Zonnepanelen - NL

Zonnepanelen

 Zonnepanelen op een schuin dak

Zonnepanelen zijn panelen die zonlicht omzetten in elektriciteit. Hiervoor worden de panelen voorzien van zonnecellen die het licht van de zon opvangen. In het Engels worden de zonnecellen ook wel Photo-Voltaics (Foto-voltaïsche cel in het Nederlands) genoemd en afgekort naar PV cel.

Om even duidelijk onderscheid te maken een zonnepaneel die elektriciteit genereert is iets anders dan zonnecollectoren of zonneboiler die zonne-energie als warmtebron gebruiken.

Zonne-energie is energie van de zon in de vorm van warmte en licht, zowel de warmte als het licht van de zon kan omgezet worden in herbruikbare duurzame energie. In de vorm van licht wordt dit omgezet in elektriciteit, bij warmte wordt meestal de opgevangen warmte gebruikt om een vloeistof zoals water te verwarmen.

Met zonne-energie wordt tegenwoordig bedoeld; de energie die direct vanuit zonnestraling opgewekt wordt. Dit gebeurt dus op twee manieren:

  • De meest gebruikte toepassing is door middel van zonnepanelen met fotovoltaïsche cellen (ook wel PV-cellen genoemd). Die zetten het licht direct om in elektriciteit: zonnestroom.
  • Een andere manier om gebruik te maken van zonlicht is thermische zonne-energie waarbij zonlicht wordt omgezet in warmte. Dit gebeurt door zonneboilers (oftewel zonnecollectoren).

De term zonnepanelen wordt echter voor beide methodes gebruikt en is dus niet geheel eenduidig. Daarom zou voor de fotovoltaïsche methode de term "zonnestroompanelen" gebruikt kunnen worden. (of simpelweg PV panelen voor de kenners).

Historie

De geschiedenis van de ontwikkeling van de zonnecellen vind grotendeels zijn oorsprong in de ruimtevaart, omdat het voor langere ruimtevaart missies (zoals satellieten of ruimtestation) onmogelijk was voldoende brandstof mee te nemen of energie op te slaan (accu’s en batterijen) moest er een methode ontwikkeld worden om energie op te wekken. Dit was in het begin in de jaren 50 en 60 nog vrij kostbaar vanwege de dure materialen, naarmate de techniek zich verder ontwikkelde werd dit betaalbaarder. Deze technologische ontwikkeling werd goedkoper door het gebruik van bijvoorbeeld silicium voor zonnecellen. Op een bepaald moment zijn de aanschafkosten voor consument en het rendement wat men kan leveren op een punt gekomen dat er een aanvaardbare  terugverdien grens werd bereikt. Hierdoor werd het mogelijk voor consumenten om zelf panelen te kopen en daarmee voldoende besparingen op de reguliere energie voorzieningen te genereren waardoor de investering zich in een aantal jaren zou terugbetalen. Dit is echter van meer factoren afhankelijk zoals de prijzen van energieleveranciers, andere duurzame energiebronnen en bijvoorbeeld opslagmogelijkheden.

