Zonnepanelen

Zonnepanelen bestaan uit fotovoltaïsche cellen, ook wel een zonnecel of een zon-pv cel genoemd, is het basiselement van een zonnepaneel. Een zonnecel zet inkomend licht van de zon om in elektriciteit. Meerdere zonnecellen met elkaar verbonden vormen samen een zonnepaneel. Meer dan 95% van de wereldwijd geproduceerde zonnecellen zijn vervaardigd uit de halfgeleider silicium. Eén van de redenen hiervoor is dat dit halfgeleider materiaal op aarde ruimschoots beschikbaar is: Het grootste deel van de aardkorst bestaat uit silicium. Aan deze grondstof zal dus geen tekort ontstaan en er hoeft geen kwetsbare natuur aangetast te worden om het materiaal te winnen.

De moderne geschiedenis van zonnecellen begint in 1954 als in de Bell laboratoria, bij experimenten met verontreinigd silicium blijkt dat dit materiaal zeer gevoelig is voor de inwerking van licht. Dit resulteerde in de productie van de eerste praktisch bruikbare zonnecellen waarbij een rendement van 6% werd behaald. De eerste zonnecellen werden geproduceerd voor gebruik in satellieten.

In de loop der jaren is het vermogen van zonnecellen om zonlicht om te zetten in elektriciteit sterk vooruit gegaan. Vandaag de dag zijn enkele zonnepaneelproducenten al in staat om zonnecellen te produceren met een rendement van meer dan 25%.
De meerderheid, zo’n 95% van alle zonnecellen in zonnepanelen haalt dit rendement echter niet. Het huidige rendement van een zonnecel schommelt tussen de 19 en 24%. Als deze zonnecellen in een zonnepaneel worden geplaatst valt het rendement van het paneel nog wat verder terug door verliezen te wijten aan de weerstand die de elektronen ondervinden tijdens het transport door het zonnepaneel en naar de omvormer. Het rendement van een gemiddeld zonnepaneel komt daarmee op 17 tot 22 %.

De elektrische stroom kan in de zonnecel maar in één richting lopen. Als er zonlicht op de zonnecel valt, worden elektronen los gestoten uit het silicium, die vervolgens in de gewenste richting gaan bewegen. De beweging van alle losgemaakte elektronen samen is de elektrische stroom die door de zonnecel heen loopt naar de bekabeling die richting een omvormer of laadregelaar gaat.
Om praktisch nut van zonnecellen te hebben, worden ze meestal in een zonnepaneel gemonteerd. Een andere naam voor een zonnepaneel dat elektriciteit opwekt is een pv-paneel. Zonnepanelen leveren gelijkstroom. Ze moeten aangesloten worden op een omvormer om wisselstroom te kunnen verkrijgen. De opgewekte elektriciteit kan dan gebruikt worden door de aangesloten apparaten of verkocht worden aan de energieleverancier door terug te leveren op het elektriciteitsnet.

Zonnepanelen

Een zonnepaneel bestaat uit een aantal zonnecellen die in serie zijn geschakeld. Elke zonnecel heeft een vermogen van ca. 4 – 5 Watt (Wp), afhankelijk van het fabrikaat, de gebruikte technologie en de kwaliteit van de zonnecel. De meeste zonnepanelen die vandaag de dag geproduceerd worden bevatten 60 zonnecellen. Een standaard 60 cels zonnepaneel komt daarmee uit op een vermogen dat varieert tussen de 260 en de 360 Watt (Wp).
Zonnepanelen zetten zonlicht om in elektriciteit (zonnestroom). Het invallende zonlicht zorgt voor een elektrische spanning tussen de lagen van het silicium op het paneel. Dat heet een fotovoltaïsche reactie, in het Engels photovoltaic (PV). De term fotovoltaïsch is een samentrekking van het Griekse woord voor licht ‘Phoos’, (waar later het woord photon of foton voor lichtdeeltje van werd afgeleid) en de term voor elektrische spanning (Volt).
Zonnepanelen verouderen ook een klein beetje in de tijd. De producenten geven hiervoor garanties af die in de regel vanaf 100% opbengst bij aanschaf, lineair aflopen tot 80% opbrengst na 25 jaar. Enkele producenten (SOLARWATT en Sunpower) hanteren andere productie technieken die zorgen voor lagere veroudering waardoor een paneel in de loop der jaren meer stroom blijft produceren.

Zonnepanelen alleen, zijn niet voldoende om uw eigen elektriciteit mee op te wekken. Om het zonlicht om te zetten naar bruikbare stroom is een omvormer nodig . De omvormer zet de gelijkstroom van de zonnepanelen om naar wisselstroom om deze met een spanning van 230 Volt aan het elektriciteitsnet aan te bieden. Voor het terugleveren van zonne-energie sluiten we de omvormer aan op het elektriciteitsnet. Voor de kleinere zonnepanelen systemen (3 à 4 zonnepanelen) kan dat via het stopcontact, maar voor grotere systemen verloopt de aansluiting via één of meerdere vrije groepen in de meterkast met een werkschakelaar. Zo komt de door de zonnepanelen opgewekte stroom direct beschikbaar voor de apparaten die u dagelijks gebruikt in huis of bedrijf.

