Nieuws
zonne-energie

Hoe werkt zonne-energie?

Een zonnepaneel of PV-paneel (van het Engelse ‘Photo-Voltaic’) is een paneel dat zonne-energie omzet in elektriciteit. Hiertoe wordt een groot aantal fotovoltaïsche cellen op een paneel gemonteerd. In de praktijk werkt men meestal met standaardpanelen van bijvoorbeeld 60 vierkante zonnecellen van elk 156 mm zijde, wat overeenkomt met een afmeting van het paneel van ongeveer 1,6 m².

Zonne-energie: wat is dat?

Zonne-energie: wat is dat?

Zonnecellen zijn meestal gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen. Onder invloed van licht gaat er tussen de twee lagen een elektrische stroom lopen. Daarom heten zonnecellen ook wel fotovoltaïsche cellen (Grieks photos: licht, en Volt naar de eenheid van elektrische spanning).

Afgekort wordt gesproken van PV-systemen. Een andere vorm van PV zijn de elementen gemaakt met de dunnelaagtechnologie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van amorf silicium. Deze elementen hebben een lager rendement, maar zijn ook beduidend goedkoper. Het rendement van gangbare zonnecellen ligt tussen ca. 5 en 15%, waarbij de cellen met betere rendementen wel meestal onevenredig veel duurder zijn.
Fotovoltaïsche zonnepanelen benutten zonlicht of daglicht, waarbij door de absorptie van fotonen in de zonnecellen een spanning ontstaat die wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Koppeling aan het elektriciteitsnet

Sommige zonnepanelen worden via een Omvormer aan het elektriciteitsnet gekoppeld, andere slaan overtollige energie op in een accu.
Systemen die aan het elektriciteitsnet zijn gekoppeld sluizen de zonne-energie die niet wordt gebruikt door naar het energiebedrijf. In dat geval loopt de elektriciteitsmeter terug zolang in huis minder elektriciteit wordt gebruikt dan het zonnepaneel levert. Systemen die aan het elektriciteitsnet gekoppeld worden zijn netgekoppelde Systemen.

Opbrengst

De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van een aantal factoren:

Opwaartse hellingshoek van invallend zonlicht; een zonnepaneel op de noorderbreedte van Vlaanderen en Nederland levert de hoogste opbrengst wanneer het een hellingshoek van 35° (tot 36°) heeft. Bij hellingshoeken tussen 20° en 60° is de jaaropbrengst slechts 5 % lager.
 Zijwaartse hoek : optimaal wanneer het paneel stationair gericht is op 5° ten westen van het zuiden. Bij oriëntaties tussen zuidoost en zuidwest is er slechts 5% verlies op jaarbasis. Met een meedraaiend paneel, wanneer het zonlicht er loodrecht op blijft vallen, stijgt uiteraard de productie.
 Oppervlak (lengte maal breedte).

Rendement

Het percentage van de energie in het op het zonnepaneel vallende zonlicht dat wordt omgezet in elektriciteit. Verschillende typen zonnecellen hebben een verschillend rendement. Door onderzoek en ontwikkeling stijgen de rendementen nog voortdurend.

Zoninstraling

De hoeveelheid opvallend zonlicht bepaalt in belangrijke mate de opbrengst. Ook als het bewolkt is, werkt een zonnecel. Wolken houden slechts een deel van het zonlicht tegen – de rest van de stralen verspreiden ze – en in gebieden dicht bij de evenaar is de opbrengst hoger dan in meer gematigde gebieden. Aan de Franse Rivièra, waar veel minder bewolking is, levert de zon toch slechts 1,5 keer zoveel energie als in Nederland.

Zonuren

De hoeveelheid uren per jaar zonder bewolking is medebepalend voor het rendement. Op Texel zijn ca 20% meer zonuren dan in het oosten van Nederland.

Temperatuur

Bij hoge temperaturen wordt minder elektriciteit opgewekt dan bij lage temperaturen. Dit heeft te maken met de betere elektrische geleiding in materialen bij lage temperaturen. Hierdoor kan het zijn dat op een zonnige dag in oktober, met een temperatuur van 10° C de opbrengst hoger is dan in de zomer bij 35° C. Koeling van panelen met lucht of water kan een opbrengstverhogende werking hebben.