  • 1839 de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel neemt voor het eerst het 'fotovoltaïsch effect' waar.
  • 1883 de Amerikaanse wetenschapper Charles Fritts benut als eerste dit fenomeen voor het bouwen van de een lichtcel op basis van selenium. Deze seleniumcel kon slechts 1 procent van het licht omzetten in stroom en werd voornamelijk toegepast in de fotografie als belichtingsmeter.
  • 1887 ontdekt de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz het principe van het foto-elektrisch effect waarbij licht direct omgezet wordt in elektriciteit.
  • 1890 bouwt de Russisch natuurkundige Aleksandr Stoletov de eerste zonnecel gebaseerd op het principe van het foto-elektrisch effect.
  • 1941 werd de moderne halfgeleider zonnecel op basis van silicium gepatenteerd door de Amerikaan Russell Ohl, destijds werkzaam bij Bell Labs. In mei 1939 had hij bij toeval ontdekt dat er spontaan een elektrische stroom werd opgewekt in een siliciumkristal wanneer hij dit bescheen met een bureaulamp.
  • Voortbouwend op het werk van Ohl werd in 1954 een efficiëntere zonnecel ontwikkeld bij Bell Labs door Gerald Pearson, Calvin Fuller en Daryl Chapin. Door silicium te doteren met arseen bouwden ze een zonnecel die een rendement haalde van 4½ tot 6 procent.
  • 1958 was de Amerikaanse satelliet Vanguard 1 de eerste kunstmaan die radiosignalen vanuit de ruimte uitzond met een zonnecel van 1 watt. Vanguard 1 was van aluminium en had een diameter van 16,5 cm woog slechts 1,47 kg en was voorzien van zes vierkantige zonnecellen van 5 x 5 cm.
  • Pas na de oliecrisis werden in de jaren 1980, op basis van galliumarsenide (GaAs), zonnecellen ontworpen met een rendement van meer dan 20 procent.

Begrippen terminologie PV

  • Watt-piek (nominaal) vermogen (Wp) [W] Wattpiek (Wp) is een meeteenheid voor de capaciteit van fotovoltaïsche cellen (zonnecel of zonnepaneel) om zonne-energie in elektriciteit om te zetten. Eén wattpiek is de productie van een elektrisch vermogen van 1 watt (W) onder standaardomstandigheden. Vermogensoutput van een PV cell/module onder STC condities. De Wattpiek (Wp) is een veel gehoorde term bij zonnepanelen. Het geeft aan wat de opbrengst is van een zonnepaneel is onder standaard testomstandigheden (STC). Dit is gedefinieerd als 1000W/m2 (ongeveer de maximale zonne-energie die er op de aarde valt) instraling bij een celtemperatuur van 25 graden celsius en een Air-mass (AM) van 1,5. Een Wattpiek getal voor een zonnepaneel komt grofweg overeen met het maximale vermogen die een goed werkend en geplaatst zonnepaneel kan leveren. Toch kan het geleverd vermogen van een zonnepaneel (tijdelijk) hoger zijn dan het STC vermogen. Bijvoorbeeld bij extreem hoge instraling en/of lage temperaturen. Gemiddeld kost een wattpiek (Wp) van een kristallijn zonnepaneel ongeveer 1 euro (exclusief montage).
  • Piekvermogen PV-systeem : het aantal wattpiek dat uw panelenset potentieel kan leveren.
  • Specifiek watt-piek vermogen (Wp-spec) [W/m2] : Het watt-piek vermogen gedeeld door de oppervlakte. Gebruikelijk; het aantal vierkante meters [m2]. Een maat voor efficiëntie.
  • Opbrengst [kWh] : De hoeveelheid opgebrachte energie uit de zonnepanelen, net als de hoeveelheid verbruikte energie in een huishouden. Meestal uitgedrukt in kWh: kilo-Watt-uur.
  • Opbrengstfactor : de locatie-afhankelijke mate waarin het piekvermogen behaald kan worden.
  • Specifieke opbrengst [kWh/kWp] : Dit is de opbrengst genormaliseerd naar het watt-piek vermogen van de zonnepanelen. Vaak wordt specifieke opbrengst gebruikt i.p.v. opbrengst, omdat het meer zegt over het presteren van het systeem. Dat kan afhangen van veel factoren zoals de locatie / weer / schaduw / type cell etc.
  • Standard Test Conditions (STC) : Standaard test condities onder welke het vermogen (Wp) van een PV cell/module wordt bepaald. Een bestralingssterkte van 1000 W/m2, een cell-temperatuur van 25C, en een 1.5 airmass spectrum. Wikipedia: Air mass (astronomy)
  • Bestralingssterke / Irradiantie (Eng. Irradiance) (Ee) [W/m2]: Het vermogen per oppervlakte-eenheid van de invallende elektromagnetische straling op een oppervlak. Wikipedia: Irradiance NL: Bestralingssterkte. De bestralingssterkte van de zon op de aarde, gemeten op een vaste afstand, wordt de zonneconstante genoemd, hoewel ze aan fluctuaties onderhevig is en dus geen constante waarde heeft.
  • Bestraling (Eng. Irradiation) (I) [kWh/(m2 * year)]: De totale cumulatieve hoeveelheid energie komende van straling die over een periode (doorgaans een jaar) valt op een oppervlakte (meestal vierkante meter). Een maat om uit te drukken hoe 'zonnig' het in een gebied/land is. Nederland zit zo rond 1000 kWh/(m2 year), terwijl de Sahara zo rond 2200 kWh/(m2 year) zit.
  • Efficiëntie (n / eta) [-] : Ratio van de vermogensoutput van de PV cell/module en het vermogen van de inkomende straling onder STC condities.
  • Enery Pay Back Time (EPBT) [year] : Ratio van de de primare energiekosten benodigd om PV cellen/modules te maken naar de jaarlijkse opbrengst van een PV cel/module. Een maat die aangeeft wanneer een PV module energetisch is 'terugbetaald'. In 2006 lag dit tussen 2,5 en 3 jaar voor midden-Europa, maar tegenwoordig (was toen de verwachting) zal het rond 1,5 jaar liggen omdat het gros van de energie in de winning en purificatie van silicium zit, en daar is een enorme vooruitgang geboekt in efficiëntie en economies of scale de laatste jaren.
  • Terugverdientijd : De totale kosten van zonnepanelen bestaan uit de aanschaf, afschrijving, rente op leningen, plaatsing, onderhoud, verzekering en eventueel de vergunning en de subsidie. De terugverdientijd hangt af van de ligging van de zonnepanelen, de wijze van montage en de ontwikkeling van de elektriciteitsprijs. De terugverdientijd voor fotovoltaïsche zonnepanelen neemt geleidelijk af. Bij montage pal naar het zuiden gemonteerd op een pannendak, ligt deze anno 2017 bij gelijkblijvende elektriciteitsprijs op ongeveer 7 jaar.
  • Enery Return On Investment (EROI) [year] : Zie Energy Pay Back Time (EPBT).
  • Omvormer : De omvormer zet de gelijkspanning afkomstig van de zonnepanelen om naar wisselspanning van bijvoorbeeld 230 of 110 Volt die ingevoerd kan worden in het lichtnet.
  • Energiebalans : De productie van zonnepanelen vraagt op zich ook energie. De maat wordt uitgedrukt in de tijd waarin deze energie wordt terug opgewekt. Dit wordt de energiebalans genoemd en in België en Nederland ligt deze tussen 1 en 2 jaar.

