Masterproef Vergelijkende studie naar de efficiëntie van zonnepanelen onder diverse meteorologische condities

Transcriptie

1 Masterproef Vergelijkende studie naar de efficiëntie van zonnepanelen onder diverse meteorologische condities Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Academiejaar Robbe Demeester

2

3 Masterproef Vergelijkende studie naar de efficiëntie van zonnepanelen onder diverse meteorologische condities Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Academiejaar Robbe Demeester

4 Voorwoord Met trots kan ik hier mijn eindwerk presenteren over de vergelijkende studie naar de efficiëntie van zonnepanelen onder diverse meteorologische condities. Dit eindwerk is het symbool om deze 4 jaar in Kortrijk af te sluiten. Het heeft heel wat stress bij mij teweeg gebracht en momenten waarbij ik er even genoeg van had. Maar dankzij de steun van bepaalde mensen ben ik er toch geraakt. Daarom dit dankwoord om deze mensen te bedanken. Als eerste wil ik mijn ouders bedanken voor de kansen die ze mij de afgelopen jaren hebben gegeven. Ondanks het feit dat ze vaak meer stress hadden dan ik, hebben ze mij nooit in twijfel getrokken en altijd hun vertrouwen geschonken. Vervolgens wil ik mijn promotoren Bart Verhelst, Johan Vanalme en Jan Desmet bedanken. Reeds vanaf de start kon ik op hun medewerking en inzet rekenen waarvoor hartelijk dank. Dit eindwerk wordt speciaal opgedragen aan mijn overleden moeder Leen Verhamme. Ondanks het vroege heengaan van mijn moeder, ben ik toch nog op mijn pootjes terecht gekomen en kan ik met trots dit eindwerk voorstellen. Ik hoop door middel van dit eindwerk een basis gelegd te hebben naar het verdere onderzoek rond de efficiëntie van zonnepanelen in al zijn facetten. Nogmaals dank aan iedereen die dit voor mij mogelijk gemaakt hebben. Robbe Demeester I

5 Inhoudstafel Inhoudstafel... II Abstract... V Gebruikte symbolen en afkortingen... VI Lijst van tabellen... VII Lijst van figuren... VIII Hoofdstuk 1 : Inleiding Lemcko Doelstellingen Zoninstraling Hoofdstuk 2 : Hedendaagse PV-technologieën Inleiding De kristallijn-silicium technologie Monokristallijn silicium zonnecel Fabricageproces Werking Rendement Polykristallijn silicium zonnecel Fabrikageproces Werking Rendement Dunnelaag-technologie Amorf silicium Fabricageproces Werking Rendement CIGS zonnecel GaAs zonnecel Cadmium Telluride zonnecel Dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecel II

6 2.3.6 Organische zonnecellen Grätzel zonnecel Antenne zonnecel Besluit Hoofdstuk 3 : Parameters die het rendement beïnvloeden Inleiding Atmosferische beïnvloedingsparameters Temperatuur De beschikbaarheid van de zonne-energie en de oriëntatie van de modules Technologische beïnvloedingsparameters Invertoren Rendement Levensduur MPPT Galvanische scheiding Meerdere invertoren gekoppeld Netimpedantie Weerstandsverliezen Omgevingsbeïnvloedingsparameters Plaatsingssystemen Schaduw en vervuiling Degradatie glasplaat Besluit Hoofdstuk 4 : Het bepalen van de opbrengst Inleiding Methodes Praktisch de energieopbrengst berekenen Rendement Celrendement Modulerendement Performantie-ratio Methodes III

7 4.4 Besluit Hoofdstuk 5 : Praktische studie Doelstelling Test set up De zonnepanelen Soorten Plaatsingssystemen Invertoren Schakelkast en kabels Schema Kabels Analyse meetresultaten Sensitiviteitsanalyse Inleiding Het invertorrendement Gemiddeld rendement Het EUROrendement Met eigen gewichten Samenvatting De rendementsbepaling van de technologieën Van 09 tot 31 maart Van 02 tot 21 april Vergelijking tussen beide maanden De temperatuur Procentuele opbrengststijging tussen de open en gesloten opstellingen Berekening opbrengstdaling per C Besluit Hoofdstuk 6 : Algemeen besluit Hoofdstuk 7 : Wat in de toekomst? Hoofdstuk 8 : Bronnen Hoofdstuk 9 : Bijlagen Bijlage Bijlage IV

8 Abstract The purpose of the master proof is to make a comparative study to look for the efficiency of solar panel under several meteorological conditions. The first part is a theoretical study to find all different technics to generating photovoltaic energy. For each technology, there is a description of characteristics, influence parameters, functioning, construction process and the return. The goal of the study is to discover which technologies exist and which important parameters affect the result. Therefore the developing and also existent technologies are set into chart. The biggest attention goes to the technologies which are practically available to do tests with. In the second part, the data gets processed. Those data are derived from an experimental field on the roof of the Howest Dep. GKG building. The installation exists of monocristaline, polycristalline, amorphe and thin layer monocristalline solar cells. All of those technologies are placed in different positions namely: open, closed and double tracking position so that the different influence parameters (surrounding temperature, chosen technology, chosen placing, wind influence and solar beams) can be obtained. Those influence parameters will have impact on the total efficiency. By each of the parameters, there will be a sensitivity study to measure their impact. The primary goal of this thesis is to make right choices regarding to efficient solar panels. V

9 Gebruikte symbolen en afkortingen α A.M. d GCR d E α i Q H G l A P.R. Η U I T β P ac P ac rated P dc P stc R STC Z Absorptiecoëfficiënt Air Mass Afstand tussen 2 zonnepanelen Bodembedekkingsfactor Dikte atmosfeer tot aardoppervlak Energie Hellingshoek Hellingshoek ten opzichte van normaal Intensiteit Instralingsdichtheid Irradiantie Lengte van zonnepaneel Oppervlakte Performantie ratio Rendement Spanning Stroom Temperatuur Temperatuurscoëfficiënt AC Vermogen Het vermogen van de invertor DC Vermogen Vermogen onder standaard test condities Weerstand Standaard Test Condities Zenithafstand VI

10 Lijst van tabellen Vergelijking rendementen Overzicht rendementsverlies bij verschillende rendementsparameters Gegevens zonnecellen Technische eigenschappen van de fabrikant Invertorgegevens volgens de fabrikant Meetgegevens Meetgegevens Meetgegevens Meetgegevens Berekende opbrengstwaarden 09 tot 31 maart Berekende opbrengstwaarden 02 tot 21 april Samenvatting berekende resultaten Samenvatting berekende resultaten Het rendement met de eigen gewichten Samenvatting van de resultaten De gemiddelde instraling (maart) Resultaten van de modulerendementen (maart) De gemiddelde instraling (april) Resultaten van de modulerendementen (april) Vergelijking tussen modulerendementen van maart en april Procentuele opbrengststijging tussen de open en gesloten opstellingen (12 maart) Procentuele opbrengststijging tussen de open en gesloten opstellingen (24 maart) Procentuele opbrengststijging tussen de open en gesloten opstellingen (2 april) Procentuele opbrengststijging tussen de open en gesloten opstellingen (18 april) Resultaten opbrengstdaling per C VII

11 Lijst van figuren Schillenstructuur silicium Het kristalrooster van silicium Silicium Het Czochralski-proces Het crystal pulling Het etsen van de opperste 'emittor'-laag Kristallijn silicium zonnecel Vereenvoudigde voorstelling zonnecel Monokristallijne zonnecel Als geen licht op de zonnecel valt Als er wel licht op de zonnecel valt Schillenverdeling fosfor Silicium gedopeerd met fosfor: N-materiaal Schillenverdeling borium Silicium gedopeerd met borium: P-materiaal De PN-junctie De PN-junctie als er licht op de zonnecel valt Schematische voorstelling werking zonnecel Polykristallijne silicium blokken Het lintenproces Polykristallijne panelen Polykristallijne cel (detail) Een dunnelaag zonnecel Schematische voorstelling van het fabricageproces Amorf silicium zonnecel De tandemcel met amorfe cellen Absorptie-banden van amorf silicium en silicium-germanium De amorfe cel Een amorf zonnepaneel De lagen van een CIGS zonnecel CIGS zonnecel rond een buis De flexibele CIGS zonnecel De CdTe zonnecel Polykristallijn filmsilicium zonnecel Monokristallijn dunnelaag Organische zonnecel De Grätzel zonnecel VIII

12 De Grätzel zonnecel De antenne zonnecel Het effect van temperatuur op de I-V curve van een zonnecel Het spectrum van zonlicht Definiëring 'air mass' Het zonnespectrum met meerdere air mass spectra Kaart waar de zon het meest schijnt per jaar Grafiek Dc-ingangsspanning in functie van het rendement Zonnecellen in serie, strings in parallel Invertoren in hun omkasting Het effect van toenemende weerstand op de I-V curve van een zonnecel is Vast opgesteld met draagstructuur Vast opgesteld direct op het dak In de constructie geïntegreerde systemen Het trackersysteem Stralingsdiagram Noordelijk halfrond Monokristallijn Polykristallijn Amorf Dunnefilm De open opstelling De gesloten opstelling De tracker opstelling De invertoren De schakelkast Dagopbrengst van Weekopbrengst (09 maart tot 15 maart) van de verschillende technologieën Maandopbrengst (maart) van de verschillende technologieën Vergelijking tussen alle opstellingen (9 maart tot 15 maart) Vergelijking tussen alle open opstellingen (maart) Vergelijking tussen alle gesloten opstellingen (maart) Vergelijking tussen alle tracker opstellingen (maart) Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen (maart) Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen (maart) Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen (maart) Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen (maart) Weekopbrengst (02 april tot 10 april) van de verschillende technologieën Maandopbrengst (april) van de verschillende technologieën Vergelijking tussen de verschillende opstellingen (02 april tot 10 april) Vergelijking tussen de open opstellingen (april) Vergelijking tussen de gesloten opstellingen (april) Vergelijking tussen de tracker opstellingen (april) IX

13 Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen (april) Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen (april) Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen (april) Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen (april) De opstelling voor het opmeten van het invertorrendement Het rendement in functie van het AC vermogen Het omvormerrendement volgens de fabrikant Het histogram met de eigen gewichten X

14 Hoofdstuk 1 : Inleiding 1.1 Lemcko Lemcko is gespecialiseerd in dienstverlening in het brede domein van de elektrotechniek meer bepaald: Power Quality & Safety, Elektrische aandrijvingen, Energie-efficiënte systemen en duurzame energiebronnen. De dienstverlening uit zich in consultancy, onderzoek en opleiding en richt zich zowel tot bedrijven, openbare instellingen als particulieren. 1.2 Doelstellingen Het doel van de masterproef is het uitvoeren van een vergelijkende studie naar de efficiëntie van zonnepanelen onder diverse meteorologische condities. De masterproef bestaat uit twee grote delen. Het eerste deel is een theoretische studie van de verschillende technologieën voor fotovoltaïsche energieopwekking. Dit houdt in dat voor iedere technologie de eigenschappen, de invloedsparameters, de werking, het fabricageproces en de rendementen worden beschreven. Het doel van deze studie is vooral te weten welke soorten technologieën er bestaan en welke belangrijke invloedsparameters het rendement beïnvloeden. Hierbij worden zowel de in ontwikkeling zijnde technologieën als de reeds in de markt geïntroduceerde technologieën in kaart gebracht. De grootste aandacht wordt besteed aan de technologieën die praktisch beschikbaar zijn om analyses op uit te voeren. Het tweede deel bestaat uit het verwerken van praktische meetgegevens. Deze meetgegevens worden verkregen uit een proefveld dat opgesteld staat op het dak van Howest Dep GKG. De installatie bestaat uit zowel monokristallijne, polykristallijne, amorfe als dunnelaagmonokristallijne zonnecellen. Deze technologieën staan in verschillende opstellingen geplaatst, zijnde in een open, gesloten en dubbel tracking opstelling. 11

15 Zo kunnen de verschillende invloedsparameters (omgevingstemperatuur, toegepaste technologie, aard van de opstelling, windinvloed en zonne-instraling) bestudeerd worden. Deze invloedsparameters zullen hun impact hebben op het totaal rendement van de opstelling. Van elk van deze parameters zal een sensitiviteitsstudie doorgevoerd worden om de impact ervan in kaart te brengen. Het eindwerk heeft als doel om in de toekomst de juiste keuze te kunnen maken naar de meest efficiënte zonnepanelen in functie van de toegepaste technologie en plaatsingswijze. 1.3 Zoninstraling Zonne-energie is een verzamelnaam voor een aantal verschillende technieken om zonlicht om te zetten in energie. Bij directe zonne-energie wordt de energie door het licht meteen omgezet in warmte of elektriciteit. Er zijn twee zonne-energieën: de passieve zonne-energie en de actieve zonne-energie. Een gebouw kan dermate ontworpen worden dat met optimaal gebruik kan maken van het binnentredend zonlicht om zijn energieverbruik te beperken voor verwarming en verlichting. Dit is passieve zonne-energie. Met actieve zonne-energie wordt bedoeld dat zonlicht in één stap wordt omgezet in elektriciteit. Door het vervuilend karakter van traditionele elektriciteitsproductie en de nakende uitputting van fossiele brandstoffen, wordt het gebruik van zonne-energie steeds belangrijker. Menselijke energiebehoeften bestaan uit productie van stroom en opwarming van water en lucht. Door het technische benutten van zonnestraling kan hieraan voldaan worden. Zonneenergie is een natuurlijke energiebron. Het milieu hoeft dus niet extra vervuild of belast te worden met deze energie. Er zijn verschillende technologieën die gebruik maken van de zonnestraling. Maar in een bepaalde omstandigheid zal de ene technologie een beter rendement hebben dan de andere technologie. Met dit eindwerk zullen de invloedsparameters die het rendement veranderen besproken worden. Naargelang de omstandigheid kan dan gekozen worden voor de juiste technologie. 12

