van zonnecellen. Zonne-energiecentrales die de hitte van de zon gebruiken om stoom te maken waarmee elektriciteitsturbines kunnen worden aangedreven kunnen wellicht in de toekomst de op fossiele brandstof gestookte centrales kunnen vervangen waardoor elektriciteit zou kunnen wrden geproduceerd zonder risico's voor het milieu.
Bij fotovoltaïsche zonne-energie (zon-pv, "PhotoVoltaic" van phos = Grieks voor licht, en Volta, naar de eenheid van elektrische spanning) wordt zonlicht opgevangen op zonnepanelen en direct omgezet in elektriciteit.
Zonnecellen
Het proces waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de omzetting van licht naar elektriciteit. Veelgebruikt is de afkorting "PV", dat stamt van het Engelse ‘photovoltaic’.
De meest gebruikte zonnecel is gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische toevoegingen. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met de plus en de min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces is niet alleen felle zon nodig. Ook op een bewolkte dag kan een zonnecel elektriciteit leveren.
Materiaal zonnecellen
Voor de huidige toepassingen van zonnecellen wordt zoals gezegd silicium als basis gebruikt. Er zijn drie verschillende typen cellen te onderscheiden:
Monokristallijn silicium zonnecellen zijn gemaakt van siliciumplakken, die uit een groot donkerblauw ‘monokristal’ zijn gezaagd. Dit alles is een kostbaar en traag proces.
Multikristallijn silicium zonnecellen worden gegoten en zijn goedkoper en eenvoudiger te maken dan monokristallijn silicium. Het rendement van deze cellen ligt in het algemeen iets lager dan dat van monokristallijn zonnecellen.
Amorf silicium wordt niet zoals beide voorgaande kristallijnmaterialen uit een blok silicium gezaagd, maar wordt op een ondersteunend materiaal ‘opgedampt’. Door het gebruik van relatief weinig silicium en een versimpeld productieproces kunnen kostprijsverlagingen plaatsvinden.
Van zonnecellen en –panelen naar PV-systemen Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnepaneel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 of 24 Volt. In zo’n paneel zijn de cellen tegen weer en wind bestand. Meer zonnepanelen maken doorgaans deel uit van een compleet systeem, een zogenaamd PV-systeem. Andere componenten van een PV-systeem zijn hulpmiddelen zoals kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. De PV-systemen kunnen gebruikt worden voor autonome en (elektriciteits-)netgekoppelde toepassing.
Autonome PV-systemen
Autonome PV-systemen zijn systemen los van het elektriciteitsnet waarbij gebruik gemaakt wordt van accu’s om de elektriciteit op te slaan. Deze systemen worden daar gebruikt waar het elektriciteitsnet ontbreekt of waar een aansluiting te duur is. De overdag geproduceerde elektriciteit wordt opgeslagen, zodat ook ‘s avonds en ‘s nachts de elektriciteit gebruikt kan worden. De accu’s moeten natuurlijk wel voldoende capaciteit hebben om een paar donkere dagen te overbruggen, met name in de wintermaanden. De autonome PV-systemen worden niet gebruikt als algemeen elektriciteitsproductiemiddel waarbij gestreefd wordt naar een maximale jaaropbrengst. Centraal bij dit systeem staat een optimale leveringszekerheid over het jaar.
Netgekoppelde PV-systemen
Netgekoppelde PV-systemen zijn gekoppeld aan het elektriciteitsnet. De gelijkspanning wordt door middel van een inverter (omvormer) omgezet naar de juiste spanning (230 Volt wisselspanning). De overproductie van elektriciteit uit het PV-systeem wordt afgegeven aan het elektriciteitsnet. Wanneer er meer elektriciteit verbruikt wordt dan het PV-systeem produceert, dan wordt het tekort aangevuld vanuit het elektriciteitsnet. Mocht het elektriciteitsnet door wat voor een oorzaak dan ook uitvallen, dan schakelt het PV-systeem zichzelf om veiligheidsredenen uit. Voor netgekoppelde PV-systemen wordt, in tegen stelling tot autonome systemen, in nagenoeg alle gevallen wel gestreefd naar opbrengstmaximalisatie
Toepassingen
PV-systemen zijn er in vele soorten en maten. De PV-systemen worden vaak naar toepassingsgebied gerubriceerd. De verschillende toepassingsgebieden zijn autonome PV-systemen voor consumenten, autonome PV-systemen voor professioneel gebruik en netgekoppelde PV-systemen voor gebouwen en andere constructies. In onderstaande tabel zijn voor elke toepassingscategorie enkele typische voorbeelden genoemd.
| Toepassingscategorie | Voorbeelden |
| Autonoom ‘consumenten’ | Tuinhuisjes, caravans, woonboten, afgelegen huizen en dorpen, eilanden. |
| Autonoom ‘professioneel’ | Veedrinkbakken, openbare verlichting, praatpalen, boeien, bakens, sluizen. |
| Netgekoppeld | Decentrale elektriciteitsopwekking op woningen, gebouwen en andere constructie (o.a. geluidsschermen en centrales op de grond). |
Energie-opbrengst
De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van de hellingshoek van het paneel en de richting waarin het paneel staat. De opbrengst is optimaal wanneer het paneel een hellingshoek heeft van 36° en gericht is op het zuiden.
Een gangbaar zonnepaneel van 1 m2 heeft een zogenaamd piekvermogen van 100 Watt-piek. Het piekvermogen is het maximale vermogen dat bij maximale zon-instraling onder vastgestelde condities wordt geleverd. In Nederland levert een autonoom PV-systeem van 1 m2 ongeveer 40 kilowatt-uur per jaar. Een netgekoppeld PV-systeem levert in Nederland ongeveer 80 kilowatt-uur per jaar. Het gebruik van een netgekoppeld PV-systeem van 4 m2 komt overeen met 10 procent van het gemiddeld huishoudelijk elektriciteitsverbruik of met het verbruik van een koelkast.
Het verschil in opbrengst tussen de twee verschillende PV-systemen komt door het gebruik van de accu bij een autonoom systeem; wanneer de accu vol is, worden de zonnepanelen uitgeschakeld zodat er geen zonlicht meer omgezet wordt in elektriciteit.
Beschikbaarheid van elektriciteit vinden we vanzelfsprekend. We staan er vaak niet bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade toebrengt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Toepassing van fotovoltaïsche zonne-energie brengt geen uitstoot van schadelijke gassen met zich mee en doet geen aanslag op schaarse hulpbronnen. Zon-PV is schoon, stil en duurzaam.