Energiemanagement Zonnepanelen

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Energiemanagement Zonnepanelen"

Elias Maes
5 jaren geleden
Aantal bezoeken:

Energiemanagement Zonnepanelen Lesdoelen Begrijpen en beschrijven van de werking

Bekend zijn met randvoorwaarden voor goede werking Zonne energie en zonnepanelen

5; elektriciteit uit zonne-energie Bron: www.esa.

Windenergie (les 1 en 2) Zonnepanelen (les 3) Zonnecollectoren (les 4) Energie-opslag

1 Energiemanagement Zonnepanelen Lesdoelen Begrijpen en beschrijven van de werking Berekenen van het vermogen en energie-opbrengst Bepalen van rendementen en COP s Bekend zijn met randvoorwaarden voor goede werking Zonne energie en zonnepanelen Zonne-energiesystemen Rosetta missie Hoofdstuk ; elektriciteit uit zonne-energie Bron: 32 m^2 oppervlak zonnepanelen 850W op 3,4 AU (3,4 keer de afstand van de Aarde tot de Zon) Waar zitten we? Windenergie (les 1 en 2) Zonnepanelen (les 3) Zonnecollectoren (les 4) Energie-opslag (les 5) Verschillen en overeenkomsten (les 6) Afsluitend; inloop / vragen (les 7) Deze les Zonne-energie invangen Omzetting zonne-energie in electrische energie Karakteristieken van de zonnecel Type zonnecellen en rendementen PV-paneel en PV-systeem 1

Energie en vermogen P gegenereerd =η*g T *A wanneer de zon loodrecht op het

niet loodrecht op staat: P gegenereerd =η*g T *A*cos(α) Hierbij is α de

PhotoVoltaic Geographical Information System (PVGIS) van de Europese

km zonthermische centrales Zonneschijf I Correctie tgv orientatie en

met voldoende energie kan een electron uit de buitenste schil (een valentie

2 Energie en vermogen P gegenereerd =η*g T *A wanneer de zon loodrecht op het paneel staat Energiepotenties Het vermogen neemt als volgt als de zon er niet loodrecht op staat: P gegenereerd =η*g T *A*cos(α) Hierbij is α de hoek tussen het paneel en de zon Gemiddeld: G T = 1000 W/m 2 Bron: PhotoVoltaic Geographical Information System (PVGIS) van de Europese Commissie Figuur links Wereld energie consumptie TWh/jaar = 300 x 300 km zonthermische centrales Zonneschijf I Correctie tgv orientatie en helling Spectrum en energie van licht Van foton naar electron η = Een foton met voldoende energie kan een electron uit de buitenste schil (een valentie electron) van het atoom slaan. Hierdoor wordt een electrongatpaar gecreëerd. Bron: en.wikipedia.org 2

Fabricage en opbouw zonnecel Basismateriaal: kwartszand met een siliciumgehalte van 98 % Hieruit wordt langs thermische en chemische weg zeer zuiver silicium 99,9999999 % gemaakt.

Aan de bovenzijde van de schijven wordt in een verhouding 1:100 á 1000 fosfor of arseen ingebracht via diffusie.

Maximaal vermogen In dit voorbeeld is: I sc = 285 A/m 2 V oc = 0,6V Het maximale vermogen is te verkrijgen bij een voltage van ongeveer 0,47V (Maximum Power Point, MPP), want P = V*I Bij het ontwerp

zorgt aan N-zijde voor een teveel aan elektronen en aan P-zijde voor een tekort. De cel werkt als een diode zodat de elektronen intern wél van P naar N kunnen vloeien maar niet in omgekeerde richting.

Op de bovenzijde van de cel bevindt zich een raster van geleidend materiaal aangebracht (de pool). Eigenschappen van een cel: maximum vermogen ca.

3 Fabricage en opbouw zonnecel Basismateriaal: kwartszand met een siliciumgehalte van 98 % Hieruit wordt langs thermische en chemische weg zeer zuiver silicium 99, % gemaakt. Dit materiaal wordt in een verhouding 1: gedoteerd met borium of aluminium. Hiervan worden schijven gezaagd. Aan de bovenzijde van de schijven wordt in een verhouding 1:100 á 1000 fosfor of arseen ingebracht via diffusie. Zo ontstaan twee lagen in de cel: aan de onderzijde van de cel de P-laag (het oorspronkelijke met Bo of Al gedoteerde materiaal) en aan de bovenzijde van de cel de N-laag (met P of As). Maximaal vermogen In dit voorbeeld is: I sc = 285 A/m 2 V oc = 0,6V Het maximale vermogen is te verkrijgen bij een voltage van ongeveer 0,47V (Maximum Power Point, MPP), want P = V*I Bij het ontwerp van een zonnecel is het vinden van de juiste weerstand van belang want V= R*I Opbouw zonnepaneel Eigenschappen zonnecel Vereenvoudigde werking: Licht (in de vorm van fotonen) dat door de cel gaat zorgt aan N-zijde voor een teveel aan elektronen en aan P-zijde voor een tekort. De cel werkt als een diode zodat de elektronen intern wél van P naar N kunnen vloeien maar niet in omgekeerde richting. De elektronen kunnen wel buitenom via een elektrisch circuit lopen en daarbij kunnen ze vermogen leveren. De gehele onderzijde van de cel is met een metaal geleidend gemaakt (de + pool). Op de bovenzijde van de cel bevindt zich een raster van geleidend materiaal aangebracht (de pool). Eigenschappen van een cel: maximum vermogen ca. 0,9 W, vrijloopspanning 0,6 V De spanningsstroomkarakteristiek van een zonnecel bij 3 verschillende lichtsterktes De werking van de cel bij verschillende temperaturen Vermogen Serie- of parallelschakeling Wanneer de belasting of externe weerstand oneindig groot is (Open Circuit, OC), houdt je alleen de natuurlijke spanning in de junctie over (V oc ) Bij nul weerstand (Short Circuit, SC) kunnen de electronen vrij bewegen ontstaat er maximale stroom (I sc ). Deze is proportioneel tot de stroom die maximaal geproduceerd kan worden bij een bepaalde intensiteit licht De cellen worden nu in serie en parallel geschakeld om een zonnepaneel te maken. Bij serieschakeling kunnen de spanningen van een cel worden opgeteld, bij parallelschakeling de stroomsterktes van een cel. Serieschakeling Parallelschakeling 3