16 Hoofdstuk 2 : Hedendaagse PV-technologieën 2.1 Inleiding Om een goede keuze te maken welke PV-technologie er in een bepaalde situatie past, is het nodig om de verschillende PV-technologieën te kennen. In dit hoofdstuk worden de PVtechnologieën besproken naar werking, opbouw en rendement. 2.2 De kristallijn-silicium technologie De klassieke silicium-zonnecel is een zonnecel die heel vaak gebruikt wordt. Bij een klassieke silicium-zonnecel zijn er twee uitvoeringen: monokristallijn en polykristallijn. In dit hoofdstuk worden beide uitvoerig besproken. Silicium in een zonnecel hoeft niet zo zuiver te zijn als silicium dat bestemd is voor halfgeleiders in computerhardware waaraan heel hoge eisen worden gesteld. Silicium komt voor op aarde in de verbinding silica (SiO 2 of zand). Het is een van de meest voorkomende stoffen, maar het kost veel energie om daaruit Silicium (Si) te produceren. Bij het huidige productieproces reageert koolstof met silica bij een hoge temperatuur van een paar duizend graden Celsius. [1] Om het gewenste silicium te verkrijgen zijn er nog een paar bewerkingen nodig vooraleer het gewenste silicium verkregen wordt. De meest gebruikte zuiveringsroute is het omzetten van silicium met behulp van zoutzuur (HCl) in trichloorsilaan (SiHCl3). Dit is een vloeistof met een laag kookpunt van 32 C. Het proces gaat als volgt [2]: De grondstof SiO 2 wordt in een oven door middel van reductie naar zuiver metallurgisch silicium gefilterd. SiO C Si + 2 CO (2.1) Om het metaal verder te zuiveren wordt het verbonden met chloor en waterstof tot het gas trichlorosilaan SiHCl 3. Si + 3 HCl SiHCl 3 + H 2 (2.2) 13

17 Dit gas wordt gezuiverd door een distillatie tot op elektronische zuiveringsgraad. SiHCl3 + H2 Si + 3 HCl (2.30) Dit silicium is zuiver genoeg om gebruikt te worden als grondstof voor siliciumplakken voor de productie van chips. [3] De zonnecelindustrie maakt op haar beurt weer gebruik van afval uit de chipindustrie dat opnieuw gesmolten en gekristalliseerd wordt. Dat soort silicium verpulvert gemakkelijk. Het worden dan korreltjes van een paar micrometer groot. Figuur 2.1: Schillenstructuur silicium Figuur 2.2: Het kristalrooster van silicium Over het atoom silicium kan worden gezegd dat dit 14 elektronen bevat waarvan er zich 4 op de buitenste schil bevinden. In een zuivere siliciumkristalstructuur worden de 4 valentie-elektronen (dit zijn elektronen die op de buitenste schil aanwezig zijn) gebonden aan 4 nabijgelegen atomen, zoals aangeduid op Figuur 2.2. [4] Dit type binding wordt een covalente binding genoemd. Hoewel de valentieelektronen sterk gebonden zijn door deze covalente binding, is het toch mogelijk dat een valentie-elektron voldoende kinetische energie verkrijgt om de binding te verbreken. Deze vrije elektronen worden intrinsieke ladingsdragers genoemd. Bij kamertemperatuur is er ongeveer 1 vrij elektron per 5*10 10 Si atomen. Dit blijkt ontoereikend te zijn om dit halfgeleidermateriaal te bestempelen als een zonnecel. Om de toename van vrije elektronen in halfgeleidermateriaal te stimuleren wordt dopering met vreemde atomen toegepast. Welke vreemde atomen dit zijn, wordt later uitgelegd. [21] 14

18 Figuur 2.3: Silicium Monokristallijn silicium zonnecel Fabricageproces Monokristallijn silicium (c-si) wordt vaak met het Czochralski-proces geproduceerd. Het eindproduct wordt gemaakt door de elektrolyse in een zoutoplossing: SiHCl 3 + H 2 Si + 3 HCl (2.4) Figuur 2.4: Het Czochralski-proces Figuur 2.5: Het crystal pulling Dat eindproduct is een zeer zuivere polykristallijne staaf. De zuivere polykristallijne staaf wordt gesmolten tot vloeibaar silicium. Dan wordt een monokristallijn zaadje genomen en zal zo aangedreven worden zodat het met een constante snelheid ronddraait. Zo wordt het zaadje al draaiend in het vloeibaar silicium geplaatst. Het gesmolten silicium neemt de kristalstructuur van het monokristallijn zaadje over, terwijl het langzaam uit het vat omhooggetrokken wordt. Het monokristal groeit uit tot een welbepaalde diameter geregeld door de opwaartse snelheid en de horizontale temperatuursgradiënt. [2] 15

19 Een andere methode is de Float-Zone methode. Dit proces zorgt voor een zuiverdere kristalvorming dan het Czochralski proces omdat de kristallen niet besmet worden met het smeltvat. In dit proces wordt een siliciumstaaf bovenop een kristalzaad geplaatst en dan doorheen een elektromagnetische kern geleid. Het magnetisch veld induceert een elektrisch veld in de staaf waardoor die gaat smelten. Op het scheidingsvlak tussen staaf en zaad ontstaan monokristallen. Deze breiden zich verder uit naarmate de spoel zich verder omhoog beweegt. De staaf wordt verzaagd tot schijven (typisch 400µm) met een diamant cirkelzaag of met een draadzaag. Daarna wordt de schijf gepolierd en geëtst om de ruwheden van het zagen weg te werken. De P-type (zie later) siliciumschijf is verkregen maar vooraleer de zonnecel effectief kan werken, zijn er nog enkele stappen die moeten ondernomen worden: De N-type (zie later) laag doperen in een oven op 850 C gedurende 15 min in Ar + PH 3 atmosfeer. Het wegetsen van de opperste (beschadigde) emittor laag Figuur 2.6: Het etsen van de opperste 'emittor'-laag Een drive-in diffusie, de opperste laag is anders te sterk gedopeerd. De drive-in diffusie dient enkel voor de herverdeling van de ionen. Het vacuüm opdampen van 500 nanometer (nm) Al op achterzijde voor Back Surface Field (BSF). De BSF-structuur dient om de efficiëntie van de omzetting in de cel te verbeteren. De diffusie van Al in Si op 800 C gedurende 15 min. Het opeenvolgend opdampen van 40 nm tin, 20 nm palladium, 2 µm zilver op de voorzijde. De fotolithografie van het voorcontact. Fotolithografie is een techniek om kleine structuren aan te maken voor bijvoorbeeld een printplaat of geïntegreerde schakeling. De techniek bestaat erin, om eerst een zogenaamd masker aan te maken waarop de structuur al dan niet vergroot staat. Door belichting van de structuur wordt een objectief afgebeeld op een fotogevoelige laag. Daarna volgt een ontwikkelstap, waarbij het belichte of juist het onbelichte deel van de fotogevoelige laag wordt verwijderd. 16

20 Het opspuiten van 70 nm Ta 2 O 5 of TiO 2 voor de anti-reflectie coating. Om de reflectiecoëfficiënt te verlagen, brengen we een anti-reflectie coating aan. Zo zal er geen verlies van rendement zijn van het weerkaatste licht. Monokristallijne cellen kunnen ook voorkomen als uiterst dunne plakjes. We noemen ze dan sliver cellen. Omdat ze zo dun zijn, kunnen ze nog licht doorlaten. Ze worden dan ook op allerlei manieren toegepast in halfdoorzichtige gevels van gebouwen. Ze besparen veel materiaal en werken dubbelzijdig: de plakjes kunnen licht van twee kanten absorberen. Het combineert de kwaliteiten van kristallijn silicium met de kostenbesparing die de dunnelaagtechnologie kenmerkt. [1] Figuur 2.7: Kristallijn silicium zonnecel Figuur 2.8: Vereenvoudigde voorstelling zonnecel Figuur 2.9: Monokristallijne zonnecel 17

21 Werking De onderstaande uitleg geldt zowel voor de monokristallijne zonnecel als de polykristallijne zonnecel. Een elektron kan in meerdere energieniveaus opgedeeld worden. Als een elektron geen extra energie gekregen heeft, dan zal het elektron zich in de valentieband bevinden. Krijgt het elektron voldoende extra energie om de bandafstand (band gap) te overwinnen dan zal het elektron zich in de geleidingsband bevinden. Zo niet blijft het elektron in de valentieband. (Figuur 2.11 situatie 1) Als er geen licht op de zonnecel valt dan zal de geleidingsband leeg zijn en de valentieband vol met elektronen. (Figuur 2.10) Figuur 2.10: Als geen licht op de zonnecel valt Licht is een elektromagnetische straling. De straling is een stroom van massaloze deeltjes, de fotonen. Als er zonlicht op de zonnecel valt, botst een foton met een elektron. Zo geeft het foton zijn energie over aan dat elektron. Het elektron krijgt een extra negatieve lading. Hierdoor wordt een elektron naar een hogere energietoestand (van valentieband naar geleidingsband) gebracht. (Figuur 2.11 situatie 2) Figuur 2.11: Als er wel licht op de zonnecel valt 18

22 Het negatief geladen elektron geraakt los van het vaste rooster en laat een positief geladen lege plaats achter, een gat. (Figuur 2.11 situatie 2 en 3) Dit zogenaamde elektron-gat-paar is elektrisch neutraal en kan pas stroom leveren als het elektron en het gat gescheiden zijn. Als het elektron weg is van zijn valentieband, hebben honderden andere vrije elektronen de ruimte om door de stof te bewegen. Daarbij vullen ze steeds een gat in tot het neutrale elektron-gat. Zo wordt opnieuw een volgend gat verkregen. Het gat kan bij wijze van spreken door het materiaal heen lopen. Van de fotonen die meer energie hebben dan nodig om één elektrongat-paar te vormen, wordt het overschot aan energie in warmte omgezet. Dit betekent dat al ongeveer 50% van het zonlicht niet in elektriciteit wordt omgezet omdat de fotonen te veel of te weinig energie hebben. (Figuur 2.11 situatie 3) De vrije elektronen kunnen in principe maar één kant op. [3] Ze stromen naar de kant met de N-type dopering (= een gedoseerde verontreiniging) van fosfor. Fosfor is een stof die op zijn buitenste schil 5 vrije elektronen heeft. Het heeft dus een extra negatieve lading en verklaart direct de naam N-type. Figuur 2.12: Schillenverdeling fosfor Figuur 2.13: Silicium gedopeerd met fosfor: N-materiaal De rest van het silicium is P-type en bevat borium omdat borium een elektron minder heeft dan silicium. Borium heeft dus 1 negatieve lading minder en zal dus positiever geladen zijn dan silicium. Vandaar de naam P-type. 19

23 Figuur 2.14: Schillenverdeling borium Figuur 2.15: Silicium gedopeerd met borium: P-materiaal Door het silicium te doperen met voorgaande stoffen en deze aan elkaar te koppelen wordt een PN-junctie verkregen. (Figuur 2.16) Figuur 2.16: De PN-junctie De elektronen kunnen het scheidingsvlak oversteken. (Figuur 2.16 bij cijfer 1) De gaten kunnen het scheidingsvlak ook oversteken, maar zij gaan de andere kant op dan de elektronen. Aan de PN-overgang ontstaat een elektrisch veld omdat in de nabijheid van de PN-overgang, een overschot aan elektronen in het P-gebied gaan zitten. Tevens kan gezegd worden dat er een overschot aan gaten in het N-gebied zal gevormd worden. De elektron-gat-paren die gevormd zijn in de zonnecel, zullen door dit elektrische veld gescheiden worden. (Figuur 2.17 bij cijfer 2) 20

24 Figuur 2.17: De PN-junctie als er licht op de zonnecel valt De elektronen kunnen de zonnecel verlaten door de metaalcontacten aan de voorzijde. De gaten worden aan de achterzijde verzameld. Door de contacten aan de voorzijde, de min-pool, met de aluminium achterzijde, de plus-pool, te verbinden gaat er een elektrische stroom lopen. (Figuur 2.18) [3],[22] Figuur 2.18: Schematische voorstelling werking zonnecel Rendement Het rendement is het percentage van zonne-energie dat in elektriciteit wordt omgezet. Het maximaal haalbare rendement voor kristallijn silicium zonnecellen ligt op ongeveer 30%. Deze waarde is wel alleen haalbaar in laboratoriums onder perfecte omstandigheden. Alleen de fotonen met een energie van minstens 1,1 ev worden geabsorbeerd en vormen een elektron-gat paar. De elektronvolt (ev) is een eenheid van energie. Eén ev is de energieverandering dat een vrij deeltje met een lading gelijk aan die van een elektron ondervindt wanneer het in een elektrisch veld een weg aflegt tussen twee punten die een onderling potentiaalverschil van 1 volt hebben. [25] Fotonen met minder energie dan 1,1 ev worden niet geabsorbeerd. 21