Om het vermogen van zonnepanelen te kunnen vergelijken zijn er standaardcondities opgesteld : een instraling van 1000 Watt/m2, waarvan het spectrum overeenkomt met het spectrum van zonlicht bij een luchtmassa van 1,5 (dit betekent dat het zonlicht een afstand door de atmosfeer heeft afgelegd die gelijk is aan anderhalf maal de gemiddelde dikte van de atmosfeer) en een celtemperatuur van 25 °C. Het maximale elektrische vermogen van een zonnepaneel onder deze condities wordt het piekvermogen genoemd en wordt geschreven als Wp (Wattpiek). 

Materialen voor zonne-energie

Voor zonne-energie zijn er drie soorten silicium beschikbaar: monokristallijn silicium, polykristallijn silicium en amorf silicium.

Monokristallijn silicium wordt middels het zogenaamde Czochralsi-proces verkregen: er wordt een staaf in een vat gesmolten silicium gestoken. Het resultaat zijn ronde plakken die feitelijk uit één siliciumkristal bestaan. Deze cellen behalen het hoogste rendement, maar zijn relatief duur.

Polykristallijn silicium wordt verkregen door vloeibaar silicium in een vierkantsvorm te gieten. Er zullen met het afkoelen diverse siliciumkristallen groeien, die niet allemaal naadloos op elkaar aansluiten. Deze vorm is goedkoper, maar levert dan ook een lager rendement. De laatste vorm, amorf silicium, bevat helemaal geen kristallen. Dit materiaal wordt meestal toegepast in de zeer dunne thin-film zonnepanelen. Dit materiaal is het goedkoopst te verkrijgen, maar geeft tevens de minst rendabele cellen.

Omvormer

Een omvormer zorgt ervoor dat de gelijkspanning die over uw stroombron (de zonnepanelen) staat, wordt omgezet in een wisselspanning die (eventueel) verkocht kan worden aan uw stroomleverancier. Op een enkele zonnecel staat een gelijkspanning van ongeveer zo’n 0.5V. De stroomsterkte over diezelfde cel hangt voor een groot deel af van de zonkracht op dat moment.

Voor zonnepanelen wordt vaak gekozen voor een schakeling waarbij het totale paneel ofwel 12V ofwel 24V gelijkspanning levert. Autonome systemen is dit vaak goed, aangezien de meeste accu’s en accessoires op 12V werken.

Voor netgekoppelde systemen is echter een omvormer (ook wel: inverter) nodig, die ervoor zorgt dat de door u geproduceerde stroom wordt ‘omgewerkt’ naar geschikte netstroom.

In dit artikel bespreken we kort welke soorten omvormers er zijn en hoe een omvormer eigenlijk werkt.

Wisselstroom en gelijkstroom?

Er zijn twee soorten stroom; wisselstroom en gelijkstroom. Gelijkstroom is een stroom met een constante stroomrichting. Gelijkstroom wordt onder andere geleverd door batterijen, accu’s en zonnepanelen. Groot nadeel van gelijkstroom, is dat het niet getransformeerd kan worden naar hoogspanning. Hierdoor kan het niet over grote afstanden vervoerd worden zonder grote verliezen. Wisselstroom daarentegen kan wél getransformeerd worden, zij het met (geringe) verliezen. Wisselstroom is, zoals te zien in de figuur, stroom met een periodiek wisselende stroomrichting.

Om stroom over lange afstanden te vervoeren, loont het de moeite voor een zonne-energiebedrijf om de spanning met behulp van een transformator op te voeren tot zo’n 300.000 volt op een frequentie van 50 Hz. Bij een dergelijke spanning kan de stroomsterkte namelijk laag blijven, wat een lager verlies tot gevolg heeft. In diverse stappen (transformatorhuisjes) wordt deze hoogspanning vervolgens weer terug getransformeerd naar stroom met een spanning van 230V. De stroom die we vervolgens het huis ingevoerd krijgen, is een zuivere wisselspanning (AC) van 230V/50Hz.

Soorten omvormers

Er zijn twee hoofdsoorten omvormers: de zuivere sinusomvormer en de gemodificeerde sinusomvormer. Het verschil tussen de twee zit hem in de golfvorm van de stroom die geproduceerd wordt. De stroom die we van het elektriciteitsnet kopen, heeft een zuivere sinusvorm (zie de blauwe lijn in onderstaande figuur). Dit is dan ook de golfvorm die geproduceerd wordt door de duurdere zuivere sinusomvormer. De gemodificeerde sinusomvormer produceert een blokgolf (rode lijn) met dezelfde frequentie als de netstroom. Omdat een blokgolf volgens de Fourier-theorie eigenlijk uit een oneindig aantal sinusvormen bestaat, geeft dit in de praktijk vaak geen problemen. Problemen die ontstaan, worden veelal veroorzaakt door de harmonische componenten van de blokgolf (lees: alle niet-grondcomponenten van de Fourier-reeks).

