ZONNE-ENERGIE
1. MET ZONNE-ENERGIE INVESTEERT U IN EEN SCHONER MILIEU
Wie een zonne-energie-installatie aanschaft, gebruikt gratis energie van de zon. Daardoor wordt op andere energie bespaard, die anders door de energie-maatschappij opgewekt en geleverd zou worden. Hierdoor wordt een bijdrage geleverd aan het milieu. Dat gegeven kan voor een aantal mensen al voldoende zijn om zonnepanelen te gaan gebruiken.
Een zonnepaneel werkt op het licht van de zon. Dus ook bij een gedeeltelijk of geheel bewolkte hemel wekt een zonnepaneel al elektriciteit op.
Het meest gunstig is om zonnepanelen op het zuiden te plaatsen onder een hoek van 36-39 graden met de horizon. Het is niet erg om daar iets van af te wijken. Een monokristallijn zonnepaneel van bijvoorbeeld 300 Wp (ca. 1,7 m2) produceert gemiddeld 270 kWh per jaar.
De stroom uit een PV-systeem (de kosten van paneel en toebehoren meegerekend) is duurder dan de gewone stroom die de energiebedrijven leveren. Daar staat tegenover dat u investeert in een schoner milieu. Per PV-systeem met een paneeloppervlak van 1 m2 wordt er per jaar 42 kg tot 56 kg minder CO2 uitgestoten in de atmosfeer (afhankelijk van de hoeveelheid zonlicht per jaar). CO2 is een belangrijke veroorzaker van het broeikaseffect. Tenminste, als u gewone grijze stroom geleverd krijgt.
Tegenwoordig kunt u van uw elektriciteitsmaatschappij echter ook groene stroom kopen tegen vrijwel dezelfde prijs als gewone stroom. Deze mogelijkheid heeft bijzondere voordelen naast het zelf opwekken van zonnestroom. U moet een bepaalde aanschafprijs voor zonnepanelen niet overstijgen, anders wordt het economisch onrendabel.
2. BESPARING
Bij de besparing bij het gebruik van zonne-energie zijn er verschillende overwegingen. De gebruiker bepaalt uiteindelijk wat hij of zij daarbij van belang acht.
In economische zin kunt u wel besparen, maar u moet goed rekenen met de terugverdientijd. Als u te veel moet betalen voor de zonnepanelen bespaart u vaak helemaal niets aan geld.
Ternary kan u met de nieuwste technologie echter ook grotere installaties met 20 of 25 jaar garantie leveren, die in een aantal jaren (minder dan 10 jaar) is terugbetaald uit de bespaarde stroom van de elektriciteitsmaatschappij. Daarna hebt u inderdaad gratis energie. In de praktijk is het vaak onmogelijk om met het moderne gewenste comfort uw volledige behoefte aan elektriciteit te halen uit zonnepanelen, zelfs niet als u uw hele dak vol zou kunnen en mogen leggen. U blijft dus deels afhankelijk van de elektriciteitsmaatschappij.
In het besparen op fossiele brandstof hebt u als eigen producent concurrentie, als u tevens groene stroom van een energiemaatschappij kunt krijgen. Tenslotte hoeft u daar niet zelf voor te investeren als u gewoon een contract voor groene stroom afsluit. Het beste is dus een combinatie te maken van eigen zonnepanelen met aanvulling van een contract met een energiemaatschappij voor groene stroom. De stroom, die u op een gedeelte van een dag over hebt, geeft u terug aan het net en wordt door anderen als groene stroom verbruikt. Later op de dag verbruikt u die terug-geleverde energie zelf weer uit het net, ook in vorm van groene stroom. Een perfecte samenwerking.
Helemaal van voordeel is het als u elektrische energie nodig heeft op plaatsen, waar u geen energie van een energiemaatschappij geleverd kunt krijgen. Op dat moment vallen alle economische besparingstheorieën weg. Het gaat er dan slechts om hoe u energie kunt genereren. Dat kan met een motorgenerator (verbruik van brandstof), of met groene energie in de vorm van met waterkracht (indien in de buurt), met een windgenerator of met een zonne-energie-module.