25 Zoals eerder vermeld, zijn er fotonen die meer energie hebben dan nodig om één elektron-gat paar te vormen. Dit overschot aan energie wordt in warmte omgezet. Dit betekent dat al ongeveer 50% van het zonlicht niet in elektriciteit wordt omgezet omdat de fotonen teveel of te weinig energie hebben. Dit geeft al een serieuze daling van het rendement. [3] Polykristallijn silicium zonnecel Fabrikageproces Monokristallijn silicium cellen zijn veel te duur voor toepassingen op grote schaal. Daarom zijn er cellen ontwikkeld uit polykristallijn silicium. Er worden twee fabricageprocessen belicht. Het eerste fabricageproces dat besproken wordt, is de heat exchange method. Hier wordt vloeibaar silicium gegoten in een grafieten kroes. De kroes heeft de vorm van een rechthoekig blok. Het gesmolten silicium wordt voorzichtig gekoeld door middel van helium stromen. Dit gebeurt door helium stromen langs de onderzijde van de kroes te laten circuleren. Zo wordt de warmte-afvoer gecontroleerd om het silicium traag te laten stollen. Het resulterende blok wordt weer gezaagd tot vierkante schijven. De rest van het fabricage proces is hetzelfde als dit van de monokristallijne cellen, alleen is een extra waterstofbehandeling nodig voor het passiveren (zie ) van de korrelgrenzen. Bij de stolling van het materiaal vormen zich kristalstructuren van verschillende grootte, waarbij aan de grensvlakken defecten optreden. Daarom is het rendement van de cellen lager dan die van monokristallijne cellen. Maar aangezien het hier rechthoekige zonnecellen zijn, kan het slechter rendement wat gecompenseerd worden door het zonnepaneel beter te bedekken met de zonnecellen.[5] Figuur 2.19: Polykristallijne silicium blokken Een tweede methode die het grote materiaalverlies, door het verzagen van de blokken, van vorige tegengaat, is de edge-defined film-fed growth techniek. Het grote verschil zit in de matrijs die gebruikt wordt. Bij de vorige methode gebruikte men een grote rechthoekige matrijs, terwijl de tweede methode een smalle mal gebruikt. Het gesmolten silicium wordt door de mal geleid waardoor er linten ontstaan.[2] 22

26 Figuur 2.20: Het lintenproces Figuur 2.21: Polykristallijne panelen Figuur 2.22: Polykristallijne cel (detail) Werking De werking van de polykristallijn silicium zonnecel staat beschreven in het punt Rendement De rendementen van commercieel geproduceerde polykristallijn-silicium-zonnecellen liggen op 13-15%. Bij polykristallijne zonncellen treden er verliezen op door recombinatie. Wanneer elektronen en gaten elkaar tegenkomen voordat ze de zonnecel hebben verlaten, gaat de energie verloren in warmte. Dit is afhankelijk van de kwaliteit van het silicium omdat recombinatie vooral plaatsvindt op plaatsen waar zich fouten bevinden in het silicium kristalrooster. De hoogste rendementen zijn dan ook bereikt met monokristallijn silicium zonnecellen aangezien die veel zuiverder zijn van kristalrooster.[3] 23

27 Het rendement kan verhoogd worden door: Er moet zoveel mogelijk worden voorkomen dat de ontstane elektronen en gaten weer recombineren. Daarvoor worden de recombinatiecentra (de plaatsen waar gaten en elektronen elkaar gemakkelijk kunnen vinden, meestal fouten in het kristalrooster) zoveel mogelijk onschadelijk gemaakt. Dit noemt men passiveren, hierbij worden moleculen zoals waterstof (H) in het silicium-kristalrooster gebracht die de open plaatsen in het kristalrooster bezetten waardoor de fouten gerepareerd worden.[2] Deze methode is een nieuwe techniek. Het is een hele dure methode, vandaar dat ze niet veel gebruikt wordt.[21] 24

28 2.3 Dunnelaag-technologie Naast de traditionele monokristallijne en polykristallijne zonnecellen, bestaan er ook dunnelaag-zonnecellen. De dunnelaag-zonnecellen hebben als voordeel dat ze een stuk eenvoudiger te produceren zijn. Er bestaan meerdere soorten dunnelaag-zonnecellen: Amorf silicium zonnecel Copper Indium Gallium Selenide zonnecel (=CIGS zonnecel) Gallium Arsenide zonnecel (=GaAs zonnecel) Cadmium Telluride zonnecel Dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecel Organische zonnecellen o Grätzel cel o Antenne zonnecel Amorf silicium In de dunnelaagtechnologie wordt vaak amorf silicium gebruikt. De dunnelaag-zonnecellen voldoen in de industrie omdat het amorf silicium het zonlicht honderd keer beter absorbeert dan kristallijn silicium. Een kristallijn siliciumcel moet 0,1 tot 0,3 millimeter dik zijn terwijl 0,3 tot 0,5 micrometer voor amorf silicium voldoende is. Een nadeel van amorf silicium is dat het zichtbare licht goed opneemt maar het infrarode deel van het spectrum niet Fabricageproces Het proces verloopt vergelijkbaar met het drukken van een krant en verloopt als volgt: Figuur 2.23: Een dunnelaag zonnecel 25

29 Grote rollen aluminiumfolie lopen door een pers. Die aluminiumfolie passeert langs een printer. De printer laat een dunne laag halfgeleidende inkt achter. Dit gebeurt onder normale omstandigheden. Op de volgende pers wordt afhankelijk van het celtype een laag Cadmiumsulfide of Zink-oxide aangebracht. Er wordt een transparante beschermingslaag aangebracht. De vellen worden gesneden tot individuele zonnecellen. Hierbij gaat weinig materiaal verloren.[6] Figuur 2.24: Schematische voorstelling van het fabricageproces Werking Amorf silicium wordt bij een relatief lage temperatuur van circa 200 C geproduceerd tegenover 1000 C voor kristallijn silicium. De siliciumatomen krijgen bij die lage vormingstemperatuur niet de kans om zich in een kristallijne vorm (= de energetisch meest gunstige toestand) te rangschikken. Dit heeft als gevolg dat amorf silicium zeer kleine afwijkingen in het kristalrooster heeft. Behalve Si-atomen met coördinatiegetal 4, zijn er ook met coördinatiegetal 3 of 2. Het coördinatiegetal geeft weer hoeveel bindingen dit atoom heeft met zijn omliggende atomen. Dit leidt tot onvoldoende covalente bindingen. De niet-gesatureerde bindingen of atomen die niet volledig verbonden zijn (= bengelende bindingen) gedragen zich als defecten. Ze vangen immers de vrije elektronen op om de ongepaarde elektronen te laten paren. Deze hoge defectdichtheid wordt verholpen door het inbouwen van een hoge concentratie aan waterstof. De waterstof passiveert de defecten door het aangaan van covalente bindingen Si-H. Vandaar de notatie asi-h. Dit heeft als gevolg dat het rendement van commerciële amorf-siliciumzonnepanelen, tussen 4 en 8%, lager is dan bij kristallijn silicium. 26

30 Figuur 2.25: Amorf silicium zonnecel In Figuur 2.25 is de opbouw van een amorf silicium zonnecel te zien. De zonnecel is opgebouwd uit meerdere lagen. In de middelste laag (intrinsiek a-si), die silicium- en waterstofatomen bevat, wordt het zonlicht geabsorbeerd en worden de elektronen en gaten gegenereerd. Aan beide zijden bevinden zich de N- en P-laag, die net als bij kristallijn silicium gevormd worden door dopering met fosfor en borium. Deze gedopeerde lagen zorgen voor een sterk intern elektrisch veld over de intrinsieke laag a-si. Dit is de drijvende kracht voor de snelle afvoer van de gaten of elektronen die door een licht-foton vrijgekomen zijn. Het zonlicht moet zoveel mogelijk de middelste laag bereiken. Om lichtabsorptie in de bovenste P-laag zoveel mogelijk tegen te gaan, worden daar koolstofatomen ingebouwd. Koolstof verhoogt de bandafstand (=band gap) van het silicium waardoor de laag transparant wordt voor het grootste deel van het zonlichtspectrum. De gebruikelijke commerciële cellen worden op glas aangebracht. Het voorcontact is een transparant geleidende tinoxide dat de gaten (positieve ladingen) afvoert. Het zilver of zilveraluminium achtercontact bevordert de spiegelende werking van het metaal waardoor het nietgeabsorbeerde licht goed reflecteert, terug in de cel. 27

31 Rendement Eén van de kenmerken van amorf silicium is dat het materiaal slechter wordt onder invloed van licht. We noemen dit fenomeen: de creatie van licht-geïnduceerde defecten of het Staebler-Wronski effect. De oorzaak is niet volledig begrepen. Allicht breken de fotonen de zwakkere covalente Si-Si bindingen. Er worden dus telkens 2 extra bengelende bindingen gecreëerd die de defectdichtheid verhogen. Hierdoor daalt het rendement van ongeveer 6% direct na productie tot zo n 4% na een aantal weken belichting. Op dit niveau stabiliseert het materiaal van de zonnecel zich en het rendement blijft daarna jarenlang constant. Er wordt bij amorf silicium dan ook onderscheid gemaakt tussen initieel en gestabiliseerd rendement. Een veel toegepaste variant op de weergegeven amorf-silicium-zonnecel is de stapel- of tandemcel. Twee zonnecellen worden op elkaar gestapeld. Een tandemcel heeft minder last van degradatie en het rendement is hoger dan van een enkele amorf silicium zonnecel. Door lagen met verschillende bandafstanden (=band gaps) op elkaar te stapelen kan een groter deel van het zonnespectrum geabsorbeerd en in elektriciteit omgezet worden. De bovenste cel van amorf silicium absorbeert het zichtbare licht en laat het infrarood over aan de onderste cel van een nanokristallijn silicium.[2] Figuur 2.26: De tandemcel met amorfe cellen 28

32 In Figuur 2.27 zijn de absorptiebanden te zien voor een tandemcel waarvan de bovenste cel amorf silicium bevat terwijl de onderste een silicium-germanium laag heeft. De a-si:h cel heeft een bandafstand van 1,8 ev en absorbeert het licht met een golflengte onder de 680 nanometer. Deze laag is transparant voor licht met een langere golflengte. Licht met een golflengte van meer dan 680 nanometer passeert de a-si:h topcel ongehinderd. Zo kan deze geabsorbeerd worden in de a-sige:h laag die licht tot 1,45 ev absorbeert. Door combinatie van materialen met twee verschillende energiebanden (1,8 ev en 1,45 ev) worden er dus meer fotonen opgevangen. Zo zal het rendement ook vergroot worden.[4] Figuur 2.27: Absorptie-banden van amorf silicium en silicium-germanium Er zijn ook al drievoudige zonnecellen gemaakt die triple junction cellen genoemd worden. In het laboratorium zijn hiermee rendementen gehaald van ruim 15%. De commerciële triple junction cellen hebben een gestabiliseerd rendement van 8%. Deze zonnecellen worden niet meer op glas gemaakt maar ze worden aangebracht op een metaalband. Een van de grote voordelen hierbij is dat de amorf-silicium-cellen in een continu productieproces gemaakt kunnen worden. De zonnecellen worden afgedekt met een transparante kunststof en zijn flexibel en licht van gewicht. De verwachting is dat door verdere ontwikkelingen op het gebied van productie en rendementen, de amorf-silicium-zonnecellen zeer goedkope zonnestroom zullen genereren. Figuur 2.28: De amorfe cel Figuur 2.29: Een amorf zonnepaneel 29

33 2.3.2 CIGS zonnecel CIGS is een verzamelnaam voor copper (koper), indium, gallium en selenide. Er bestaan twee types CIGS-zonnecellen: CIGS op glas en CIGS op folie. In geval van een glazen substraat wordt er een extra laagje molybdeen (=Mo) toegevoegd dat als elektrode dient. Wordt er een metaalfolie als substraat gebruikt, dan wordt deze metaalfolie direct als elektrode benut. Voor de andere elektrode wordt een laagje zinkoxide (=ZnO) gebruikt. Tevens wordt een laagje Cadmiumsulfide (=CdS) toegevoegd om een NPgrenslaag te realiseren. Het uiteindelijke resultaat (voor een cel op folie) is een sandwich van metaalfolie, al dan niet molybdeen, cadmiumsulfide, zinkoxide transparante folie en een anti-reflectie laag. Het gebruik van gallium verhoogt de band gap van de CIGS-laag en daarmee ook de elektrische spanning. Gallium vervangt indium vaak omdat het minder zeldzaam is. [6] De werking van de CIGS is analoog aan die van de amorf silicium. Figuur 2.30: De lagen van een CIGS zonnecel CIGS zonnecellen zijn qua vorm en qua opstelling verschillend van de andere soorten zonnecellen. De fotovoltaïsche film wordt helemaal in het rond, in een buis gemonteerd (zie Figuur 2.31) en kan daardoor over het gehele oppervlak (360 graden rond) fotonen opvangen en omzetten in elektriciteit. De CIGS is hiertoe in staat doordat niet alleen direct zonlicht kan worden opgevangen, maar ook diffuus en gereflecteerd zonlicht voldoende is om stroom op te wekken. Deze eigenschap heeft een enorm voordeel: de buizen hoeven niet onder een bepaalde hoek te worden neergezet om voldoende zonlicht te kunnen opvangen. De CIGS kunnen daarom vlak naast elkaar in rijen worden neergezet. Er passen dus meer CIGS op een vierkante meter en de CIGS produceren door hun ronde vorm bovendien meer energie dan conventionele zonnepanelen. De elektriciteitsopbrengst per vierkante meter is dus hoger. [26] 30