Vraagstuk rendementsbepaling Gevraagd rendement van deze zonnecel voor paneel 1m 2 bij 1000 W/m 2 (STC-conditie) Gegeven: celafmeting 10 cm x 10 cm Antwoord η =

Cellen in serie: U = 100x0,35 = 35 V (bij 1000 W/m2) Paneelvermogen: P = UxI = 35 x 2,5 = 87,5 Wp (Wattpiek) Dusη= 87,5/(1000x1) = 8,75 % (erg laag) Nieuwe

15% Optimalisatie vermogen en efficiëntie Er zijn verschillende manieren om de efficiëntie te verbeteren: Anti-reflectie coating Een stralingspaneel aan de

omgezet in warmte Andere technologie van de cel zelf (multijunction) Om het geproduceerde vermogen te maximaliseren worden er soms trackers of andere systemen

4 Vraagstuk rendementsbepaling Gevraagd rendement van deze zonnecel voor paneel 1m 2 bij 1000 W/m 2 (STC-conditie) Gegeven: celafmeting 10 cm x 10 cm Antwoord η = P/(G T A) Voor 1 m2 totaal 100 cellen nodig. Cellen in serie: U = 100x0,35 = 35 V (bij 1000 W/m2) Paneelvermogen: P = UxI = 35 x 2,5 = 87,5 Wp (Wattpiek) Dusη= 87,5/(1000x1) = 8,75 % (erg laag) Nieuwe ontwikkelingen ca. 15% Optimalisatie vermogen en efficiëntie Er zijn verschillende manieren om de efficiëntie te verbeteren: Anti-reflectie coating Een stralingspaneel aan de achterkant toevoegen om overtollige warmte af te voeren Toepassen van filter om energie die niet wordt gebruikt, er uit te filteren zodat deze niet kan worden omgezet in warmte Andere technologie van de cel zelf (multijunction) Om het geproduceerde vermogen te maximaliseren worden er soms trackers of andere systemen toegepast Van zonnepaneel naar standalone systeem Met of zonder accu Vraag en aanbod wordt direct op elkaar aangesloten Bij ontwerp rekening houden met: Het verbruikerspatroon De instralingskarakteristiek De betrouwbaarheid Systeemdimensionering Hellingshoek van het paneel Typen zonnecellen Zonnepaneel installaties aangesloten op het net Monokristallijn: zwart, 15-18% Polykristallijn: blauw, 14-15% Amorf (dunne film): 5-8 % 4

Systeemdefinitie Zon foto-voltaïsch: feiten (2013) Kosten kwh-productie (2009): 20 tot 40 ct Kosten kwh-productie (2020): 6 tot 12 ct Energetische terugverdientijd: 1.5-2 jaar (Zuid Europa) 2.7-3.

5 Systeemdefinitie Zon foto-voltaïsch: feiten (2013) Kosten kwh-productie (2009): 20 tot 40 ct Kosten kwh-productie (2020): 6 tot 12 ct Energetische terugverdientijd: jaar (Zuid Europa) jaar (Midden Europa) Levensduur mono- en polykristallijn 20 jr en meer Levensduur amorf 6-10 jaar UCE: PV Roadmap for the Netherlands, 2002 ECN-RX Functies Zonnepaneel: vormt zonne-energie om tot electrische energie Accu: slaat electrische energie op Inverter: vormt de constante spanning om tot wisselspanning Tracker: oriënteert het paneel richting de zon Voorbeeldvragen Uit welke componenten bestaat een autonoom PV-installatie? Welke energieomzetting vindt plaats bij een PV-installatie? Wat is het rendement van een monokristallijne zonnecel? Hoe kun je het vermogen van een PV-installatie maximaliseren? Hoe kun je het rendement van een zonnecel maximaliseren? Leg uit hoe een zonnecel is staat is om electriciteit te produceren Hoeveel vermogen produceert een zonnepaneel van 1m 2 en een rendement van 14% als de intensiteit van de zon 1000 W/m 2? Welke subsystemen bepalen de beschikbaarheid van een PVinstallatie? Wat is de functie van een inverter? Betrouwbaarheid en beschikbaarheid Multijunction solar cell Zonnecellen kun je niet repareren (ook niet vervangen). Hooguit kun je panelen vervangen. Voorbeelden van defecten: ces.pdf Praktische benadering: overdimensionering om te kunnen blijven voldoen ondanks afname in electriciteitsproductie Overige subsystemen vragen wel onderhoud Elke laag is in staat om optimaal electriciteit te produceren per bandbreedte (golflengte). Op die manier wordt energie uit het hele spectrum van het licht gehaald. 5

Vergelijkbare documenten

Energiemanagement Zonnecollectoren

Waar zitten we? Energiemanagement Zonnecollectoren Windenergie(les 1 en2) Zonnepanelen(les 3) Zonnecollectoren(les 4) Energie-opslag(les 5) Verschillen en overeenkomsten(les 6) Afsluitend; inloop/ vragen(les