Onderdimensionering

In tegenstelling tot wat velen denken, is het in sommige gevallen goed mogelijk een omvormer te gebruiken met een lager ingangsvermogen dan het piekvermogen van de zonnepanelen. Dit komt omdat het piekvermogen van de zonnepanelen vrijwel nooit bereikt wordt. Onder ideale omstandigheden kunt u er vanuit gaan dat het maximaal bereikte vermogen op ongeveer op 80% van het piekvermogen ligt. Dit komt omdat zonnecellen in de praktijk veel warmer worden dan de laboratoriumcondities, waar de cellen op een comfortabele 25°C gehouden worden.

Zie het rendement van zonnepanelen voor informatie over het inverse verband tussen opbrengst en temperatuur. In andere woorden: op een omvormer met een maximaal ingangsvermogen van 1000 watt kan prima een zonnepanelen set van 1250Wp aangesloten worden. Mocht het ingangsvermogen alsnog overschreden worden, dan zal de omvormer de spanning dusdanig terugschakelen dat de zonnepanelen tijdelijk in vermogen dalen. Een omvormer die hiertoe in staat is, noemt men onderdimensioneerbaar.

Welke omvormer kiezen?

Als uw zonnesysteem niet netgekoppeld is, is uw keuze afhankelijk van de apparaten die u van stroom wilt voorzien. Bevat het apparaat een elektromotor, dan is een zuivere sinusvorm praktisch verplicht. Daarnaast geldt voor veel audio-video apparatuur dat een onzuivere golf ruis kan veroorzaken. Voor bijvoorbeeld een laptop maakt het niet uit en is de goedkopere gemodificeerde sinusvorm een prima oplossing. Daarbij moet wel gezegd worden, dat omvormers die een blokvormig signaal afgeven, vaak zoemen vanwege de traploze omzetting. Een zuivere sinusomvormer is in alle gevallen beter, maar de meerwaarde is in veel gevallen laag.

In geval van netgekoppelde PV-systemen, bent u verplicht een zogenaamde speciale synchrone omvormer te gebruiken. Deze zorgt ervoor dat de door u geleverde stroom in fase (lees: de golf loopt gelijk) is met de netstroom. Is dit niet het geval, dan zal uw omvormer ogenblikkelijk stukgaan. Een niet-synchrone omvormer werkt dus niet! Synchrone omvormers zorgen voor een nette zuivere sinus die dus precies aansluit bij de stroom van het elektriciteitsnet. In combinatie met een teruglopende stroommeter kunt u op deze manier de door u geleverde zonne-energie terugvoeren en verkopen aan het net. Welke synchrone omvormer u moet nemen, is geheel afhankelijk van het vermogen (in Watt) van uw PV-systeem.

Rendement van zonne-energie

Het rendement van zonnepanelen is afhankelijk van een groot aantal factoren. Hetzelfde paneel kan daarom op de ene plaats betere prestaties leveren dan op een andere plaats. Dit levert voor de industrie een probleem op; hoe druk je het vermogen van een zonnepaneel uit? De oplossing heeft men gezocht in de eenheid wattpiek (Wp). Het vermogen van zonnepanelen wordt nagenoeg altijd uitgedrukt in deze eenheid, die het vermogen van het zonnepaneel onder ideale omstandigheden (25°C bij 1000W/m2 lichtintensiteit) weergeeft.

In de praktijk zult u deze omstandigheden helaas nooit halen, omdat Nederland eenmaal geen zonnig land is. U kunt echter wel degelijk dingen doen om óók in Nederland het maximaal haalbare uit uw zonnepanelen te halen. Hier bespreken we diverse factoren die van invloed zijn op de opbrengst van de panelen. Houd hier bij het kopen van zonnepanelen rekening mee!

De intensiteit van de zon

De eerste is wellicht een overduidelijk inkopper. Hoe feller de zon schijnt, hoe beter een zonnepaneel zijn werk kan doen. Het is om deze reden dat een zonnepaneel vooral in de lente en zomer goed tot zijn recht komt. Omdat de zon in de herfst en winter minder krachtig is, worden er minder vrije elektronen en gaten gecreëerd (zie zonnecellen en halfgeleiders), waardoor de stroomsterkte in de stroomkring afneemt.