34 Figuur 2.31: CIGS zonnecel rond een buis Figuur 2.32: De flexibele CIGS zonnecel GaAs zonnecel GaAs is de afkorting van Galliumarsenide. Het is de verbinding tussen gallium en arseen. Arseen komt voor in vele metaalertsen, gallium daarentegen komt maar heel zelden voor. Dit leidt tot hoge aankoopkosten van deze zonnecel. De GaAs zonnecel heeft als voordeel dat ze een hoger rendement (max. 26,1 % in laboratoriums) heeft dan de normale silicium zonnecellen. Door zijn hoog rendement wordt deze soort zonnecel vrijwel uitsluitend gebruikt in de ruimtevaart. Maar omdat dit niet vaak wordt toegepast voor commercieel gebruik, wordt deze soort zonnecel niet dieper besproken.[2] Cadmium Telluride zonnecel Cadmium telluride is een materiaal dat vaak gebruikt wordt voor het construeren van dunnelaag-zonnecellen. Deze stof heeft goede eigenschappen. Een daarvan is de directe band gap van 1,45 ev. Dit is goed want een goeie zonnecel heeft een bereik tussen 1,2 ev en 1,5 ev en zorgt zo voor een maximale fotovoltaïsche energie-omzetting. Omdat de optische absorptiecoëfficiënt hoog is, volstaan enkele micrometers CdTe. Zo worden de materiaalkosten beperkt. De zonnecel heeft een rendement van 15%. Een groot nadeel van de stof Cd die in CdTe zit, is dat ze giftig is. Als de stof regelmatig ingeademd wordt, kan dit leiden tot defecten van de nieren, longaandoeningen en als laatste stadium de dood. Maar de stof CdTe is gelukkig een stabiele binding en is minder giftig dan de stof Cd alleen. Een ander nadeel is dat de levensduur van dit soort zonnecellen niet groot is. 31

35 Een CdTe zonnecel bestaat uit meerdere lagen. De eerste laag is een beschermlaag, het glas. Daarachter komt de TCO laag (=Transparent conducting oxide) voor het eerste contact. Een TCO laag is een dunne laag die een heel hoge elektrische geleidbaarheid heeft. Bij de eerste twee lagen kan het zonlicht zonder problemen doorstralen zonder dat er energieverlies optreedt. Vervolgens komt de CdS laag met aansluitend daarop de absorberende CdTe laag. Het achterste contact maakt de zonnecel compleet. [7],[24] Figuur 2.33: De CdTe zonnecel Dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecel Een dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecel is in feite een dunne versie van de klassieke kristallijn silicium zonnecel. De werking en opbouw zijn dan ook identiek aan die van de klassieke kristallijn silicium zonnecel. Het grote verschil is dat er geen zelfdragende wafer (schijf) van meer dan 0,3 millimeter gebruikt wordt maar dat een kristallijne laag van 20 tot 50 micrometer aangebracht wordt op een ander substraat. Dit kan bijvoorbeeld glas of keramiek zijn. De gemiddelde kristalgrootte is kleiner dan bij een polykristallijne silicium zonnecel. Om ervoor te zorgen dat in de dunne laag silicium toch voldoende licht geabsorbeerd wordt, moet het oppervlak van de zonnecel ruw gemaakt worden. De inschatting is dat de rendementen van deze dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecellen op hetzelfde niveau zullen komen als die van polykristallijn silicium zonnecellen. 32

36 Een variant op de dunnelaag-kristallijn-silicium zonnecellen, met een vergelijkbare laagdikte als amorf silicium, is microkristallijn silicium. De kristallen hierbij zijn kleiner dan 100 nanometer. Het materiaal verkeert nog in de laboratorium-fase want de zonnecel heeft een kleinere bandafstand dan silicium-germanium en lijkt haar eerste toepassing te vinden als bodemcel in een amorf silicium tandemcel. Figuur 2.34: Polykristallijn filmsilicium zonnecel Figuur 2.35: Monokristallijn dunnelaag Bij de CIS zonnecel vormt koper-indium-selenium (CuInSe2) van slechts 1 tot 3 micrometer dikte, de actieve laag. Een voordeel van deze zonnecel is dat de bandafstand van de zonnecel ingesteld kan worden door gallium en zwavel toe te voegen. Dit wordt meestal weergegeven door Cu(In,Ga)(Se,S)2. De eerste commerciële CIS zonnepanelen die recent op de markt zijn gekomen, hebben een rendement van 10%. Als nadeel van deze zonnecellen kan genoemd worden dat gebruik gemaakt wordt van indium waarvan de wereldvoorraad beperkt is. [3],[6] 33

37 2.3.6 Organische zonnecellen Sinds enige jaren wordt er intensief gezocht naar vervanging van de dure zonnecellen, al is dit pas met de recente groei van de markt in zonnepanelen in een hogere versnelling terecht gekomen. De meest veelbelovende technologie is die van de organic photovoltaics, ofwel organische zonnecellen. De grote vrijheidsgraad in keuze van organische moleculen en combinaties met anorganische halfgeleiders maakt deze zonnecel aantrekkelijk. [8] Figuur 2.36: Organische zonnecel Grätzel zonnecel De werking van deze zonnecellen is gebaseerd op de fotosynthese in groene plantendelen. Fotonen worden geabsorbeerd door kleurstoffen. In organische zonnecellen bereiken kleurstofmoleculen die het zonlicht absorberen een hoger energieniveau. Het licht dat geabsorbeerd wordt door een organische cel produceert zogenaamde excitonen, elektronen en gaten die niet (zoals bij een standaard zonnecel) onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen. Deze aangeslagen moleculen kunnen een elektron overdragen aan een halfgeleider. Het licht valt op de kleurstof-moleculen in de zonnecel. Hierdoor worden de elektronen in een hoger energieniveau gebracht waardoor ze in de geleidingsband komen. Er wordt een kleurstof gebruikt omdat zonlicht niet genoeg energie heeft om de elektronen van het titaandioxide naar een hogere band te brengen. De elektronen zitten nu aan de minpool vast. Er ontstaat een potentiaal-verschil met de pluspool waar de gaten zich bevinden. Als de plus-pool en de min-pool met elkaar verbonden worden, door bijvoorbeeld een apparaat of weerstand, gaan er elektronen lopen van de min- naar de plus-pool. Op de pluspool komt er na verloop van tijd ook een overschot aan elektronen. Deze elektronen worden aangetrokken door de positieve ionen in het elektrolyt. (Een elektrolyt is het medium die in ionen splitst en de elektrische stroom geleidt en zo de verbinding vormt tussen de twee polen van een elektrochemische energiedrager of cel vb. een batterij) 34

38 Om deze reactie aan één kant te bevorderen, zit er een laagje grafiet tussen (zie figuur 2.38 punt 1) dat als katalysator optreedt in de elektronenoverdracht tussen de pluspool en de ionen. De ionen geven de elektronen op hun beurt weer af aan de kleurstofmoleculen en zo wordt de stroomkring gesloten. Figuur 2.37: De Grätzel zonnecel Er zijn wel een aantal problemen: De Grätzel cel lijkt het laboratoriumstadium ontgroeid maar er zijn nog geen commerciële toepassingen gekend. Het hoogste rendement is 12%. Op proefproductieschaal worden reproduceerbare cellen met een rendement van 6-7% gemaakt. Een deel van dit lage rendement is het gevolg van de excitonen. De excitonen kunnen zich maximaal 3 tot 10 nanometer verplaatsen voor ze zichzelf opheffen. Het gevolg is eigenlijk: hoe dunner, hoe groter de kans dat het exciton de grens haalt en gesplitst kan worden in een gat en elektron. Hoe dunner, hoe beter dus. Daarnaast zijn organische materialen kwetsbaar voor UV-stralingen en overige hoogenergetische stralingen. Zonder UV-filter breekt de organische laag snel af. Tot slot is organisch materiaal ook nog eens kwetsbaar voor oxidatie, een goede beschermende coating moet nog uitgevonden worden.[3],[6] Figuur 2.38: De Grätzel zonnecel 35

39 Antenne zonnecel De Grätzel zonnecel bevat een vloeistof, het elektrolyt. Dit kan als een nadeel worden beschouwd. Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar organische zonnecellen die geen vloeibare componenten bevatten. In Nederland wordt gewerkt aan de Antenne zonnecel. In plaats van een kleurstof, zoals bij Grätzel, wordt de lichtabsorptie verhoogd door een kleurstofantenne aan te brengen. Die kleurstofantenne kan de optische energie volledig absorberen. Deze laag is aangebracht op een vlakke titaandioxidefilm. Voor deze optische antennelaag worden chromoforen gebruikt. Dit zijn platte moleculen die in bladeren verantwoordelijk zijn voor de absorptie van licht. Die chromoforen hebben van zichzelf de neiging om zich als borden op elkaar te stapelen. Dit effect is echter te vergroten met speciale zijgroepen waardoor ze vloeibaar kristallijne eigenschappen krijgen. Daarbij rijgen de kleurstof-bouwstenen zich spontaan aan elkaar in de vloeistoffase. De ordening is van groot belang in deze zonnecel om de excitatie-energie (=de minimale hoeveelheid energie die nodig is om zich te verplaatsen naar een hogere schil) snel door te geven. Die organische structuur moet dik genoeg zijn om de optische energie te absorberen. Tegelijkertijd moet de laag de opgenomen energie transporteren. Een stapeling van honderden chromoforen moet het exciton doorgeven tot aan een P-laag of N-laag. Daar zal het elektron en gat door een elektrisch veld gescheiden worden. Het elektron wordt in het titaandioxide geïnjecteerd terwijl het gat naar de andere elektrode wordt getransporteerd. Figuur 2.39: De antenne zonnecel Het fotovoltaïsch effect in een Antennestructuur is al aangetoond, maar het onderzoek bevindt zich nog in een fundamenteel stadium en zal nog veel verbeterd moeten worden vooraleer het industrieel kan vervaardigd worden. [3],[10] 36

40 2.4 Besluit Tabel 2-1: Vergelijking rendementen Celrendement (praktisch) Modulerendement (praktisch) Celrendement (labo) Modulerendement (labo) Monokristallijne zonnecel 14-20% 12-17% 24,7%±0,5 22,7%±0,6 Polykristallijne zonnecel 10-15% 11-14% 20,3%±0,5 15,3%±0,4 Amorfe zonnecel Initieel 6% en Initieel 7% en 9,5%±0,3 1 10,4%±0,5 2 gestabiliseerd 3% gestabiliseerd 5% CIGS zonnecel 14% 10% 19,9%±0,6 13,4%±0,7 GaAs zonnecel 18% 15% 26,1% 20,4% CadmiumTelluride zonnecel 13% 7% 16,5%±0,5 10,7%±0,5 dunnelaag-kristallijn-silicium 8% 5% 10,4%±0,3 8,2%±0,2 zonnecel CIS zonnecel 12% 10% 14% 11% Grätzel zonnecel / / 12% 6-7% Antenne zonnecel / / 9% 5-7% [11], [12], [13], [14],[27],[28],[29] In bovenstaande tabel staat de vergelijking tussen de praktische celrendementen, modulerendementen en de celrendementen, modulerendementen in labo-condities. Zoals duidelijk te zien is, zullen de laborendementen hoger zijn dan de werkelijke rendementen. Dit is logisch omdat in het labo de testen in standaard test condities worden uitgevoerd. Die standaard test condities staan voor: Instraling: E = 1000 W/m², PV-celtemperatuur: T c = 25 C, Lichtspectrum-specificatie: AM = 1,5. Dit is niet altijd zo in de werkelijkheid. De temperatuur kan in de zomer al snel heel wat hoger komen. Uit de tabel valt af te lezen dat de monokristallijne zonnecel het beste rendement behaald. 1 : Deze amorfe cel is gestabiliseerd na 800 uren, bij een luchtmassa 1,5 en bij een celtemperatuur van 50 C. 2 : Deze amorfe cel is een triple-junction-tandem-cel met volgende lagen: a-si/a-sige/a-sige en onder volgende omstandigheden gestabiliseerd: na 1000 uren, bij een luchtmassa 1,5 en bij een celtemperatuur van 50 C. 37

41 Hoofdstuk 3 : Parameters die het rendement beïnvloeden 3.1 Inleiding De uiteindelijke opbrengst van een zonne-installatie is van veel factoren afhankelijk. Eerder werd reeds een overzicht gegeven van de materialen waaruit zonnecellen zijn samengesteld. Naast deze zijn er nog een groot aantal parameters die de totale opbrengst mee zullen bepalen. Algemeen kan worden gesteld dat volgende parameters een grote rol zullen spelen bij het uiteindelijke rendement van de installatie. Een belangrijk onderdeel voor de rendementsbepaling zijn de onderdelen van de installatie: de zonnecellen, de invertor (zie 3.3.1) en de draagstructuur. Vervolgens zijn volgende parameters ook belangrijk voor de invloed op de rendementsbepaling: de beschikbaarheid van de zonneenergie en de oriëntatie van de modules, weerstandsverliezen, schaduw en vervuiling, degradatie glasplaat, temperatuur. 3.2 Atmosferische beïnvloedingsparameters Temperatuur Veel mensen denken dat een zonnepaneel bij hoge temperaturen beter presteert. Het omgekeerde is echter waar. Omdat de geleidbaarheid van halfgeleiders bij toenemende temperatuur toeneemt (de elektronen worden mobieler), wordt het makkelijker voor de elektronen om gaten elders in het materiaal weer op te vullen. Omdat dit de elektrische balans in de cel verbetert, valt het elektrische veld bij de PN-junctie weg, waardoor de lading niet goed gescheiden kan blijven. Het resultaat is een dalende spanning tussen de twee lagen. Het vermogenverlies kan met volgende formule berekend worden: P P,. 1 β. T 25 (3.1) Met P a = totaal modulevermogen (W) P a,25 = totaal modulevermogen bij 25 (W) β= temperatuurscoëfficiënt (negatief) T m = moduletemperatuur ( C) 38