Al deze installaties vergen een investering en onderhoud en leveren een bepaald aantal kilowatts aan elektrische energie in een bepaalde tijd. U bepaalt uiteindelijk, wat u daarvoor over hebt en welke energievorm in de voor u geldende situatie het beste is.
Vooral in deze situatie is het aan te bevelen om zonnepanelen te gaan gebruiken, hoewel de geleverde energie dure kilowatts zijn. Op een boot, camper, caravan of in een tuin- of vakantiehuisje, in een weiland of een lichtmast zonder of ver weg van een aansluiting op het lichtnet zijn zonnepanelen goed bruikbaar.
3. Basisbegrippen m.b.t. de zon
Zoninstraling en klimaat
Nederland staat niet bekend als een zonnig land. Toch valt er wel degelijk zonnestroom op te wekken. In Nederland krijgt het aardoppervlak dagelijks gemiddeld 2.7 kWh per vierkante meter aan zoninstraling. Ter vergelijking: de stad Nairobi in Kenia, vlak bij de evenaar, ontvangt gemiddeld 5.3 kWh per vierkante meter per dag. Natuurlijk is er in Nederland ’s zomers veel meer zoninstraling dan ’s winters. In de linkertabel hieronder kunt u deze seizoensverschillen goed zien. De rechtertabel geeft u een beeld van hoe de zoninstraling in het Nederlandse De Bilt zich verhoudt tot die in andere plaatsen in Europa.
Zoninstraling en oriëntatie
In Nederland levert een zonnepaneel optimaal rendement als het is gericht op het zuiden en aangebracht onder een hellingshoek van 35 à 40 graden. Afwijkende hellingshoeken en oriëntaties hebben trouwens geen ernstige gevolgen voor de opbrengst, zoals u ziet in onderstaande tabel.
Zo werkt een zonnecel
Met zonnepanelen kan zonlicht direct in elektriciteit worden omgezet (‘zonnestroom’).
Dit proces noemen we het fotovoltaïsch effect. De officiële benaming voor een zonnepaneel is kortweg PV-paneel, via het Engelse ‘photovoltaic panel’.
Een PV-paneel of zonne-energie-module bestaat uit meerdere kleine zonnecellen die met elkaar verbonden zijn. Elke zonnecel is opgebouwd uit flinterdunne laagjes halfgeleidend materiaal waartussen – onder invloed van het zonlicht – een spanningsverschil ontstaat.
Het hart van een zonne-energiemodule is dus de zonnecel. Deze is van silicium. Silicium wordt uit kwartszand door smelten en reinigen gewonnen. Dan ontstaan rechthoekige of cilindervormige ruwe siliciumblokjes. Deze worden vervolgens in schijfjes gezaagd. Door het gericht aanbrengen van een onder- en bovenzijde en door het aanbrengen van kleine zilverbanen ontstaat een correct werkende zonnecel, waarop een stroomverbruiker (gloeilamp) kan worden aangesloten. Valt nu energierijk zonlicht (UV- en Infrarood straling = fotonen) op deze zonnecel, dan worden de elektronen in het siliciumkristalrooster in beweging gebracht en circuleren door de stroomverbruiker. Zo hebben we gelijkstroom en gelijkspanning (Volt) opgewekt. Vandaar het begrip fotovoltage.
TYPE SILICIUM
Afhankelijk van de kristallijnstructuur in het siliciumvlak maakt men onderscheid tussen monokristallijne, polykristallijne en amorfe zonnecellen.
De verschillende kristallijnstructuren geven een verschillend rendement. Het rendement van een zonnecel bepaalt welk gedeelte van de ingestraalde zonne-energie daadwerkelijk wordt afgegeven in de vorm van elektrische energie. Een module met een laag rendement heeft een groter oppervlak nodig om een bepaald aantal Watts te leveren, dan een module met een hoger rendement. De rest van de ingestraalde energie gaat verloren in warmte. Een paneel van 1 m2 oppervlak vangt in Nederland 1000 W en indien het rendement 15 % is levert die 1 m2 een elektrische energie van 150 Watt. De overblijvende 850 Watt wordt afgegeven in de vorm van warmte. Zou men dat paneel in een afgesloten kastje zetten achter een glasplaat, dan zou die restenergie aan warmte door contact met lucht of water kunnen worden afgevoerd, waardoor het totale rendement vele malen hoger wordt. Een dergelijke zonne-energie-collector noemt men een hybridencollector. Die zijn wel in ontwikkeling maar nog niet grootschalig te koop.