Om de stroom van de zonnepanelen naar de omvormer te brengen en van de omvormer naar de meterkast heeft u kabels nodig. De kabels die daarvoor gebruikt worden zijn o.a. speciale solarkabels, kabels die geschikt zijn voor het transporteren van zonnestroom. De kabels voor het transport van elektriciteit van de omvormer naar de meterkast zijn vaak niet dezelfde als die zijn aangelegd voor uw huisinstallatie. De dikte van de kabel wordt afgestemd op het vermogen van de zonnepanelen. De zonnepanelen, omvormer en bekabeling in de meterkast vormen samen een zonnepanelen- of zon-pv systeem.

Voor het opwekken van elektriciteit met zonnepanelen is niet per se direct zonlicht nodig. Ook op een bewolkte dag leveren zonnepanelen elektriciteit. Nederlands zonlicht is daarmee prima geschikt om zelf elektriciteit op te wekken! Een zonnepanelensysteem in Nederland levert per 1000 Wp tussen de 750 en 1150 kwh per jaar, afhankelijk van o.a. de invalshoek van de zon, de ligging van het dak en de geografische locatie binnen Nederland en de producteigenschappen van de panelen en omvormer.

De prijzen van zonnepanelen zijn in de afgelopen 4 jaar drastisch gedaald. Daarom is het nu voor iedere Nederlander met een dak, georiënteerd op het oosten tot westen meer dan rendabel om zonnepanelen aan te schaffen. Zonne-energie is al goedkoper geworden dan stroom van uw energieleverancier.

zonnepanelen zwart zilverWegens de vraag uit de markt voeren inmiddels de meeste merken ook compleet zwarte panelen (ook wel Black-Line genoemd), met een zwarte aluminium lijst en onderlaag. Dit type zonnepanelen zijn gemiddeld genomen ongeveer €25 duurder per paneel dan de standaard versie. Deze zijn eigenlijk altijd mono-kristallijn, omdat de cel ervan zwart van kleur is en een poly-kristallijn blauw is. Een mono-kristallijn zonnepaneel zal dus een mooier en egaler zwart oppervlak geven dan een poly-kristallijn paneel. Zwarte panelen worden vooral gebruikt op donker kleurige en zwarte dakpannen. Op rode dakpannen maakt het eigenlijk niet zoveel uit of er zwart of zilver geplaatst wordt. Daarnaast is er ook zwart montagemateriaal (ongeveer €10 duurder per paneel) om het helemaal af te maken en een mooie zwarte set te creëren.

De meeste zonnepanelen die op daken van woningen geïnstalleerd zijn worden gekoppeld aan het openbare elektriciteitsnet. Dit heet een “netgekoppeld systeem”. Het systeem levert stroom aan het elektriciteitsnet als de panelen meer elektriciteit produceren dan u nodig heeft in uw huis of bedrijf. De elektriciteit die door de zonnepanelen wordt geproduceerd en door de omvormer wordt omgezet kan dan worden “verkocht”. Zo wordt ieder huishouden en ieder bedrijf met zonnepanelen op het dak een kleine zonne-energie centrale en verduurzamen we het Nederlandse elektriciteitsverbruik.

In Nederland is het produceren en verkopen van energie alleen interessant indien u op jaarbasis niet veel meer “verkoopt” dan dat u zelf verbruikt. Het “verkopen” van de zelf geproduceerde energie voor hetzelfde bedrag als waarvoor u het ingekocht hebt heet “salderen“.

Er bestaan ook zonnepaneelsystemen die niet aan het elektriciteitsnet gekoppeld zijn. Bij een dergelijk zonnepanelen systeem wordt de geproduceerde energie opgeslagen in batterijen. Deze vorm van energie produceren is op het moment nog erg kostbaar. Dit komt doordat batterijen duur zijn en maar een beperkte levensduur hebben. Een zonnepanelen systeem dat wordt aangesloten op batterijen heet een “stand-alone”, “autonoom” of “net-onafhankelijk” zonne-energie systeem. Dit soort systemen wordt door een beperkt aantal leveranciers aangeboden.Wij leveren helaas geen autonome zonnepanelen systemen. SolarBox levert en installeert alleen netgekoppelde zonnepanelen systemen aan gemeenten, bedrijven en particulieren. Op onze referentie pagina ziet u een greep uit de zonnepanelen systemen die we de afgelopen jaren hebben geïnstalleerd.