Bij een goed geïnstalleerde zonnecel die weinig hinder ondervindt van weerstanden (zie de volgende paragraaf), blijft de spanning ongeveer op hetzelfde niveau, waardoor de afname in vermogen relatief beperkt blijft.

De weerstand van de stroomkring

Als u uw PV-systeem als losstaand systeem gebruikt (dus niet gekoppeld aan het net), dan is het van belang de weerstand van de stroomkring zo laag mogelijk te houden. Aangezien weerstand via de wet van ohm direct van invloed is op de spanning en stroomsterkte, zullen deze twee factoren met de weerstand meeveranderen.

Het nadeel hiervan, is dat de zonnecellen op een spanning-stroomsterktepunt gaan werken dat afwijkt van het ideale maximum power point. Met verder toenemende weerstand gaat de zonnecel zich eigenlijk steeds meer als een Ohmse weerstand gedragen (zie grafiek). In duidelijk Nederlands: de totale opbrengst van een zonnecel daalt met toename van de weerstand van de stroomkring.

Schaduwval

Ook voor zonnepanelen geldt, dat de spreekwoordelijke ketting zo sterk is als de zwakste schakel. Met name als zowel de zonnecellen als de zonnepanelen in serie geschakeld zijn gaat deze stelling op. Omdat serieel geschakelde zonnecellen op de stroomsterkte van de laagste cel werken, kan het zo zijn dat een enkele beschaduwde cel de opbrengst van het hele systeem omlaag haalt.

Het alternatief, parallel schakelen, is in een dergelijke situatie vaak onmogelijk omdat de omvormer op een bepaalde spanning is berekend. Gelukkig zijn de zonnepanelen van de meeste PV-systemen voor een groot deel parallel geschakeld, omdat zonnepanelen vaak zelf al 12V of 24V leveren. Houd bij plaatsing van zonnepanelen hoe dan ook rekening met bijvoorbeeld gebouwen, bomen, schoorstenen en balkons. 

Het materiaal van de zonnecel

Niet iedere zonnecel is hetzelfde; cellen kunnen van verschillende materialen gemaakt zijn, die ieder hun voor- en nadelen hebben. De meeste huidige zonnepanelen zijn gebaseerd op monokristallijn, danwel polykristallijn silicium. Cellen op basis van monokristallijn silicium zijn duurder, maar bieden een hoger rendement dan polykristallijne zonnecellen.

Dunne-film zonnecellen op basis van amorf silicium, zware metalen en / of organische bestanddelen zijn voor de commerciële markt nog niet interessant genoeg. De laatste jaren worden echter grote vooruitgangen geboekt in het onderzoek naar de toepassing van organische polymeren. De verwachting is dan ook dat het dunne-film zonnepaneel het straatbeeld langzaam maar zeker zal gaan domineren.

Temperatuur

Veel mensen denken dat een zonnepaneel bij hoge temperaturen beter presteert. Het omgekeerde is echter waar. Omdat de geleidbaarheid van halfgeleiders bij toenemende temperatuur toeneemt (de elektronen worden mobieler), wordt het makkelijker voor elektronen om gaten elders in het materiaal weer op te vullen.

Omdat dit de elektrische balans in de cel verbetert, valt het elektrische veld bij de grenslaag weg, waardoor de lading niet meer goed gescheiden kan blijven. Het resultaat is een dalende spanning tussen de twee lagen. Dit effect wordt in onderstaande figuur geïllustreerd.

De opbrengst van zonnepanelen (in wattpiek) is bepaald bij een temperatuur van 25°C. Op een warme zomerdag kan een zonnepaneel echter gerust 65 graden heet worden; een temperatuur waarbij u zo’n 20% opbrengst inlevert (ruwweg 0,5% per graad celcius boven de 25°C). Het is dus van belang zonnepanelen zo koel mogelijk te houden. Hoewel dit uiteraard niet altijd even goed mogelijk is, is het van belang in ieder geval de passieve koeling goed op orde te hebben.

Tips

Installeer de zonnepanelen niet te dicht op elkaar en zorg ervoor dat de wind, naast tussen de panelen door, ook onder de panelen door kan waaien. Een zonnepaneel presteert eigenlijk op zijn best tijdens een zonnige zomerdag mét een koele wind die de panelen koel houdt.