42 Met temperatuursverlies:, (3.2) Met E a = energie geleverd door module (Wh) E a,25 = energie geleverd door module bij 25 (Wh) Het resultaat van een dalende spanning tussen de twee lagen wordt in onderstaande figuur geïllustreerd. [19],[15] Figuur 3.1: Het effect van temperatuur op de I-V curve van een zonnecel Uit deze grafiek valt te zien dat de opbrengst van een zonnecel daalt met toenemende temperatuur. De stroomsterkte stijgt door de toenemende mobiliteit van de elektronen, maar de toename is dusdanig gering, dat deze nauwelijks merkbaar is. De opbrengst van zonnepanelen (in wattpiek) is bepaald bij een temperatuur van 25 C. Op een warme zomerdag kan een zonnepaneel echter gerust 65 graden heet worden. Dit is een temperatuur waarbij zo n 20% opbrengst ingeleverd wordt (ruwweg 0,5% / C boven de 25 C). Het is dus van belang zonnepanelen zo koel mogelijk te houden. Hoewel dit uiteraard niet altijd even goed mogelijk is, is het van belang in ieder geval de passieve koeling goed op orde te hebben. Installeer de zonnepanelen niet te dicht bij elkaar en zorg ervoor dat de wind, naast, tussen en ook onder de panelen door kan waaien. Een zonnepaneel presteert eigenlijk op zijn best tijdens een zonnige dag met een koele wind die de panelen koel houdt. Met name in warmere landen is het van belang te kiezen voor een zonnepaneel met een lage temperatuurscoëfficiënt. Deze waarde geeft de gevoeligheid van het zonnepaneel voor temperatuursvariaties weer: hoe lager de temperatuurscoëfficiënt in absolute waarde, hoe beter. In België maakt het nauwelijks uit, maar een zonnepaneel op basis van monokristallijn silicium presteert met -0,4%/ C net iets beter dan een zonnepaneel op basis van polykristallijn silicium -0,5%/ C. 39

43 Naar de toekomst toe zal er meer overgeschakeld worden op zonnecellen op basis van amorf silicium. Dit komt omdat deze minder gevoelig zijn aan de temperatuurvariaties, namelijk -0,15 tot -0,25 %/ C. [19],[15] 40

44 3.2.2 De beschikbaarheid van de zonne-energie en de oriëntatie van de modules De zonne-energie hier op aarde bestaat uit twee bijdragen: Directe zonnestraling Diffuse zonnestraling De hoeveelheid straling is sterk afhankelijk van waar deze bekeken wordt. Onderstaande afbeelding geeft een zogenaamd spectrum weer. Dit is een grafiek waarin de intensiteit van het licht is uitgezet tegen de golflengte (=stralingsflux per oppervlakte-eenheid en per golflengte). Op deze grafiek is te zien uit welke lichtsoorten het zonlicht is opgebouwd. Uit deze grafiek kan de stralingsflux op een gegeven oppervlakte als volgt worden bepaald: Deze stralingsflux wordt uitgedrukt in W/m² [15] Figuur 3.2: Het spectrum van zonlicht. De zon gedraagt zich in grote lijnen als een zwarte straler. Dit is te zien op de grafiek aan de zwarte lijn die het blackbody-spectrum voorstelt. Dit wil zeggen dat de verdeling van het uitgezonden licht bijna puur afhankelijk is van de temperatuur van de zon. Het is via deze aanname dat we met behulp van het spectrum de temperatuur van het zonsoppervlak kunnen schatten op ongeveer 5500 C. 41

45 Punten waarop de zon afwijkt, zijn de zogenaamde absorptielijnen. De plaatsen waar het zonlicht gaten in het spectrum vertoont is vanwege de absorptie door bepaalde bestanddelen. Wat daarnaast opvalt, is het feit dat het zonlicht dat de aardbodem bereikt (het rode gedeelte van de grafiek) er weer heel anders uitziet. Dit heeft te maken met de atmosfeer van de aarde. In onze atmosfeer zitten allerlei gassen, die ieder een specifiek deel van het zonlicht absorberen. Daarom ligt het spectrum aan het aardoppervlak lager. Een voorbeeld van zo n gas is ozon. Ozon en waterdamp absorberen het ultraviolette licht. Waterdamp is verantwoordelijk voor de filtering van zo n 70% van het infrarood. Water in grote hoeveelheden is daarom blauw. Het rode licht wordt meer geabsorbeerd. Zonder deze beschermende werking van onze atmosfeer, zou iedereen makkelijk ten prooi vallen aan de kankerverwekkende ultraviolette straling. [17] Afhankelijk van de positie van de zon zal de weg die de straling aflegt steeds anders zijn. Als de zon hoog aan de hemel staat, is deze weg kleiner dan als de zon laag aan de hemel staat. Omdat de atmosfeer niet overal dezelfde samenstelling heeft, zal het zonnespectrum van plaats en tijd afhangen. De samenstelling van atmosfeer, afstand tot de waarnemer (zonnepaneel) en richting van het zonnepaneel zal bepalend zijn voor het rendement. Op deze manier worden verschillende zonnespectra gedefinieerd. De luchtmassa of air mass is de verhouding van de padlengte van de zonnestraling door de atmosfeer t.o.v. zijn minimale waarde aan de evenaar. Anders gezegd is de luchtmassa een maat voor de absorptie van (zon)licht door de omgevingslucht, en is onder andere afhankelijk van de relatieve luchtvochtigheid.[34] In de ruimte is er een afstand afgelegd door het licht en wordt gedefinieerd als AM0. Als de zon in zenit (=hoogste punt aan de hemel aan de evenaar) staat is de luchtmassa AM1. Let wel: de AM-waarde beschrijft het spectrum maar niet noodzakelijk de intensiteit.[15] Figuur 3.3: Definiëring 'air mass' 42

46 Voor berekeningen rond zonne-energie-installaties wordt AM1,5 gebruikt in West-Europa. Dit komt overeen met hoek 48,2 tussen zon en evenaar waar de zon praktisch loodrecht staat. Figuur 3.4: Het zonnespectrum met meerdere air mass spectra Aan de hand van de luchtmassa kan de instraling op een paneel berekend worden. De maximale directe instraling in een punt op het aardoppervlak wordt gegeven door:. (3.33.3) Met Q= de maximale directe intensiteit in een punt op het aardoppervlak (W/m²) Q 0 = intensiteit boven de atmosfeer dus met de zonneconstante Z= 1353 W/m² (gemiddelde waarde) α= absorptiecoëfficiënt atmosfeer d= dikte atmosfeer tot oppervlak (m) Z= zenitafstand ( ) i= hellingshoek t.o.v. de normaal ( ) De waarde van α en d is afhankelijk van vooral de samenstelling van de lucht zoals wolken, vochtigheid, vervuiling,. De zenitafstand kan omgerekend worden naar de luchtmassa.[15].. (3.43.4) 43

47 Doordat een vast paneel voordurend andere energiedichtheden opvangt en daar de zon dagelijks van positie verandert is het heel moeilijk om de inval te berekenen. Praktisch wordt dan niet met de formule (3.1) gewerkt. Er wordt gebruik gemaakt van kaarten met de gemiddelde inval van het zonlicht. [32] Figuur 3.5: Kaart waar de zon het meest schijnt per jaar 44

48 3.3 Technologische beïnvloedingsparameters Invertoren Invertoren zorgen ervoor dat de opgewekte gelijkspanning van panelen wordt omgezet in wisselspanning en zorgt voor de connectie met het elektriciteitsnet. De invertor is vereist vanwege het spanningsverschil met het stroomnet. Het stroomnet werkt op 230V wisselspanning, de zonnepanelen daarentegen wekken 12 à 32V gelijkspanning op. [30] Rendement Invertoren worden gekenmerkt door het omzettingsrendement. Een fotovoltaïsche invertor heeft een rendement van 91 à 98%. Hoe lager de DC-ingangsspanning, hoe hoger het rendement. Dit geld bij de meeste invertoren maar niet bij allemaal. Figuur 3.6: Grafiek Dc-ingangsspanning in functie van het rendement Wanneer de invertor op een te warme plaats staat (>35 C) kan het zijn dat hij zijn eigen geproduceerde warmte niet meer weg krijgt. Deze warmte moet weg geventileerd worden. Als de huidige omvormers te warm worden, schakelen zij hun geproduceerd vermogen naar beneden (=derating) om zichzelf te beschermen tegen oververhitting. 45

49 Levensduur De levensduur kan verkleinen 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, bijvoorbeeld in de kelder. Veelal, om korte gelijkstroomdraden te hebben wordt de omvormer echter op zolder geïnstalleerd. Dit is enkel rendabel als de zolder goed geïsoleerd is. Er kan ook gekoeld worden met volgende systemen: Toerental geregelde ventilator Natuurlijke koeling Ventilator koeling Met deze koeling zal de maximale temperatuur niet overschreden worden en zal de levensduur niet verkort worden.[30] MPPT PV-invertoren zijn uitgerust met een regelalgoritme dat er voor zorgt dat de PV-panelen altijd het maximale vermogen leveren. Het maximale vermogen is het maximum product van de uitgangsspanning en de geleverde stroom. De Maximum Power tracker (MPPT) is een vermogenoptimalisator die de werkspanning zodanig instelt dat het optimale werkpunt van het PV-string gerealiseerd wordt afhankelijk van de zoninstraling. Op die manier produceert de PV-string of -array bij elke instraling het hoogst mogelijke vermogen. Omdat de ingangsspanning beperkt is tot maximaal 450 à 600VDC werkt men meestal met twee strings. De zonnecellen zelf worden in serie geplaatst maar de strings worden zelf onderling parallel gekoppeld zodat de stroom apart loopt. Bij eventuele schaduw op een string zal enkel deze string hiervan last ondervinden. Figuur 3.7: Zonnecellen in serie, strings in parallel 46

50 Door afwijkingen in elke string (= alle modules die op dezelfde invertor zijn gekoppeld) is het mogelijk dat het totaal opgewekt vermogen lager is dan de som van de opgewekte vermogens van elke module afzonderlijk. Het verschil is meestal beperkt en wordt het mismatchverlies genoemd.[15],[30] Galvanische scheiding Voor de veiligheid wordt de fotovoltaïsche DC-kring elektrisch gescheiden van het lichtnet. Dit wordt gerealiseerd door een transformator. Dankzij het principe van "galvanische isolatie", voldoen de omvormers aan de strengste internationale veiligheidsnormen. De transformator heeft op zich ook nadelen. Zo zorgt de transformator voor extra energieverlies en warmteproductie. Ook het zoemen van de transformator van de omvormer kan een storend geluid vormen. [30] Er zijn meerdere types invertoren: Zonder transformator: Hier is er geen galvanische scheiding. Het hoogste rendement is tot 98%. De netspanning staat op de PV leidingen. Daarom moet het kader altijd geaard zijn. Hier is er ook dubbele isolatie verplicht. Er moet een DCscheidingsschakelaar aanwezig zijn en een lekstroom differentiaalschakelaar van 30 ma. Dit zijn zware normen waar deze invertoren zich aan moeten houden. Maar er zijn ook duidelijke voordelen. De invertoren zijn lichter en meer efficiënt dan toestellen met transformator. Een ander nadeel is wel dat deze soort invertoren 50 Hz magnetische velden uitstralen. Deze magnetische velden (V/m) worden door biologen als schadelijk bestempeld. Met transformator: hier zijn er minder aandachtspunten. Het heeft wel als nadeel dat het geheel een lager rendement heeft door de transformatorverliezen. Er zijn verschillende types transformatoren: o met een laagfrequent transformator: dit houdt in dat er een ingebouwde 50 Hz transformator in de invertor zit. Dit zorgt dat de klassieke omvormers zwaar zijn. (28 à 32 kg) o met een hoogfrequent transformator: deze transformatoren worden vaker gebruikt omdat zij compacter, lichter zijn en minder plaats innemen dan de laag-frequent transformators. o met meerdere (meestal 3) hoogfrequent transformatoren: hier komt het rendement tot 96%. [30] 47

51 Meerdere invertoren gekoppeld Als vermogens groter dan 5 kva op één fase worden geïnjecteerd, dient over het algemeen een driefasig systeem, bestaande uit drie identieke omvormers of een driefasige omvormer te worden geïnstalleerd. Dit is vereist om een asymmetrische belasting tussen de fasen L1 -L3 te voorkomen. Op één fase mag je maximaal 16A aansluiten.[30] Netimpedantie Als er reeds verschillende PV-installaties aanwezig zijn die op dezelfde hoogspanningscabine staan dan kan er een probleem optreden. Om een vermogen over het net te transporteren, bij een gewenste spanning aan de verbruiker (230V), is een hogere spanning aan de bron nodig (bvb 240V) als de impedantie van de leiding hoger is. Bij een PV-installatie is de omvormer, die de stroom van de zonnepanelen omzet naar wisselstroom 'de bron', en de transformator van de stroomdistributeur de verbruiker'. De omvormer slaagt er in bepaalde gevallen niet meer in om de geproduceerde stroom terug op het net te sturen wegens een spanningsval over de kabels. Dit spanningsval ontstaat door stroom te sturen in de kabel. Die kabel heeft een impedantie. Volgens de wet van Ohm is impedantie maal stroom gelijk aan de spanning. Hier is die spanning een spanningsval over de kabel. Dus kan het zijn dat dit spanningsval zodanig groot is dat de limiet van 253 V bereikt wordt. Bij het overschrijden van deze waarde gaat de omvormer in veiligheid. Dan stopt de stroomlevering aan het net. 253V is de opgelegde limiet voor België. Als deze niet zou worden gerespecteerd, zouden alle elektrische 230V toestellen defect gaan. [30] Figuur 3.8: Invertoren in hun omkasting 48

52 3.3.2 Weerstandsverliezen Een toename van de weerstand van de stroomkring leidt tot een daling van de totale opbrengst van een zonnecel. Daarom is het belangrijk de waarde van de weerstand zo laag mogelijk te houden. Dit kan gedaan worden door het goed dimensioneren van de kabels. De kabel tussen paneel en invertor heeft een typisch rendementsverlies van 1%.[30] Ook het type materiaal waaruit de cellen opgebouwd zijn en de zuiverheid van het fabricageproces zullen hier een belangrijke rol in spelen. Figuur 3.9: Het effect van toenemende weerstand op de I-V curve van een zonnecel is Op de grafiek staat de spanning in functie van de stroom. Als de spanning bij een bepaalde opgewekte stroomsterkte daalt dan zal de totale opbrengst ook dalen. (P=U*I, P=U²/R) [19],[15] 49

