Fotovoltaïsche energiesystemen

In fotovoltaïsche zonne-energiesystemen (of PV-systemen) zetten zonnecellen het opgevangen licht rechtstreeks om in elektriciteit (zonnestroom). Deze fotovoltaïsche omzetting wordt in nederland‘zonnestroom genoemd’. Zonnepanelen of PV panelen van het Engelse ‘Photo-
Voltaic‘(Grieks photos: licht, en Volt naar de eenheid van elektrische spanning).

 

Zonnecel werking

De zonnecel is het hart van het zonnestroom- of PV-systeem. Als zonlicht invalt in de cel, staat een lichtdeeltje (foton) zijn energie af aan een negatief geladen deeltje (elektron) uit het materiaal van de zonnecel, dat hierdoor losraakt en zich vrij gaat bewegen. Een in het materiaal aangebracht elektrisch veld (de zogenaamde p-n overgang) trekt de elektronen naar de voorzijde van de zonnecel. De elektronen laten een positief geladen materiaal met lege plaatsen (gaten) achter. De achterzijde van de zonnecel is daardoor positief geladen. Wanneer de voor- en achterzijde van de zonnecel buitenom met elkaar worden verbonden, gaat een elektrische stroom lopen. Zo levert de cel energie aan een accu, een pomp of het elektriciteitsnet.

 

PV systemen

Een zonnecel wordt gemaakt van een halfgeleidermateriaal dat elektriciteit levert zodra er licht op valt. Voor de huidige zonnecellen is silicium het meest gebruikte halfgeleidermateriaal.Daarmee kunnen drie typen zonnecellen gemaakt worden:

1. Monokristallijn zonnecellen

Monokristallijn zijn vervaardigd uit siliciumplakken, die uit een groot donkerblauw “monokristal” zijn gezaagd. Dat kristal is gecontroleerd afgekoeld, waardoor een gelijkmatige structuur is ontstaan. Dus ook een gelijkmatige kleurstelling

2. Polykristallijn zonnecellen

Polykristallijn (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 uitzicht geven. Het rendement van polykristallijne cellen ligt iets lager (circa 2%) dan dat van monokristallijne cellen. Het zonnepaneel heeft een blauwe kleur

3. Amorf silicium cellen

Amorf silicium cellen worden opgedampt op een ondersteunend materiaal. De opbrengst is niet zo hoog, maar veel goedkoper. Voordelen zijn het kleinere materiaalgebruik, de continue productie met laag energieverbruik, en de mogelijkheid ze te plaatsen op grote oppervlaktes op goedkope dragers, zoals een dakbedekking.

4. CIGS-cellen

CIGS-cellen zijn ook amorf silicium cellen alleen is het een compositie van meerdere dunne metaallagen (“thin film”) die op elkaar zijn aangebracht en een halfgeleider vormen. CIGS-cellen staan bekend om hun hoge energierendement.

 

Techniek Zonnestroom-systemen

Zonnestroom wordt opgewekt door zonnecellen, die tezamen een zonnepaneel vormen. Elke zonnecel is opgebouwd uit flinterdunne laagjes halfgeleidend materiaal waartussen – onder invloed van zonlicht – een spanningsverschil ontstaat. Een standaard paneel heeft een  vermogen van circa 150 tot 200 Watt bij volle zon. Dit vermogen wordt ook wel ‘piekvermogen’ genoemd, met als eenheid ‘watt piek’ (Wp). Het grootste deel van de tijd levert een zonnepaneel minder omdat de zon niet altijd zo sterk schijnt. Een omvormer zet de stroom uit het  paneel om in wisselstroom en levert deze vervolgens aan het elektriciteitsnet. We spreken dan over een ‘netgekoppeld’ zonnestroomsysteem. Een netgekoppeld zonnepaneel van 100 Wp kan in Nederland jaarlijks zo’n 80 kWh zonnestroom leveren. Wordt de opbrengst niet aan  het net geleverd maar opgeslagen in bijvoorbeeld een accu, dan is er sprake van een ‘autonoom’ zonnestroomsysteem (zgn off-grid systeem).

 

PV paneelvermogen

De capaciteit van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in Wattpiek. Een Watt-piek is gedefinieerd als het elektrisch vermogen dat een zonnecel levert bij standaard test condities (STC): een instraling van 1000 W/m² (een stralend blauwe hemel in juni) en een cel temperatuur van 25 graden Celsius. Onder deze omstandigheden levert een zonnecel van 1 Watt-piek een vermogen van 1 Watt. Bij een lagere instraling of een hogere temperatuur levert de zonnecel minder vermogen. Omdat dit vermogen onder normale omstandigheden niet wordt gehaald (de zon  schijnt niet altijd even hard), wordt de Watt-piek ge- hanteerd als vergelijking van opbrengst van zonnepanelen. In de praktijk ligt het geleverde vermogen van een zonnepaneel op circa 80% van het aantal Watt-piek dat onder laboratoriumomstandigheden wordt opgewekt.

