Eric Jansseune EH 2 O Erkend lid van VIBE vzw ZONNECELLEN ONNECELLEN: STROOM UIT DE ZON p. 1
1. INLEIDING Nog niet lang geleden werd elektriciteit uit zonlicht alleen maar in de ruimtevaart toegepast. Zonlicht wordt daar al jaren gebruikt om satellieten met behulp van zonnecellen van stroom te voorzien. Tegenwoordig worden zonnecellen ook op aarde toegepast: op woonhuizen en kantoorgebouwen, maar ook in rekenmachines, praatpalen, lichtboeien, warmtepompen, zomerhuisjes en caravans. De zon is een onuitputtelijke bron van energie en is schoon. Zonlicht is er in overvloed. In België bedraagt de jaarlijkse zonne-instraling 30.000.000 GWh/jaar (1000 kwh/m 2 / jaar). Daar tegenover staat het energieverbruik in 1999 zijnde 667.000 GWh en het elektriciteitsverbruik zijnde 80.183 GWh. 2. HOE WERKT ELEKTRICITEIT UIT ZONLICHT? 2.1) ZONNECELLEN Het proces waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de omzetting van licht naar elektriciteit. Veel gebruikt is de afkorting PV, komend van het Engelse photovoltaic. De meest gebruikte zonnecel is gemaakt uit silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen onstaat door kleine chemische toevoegingen. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met plus en min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces is niet alleen felle zon nodig. Ook op een bewolkte dag kan een zonnecel elektriciteit leveren. Door reflectie van zonlicht op verspreide wolken, levert een lichtbewolkte hemel soms meer energie op. 2.2) MATERIAAL ZONNECELLEN Voor de huidige toepassingen van zonnecellen wordt zoals gezegd silicium als basis gebruikt. Er zijn drie verschillende types cellen te onderscheiden: - Monokristallijn silicium zonnecellen zijn gemaakt van siliciumplakken die uit donkerblauw monokristal zijn gezaagd. Dit is een kostbaar en traag proces. - Multikristallijn silicium zonnecellen worden gegoten en zijn goedkoper en eenvoudiger te maken dan monokristallijn silicium. Het rendement van deze cellen ligt in het algemeen iets lager dan dat van monokristallijn zonnecellen. - Amorf silicium wordt niet zoals beide voorgaande kristallijnmaterialen uit een blok silicium gezaagd, maar wordt op een ondersteunend materiaal opgedampt. Door het gebruik van relatief weinig silicium en een versimpeld productieproces kunnen kostprijsverlagingen plaatsvinden. p. 2
2.3) VAN ZONNECELLEN EN PANELEN NAAR PV-SYSTEMEN Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnepaneel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 of 24 Volt. In zo n paneel zijn de cellen tegen weer en wind bestand. Meer zonnepanelen maken doorgaans deel uit van een compleet systeem, een zogenaamd PV-systeem. Andere componenten van een PV-systeem zijn hulpmiddelen zoals kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. De PV-systemen kunnen gebruikt worden voor autonome en (elektriciteits-)netgekoppelde toepassingen. 3. SOORTEN PV-SYSTEMEN 3.1) AUTONOME PV-SYSTEMEN Autonome PV-systemen zijn systemen los van het elektriciteitsnet waarbij gebruik gemaakt wordt van accu s om de elektriciteit op te slaan. Deze systemen worden daar gebruikt waar het elektriciteitsnet ontbreekt of waar een aansluiting te duur is. Bijvoorbeeld: parkeerautomaten hebben zo weinig elektriciteit nodig dat een klein PV-paneel goedkoper is dan het opengooien van het voetpad voor een aansluiting op het net. Andere voorbeelden zijn de elektrificatie van weiden en de voorziening van water in de weide. De overdag geproduceerde elektriciteit wordt opgeslagen, zodat ook s avonds en s nachts de elektriciteit gebruikt kan worden. De accu s moeten natuurlijk wel voldoende capaciteit hebben om een paar donkere dagen te overbruggen, vooral in de wintermaanden. De autonome PV-systemen worden niet gebruikt als algemeen elektriciteitsproductiemiddel waarbij gestreefd wordt naar een maximale jaaropbrengst. Centraal bij dit systeem staat een optimale leveringszekerheid over het jaar. 3.2) NETGEKOPPELDE PV-SYSTEMEN Netgekoppelde