Waarom zonne energie?

Welke voordelen of argumenten spelen een rol bij deze vraag:

  • Duurzaamheid
  • Onuitputtelijk
  • Energiebesparend
  • Economisch verantwoorde investering
  • Milieu vriendelijk
  • Klimaatverandering vertragend
  • Reductie CO2 uitstoot
  • Robuust en betrouwbaar
  • Schaalbaar en uitbreidbaar
  • Weinig onderhoud

Duurzame energie wat wordt daaronder verstaan?

Zonne energie is duurzaam, wat wordt daarmee bedoeld? Volgens Van Dale is het een bijvoeglijk naamwoord of bijwoord met de volgende 3 betekenissen: 1. lang durend, 2. weinig aan slijtage of bederf onderhevig en 3. Het milieu weinig belastend.

Volgens Wikipedia: Duurzame energie is energie waarover de mensheid voor onbeperkte tijd kan beschikken en waarbij, door het gebruik ervan, het leefmilieu en de mogelijkheden voor toekomstige generaties niet worden benadeeld.
Soms worden de termen 'duurzame energie' en 'hernieuwbare energie' als synoniemen gebruikt. Door anderen wordt er wel een onderscheid gemaakt: een hernieuwbare bron moet voor praktisch onbeperkte tijd te gebruiken zijn, een duurzame energiebron moet daarbovenop ook nog weinig milieuschade met zich meebrengen.