Zonnepanelen rendement

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is de verdeling van zonne-energie over het aardoppervlak heel gelijkmatig. Het verschil in jaarlijks beschikbare energie tussen de Sahara en het noorden van Scandinavië is niet meer dan een factor drie. Nederland krijgt ongeveer 1000 kWh/m² per jaar aan zonlicht, iets minder dan de helft van wat maximaal haalbaar is. Het probleem is dan ook niet zozeer het jaarlijkse aanbod, maar de grote verschillen tussen zomer en winter (factor 7-10). Vanwege dat verschil is het belangrijk dat de energie kan worden opgeslagen of dat een tweede energiebron beschikbaar is die de verschillen kan opvangen.
Een paar getallen illustreren de wereldwijde potentie van zonne-energie. Per aardbewoner is gemiddeld continu ongeveer 20.000.000 watt (20 megawatt) aan zonnestraling beschikbaar. Het huidige gemiddelde energiegebruik is 2.500 watt (2,5 kilowatt) per persoon, alle vormen van gebruik bij elkaar geteld. Per Nederlander is het gebruik 6 kilowatt. Er is wereldwijd dus 8000 maal meer zonne-energie beschikbaar dan we nodig hebben. Dit getal zegt echter nog niet zo veel, want we kunnen niet al het land vol leggen met zonne-energie installaties en bovendien is het rendement van de omzetting van zonnestraling in bruikbare energie veel lager dan 100%.
Niettemin is al door velen aannemelijk gemaakt dat zonne-energie een hoofdrol kan spelen in onze mondiale energievoorziening op de lange termijn. De kunst is om dat voor elkaar te krijgen tegen aanvaardbare kosten en met een hoge betrouwbaarheid. Natuurlijk hoeft niet ieder land volledig in het eigen gebruik te voorzien. Zoals nu wordt gehandeld in fossiele brandstoffen, kan er ook een levendige internationale handel ontstaan in zonne-energie.

Waarom is het rendement van zonnecellen geen 100%?

Zonnecellen zetten zonlicht om in elektriciteit. Het deel van de energie in het zonlicht dat kan worden omgezet in elektriciteit noemen we het rendement (in % uitgedrukt).
Zonlicht bestaat uit verschillende kleuren, dat kun je zien wanneer er een regenboog is. Een zonnecel wordt meestal gemaakt van één bepaald (halfgeleider)materiaal, bijvoorbeeld silicium. Zo’n materiaal is niet voor alle kleuren licht even gevoelig en een deel van het zonlicht gaat er zelfs dwars door heen. Anders gezegd: een zonnecel werkt optimaal voor één kleur licht. Licht wat “te rood” is gaat er doorheen (wordt niet geabsorbeerd) en wordt dus helemaal niet benut, licht wat “te blauw” is wordt maar voor een deel benut. Dit is beter te begrijpen wanneer we ons realiseren dat licht bestaat uit energiepakketjes (fotonen). De energie van het pakketje bepaalt de kleur van het licht. Om een elektron in het materiaal los te maken is het nodig dat het foton een minimale energie heeft. Is de energie te laag, dan wordt geen elektron losgemaakt. Is de energie hoger dan het benodigde minimum, dan wordt het overschot aan energie afgegeven in de vorm van warmte. Op die manier gaat ongeveer 55% van de energie in het licht verloren, zodat nog 45% resteert. Wanneer een elektron eenmaal is losgemaakt, heeft het de neiging weer terug te vallen naar zijn oude toestand (recombineren). Dit is zelfs in het beste materiaal niet helemaal te voorkomen en zorgt ervoor dat het rendement van een ideale, enkelvoudige cel niet hoger kan zijn dan ongeveer 30% (voor materiaal met een optimale kleurgevoeligheid). De allerbeste (en bijna onbetaalbare) kleine zonnecellen hebben een rendement van 30% in het laboratorium en worden gebruikt op satelieten. In commerciële productie wordt 17-22% gehaald. Dit grote verschil is een gevolg van het gebruik van goedkopere materialen (lagere kwaliteit en niet-optimale kleurgevoeligheid), van goedkopere fabricageprocessen en van de grotere oppervlakte van de cellen en de modules.

Er zijn twee methoden om het rendement van zonnecellen te verhogen boven het genoemde maximum van 30% voor een enkelvoudige cel. In de eerste plaats kan de kleurgevoeligheid worden verbeterd door twee of drie verschillende materialen te stapelen. We spreken in zo’n geval van een tandem. De kleurverliezen nemen dan af van 55% naar ongeveer 40-45%, zodat 55-60% van de energie resteert. De gevolgen van recombinatie kunnen worden verminderd door domweg meer elektronen los te maken (“de pomp harder zetten terwijl het lek gelijk blijft”). Dit kan door de cel te belichten met geconcentreerd zonlicht (bijvoorbeeld 100x) onder een soort lens of met spiegels. In combinatie met het gebruik van een drievoudige tandem geeft dit een theoretisch maximum rendement van ongeveer 50%. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit soort heeft een rendement van 33%.

SolarBox gebruikt uitsluitend de beste kwaliteit zonnepanelen die een minimale levensduur van 25 jaar hebben, de beste omvormers en montagesystemen. We werken samen met verschillende partners, al naar gelang de vereisten van het project. Voor merkinformatie, klik hieronder:

Solarwatt
Sunpower