53 3.4 Omgevingsbeïnvloedingsparameters Plaatsingssystemen Ook de manier waarop de zonnepanelen geplaatst worden, zal een factor zijn die het rendement beïnvloedt. De eerste manier is de vaste opstelling in een bepaalde richting. Deze panelen worden op draagstructuur geplaatst [30] of direct op het dak afhankelijk van de technologie en het soort dak. Hier in België is de ideale hoek 36. Met deze hoek wordt het hoogste, gemiddelde rendement per jaar in België bereikt. Een nadeel bij het aansluiten van de panelen is dat de richting niet meer kan gewijzigd worden. Figuur 3.10: Vast opgesteld met draagstructuur Figuur 3.11: Vast opgesteld direct op het dak Bij de tweede manier worden de in constructie geïntegreerde systemen teruggevonden. Zij worden ook niet meer verplaatst eenmaal ze geconnecteerd zijn aan de constructie. Figuur 3.12: In de constructie geïntegreerde systemen 50

54 De derde en tevens de laatste manier is het zogenaamde trackersysteem. Dit systeem volgt de zon om een hogere opbrengst te bekomen. Een opmerking hierbij is dat de tracker zelf ook energie vraagt om zich naar de zon te kunnen richten. Dit moet dus ook in rekening gebracht worden bij de rendementsberekeningen. Trackers verhogen het rendement van een installatie aanzienlijk (+/- 25%), maar de installatiekosten zijn ook beduidend hoger. In België wordt nog het meest gewerkt met een vaste opstelling. De reden daarvoor is de kostprijs. Deze is veel lager dan een tracker. Het trackersysteem heeft twee verschillende uitvoeringen: de één-assige tracker en de tweeassige tracker. De één-assige tracker heeft één motor: één die de oost-west beweging van de zon volgt. Een twee-assige tracker heeft twee motoren : één die oost-west beweging van de zon volgt, en een andere die de hellingshoek van de panelen aanpast aan de hoogte van de zon. [15], [16],[35] Figuur 3.13: Het trackersysteem Schaduw en vervuiling Schaduw zorgt voor een grote beperking op vlak van energieopbrengst. Zonnecellen zijn in serie geschakeld op de module. Als 1 cel niet belicht wordt, zal de stroom er ook niet door vloeien. Dan treedt er opbrengstverlies op. Er wordt gesteld dat er in de winter een energieverlies optreedt van 7%, in de zomer 43%, in de lente 32% en in de herfst 18%. Dit zijn toch grote beperkingen van de energieopbrengst.[33] Niet enkel schaduw van bomen, gebouwen maar ook de bodembedekkingsverliezen zullen een impact hebben. Dit ontstaat bij platte daken of zonnepaneelvelden waar modules achter elkaar op een draagconstructie zijn geplaatst. De bodembedekkingsfactor GCR wordt als volgt berekend:. (3.5) Met l= lengte van het zonnepaneel (m) d= afstand tussen 2 zonnepanelen (m) α= de hellingshoek ( ) 51

55 Ook door vervuiling is er een opbrengstverlies. De zonnecellen zullen dan geen of minder zonnestralen kunnen ontvangen. Opbrengstverlies door afwijkende oriëntatie, schaduwverlies, vervuiling, reflectieverlies en spectrale verliezen vormen de instralingsverliezen. [19],[15] Degradatie glasplaat Panelen waar een glaslaag op aangebracht is ter bescherming, zullen invloed ondervinden van de degradatie van glas door daglicht. De lichtopbrengst neemt na 0,5 jaar af met 0,5% en na 1,5 jaar is de maximale degradatie van 1,5 % bereikt. [19],[15] 3.5 Besluit Tabel 3-1: Overzicht rendementsverlies bij verschillende rendementsparameters Parameters rendement Rendementsverlies Zonnecellen Zie 2.4 tabel Invertoren 2 tot 8% afhankelijk van soort invertor + Plaatsingssystemen ++ De beschikbaarheid van de zonne-energie Afhankelijk van de oriëntatie en het ++ en de oriëntatie van de modules plaatsingssysteem, dit kan van 0% tot 70% gaan Weerstandsverliezen 3 tot 5% + Schaduw en vervuiling 43% in de zomer en 7% in de winter ++ Degradatie glasplaat Maximaal 1,5% -- Temperatuur Van -0,5%/ C tot -0,15%/ C afhankelijk van de soort technologie + Legende: ++ redelijk groot rendementsverlies zo goed als verwaarloosbaar rendementsverlies 52

56 Hoofdstuk 4 : Het bepalen van de opbrengst 4.1 Inleiding In hoofdstuk 4 worden twee methodes uitgelegd die de opbrengst van een PV-installatie berekenen. Het is de bedoeling dat dit hoofdstuk verder gebruikt wordt om de verkregen meetgegevens te kunnen analyseren en het rendement ervan te bepalen (hoofdstuk 5 en volgende). 4.2 Methodes Er wordt van het standpunt uitgegaan dat de standaardopbrengst een 850 kwh/kwp per jaar is. De kwp is de eenheid van het vermogen dat het PV-systeem levert bij standaard zoninstraling. In het begin is dat iets meer en op het einde iets minder. Het is belangrijk dat correcte meteorologische gegevens ter beschikking zijn van de locatie waar de panelen staan. Daarna wordt met behulp van de gegevens de correcte stralingsflux bepaald. Door de stralingsflux te integreren over 1 jaar bekomt men de straling in kwh/m². Als de correcte stralingsflux bepaald is, zijn er twee methoden om de opbrengst te bepalen. 1 ste methode: Hier wordt uitgegaan van de hoeveelheid kwh instraling per m². Dit is te zien op figuur 4.9. Eenmaal de waarde van de instraling per vierkante meter gekend is, kan het rendement bepaald worden aan de hand van een stralingsdiagram per regio. De optimale hellingshoek van een paneel zal dus afhankelijk zijn van waar het geplaatst wordt. Een voorbeeld van zo n diagram staat in Figuur 4.1. Op dit diagram staat voor een bepaalde plaats, de optimale hellingshoek om de beste rendementen te bekomen. Ieder punt op het diagram stelt een oriëntatie van een zonnepaneel voor. De 100% lijn geeft die oriëntatie aan waarbij het zonnepaneel maximale energie zal halen uit de zon. Dit komt overeen met een hoek van 36 graden op het Zuiden. 53

57 Figuur 4.1: Stralingsdiagram Noordelijk halfrond Als het zonnepaneel plat op de grond ligt, dan zou het recht naar boven in de hemel kijken. Deze ligging komt overeen met het middelpunt van de cirkel. Als het paneel rechtop zou staan (positie van 90 ), gericht naar het Zuiden, dan komt dit overeen met de onderkant van de cirkel, bij de letter Z Als het rechtopstaande paneel dat richting zuid stond, langzaam plat zou komen, dan verplaatst het punt op de cirkel van de rand van de cirkel bij de letter Z naar het midden van de cirkel toe. Kleine afwijkingen van deze ideale positie zijn niet zo erg. Een oriëntatie op het Westen onder dezelfde hoek van 36 graden levert nog altijd 80% rendement op. [31] Vb.: stel dat de stralingsflux per jaar 1080kWh/m² bedraagt. Een paneel met vermogen 220 Wp (=Wattpiek) voor 1,59 m² komt overeen met 7,23 m²/kwp. Rekening houdend met het rendement van vb. 12% kan worden besloten dat het paneel, indien ideaal opgesteld, 937 kwh/kwp oplevert. 2 de methode: Hier wordt uitgegaan van de omzetting van de stralingsflux naar per unit waarde (= puwaarde). Zo wordt elke radiantie (= de stralingsintensiteit die per m 2 van een bron vertrekt; het is een maat voor de stralingssterkte op een oppervlak) over eenzelfde tijdsinterval gedeeld door de maximaal voorkomende radiantie. Zo wordt de p.u.-waarde gevonden. Deze wordt vermenigvuldigd met het geïnstalleerd vermogen in kwh en geïntegreerd over een volledig jaar. Zo wordt een vermogen in kwh/kwp bekomen. Deze 2 de methode is enkel correct als het vermogen en rendement lineair varieert voor eenzelfde oppervlakte van zonnepaneel. 54

58 Er wordt veel meer gebruik gemaakt van de eerste methode omdat deze veel nauwkeuriger is. Let wel: er moeten bij beide methoden een aantal correctiefactoren toegevoegd worden: bij de eerste een correctie naar oriëntatie, helling, invertorrendement en voor de 2 de : een vermenigvuldiging met de performantie-ratio (zie later). [15],[23] 4.3 Praktisch de energieopbrengst berekenen Rendement Er zijn twee soorten rendementen. Ten eerste is er het celrendement. Die stelt 1 zonnecel voor. En ten tweede is er het modulerendement. Het modulerendement stelt alle in serie geschakelde zonnecellen op 1 zonnepaneel voor Celrendement Het nominale celrendement is de verhouding tussen het elektrisch vermogen van een cel onder STC (zie later) en het product van de irradiantie (=hoeveelheid zonnestraling op een oppervlak) en het celoppervlak. Bij de opgave moet duidelijk worden gemaakt of het gaat om een actief oppervlak of het totale oppervlak van de module binnen het frame. Het celrendement kan als volgt berekend worden [15]:. (4.1) Met P stc = geïnstalleerd vermogen van de module onder STC (Wp) G stc = irradiantie cel onder STC (W/m²) A cel = oppervlakte van de cel (m²) Met STC wordt standaardtestcondities bedoeld: Om een internationale vergelijking te kunnen maken tussen verschillende typen en merken zonnepanelen, wordt getest onder 'standaardtestcondities'. Standaardtestcondities worden onder andere gebruikt om het piekvermogen van een zonnepaneel te bepalen. De standaardtestcondities zijn internationaal gelijk en bestaan uit[34]: Instraling: E = 1000 W/m² PV-celtemperatuur: T c = 25 C Lichtspectrum-specificatie: AM = 1,5 55

59 Modulerendement Het modulerendement is de verhouding tussen het elektrisch vermogen van een cel onder STC en het product van de instraling en module-oppervlakte. Dit rendement is dus afhankelijk van de hoeveelheid instraling. Ze kan berekend worden door volgende formule[15]:. (4.2) Met P DC = DC vermogen geleverd door de module (W) H i = instralingsdichtheid op de module (Wh/m²) A module = oppervlakte van de module (m²) Performantie-ratio De performantie-ratio is de verhouding van het systeemrendement en het rendement van de modules onder STC[15]:.... (4.3) Met η sys = systeemrendement (%) E fi = energie geleverd door de invertor (Wh) H i = instralingsdichtheid op de module (Wh/m²) A sys = oppervlakte van het systeem (m²) P systeem,stc = geïnstalleerd vermogen van het systeem onder STC (Wp) G cel,stc = irradiantie cel onder STC (W/m²) 56

60 4.3.3 Methodes Praktisch zijn er twee methodes om de uiteindelijke energieopbrengst van de installatie te bepalen. 1 ste methode: De energieopbrengst van de zonnepaneel-module wordt bepaald op basis van de instralingsdichtheid op de module en het opgegeven modulerendement van de fabrikant. Hierna dienen nog enkele bijkomende verliesrendementen bijgerekend te worden om zo de volledige systeemopbrengst te bekomen. Wordt er gebruik gemaakt van een trackersysteem dan dient er een rendementstoename in rekening te worden gebracht [15]: (4.4) Waar E l = energieopbrengst (kwh/kwp) H i = instralingsdichtheid (kwh/m²) A paneel1kwp = paneeloppervlak voor 1 kwp (m²) η module = modulerendement (%) η inv = Invertorrendement (%) η instraling = Instralingsrendement (%) η kabel = Kabelverliezen (%) η temp = Temperatuursverlies (%) η vervuiling = Schaduw en vervuilingsverlies (%) η mismatch = Mismatchverlies (%) η trac = Trackerrendement(verhoogde efficiëntie t.o.v. vast systeem) (%) 57

61 2 de methode: Hier wordt de energieopbrengst op basis van de performantie-ratio berekend. Zij omvat alle systeemverliezen maar is wel moeilijk te bepalen op basis van fabrikantgegevens[15].. (4.5) Met E l = energieopbrengst (kwh/kwp) H i = instralingsdichtheid (kwh/m²) PR= performantie-ratio 4.4 Besluit Om het totale rendement van een PV-installatie te berekenen zijn er een paar stappen te volgen. Ten eerste moet de juiste methode gekozen worden. Daarnaast moet het celrendement berekend worden en dan het modulerendement. Daaruit wordt met nog andere gegevens het totale rendement bepaald. 58

62 Hoofdstuk 5 : Praktische studie 5.1 Doelstelling Het doel van deze praktische studie is het in kaart brengen van invloedsparameters (omgevingstemperatuur, toegepaste technologie, aard van de opstelling, windinvloed en zonne-instraling) die het rendement van zonnepanelen beïnvloeden. Dit gebeurt aan de hand van praktische meetgegevens. Deze meetgegevens worden verkregen uit een proefveld dat opgesteld staat op het dak van Howest Dep GKG te Graaf Karel de Goedelaan 5 te Kortrijk. De installatie bestaat uit zowel monokristallijn, polykristallijn, amorfe als dunnelaag zonnecellen. Deze technologieën staan in verschillende opstellingen geplaatst, zijnde in een open, gesloten en dubbel tracking opstelling. Van elk van deze parameters zal een sensitiviteitsstudie doorgevoerd worden om de impact ervan in kaart te brengen. 5.2 Test set up De zonnepanelen Soorten Er zijn vier soorten zonnepanelen aanwezig in de opstelling namelijk monokristallijn, polykristallijn, amorf en dunnefilm zonnecellen. De gegevens van elk soort zonnepaneel staan in tabel Opmerking: De dunnefilm zonnecel is een tandemzonnecel (zie ) met een amorf en een microkristallijn silicium laag. De amorfe zonnecel bestaat uit een dunne monokristallijn laag tussen meerdere ultra dunne amorf lagen. 59