Duurzame energie gaat over energie uit natuurlijke bronnen: biomassa, zon, wind, bodem en water. Deze bronnen leveren elektriciteit, (bio)gas en warmte, of een combinatie daarvan. Als energie wordt opgewekt uit bronnen die op kunnen raken wordt dit gezien als niet-duurzame energieopwekking. Voorbeelden van niet-duurzame energiebronnen zijn aardolie, aardgas en steenkool. Deze grondstoffen worden ook wel fossiele brandstoffen genoemd. Door gebruik te maken van duurzame, hernieuwbare energie hebben we minder energie uit fossiele bronnen nodig. De voorraad kolen, olie en gas raakt ooit op èn verbranding van fossiele brandstoffen schaadt het milieu.

We komen dus op twee betekenissen:

  • Duurzaam als in een proces, waarbij bedoeld wordt dat het permanent kan worden toegepast, omdat het de aarde niet uitput.
  • Duurzaam in de zin van de levensduur. Iets wat niet verslijt en lang meegaat.

Hoewel de eerste definitie de belangrijkste is, impliceert de tweede door middel van een langere levensduur ook meer duurzaamheid in de zin van de eerste definitie. De meest gangbare en misschien wel meest elegante definitie van duurzaamheid komt echter van de commissie Brundtland.

De meest gangbare definitie van duurzame ontwikkeling volgens de VN-commissie Brundtland oftewel de "World Commission on Environment and Development" (WCED). Zij brachten in 1987 het rapport "Our Common Future" uit wat de tot nu toe meest populaire definitie van duurzaamheid heeft voortgebracht:

"Ontwikkeling die aansluit op de behoeften van het heden zonder het vermogen van toekomstige generaties om in hun eigen behoeften te voorzien in gevaar te brengen"

Uit deze definitie volgen dus twee criteria waaraan iets moet voldoen om duurzaam te zijn:

  • Er moet voldaan worden aan de behoefte van de huidige generatie
  • Dit moet op een dusdanige manier gebeuren dat dit de mogelijkheid van een toekomstige generatie hiertoe niet in gevaar brengt.

Zonnepanelen zijn permanent toepasbaar althans overdag, niet milieu belastend, hernieuwbaar en recyclebaar, voldoet aan de behoefte van de huidige generatie, vormt geen bedreiging voor toekomstige generaties, weinig slijtage en redelijk lange levensduur, eenvoudig van constructie, hebben geen onderhoud nodig en gaan erg lang mee. Ze zijn stil, doordat ze geen bewegende delen hebben en stoten geen schadelijke stoffen uit. In nagenoeg alle facetten voldoen zonnepanelen dus aan de definitie duurzaam.

Onuitputtelijk

Zonne-energie is nagenoeg onuitputtelijk. De zon is een ster die zich gemiddeld op 150 miljoen kilometer afstand van de aarde bevindt. De energie die de zon uitstraalt ontstaat door kernfusie. De atmosfeer en de magnetosfeer (het magnetisch veld van de aarde) beschermen het leven op aarde tegen het grootste deel van de schadelijke straling die de zon naast licht en warmte eveneens uitstraalt. De hoeveelheid energie die de aarde bereikt, is ca. 9000 maal groter dan de energiebehoefte van alle 7 miljard aardbewoners samen. De energie bereikt de aarde als licht en warmtestraling, een mengsel van elektromagnetische straling van verschillende golflengten, voor 99% liggend tussen 300 en 3000 nm. (De golflengten van zichtbaar licht vallen tussen 390 en 780 nm). De kern is het gedeelte van de Zon waar de dichtheid en de temperatuur hoog genoeg zijn om fusiereacties te veroorzaken.

Onze Zon is een ster van spectraalklasse G2. Dat betekent dat zij een gele ster is. De berekende levensduur van een ster als de Zon, dat wil zeggen de tijd waarin kernreacties haar van energie voorzien, bedraagt 10 miljard jaar.