PV-systemen zijn gekoppeld aan het elektriciteitsnet. De gelijkspanning wordt door middel van een invertor (omvormer) omgezet naar de juiste spanning (230 Volt wisselspanning). De overproductie van elektriciteit uit het PV-systeem wordt aan het elektriciteitsnet geleverd. Wanneer er meer elektriciteit verbruikt wordt dan het PV-systeem produceert, dan wordt het tekort aangevuld vanuit het elektriciteitsnet. Mocht het elektriciteitsnet door wat voor een oorzaak dan ook uitvallen, dan schakelt het PV-systeem zichzelf om veiligheidsredenen uit. Voor netgekoppelde PV-systemen wordt, in tegenstelling tot autonome systemen, in nagenoeg alle gevallen wel gestreefd naar opbrengstmaximalisatie. 4. VOORDELEN VAN HET GEBRUIK VAN ZONNE-ENERGIE VOOR DE PRODUCTIE VAN ELEKTRICITEIT 4.1) GEEN PRODUCTIE VAN AFVALSTOFFEN (GASSEN, VASTE STOFFEN OF VLOEISTOFFEN) BIJ WERKING De uitstoot van gassen ligt per geleverde kwh 5 tot 10 keer lager dan bij de elektriciteitsproductie met fossiele brandstoffen en deze gassen komen enkel vrij bij de productie van het basismateriaal, de fabricage van cellen en modules en de daarvoor nodige hulpstoffen zoals aluminium, zilver, koper, glas, kunststoffen, enz. waarvan overigens slechts geringe hoeveelheden per module nodig zijn. Bovendien gebeurt onderzoek in verschillende internationale projecten naar de mogelijkheid om versleten PV-modules te recycleren. Meestal worden glas, metalen, en zonnecellen door smelting in p. 3
een oven gescheiden bij niet te hoge temperaturen zodat de zonnecellen er zelfs ongeschonden eruit komen. Het glas en de verschillende metalen kunnen goed gezuiverd en herbruikt worden. De zonnecellen worden dan met de bekende recepten terug bijgewerkt tot ze als nieuw zijn en een bijna even goede rendement halen. Zowel de energie-inhoud als de productieprijs kunnen daardoor drastisch dalen. 4.2) GEEN LAWAAIHINDER 4.3) FLEXIBEL EN ONDERHOUDSVRIJ PV-systemen zijn modulair dwz naargelang de behoefte en de financiële mogelijkheden kunnen ze per serie worden opgesteld of zelfs per paneel in het geval van wisselstroommodules. Uitbreiding kan ook vrij flexibel gebeuren. De enige beperking hierbij is het vermogen van de geïnstalleerde invertor (indien aanwezig). De PV-modules zelf zijn omzeggens onderhoudsvrij. Stofafzetting heeft weinig invloed op de opbrengst en in ons klimaat spoelt de regen de panelen regelmatig af. 4.4) DECENTRALE PRODUCTIE MOGELIJK EN RUIMTEBESPAREND PV-systemen kunnen gedecentraliseerd opgesteld worden zonder lange bouwtijd. Bovendien kan dat ook op gebouwen zodat de open ruimte waar we in Vlaanderen zuinig mee moeten omspringen niet verder ingenomen wordt. Opstelling op gebouwen bespaart op draagstructuren en hindert op geen enkele manier de normale menselijke activiteiten in of rond het gebouw. 5. ENERGIEOPBRENGST Het elektrische vermogen van fotovoltaïsche zonnepanelen wordt gewoonlijk uitgedrukt in kwp(iek). Zonnepanelen met een vermogen van 1kWp leveren 1 kw bij een loodrechte zonneinval van 1000 W per vierkante meter. Gemiddeld levert een 1 kwp zonnepaneel in België jaarlijks ongeveer 800 kwh. Hierbij wordt wel verondersteld dat de panelen gericht zijn op het zuiden en opgesteld zijn met een helling van 25 tot 45. Bij wijze van referentie: het jaarverbruik van een gemiddeld Vlaams gezin met 4 personen ligt meestal tussen de 3000 en 4000 kwh (indien niet gebruik wordt gemaakt van elektrische verwarming). De werkelijke elektriciteitsopbrengst van een geïnstalleerd PV-systeem hangt echter af van verschillende factoren. In de eerste plaats natuurlijk van het klimaat (geografische ligging, zonnestraling, temperatuur), dat van jaar tot jaar wisselt. Andere factoren die een invloed hebben op de opbrengst zijn: p. 4