63 Figuur 5.1: Monokristallijn Figuur 5.2: Polykristallijn Figuur 5.3: Amorf Figuur 5.4: Dunnefilm Tabel 5-1: Gegevens zonnecellen aantal effectieve aantal totale type L per cel B per cel cellen opp. panelen opp. (m) (m) (m²) (m²) Monokristallijn Suntech STP180S-24/Ac 0,125 0, , ,75 Polykristallijn Yingli Solar YL180 0,156 0, , ,18 Amorf Dunnelaag Sanyo HIP-230 HDE1 Sharp NA121 Niet gegeven Niet gegeven Niet gegeven 60 1, ,48 Niet gegeven 180 1, ,20 TRACKING dunne 10 x Sharp NA121 Niet gegeven Niet gegeven 1, ,20 TRACKING poly 7 x Yingli Solar YL180 0,156 0,156 1, ,18 Deze gegevens zijn uitgebreider te zien in bijlage 1. 60

64 De fabrikanten geven volgende technische eigenschappen: Tabel 5-2: Technische eigenschappen van de fabrikant type wattpiek Min. Vermogen Celrendement Modulerendement [W] [W] [%] [%] Suntech STP180S- Monokristallijn 24/Ac 180 Polykristallijn Yingli Solar YL ,3% Amorf Sanyo HIP-230 HDE1 218,5 19,2% 16,6% Dunnelaag Sharp NA ,51 % type paneel Temp.-coëff. kortsluitstroom Temp.-coëff. openkringspanning Temp. coëff. MPP vermogen Nominaal werkende temp. [%/K] [%/K] [%/K] [ C] Monokristallijn Suntech STP180S- 24/Ac 0,017-0,34-0,48 45±2 Polykristallijn Yingli Solar YL180 0,06-0,37-0,45 46±2 Amorf Sanyo HIP-230 HDE1 0,06-0,35-0,3 45 Dunnelaag Sharp NA121 0,07-0,30-0,24 44 Deze gegevens zijn uitgebreider te zien in bijlage 1. 61

65 Plaatsingssystemen Er zijn op het dak drie soorten plaatsingssystemen. Er is een vaste open opstelling Figuur 5.5: De open opstelling(figuur 5.5), vaste gesloten opstelling (Figuur 5.6) en een dubbel tracking systeem (Figuur 5.7). Bij de vaste opstellingen zijn de modules gemonteerd op aluminium stutten met een helling van 30. Zo zal de maximale opbrengst bereikt worden (zie 4.2). De structuren, waar de zonnepanelen op staan, zijn verzwaard om de windbelasting op te vangen. De gesloten opstelling is gelijkaardig aan de open opstelling maar met een aluminium omkasting. De omkasting is zo gemaakt dat er geen wind meer aan de zonnepanelen kan. Dit heeft als gevolg dat deze niet meer gekoeld zullen worden door de wind. Op deze manier kan de invloed van de temperatuur op het rendement in kaart worden gebracht. Figuur 5.5: De open opstelling Figuur 5.6: De gesloten opstelling 62

66 Als laatste opstelling is er het dubbel tracking volgsysteem. Het werkingsprincipe van het dubbel tracking volgsysteem gaat als volgt: Op de tracker staan er twee lichtsensoren per beweegbare as. Bij een dubbel tracker systeem is er een horizontale en een verticale as aanwezig. De twee lichtsensoren per as staan onder een hoek van 90 van elkaar opgesteld. Wanneer het dag is, zal er licht op deze lichtsensoren vallen. De tracker zal zich draaien totdat de beide lichtsensoren evenveel zonne-instraling hebben. Is dit niet het geval dan draait de tracker zodanig tot de beide lichtsensoren weer evenveel zonne-instraling hebben. Het is zo dat de tracker draait naar de kant van de lichtsensor met de minste lichtinval. Dit gebeurt zowel voor de horizontale als de verticale as. Figuur 5.7: De tracker opstelling 63

67 5.2.2 Invertoren De gebruikte invertoren zijn van het merk IBC solar. De fabrikanten geven volgende technische eigenschappen: Tabel 5-3: Invertorgegevens volgens de fabrikant Type Sunny Boy 1100 Max DC vermogen input PV spanningbereik, MPPT Max stroominput 1210 W 139V 320V 10 A aantal MPP trackers 1 Max aantal parallelle lijnen(=strings) 2 nominale AC output Max AC output Max uitgangsstroom nom AC spanning 1000 W 1100 W 5,6 A V Power factor 1 wisselstroomaansluiting Enkel-fasig Max rendement 93% euro ETA 91,6% Figuur 5.8: De invertoren Schakelkast en kabels De schakelkast staat in het labo. Daarin bevinden zich alle invertoren en beveiligingen van de PV installatie. 64

68 Schema Het aansluitschema van de schakelkast is in bijlage 2 opgenomen. Figuur 5.9: De schakelkast Kabels De gebruikte kabels bij de opstelling zijn: VOB 4 mm²: deze kabels worden gebruikt om de connectie te leggen tussen de kwh - meter en de overbruggingsbaar in de schakelkast VOB 3 G2.5 mm²: deze kabels worden gebruikt om de connectie te leggen tussen de invertor en de kwh - meter XVB 3 G2.5 mm²: deze kabels worden gebruikt om de connectie te leggen tussen de motor, meetsysteem van de tracker en de overbruggingsbaar XVB 1 x 6 mm²: deze kabels worden gebruikt om de connectie te leggen tussen het zonnepaneel en de omvormer 65

69 5.3 Analyse meetresultaten De metingen die in dit werk gebruikt worden, beginnen vanaf 9 maart 2010 en eindigen op 21 april Vóór 9 maart was de opstelling nog niet volledig operationeel. Opmerking: Er moet rekening gehouden worden met het feit dat de tracker vanaf 6 m/s windsnelheid horizontaal gaat liggen. Zo kan er geen overbelasting op het tracker paneel komen. Van iedere maand werden twee random dagen besproken. Deze dagen werden later gebruikt om de invloed van de temperatuur op de opbrengst te verduidelijken. 66

70 Tabel 5-4: Meetgegevens zon Dunne Dunne zon wind Dunnefilm Polykristallijn amorf Polykristallijn Monokristallijn Polykristallijn amorf Monokristallijn instraling film film omgeving instraling snelheid Open Tracker Gesloten Open Open Gesloten Open Gesloten tracker Gesloten Tracker [W/m²] [m/s] [W/m²] Max [ C] 11,9 24,8 12,8 18,8 19,3 16,7 12,5 24,8 12,3 18,0 8,2 857,00 992,00 4,30 Gemiddelde [ C] 6,7 10,0 7,6 8,2 9,6 8,5 7,5 10,0 6,8 6,6 5,5 186,94 198,15 1,01 Min [ C] 1,8 1,2 2,5 1,3 2,5 1,6 1,4 1,1 0,4 0,3 2,0 9,00 7,00 0,00 opbrengst [Wh] Bij de polykristallijn zonnecellen is er een groot verschil in opbrengst. De polykristallijn tracker heeft een veel grotere opbrengst dan de polykristallijn gesloten. Dit is logisch want de tracker zoekt steeds naar de meest optimale positie om de meeste zoninstraling te kunnen ontvangen. De temperatuur bij beiden is quasi gelijk. De tracker heeft nooit platgelegen gezien de maximum windsnelheid lager is dan 6 m/s. Opvallend is dat er op die dag niet veel zoninstraling was (gemiddeld 186,94 W/m²). Daaruit kan geconcludeerd worden dat de amorf zonnecellen ook opbrengen als er diffuus licht aanwezig is. 67

71 Tabel 5-5: Meetgegevens zon Dunne Dunne zon wind Dunnefilm Polykristallijn amorf Polykristallijn Monokristallijn Polykristallijn amorf Monokristallijn instraling film film omgeving instraling snelheid Open Tracker Gesloten Open Open Gesloten Open Gesloten tracker Gesloten Tracker [W/m²] [m/s] [W/m²] Max [ C] 22,8 30,0 22,4 28,4 27,7 26,0 22,2 30,0 23,1 28,5 21,1 675,00 689,00 5,80 Gemiddelde [ C] 17,7 21,1 18,0 19,5 20,5 19,6 17,5 21,1 17,8 19,3 16,4 293,13 296,56 1,45 Min [ C] 9,7 9,5 10,3 9,3 10,2 10,3 9,4 9,5 9,5 8,2 9,3 8,00 7,00 0,00 opbrengst [Wh] Deze opbrengsten zijn dubbel zo groot als bij De reden is de verhoogde zoninstraling. De temperatuur is ook gestegen. Dit is logisch want als de zoninstraling groter is, zal er meer directe zoninstraling zijn met als gevolg dat de temperatuur stijgt. 68

72 Tabel 5-6: Meetgegevens zon Dunne zon wind Dunnefilm Polykristallijn amorf Polykristallijn Dunnefilm Monokristallijn Polykristallijn amorf Monokristallijn instraling film omgeving instraling snelheid Open Tracker Gesloten Open Gesloten Open Gesloten Open Gesloten tracker Tracker [W/m²] [m/s] [W/m²] Max [ C] 15,8 23,0 16,2 22,6 20,5 19,0 14,5 23,0 14,6 20,3 13,9 1139, ,00 9,40 Gemiddelde [ C] 9,8 12,7 10,7 11,2 12,7 11,7 9,9 12,7 10,0 10,7 8,7 268,19 285,80 2,34 Min [ C] 3,7 3,4 4,4 3,3 4,4 3,9 3,6 3,3 3,3 2,3 4,2 4,00 3,00 0,00 opbrengst [Wh] De temperaturen zijn niet hoog. Dit zal een opbrengstverhoging geven. De maximale windsnelheid is boven 6 m/s. De tracker zal een tijd horizontaal gelegen hebben. Dat verklaard waarom de maximale zoninstraling van de tracker lager is dan de maximale, vaste zoninstraling. Het kan juist zijn dat de maximale zoninstraling op een moment aanwezig was wanneer de tracker horizontaal lag. Er was die dag gemiddeld redelijk veel zoninstraling. Daarom heeft de polykristallijn en monokristallijn in alle opstellingen een redelijk goede opbrengst. De dunnefilm is niet zo gevoelig aan de rechtstreekse instraling maar meer aan het diffuus licht. De amorf daarentegen is zowel gevoelig aan direct als aan diffuus licht. Bijgevolg geeft de amorf dan de grootste opbrengsten. 69

73 Tabel 5-7: Meetgegevens zon Dunne zon wind Dunnefilm Polykristallijn amorf Polykristallijn Dunnefilm Monokristallijn Polykristallijn amorf Monokristallijn instraling film omgeving instraling snelheid Open Tracker Gesloten Open Gesloten Open Gesloten Open Gesloten tracker Tracker [W/m²] [m/s] [W/m²] Max [ C] 27,3 44,2 28,1 40,8 38,4 40,1 25,5 44,2 27,0 39,5 30,2 809,00 823,00 6,00 Gemiddelde [ C] 18,6 27,8 19,1 25,1 24,5 26,5 17,4 27,7 19,0 25,9 18,0 445,88 570,73 0,60 Min [ C] 4,8 4,3 4,0 3,0 5,7 7,6 3,4 4,3 5,3 1,7 4,6 6,00 4,00 0,00 opbrengst [Wh] De opbrengsten zijn heel wat hoger vergeleken met de drie andere dagen. De reden is de grote gemiddelde zoninstraling. Nu geeft de polykristallijn tracker de grootste opbrengst. Logisch want hij zoekt steeds de meest optimale zoninstraling. Polykristallijn is meer gevoelig aan rechtstreeks licht dan aan diffuus licht dan bijvoorbeeld dunnefilm technologieën. 70

74 Tabel 5-8: Berekende opbrengstwaarden 09 tot 31 maart Polykristallijn Polykristallijn Polykristallijn Dunnefilm Dunnefilm Dunnefilm Amorf Amorf Monokristallijn Monokristallijn [Wh] Tracker Gesloten Open Open Gesloten Tracker Gesloten Open Open Gesloten 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/

75 Tabel 5-8 geeft alle opbrengsten weer per dag en per technologie. Deze gegevens werden gebruikt om de komende grafieken op te bouwen. Het heeft weinig zin om van iedere dag een grafiek te maken met zijn opbrengst. Het verschil tussen een goede en minder goede opbrengst per dag verandert te veel. Daarom wordt de weekopbrengst bekeken van één enkele week in maart. 14 Het verloop van het vermogen op Vermogen [W] :30 9:42 10:54 12:06 13:18 14:30 15:42 16:54 18:06 Tijd Amorf Open Polykristalijn Tracker Dunne Film Gesloten Polykristalijn Open Amorf Gesloten Monokristalijn Open Amorf Tracker Polykristalijn Gesloten Dunne Film Open Monokristalijn Gesloten Figuur 5.10: Dagopbrengst van

