Home Zonnepanelen

Algemene informatie zonnepanelen - Werking zonnepaneel

Inhoudsopgave
Algemene informatie zonnepanelen
PC installatie
Bouwvergunning
Werking zonnepaneel
Montage zonnepanelen
Alle pagina's

Hoe werkt een zonnepaneel?

De meest gangbare zonnepanelen bestaan uit een aantal rijen vierkante zonnecellen op een witte ondergrond. De zonnecellen zijn gemaakt van twee dunne lagen silicium. Licht valt op de bovenste laag, waarbij de fotonen (lichtdeeltjes of -golfjes) uit het silicium een elektron vrijmaken. Dit elektron wordt direct opgevangen in de onderliggende laag silicium. Tussen de twee lagen silicium is dan eenspanningsverschil ontstaan waarbij de onderste laag een negatieve lading heeft ten opzichte van de bovenste laag.

Als we nu met een stroomdraad de twee lagen silicium met elkaar verbinden, gaan de elektronen uit de onderste laag door de stroomdraad terugstromen om het spanningsverschil op te heffen. In een normale cel is dat spanningsverschil minder dan 1 Volt. Voor nuttig gebruik is meestal een hogere spanning nodig. In een zonnepaneel wordt de negatieve kant van de cel daarom verbonden met de positieve kant van de volgende cel. Door deze serieschakeling bouwt de spanning zich per cel steeds verder op. Een zonnepanelen van 60 cellen kan daardoor een spanningsverschil van rond de 35 Volt opbouwen. De hoogte van de spanning kan veranderen onder invloed van verschillen in de lichtinval. De onderste laagjes van de cellen krijgen echter nooit een positieve lading ten opzichte van de bovenste lagen: de opgewekte spanning is dus gelijkspanning.

Op 21 Juni staat de zon op z’n hoogst. Dit betekent dat hij dan in Zeeland onder een hoek van  62 ° aan de hemel staat (hoek b). De schaduw is dan op z’n kleinst en de afstand z bedraagt dan 112 cm bij een paneel van 1 meter hoog, onder een hoek van 36°. Op 21 maart en 21 september passeert de zon de evenaar en staat bij ons dan onder een hoek (b) van 51°. Hierdoor wordt de schaduwlengte z verlengd tot 153 cm. Op 21 december heft de zon haar laagste stand bereikt en komt slechts onder een hoek van 16° aan de hemel. De afstand z bedraagt nu 286 cm.

 

Verschillende technieken

Er bestaan verschillende soorten technieken om zonlicht om te zetten in elektrische spanning. De meeste gebruikte technologie is hierboven beschreven; kristallijn silicium. Er zijn twee manieren om silicium zonnecellen te maken: met behulp van monokristallijn (mono-Si) of polykristallijn (poly-Si) silicium.

Monokristallijne cellen worden gemaakt uit een lingot (staaf) silicium waarvan de moleculestructuur één ononderbroken kristal vormt. Omdat de lingots rond zijn, hebben monokristallijne cellen meestal rond hoekjes.

Polykristallijne cellen worden gemaakt uit silicium waarvan de kristalstructuur onderbroken is. Theoretisch is het rendement van polykristallijne cellen minder hoog. Het verschil doet zich echter vooral gelden bij directe zoninstraling, wat in Nederland relatief minder vaak voorkomt. Omdat polykristallijne cellen perfect vierkant kunnen worden gemaakt, kunnen ze het oppervlak van een zonnepaneel efficiënter bedekken dan monokristallijne cellen. Het rendement van poly- en monokristallijne zonnepanelen is daarom per saldo gelijk. Beide technieken worden wereldwijd dan ook ongeveer in gelijke volumes geproduceerd.

Het verschil tussen mono-en polykristallijn is tegenwoordignauwelijks meer te zien. Belangrijkste verschil zijn de afgeronde
hoekjes van monokristallijne cellen.

Sinds enige jaren is het gebruik van zogenaamde dunnefilmtechnologie sterk in opkomst. In feite is de term een verzamelnaam voor verschillende niet-kristallijne zonnepanelen. Een belangrijke techniek is amorf silicium (a-Si), waarbij het silicium niet of slecht zeer gedeeltelijk een kristalstructuur heeft. Het voordeel van deze techniek is dat de laagjes silicium veel dunner kunnen worden gemaakt, en dat in de productie met relatief lage temperaturen wordt gewerkt. Amorf silicium is daarom goedkoper. Nadeel is echter dat het rendement nog achterblijft bij dat van kristallijn silicium.

Schakeling in serie

Een zonnepanelen levert meestal een spanning van enkele tientallen Volts. Om elektrische energie via stroomkabels te vervoeren, is het echter verstandig hogere voltages (spanningen) te gebruiken. Bij een hoge spanning gaat er minder energie verloren.

Om die reden is het gebruikelijk zonnepanelen onderling in serie te schakelen. Ieder paneel geeft zijn spanning als het ware door aan het volgende, die er zijn eigen spanning aan toevoegt. Een serie van tien panelen kan zo een spanning van honderden volts opbouwen.

Gelijkstroom gedraagt zich anders dan wisselstroom. Als een eenmaal gesloten gelijkstroomcircuit wordt onderbroken kan een zogenaamde ‘vlamboog’ ontstaan, die het stroomcircuit instant houdt. Een filmpje van een duidelijk zichtbare vlamboog in een elektrisch verdeelstation is te vinden op Youtube.

 

Omvormer

De spanning die een systeem zonnepanelen levert is in de meeste gevallen niet direct geschikt voor gebruik. Allereerst zijn de meeste huishoudelijke apparaten gemaakt voor gelijkspanning – hoewel een gewone gloeilamp ook prima brandt op gelijkstroom. Daarnaast zou het vervelend zijn als de fluctuaties in lichtinval doorwerkten in de aangesloten apparatuur. Zonnepanelen worden daarom doorgaans aangesloten op het lichtnet, dat een constante wisselspanning van 230 volt levert. De zonnestroom vormt dus een aanvulling op de stroom uit het lichtnet – en andersom.

Om op het lichtnet te worden aangesloten moet de gelijkspanning worden omgezet in  een constante wisselspanning van 230 volt. Dit gebeurt in een omvormer. De omvormer zet de gelijkspanning eerst om in een sinusvormige wisselspanning. Deze wisselspanning wordt vervolgens getransformeerd naar een spanning die iets boven de lokale netspanning ligt. Dit om te zorgen dat de zonnestroom daadwerkelijk in het net wordt ‘teruggeleverd’.

 

MPP-tracker

Een belangrijke functie van de omvormer is het bepalen van de maximale verhouding tussen stroom en spanning, het Maximal Power Point (MPP). Een gewoon zonnepaneel bouwt bij helder weer een openklemspanning (Voc) op van ongeveer 35 volt. Bij gesloten circuit neemt deze spanning echter af, afhankelijk van de weerstand van de aangesloten apparatuur. Apparatuur met een erg lage weerstand kan dus weliswaar een hoge stroom trekken, maar de spanning neemt dan zo sterk af dat het geleverde vermogen (immers het product van stroom en spanning) niet veel meer voorstelt. De optimale verhouding tussen stroom en spanning is voor elk type paneel verschillend, en wordt in een grafiek weergegeven.  Een goede omvormer weet dit MPP snel te vinden. Sommige omvormers zijn tegenwoordig uitgerust met meerdere MPP-trackers, waardoor systemen met verschillende orientatie of hellingshoek toch op één omvormer kunnen worden aangesloten