De Zon heeft een diameter van ca. 1 392 684 km. Dit komt overeen met een diameter van 109 maal die van de Aarde, waarmee de Zon het grootste hemellichaam in het zonnestelsel is. De Aarde past er meer dan een miljoen keer in.
De gemiddelde afstand van de Zon tot de Aarde wordt Astronomische Eenheid (AE) genoemd; zij bedraagt ongeveer 149,6 miljoen km. Dat komt overeen met circa 8,317 lichtminuten, wat inhoudt dat het zonlicht er 8 minuten en 19 seconden over doet om de Aarde te bereiken.

De levenscyclus van de Zon is grofweg te verdelen in vier fases: 1. Protoster; de zon tijdens haar ontstaan. 2. Hoofdreeksster; de tegenwoordige toestand. 3. Rode reus; in de toekomst. 4. Witte dwerg; eindfase tot in de zeer verre toekomst. De Zon is al ongeveer 4,5 miljard jaar hoofdreeksster en zal dit nog zo'n 5,5 miljard jaar blijven. De ster zit ongeveer op de helft van haar hoofdreeksfase. In deze hoofdreeksfase is de omvang van de ster min of meer stabiel. Ze groeit of krimpt niet met extreme waarden. De zon genereert energie door middel van kernfusie, waarbij voortdurend waterstof in helium wordt omgezet. Momenteel is naar schatting ongeveer de helft van de waterstof in de kern van de zon opgebruikt. Naarmate de zon ouder wordt en er meer waterstof omgezet zal worden, nemen de lichtkracht en hitte die de zon uitstraalt toe.

De potentiële hoeveelheid zonne-energie is zoals eerder aangegeven vele malen groter dan het elektriciteitsverbruik van de gehele mensheid. De zonneconstante, de maximale hoeveelheid energie die per vierkante meter per tijdseenheid op het oppervlak valt, bedraagt circa 1367 Watt per vierkante meter. Over het algemeen geldt dat er veel oppervlakte nodig is voor zonne-energie ten opzichte van andere technieken. In gebieden met weinig wolken waar de zon hoog in de hemel staat is zonne-energie het voordeligst. Toch is het in gematigde streken ook steeds vaker economisch voordelig ten opzichte van fossiele energie.

Ter illustratie van het potentiële vermogen van grootschalige zonne-energie het volgende voorbeeld. Het energiegebruik van Europa bedraagt ca. 1020Joule/jaar (ruim 3 x 1012 Watt). Op basis van een energieopbrengst met een rendement van ca. 15% zou een gebied in de Sahara met een oppervlakte van netto ca. 50.000 vierkante kilometer voldoen voor alle energie die in Europa wordt gebruikt.

Soorten panelen

Er zijn diverse soorten zonnepanelen, maar meestal bestaan de zonnecellen uit twee lagen silicium. Om een werkend zonnepaneel te kunnen vervaardigen moet er van het silicium een halfgeleider worden gemaakt. Daarbij wordt er aan de bovenzijde een laagje fosfor toegevoegd, maar ook aan de onderkant. Voor de bescherming wordt het tussen twee transparante platen bevestigd. Vroeger was dit van glas, maar tegenwoordig wordt er vaak gebruik gemaakt van transparante kunststoffen.
Als er zonlicht op de panelen schijnt, ontstaat er door de absorptie van fotonen in de zonnecellen een spanning en worden door deze straling elektronen losgemaakt uit de bovenzijde van het paneel. De elektronen kunnen maar een kant op en daardoor wordt er een spanningsverschil gecreëerd tussen de boven- en onderkant van het paneel. Indien men de bovenkant en de onderkant op elkaar aansluit gaat er een elektrische stroom lopen. De spanning van een zonnecel is vaak laag, daarom wordt er gebruik gemaakt van meerdere zonnecellen en dan worden ze in een serie aan elkaar gekoppeld. Maar dat is nog niet alles, er wordt ook een omvormer geplaatst, zodat de spanning van de zonnepanelen van gelijkstroom omgezet kan worden in een wisselstroom van 230V. Samengevat zijn zonnepanelen dus: een verzameling zonnecellen die energie opwekken doordat er spanningsverschil optreedt bij zonnestraling.