76 Weekopbrengst ( tot ) van de verschillende technologieën Opbrengst [Wh] Dunnefilm Open dunnefilmgesloten Dunnefilm Tracker Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker amorf Open amorf Gesloten Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten Figuur 5.11: Weekopbrengst (09 maart tot 15 maart) van de verschillende technologieën De grootste opbrengsten in de week van tot worden bekomen door de amorf zonnecellen. Ook de polykristallijn tracker geeft een grote opbrengst. De reden hiervan is het feit dat er in die week niet veel rechtstreeks zonlicht instraalde. Dit geeft als gevolg dat de amorf zonnecellen, die minder gevoelig zijn aan rechtstreeks zonlicht en meer aan diffuus licht, meer opbrengen dan polykristallijn en monokristallijn. 73

77 Maandopbrengst ( ) van de verschillende technologieën Opbrengst [Wh] Dunnefilm Open dunnefilmgesloten Dunnefilm Tracker Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker amorf Open amorf Gesloten Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten Figuur 5.12: Maandopbrengst (maart) van de verschillende technologieën De maandopbrengst geeft een meer uitgemiddeld beeld van de opbrengst. Op Figuur 5.12 kan worden vastgesteld dat de amorf open de hoogste opbrengst geeft. Het valt ook op dat alle open opstellingen een iets grotere opbrengst hebben dan de gesloten opstellingen. De reden hiervoor is de temperatuur. De open opstellingen hebben een lagere temperatuur omdat de wind de zonnecellen nog afkoelt. Bij de gesloten opstellingen is dat niet zo. Bij een temperatuursverhoging zal de opbrengst dalen. 74

78 Vergelijking tussen alle opstellingen opbrengst [Wh] /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 Datum Dunnefilm Open dunnefilmgesloten Dunnefilm Tracker Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker amorf Open amorf Gesloten Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten Figuur 5.13: Vergelijking tussen alle opstellingen (9 maart tot 15 maart) Figuur 5.13 geeft een beeld van hoe verschillend de opbrengst dag na dag kan zijn en wat de invloed is op de verschillende technologieën. 75

79 Vergelijking tussen alle open opstellingen opbrengst [Wh] Dunnefilm Open Polykristalijn Open Monokristalijn Open amorf Open 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 datum Figuur 5.14: Vergelijking tussen alle open opstellingen (maart) Als de vergelijking tussen alle open opstellingen wordt bestudeerd, dan valt op dat het amorf type de grootste opbrengst geeft bij alle gemeten dagen. Vervolgens komen de monokristallijn, polykristallijn en als laatste dunnefilm zonnecellen. De reden waarom het amorf type zoveel opbrengt is dat er in maart niet veel directe zoninstraling is. 76

80 Vergelijking tussen alle gesloten opstellingen opbrengst [Wh] amorf Gesloten dunnefilmgesloten Polykristalijn Gesloten Monokristalijn Gesloten 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 Datum Figuur 5.15: Vergelijking tussen alle gesloten opstellingen (maart) Op Figuur 5.15 is er één dag die opvalt, dit is Daar geeft de monokristallijn meer opbrengst dan de amorfe zonnecel. De reden hiervan is dat er redelijk veel zoninstraling en een lage temperatuur aanwezig was. 77

81 Vergelijking tussen alle tracker opstellingen opbrengst [Wh] Polykristalijn Tracker Dunnefilm Tracker 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 Datum Figuur 5.16: Vergelijking tussen alle tracker opstellingen (maart) Het polykristallijn zonnepaneel op de tracker geeft een veel grotere opbrengst dan de dunnefilm zonnepanelen. De reden hiervan is dat de tracker steeds de optimale rechtstreekse zoninstraling zoekt. Het polykristallijn is gevoelig aan rechtstreekse zoninstraling terwijl de dunnefilm veel minder gevoelig g is aan rechtstreekse zoninstraling maar meer aan diffuus zoninstraling. 78

82 Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen opbrengsten [Wh] Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 datum Figuur 5.17: Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen (maart) Er is weinig verschil tussen de open en gesloten monokristallijn opstelling. De reden is dat door de lage temperatuur deze nog geen invloed heeft op de opbrengst. 79

83 Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen opbrengst [Wh] Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 Datum Figuur 5.18: Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen (maart) De polykristallijn tracker geeft de grootste opbrengst. Daarna komen de open en gesloten opstellingen. Deze variëren ook heel weinig ten opzichte van elkaar. De temperatuur is nog te laag om een invloed te hebben op de opbrengst. 80

84 Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen opbrengst [Wh] amorf Open amorf Gesloten 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 datum Figuur 5.19: Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen (maart) De amorf opstellingen hebben gemiddeld de grootste opbrengsten ten aanzien van alle opstellingen. De reden hiervoor is de aanwezigheid van diffuus licht en rechtstreeks zonlicht. De amorfe zonnecel is gevoelig aan diffuus licht en aan rechtstreeks zonlicht. Ook hier dezelfde reden, door de lage temperatuur is er niet veel verschil van opbrengst tussen de open en gesloten opstelling. 81

85 Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen opbrengst [Wh] Dunnefilm Open dunnefilmgesloten Dunnefilm Tracker 9/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/2010 datum Figuur 5.20: Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen (maart) De dunnefilm geeft van alle technologieën de laagste opbrengst. Wat merkwaardig is, is het feit dat de opbrengst van de dunnefilm tracker lager is dan de andere opstellingen. De reden is dat de dunnelaag gevoelig is aan diffuus licht en minder aan rechtstreeks licht dat de tracker steeds zoekt. 82

86 Tabel 5-9: Berekende opbrengstwaarden 02 tot 21 april Polykristalijn Polykristalijn Polykristalijn Dunnefilm Dunnefilm Dunnefilm Amorf Amorf Monokristallijn Monokristallijn Tracker Gesloten Open Open Gesloten Tracker Gesloten Open Open Gesloten 2/04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ Deze waarden werden berekend door alle binnengekregen AC vermogens om te zetten naar Wh. Om alle waarden met elkaar te kunnen vergelijken werden de waarden voor iedere technologie naar 1 m² omgerekend. 83

87 Weekopbrengst ( tot ) van de verschillende opstellingen Opbrengst [Wh] Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker Amorf Open Amorf Gesloten Dunnefilm Tracker Dunnefilm Open Dunnefilm Gesloten Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten 0 Figuur 5.21: Weekopbrengst (02 april tot 10 april) van de verschillende technologieën Figuur 5.21 geeft een beeld dat de polykristallijn ijn tracker de beste opbrengst geeft. Dit is logisch want in die week was er zeer veel zoninstraling. Dat is ook te zien aan de hoge waarden van de monokristallijn en de lage waarden van de dunnefilm zonnecellen. 84

88 Maandopbrengst ( ) v/d verschillende opstellingen Opbrengst [Wh] Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker Amorf Open Amorf Gesloten Dunnefilm Tracker Dunnefilm Open Dunnefilm Gesloten Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten 0 Figuur 5.22: Maandopbrengst (april) van de verschillende technologieën De polykristallijn opstellingen hebben de grootste opbrengsten. Vervolgens hebben de monokristallijn opstellingen de tweede hoogste opbrengst, daarna arna de amorf opstellingen en als laatste de dunnefilm opstellingen. De dunnefilm tracker heeft een lagere opbrengst dan de amorf gesloten opstelling. Dit wil zeggen dat de amorf gevoeliger is aan rechtstreeks licht en diffuus licht dan de dunnefilm zonnecellen. 85

89 Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen opbrengst [Wh] Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker Datum Figuur 5.23: Vergelijking tussen de verschillende opstellingen (02 april tot 10 april) Als de verschillende opstellingen eens bekeken worden over een week, dan is te zien dat over de hele lijn de polykristallijn tracker de grootste opbrengst geeft. Behalve bij de eerste twee dagen, daar geeft de amorf open een grotere opbrengst. Het valt op dat de dunnefilm opstellingen altijd de laagste opbrengsten hebben. Dit komt doordat tijdens die periode zeer er veel rechtstreeks zonlicht ingestraald is en weinig diffuus licht. 86

90 Vergelijking tussen alle open opstellingen Opbrengst [Wh] Dunnefilm Open Polykristalijn Open Monokristalijn Open Amorf Open Datum Figuur 5.24: Vergelijking tussen de open opstellingen (april) Als alle open opstellingen eens vergeleken worden, dan is vast te stellen dat de amorfe opstelling in alle gevallen de grootste opbrengst geeft. Vervolgens komen de monokristallijn, polykristallijn en de dunnefilm zonnecellen. April was een maand waar er zeer veel rechtstreeks licht inviel en weinig diffuus licht. De amorf opstellingen hebben een lagere temperatuurscoëfficiënt. Dit heeft als gevolg dat deze opstellingen een betere opbrengst hebben. 87

91 Vergelijking tussen alle gesloten opstellingen Opbrengst [Wh] Dunnefilm Gesloten Polykristalijn Gesloten Amorf Gesloten Monokristalijn Gesloten Datum Figuur 5.25: Vergelijking tussen de gesloten opstellingen (april) De amorf gesloten opstelling geeft in Figuur 5.25 de grootste opbrengst op alle momenten. Op is het verschil tussen de monokristallijn en de amorf opstellingen veel kleiner dan op de andere dagen. Op die dag was er meer rechtstreekse instraling dan op de andere dagen van de maand. 88

92 Vergelijking tussen alle tracker opstellingen Opbrengst [Wh] Polykristalijn Tracker Dunnefilm Tracker Datum Figuur 5.26: Vergelijking tussen de tracker opstellingen (april) De polykristallijn tracker geeft in alle gevallen bijna de helft meer opbrengst dan de dunnefilm tracker. De reden is dat de tracker steeds op zoek is naar de optimale rechtstreekse se instraling. De polykristallijn opstellingen zijn gevoelig aan de rechtstreekse instraling, de dunnefilm minder. Dit geeft als gevolg dat het polykristallijn een grotere opbrengst geeft dan de dunnefilm. 89

93 Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen Opbrengst [Wh] Monokristalijn Open Monokristalijn Gesloten Datum Figuur 5.27: Vergelijking tussen de verschillende monokristallijn opstellingen (april) Het verschil tussen de open en gesloten opstelling is miniem. Er zijn nog geen hoge temperaturen behaald. Dit geeft als gevolg dat de temperatuur nog geen invloed heeft op de opbrengst. 90

94 Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen opbrengst [Wh] Polykristalijn Open Polykristalijn Gesloten Polykristalijn Tracker Datum Figuur 5.28: Vergelijking tussen de verschillende polykristallijn opstellingen (april) In Figuur 5.28 is het verschil tussen de open en gesloten opstelling ook miniem. De reden is dezelfde als bij de vergelijking van de verschillende monokristallijn opstellingen. Het verschil tussen de open en gesloten opstellingen en de tracker is groot. De polykristallijn tracker geeft een grote opbrengst. Doordat de tracker steeds de optimale zoninstraling nstraling zoekt, zal de polykristallijn tracker een grotere opbrengst hebben dan de open en gesloten opstelling. 91

95 Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen Opbrengst [Wh] Amorf Open Amorf Gesloten Datum Figuur 5..29: Vergelijking tussen de verschillende amorf opstellingen (april) De open opstelling geeft op ieder moment een grotere opbrengst. De reden is de temperatuur. Al waren er geen hoge temperaturen in april, toch zal deze parameter een miniem verschil leveren in opbrengst tussen de open en gesloten opstelling. De open opstelling kan nog afkoelen door de wind, terwijl de gesloten opstelling dit niet kan. 92

96 Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen Opbrengst [Wh] Dunnefilm Open Dunnefilm Gesloten Dunnefilm Tracker Datum Figuur 5.30: Vergelijking tussen de verschillende dunnefilm opstellingen (april) De open en gesloten opstellingen hebben niet veel verschil in opbrengst. Al is het wel zo dat de gesloten opstelling een lagere opbrengst geeft dan de open opstelling. De reden is dezelfde als bij de monokristallijn opstellingen. De tracker geeft de hoogste opbrengst. Al valt het wel op dat de opbrengst van de tracker veel groter is in verhouding met de open en gesloten opstelling ten opzichte van de polykristallijn opstellingen. De reden is dat er meer rechtstreekse instraling was en minder diffuus licht. 93

97 5.4 Sensitiviteitsanalyse Inleiding In deze paragraaf wordt aangetoond welke invloedsparameters een grote invloed op de opbrengst hebben en hoe groot deze invloed is Het invertorrendement Vooraleer er verdere berekeningen kunnen gedaan worden, moet het invertorrendement opgemeten zijn. Hiervoor werd het ingaande en uitgaande vermogen opgemeten en met een deling kan het rendement berekend worden. PAC ηinvertor = P DC Het vermogen moet over een langere periode gelogd worden, anders zouden er te veel vermogenpieken zijn die te veel invloed hebben op het invertorrendement. Figuur 5.31 geeft de opstelling weer die gebruikt werd om de metingen uit te voeren op de invertor. (5.1) Figuur 5.31: De opstelling voor het opmeten van het invertorrendement Er zijn drie soorten rendementen berekend, één via een gemiddelde van de meetwaarden vervolgens het EUROrendement en als laatste met eigen gewichten. 94

98 Gemiddeld rendement η invertor = P P AC DC (5.2) Met P ac = het opgemeten AC vermogen (W) P dc = het opgemeten DC vermogen (W) Gemiddeld rendement Tabel 5-10: Samenvatting berekende resultaten Max. rendement 1 ste meting 2 de meting fabrikant [%] 82,3 90,8 93 De tweede meting benadert al meer de realiteit. Indien er nog langer kon gelogd worden zou de meting nog dichter bij het maximale rendement van de fabrikant liggen. Let wel, de meetresultaten kunnen nooit perfect gelijk zijn aan de gegevens van de fabrikant. Deze werkt immers onder standaard test condities. Op Figuur 5.32 is het rendement in functie van het AC vermogen te zien. Wordt deze figuur vergeleken met de figuren van de fabrikant kan besloten worden dat deze opgemeten grafiek de figuur van de fabrikant benaderd. Figuur 5.32: Het rendement in functie van het AC vermogen 95