5.1) ORIËNTATIE EN HELLING VAN DE MODULES Een netgekoppeld PV-systeem is optimaal geplaatst als de jaaropbrengst maximaal is. Bij autonome PV-systemen wordt de grootte en de plaatsing van de modules bepaald door de donkerste periode van het jaar. In België wordt 100% gehaald voor een perfect zuidgerichte opstelling met 36% hellingshoek. Er is een tamelijk brede zone waarin de jaaropbrengst slechts 5% lager dan het maximum ligt: voor oriëntaties tussen zuidoost en zuidwest en hellingshoeken tussen 20 en 60 (bij zuidwaartse opstelling). Dat komt door het belang van diffuse straling in ons klimaat en die komt uit alle hoeken. Verticale PV-modules op de gevel van een gebouw (hellingshoek 90%) leveren 25 à 30% minder energie per jaar dan de beste opstelling. 5.2) BESCHADUWING De beschaduwing van bomen, lantaarnpalen, andere gebouwen, schoorsteen, enz. op de PV-module vermindert de opbrengst, vooral wanneer een centrale invertor wordt gebruikt. In dat geval kan zelfs een kleine schaduw op een cel de opbrengst van een volledige module drastisch verminderen. Het effect is te vergelijken met een tuinslang vol water die op een plek wordt dichtgeknepen: er komt nog nauwelijks water uit. Vertaald in elektrische grootheden: de beschaduwde zonnecel wordt een weerstand en de spanning over de cel wordt negatief. Waar de schaduw valt, wordt de module merkwaardig genoeg ook plaatselijk opgewarmd. De module kan daardoor op termijn en in extreme gevallen schade oplopen. In PV-modules worden daarom zogenaamde bypassdiodes ingebouwd, elektrische omwegen waardoor de stroom toch voor bij een beschaduwde cel kan. Beschaduwing moet bij het ontwerpen en opstellen van PV-systemen zoveel mogelijk worden vermeden, zelfs op het eerste zicht verwaarloosbare schaduwen van vb. lantaarnpalen en schoorsteen hebben een grotere invloed dan hun schaduwoppervlakte doet vermoeden. Als bij lage zonnestanden in de winter de schaduw door de omgeving toch onvermijdelijk is, worden de modules best per horizontale rij in serie geschakeld, zodat ze allemaal tegelijk wel of niet beschaduwd worden. Het energieverlies door de winterse schaduw is overigens op jaarbasis relatief klein door de geringe zoninstraling en de korte dagen. Bij wisselstroommodules blijkt het effect van de beschaduwing beperkt tot de module waarop schaduw valt. 5.3) OPWARMING VAN DE MODULES Bij hoge temperaturen daalt het elektrische rendement van zonnecellen lichtjes: relatief met ongeveer 0,5% per graad Celsius boven 25 C. Voor een zonnecel met een nominaal rendement van 15% (bij 25 C) zal dus bij 80 C het werkelijke rendement ongeveer 4 procentpunten lager liggen en 11% bedragen (of een verlies van ruim een kwart van het eigenlijke rendement van 15%). Gelukkig warmen modules niet het hele jaar door zo sterk op en blijft het effect op de totale jaaropbrengst relatief beperkt. 5.4) KEUZE VAN DE INVERTOR Het gebeurt zelden dat een fotovoltaïsch systeem zijn piekvermogen bereikt of zelfs tot 10% daaronder geraakt. Dit heeft o.a. te maken met de hoge temperatuur van de modules bij volle zomerzon, die het elektrische vermogen doet dalen. Er treedt dus nauwelijks of geen energieverlies op als het nominale vermogen van de invertor lager gekozen wordt dan het piekvermogen van het moduleveld. In België is een verhouding van 80% tussen nominaal invertorvermogen en het piekvermogen van het moduleveld een ideale keuze. p. 5
5.5) OPBRENGSTVERLIEZEN IN DE ELEKTRISCHE BEKABELING In de bekabeling van het fotovoltaïsch veld treden weerstandsverliezen op. Hoe hoger de ontworpen gelijkstroomspanning van het fotovoltaïsch veld, hoe minder groot deze verliezen zijn. Deze verliezen kunnen eenvoudig berekend worden. Met een handberekeningsmethode of een speciaal ontworpen computerprogramma kan de opbrengst en werking van een PV-systeem op voorhand berekend worden, zowel voor onafhankelijke als netgekoppelde systemen. Bronnen: www.duurzame-energie.nl Elektriciteit uit zonlicht, ODE, 1999, 34 p. Eric Jansseune, Verwarmen met zonne-energie in Vlaanderen mogelijk? EH 2 O, Studiedag: Verwarmen in Huis met Toekomstgerichte Toestellen, 12 oktober 2001 te Hasselt Meer informatie vindt u in: Elektriciteit uit zonlicht, ODE, 1999, 34 p. p. 6