 

Omvormer

De omvormer vormt het brein van het zonne-energiesysteem. Deze maakt het mogelijk om onze zonnepanelen te koppelen aan het elektriciteitsnet. Hij zet namelijk de gelijkspanning 12-37 Volt die over het zonnepaneel staat, om in een wisselspanning 230 Volt. Tegelijkertijd waakt  de omvormer over de stabiele stroomtoevoer aan het elektriciteitsnet. De omvormer is dus de veiligheidsagent van de installatie. Het is belangrijk de juiste omvormer te kiezen. Deze moet afgestemd zijn op het vermogen van de zonnepanelen. De juiste omvormer: verlengt het  leven van het systeem en verhoogt het rendement van uw systeem. Voorkeur is om de omvormer zo dicht mogelijk in de omgeving van de zonnepanelen te plaatsen. Zo gaat tijdens het transport de minste energie verloren. De omvormer hangt het best op een goed bereikbare  plaats. Dat vergemakkelijkt een controle van het toestel.

Rendement

Een omvormer heeft een rendement van 91 tot 98%. Hoe lager de DC-ingangspanning, hoe hoger het rendement. Het rendement neemt sterk af bij lage vermogens, als er niet veel zon is.

Levensduur

De levensduur kan degraderen wanneer de omvormer op een te warme plaats staat (>35 à 50°C afhankelijk van het type). Het is dus aangeraden om de omvormer in een koele plaats te installeren. Veelal, om korte gelijkstroomdraden te hebben wordt de omvormer echter op zolder geïnstalleerd. Dit is zeker een te mijden opstelling.

Derating van de omvormer

Wanneer de omvormer op een te warme plaats hangt (>35°C) kan het zijn dat deze zijn eigen geproduceerde warmte niet meer weg krijgt. Deze warmte moet weg geventileerd worden. Als de huidige omvormers te warm komen schakelen zij hun geproduceerd vermogen naar beneden (derating) om zichzelf te beschermen tegen oververhitting en dus uitvallen. Deze derating beperkt zelf automatisch het geproduceerd vermogen dat naar het lichtnet gekoppeld wordt. Er zijn 3 deratings mogelijk:

1. Derating van de temperatuur: beperking van het
afgiftevermogen opdat de omvormer niet zou oververhitten;

2. Derating van de ingangstroom: problemen met te
hoge ingangstroom aan de PV zijde;

3. Derating van het vermogen: voor driefasige omvormers
om asymetrie te voorkomen.

Strings

Omdat de ingangsspanning beperkt is tot maximaal 450 à 1000VDC werkt men meestal met 2 strengen of strings. De panelen worden in serie geplaatst maar de strings worden zelf onderling parallelgekoppeld zodat de stroom apart loopt en bij eventuele schaduw op een string enkel deze string hiervan last ondervindt.

Galvanische scheiding

Zo is de fotovoltaïsche DC kring elektrisch gescheiden van het lichtnet. Dit wordt gerealiseerd door de transformator. Dankzij het principe van “galvanische isolatie”, voldoen de omvormers aan de strengste internationale veiligheidsnormen en bieden de mogelijkheid om deaarding zowel op de positieve als de negatieve klem van de DC zijde te realiseren.

Garanties

De garanties gaan niet zover als de panelen. De panelen zijn solid state en dus eigenlijk onverwoestbaar. De omvormers verslijten wel degelijk. De garantie gaat vaak tot 10 jaar en is eventueel tot 25 jaar uitbreidbaar.

 

Montage

Instraling

De zoninstraling die op de atmosfeer van de aarde valt bedraagt 1360 Watt per m². Van deze 1360 Watt per m² bereikt uiteindelijk 50 tot 1000 Watt per m2 het aardoppervlak. Eén uur volle zon levert dan dus als maat 1000 Wh per m² anders gezegd: 1kWh/m². Het zonaanbod in Nederland varieert per provincie. In het westen van het land is er meer zonaanbod dan in het oosten. Daarnaast is de zonne-instraling sterk afhankelijk van het weer. De instraling in de zomermaanden is ongeveer zeven keer zo groot als in de wintermaanden. Op een bewolkte zomerdag kan de instraling van de zon nog altijd ongeveer 300 Watt/m² bedragen.

Oriëntatie

De optimale oriëntatie richting voor een zonnepaneel is het zuiden (-2°E om precies te zijn). De optimale hellingshoek bij deze oriëntatie is 36°. Afwijking van dit optimale punt zorgt voor een verlies aan rendement. De voorwaarde om aan een goed  instralingpercentage te kunnen voldoen zijn:

• De oriëntatie tussen zuidwest en zuidoost ligt;
• De hellingshoek tussen de 30 en 60 graden ligt.
• Toch kan om praktische redenen gekozen worden voor 15 of 20 graden opstelling i.v.m schaduwwerking.

Bomen, naastliggende gebouwen en mogelijke toekomstige bebouwing kunnen de instraling op zonnepanelen belemmeren. Plaats daarom de zonnepanelen zo hoog mogelijk op het dak. De lichtbelemmeringshoek op dakvlakken moet kleiner zijn dan 15°. (de hoek tussen de onderkant van het zonnepaneel en het belemmerend object).