De wijze waarop silicium is verwerkt bepaalt de kwaliteit van het paneel. Er zijn drie soorten, te weten: monokristallijn, polykristallijn en amorf.

Monokristallijn:
Monokristallijn zonnecellen zijn vervaardigd uit siliciumplakken, die uit een groot donkerblauw “monokristal” zijn gezaagd. De zonnecellen in een monokristallijn zonnepaneel bestaan dus uit één kristal.  Dat kristal is gecontroleerd afgekoeld, waardoor een gelijkmatige structuur is ontstaan. Dus ook een gelijkmatige kleurstelling.
Het oppervlak van monokristallijne zonnecellen heeft geordende elektroden en is egaal zwart. Deze zonnepanelen hebben het hoogste rendement. Monokristallijne zonnepanelen hebben enkele procenten meer opbrengst dan polykristallijne. Deze panelen zijn duurder, maar hebben een hoger rendement per oppervlakte. De beste keuze voor het behalen van een maximale rendement en bij een beperkte ruimte.

Polykristallijn:
Polykristallijn zonnecellen (of multikristallijn silicium) worden gegoten en vervolgens gezaagd. Dit is een ander proces dan dat van de monokristallijne cellen. Tijdens het stollen ontstaan verschillende kristallen die het materiaal een onregelmatig geschakeerd aanzicht geven.
In een polykristallijn zonnepaneel bevinden zich zonnecellen die bestaan uit meerdere grove kristallen. Een polykristallijne zonnecel vertoont een soort gebroken schervenpatroon. De polykristallijne zonnepanelen zijn gunstig geprijsd en bieden een redelijk hoog rendement, hoewel minder rendement dan monokristallijne zonnepanelen. Het rendement van polykristallijne cellen ligt iets lager (circa 2%) dan dat van monokristallijne cellen. Het zonnepaneel heeft een blauwe kleur.
Wanneer er genoeg ruimte op een dak aanwezig is, is dit de beste keuze.

Amorf:
Amorf silicium cellen worden opgedampt op een ondersteunend materiaal. De opbrengst is niet zo hoog, maar veel goedkoper. Voordelen zijn het lagere materiaalgebruik, de continue productie met laag energieverbruik, en de mogelijkheid ze te plaatsen op grote oppervlaktes op goedkope dragers, zoals een dakbedekking
In een dunne-filmzonnepaneel wordt amorf silicium gebruikt. Amorfe zonnepanelen bevatten geen kristallen maar poeder. Hierdoor zijn ze zeer buigzaam. De amorfe zonnepanelen geven het minste rendement van de drie. De prijs ligt wel een stuk lager, maar deze zonnecellen zijn minder geschikt voor toepassing in zonnepanelen.

 Vergelijkingstabel

Paneel

MonoKristallijn

Polykristallijn

Amorf / Dunne film

Gemiddelde prijs per paneel

      520,00

      480,00

      400,00

Efficiëntie

14 – 20 %

12 – 16 %

  6-10 %

Lange termijn test

Zeer hoge prestaties, stabiel, lange levensduur

Lange levensduur

Meer opbrengst, iets kortere  levensduur

Thermisch gedrag

Verlies bij hoge temperaturen

Verlies bij hoge temperaturen

Weinig verlies

Zwaklicht eigenschappen

Verlies bij diffuus licht

Verlies bij diffuus licht

Weinig verlies

Toepassing

Uitsekend voor kleine daken

Uitstekend voor daken met een groot oppervlak

Op zeer grote daken of op veldsystemen

Voordeel

Zeer hoog rendement

Goed rendement, prima prijs / kwaliteit verhouding

Goedkoop, weinig gewicht, prestatie bij zwak licht of hoge temperatuur

Nadeel

Duur, prestatie minder bij hoge temperatuur en zwaklicht

Prestatie minder bij hoge temperatuur en zwaklicht

Laag renedement korte levensduur