De amorfe zonnecellen kent men van bijv. een zakrekenmachine en horloges . Ze zijn meestal donker, vrijwel zwart. Het gemiddelde rendement is het laagst en ligt tussen de 2 en 7 %. De spectrale gevoeligheid is echter breed en daarom geven ze ook onder ongunstige weersomstandigheden meer stroom dan de andere typen zonnecellen. Vanwege de eenvoudigere productiemethode zijn ze het goedkoopst.
De monokristallijne zonnecel heeft een egaal blauwe kleur en heeft het hoogste rendement van tussen de 13 en 21 %.
De levensduur is bijna onbeperkt, zolang er mechanisch geen defect optreedt met gebroken glas of iets dergelijks, waardoor de siliciumschijven dan aan de weersinvloeden worden blootgesteld. De maat van de zonnecel kan verschillen. Kenmerkende maten zijn 152 x 152 mm of de helft c.q. eenderde daarvan. Deze cellen zijn ook het duurst, omdat hetzelfde materiaal gebruikt wordt als de halfgeleiderindustrie gebruikt voor elektronische schakelingen.
De polykristallijne zonnecel heeft een blauwe of grijze gevlekte kleur. Ze hebben geen gedefinieerde, terugkerende kristallijnstructuur. Het rendement ligt bij 15 – 18 %. De overige eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van monokristallijne zonnecellen.
Het materiaal is eigenlijk een restproduct van de monokristallijne halfgeleiderindustrie, waardoor de prijs gunstiger is. Het zijn samengesmolten resten, waardoor ook de vlekken ontstaan.
Er zijn ook nog zonnecellen van een ander materiaal met een hoger rendement. Deze cellen zijn van gallium-arsenide en worden experimenteel gebruikt bij zonneauto’s in recordpogingen en in de ruimtevaart. De prijs is onbetaalbaar voor normale toepassing.
De zonnecel kan overeenkomstig het stralingsvermogen van de zon de gelijkstroom opwekken. Bij de spanning is dat anders. Ook bij zeer laag stralingsvermogen levert de zonnecel energie. Je kunt het vergelijken met een emmer die eerst vol moet lopen en de vloeistofstand in de emmer eerst steeds hoger wordt tot aan het maximum. Zodra de emmer overloopt gaat er pas water uit de emmer stromen. Zo is het ook met de zonnecel. De instromende energie vult eerst de legen plaatsen in de cel op, waarbij de spanning oploopt van nul tot het maximum. Zodra het maximum bereikt is gaat de cel ‘overlopen’ en kan er pas een elektrische stroom lopen, die steeds sterker wordt, naarmate de zonne-instraling groter is. Naarmate de stroom sterker wordt, lijkt het echter of de emmer scheefgetrokken wordt en de maximale hoogte van de vloeistofstand lager wordt.. Bij volledige zonne-instraling (1000 W) wordt eveneens de maximale stroom opgewekt. Bij een half zo sterke instraling wordt ook de helft van de stroom opgewekt. De spanning in de zonnecel neemt dan ook af naarmate de stroom toeneemt en is het laagst bij de kortsluitstroom. Het maximale vermogen wordt bereikt als het product van de stroom en de spanning maximaal is.
Door serieschakeling (= verhoging van de spanning en gelijke stroom) en parallelschakeling (= verhoging van de stroom en gelijke spanning) kan met de zonnecellen voor zonne-energiemodules met uiteenlopende maten energie worden opgewekt. Kenmerkend zijn zonne-energiemodules van 60-72 cellen. Deze hebben de eigenschap, dat ze wereldwijd toepasbaar zijn en met een spanning van minimaal 17/18 V altijd boven de laad-eindspanning van de accu liggen.