Met name in warmere landen is het van belang te kiezen voor een zonnepaneel met een lage temperatuurcoefficient. Deze waarde geeft de gevoeligheid van het zonnepaneel voor temperatuurvariaties weer; hoe lager, hoe beter.

In Nederland maakt het nauwelijks uit, maar een zonnepaneel op basis van monokristallijn silicium presteert met -0,4%/°C net iets beter dan een zonnepaneel op basis van polykristallijn silicium (-0,5%/°C). Wat in de toekomst wél uit gaat maken, is het feit dat zonnecellen op basis van amorf silicium een gevoeligheid hebben van slechts -0,15 tot -0,25 %/°C.

Schaduw management

Zoals U zeker kan beamen zijn lang niet alle daken ideaal voor zonnepanelen. Schaduw van een schoorsteen of een dak verdeeld in verschillende oriëntaties waardoor de opbrengst van zonnepanelen zeer laag is. Met het gebruik van het Solar Edge systeem worden al deze probleemfactoren uitgesloten,  en kunt  U ook met een minder ideaal gelegen dak zonnepanelen monteren zonder in te boeten op uw opbrengst.

Hogere opbrengst gegarandeerd met een Solar Edge.

Met een omvormer van Solar Edge bent u verzekert van een optimaal rendement en een optimale veiligheid. Deze reeks omvormers met decentrale MPPT trackers zorgt er namelijk voor dat zelfs wanneer er schaduw op 1 van de panelen valt de rest van de installatie op top rendement blijft doordraaien. Ook als er iets fout loopt met uw installatie, of er breekt bv een brand uit dan schakelt de Solar Edge installatie zich onmiddellijk naar een lage en veilige spanning. Er is dus geen enkel gevaar voor de brandweerman tijdens de bluswerken, of voor de installateur die aan uw installatie moet werken wegen bv een panne.

Voordelen SolarEedge t.o.v.een conventionele omvormer.

  • 1 wp = +/- 1 kw. (in werkelijkheid is dit veel hoger!)
  • Opbrengstverhoging t.o.v. reguliere omvormers van 25 %!
  • Ieder zonnepaneel heeft eigen powerbox daardoor verbetering eigen rendement.
  • Zonnepanelen in een string hebben geen last van deelschaduw.
  • Er kunnen verschillende zonnepaneelsterktes gebruikt worden. Kunnen met dezelfde omvormer gecombineerd worden. Makkelijke uitbreiding van de installatie in de toekomst.
  • Garantie 25 jaar voor Powerboxen en 12 jaar voor de omvormer!
  • Realtime monitoring per zonnepaneel via internet is inbegrepen.
  • Snelle analyse en foutdetectie.
  • Beschermt brandweer door uitschakeling bij brand!! (paneel schakelt terug naar veilige 1volt boven 80C!)

Datalogging

Wie zonnestroom opwekt wil vaak ook weten hoe zijn panelen presteren. Dat is heel simpel met de datalogging-producten van SMA, Mastervolt, Kostal, Solar Edge en Steca.  Bedraad of vaak met bluetooth is het gebruiksgemak groot. De zender en ontvanger zijn ( vaak ) draadloos met bluetooth verbonden. En uw data kunnen ook op uw computer en telefoon worden uitgelezen. Waar ter wereld u ook bent.
Ook leest u perfect af, of er ongeregeldheden of storingen plaatsvinden in uw installatie, waarna U direct kunt ingrijpen.
Er zijn diversen eenvoudige en uitgebreide systemen per merk beschikbaar, echter blijkt vaak dat elke situatie anders is en dat datalogging toch vaak maatwerk is.
Ons advies is ook om altijd MetDeZon te raadplegen voor een passend en vrijblijvend advies.

Vervolgens kun je ook kijken naar een airco voor thuis. Deze mobiele airco’s zijn vaak redelijk energie zuinig. Hierdoor kun je soms ook met stroom van enkel zonnepanelen jouw mobiele airco van zonne-energie voorzien. Win-Win!

Instralingsdiagram

Het instralingsdiagram toont de gemiddelde jaarlijkse zoninstraling voor verschillende vaste hellingshoeken en oriëntaties, uitgedrukt in percentages van de maximale instraling. Zo is af te lezen dat de instraling op een plat vlak (het middelpunt van de cirkel) ongeveer 85% van de maximale instraling bedraagt. In België wordt het maximum, ruim 1100 Wh/m² per jaar, bereikt onder een hoek van 35° op het zuiden. Het diagram is geldig voor West-Europa van Denemarken tot Noord-Spanje.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *