Zonne-energie (PV): Schone, Betrouwbare Energie voor een Duurzame Toekomst

Zonne-energie (PV)

Zonne-energie (PV) is een methode om elektriciteit op te wekken door zonnestraling om te zetten in gelijkstroom elektriciteit met behulp van halfgeleiders die het fotovoltaïsch effect vertonen. Zonne-energie (PV) is een hernieuwbare en duurzame energiebron. Zonne-energie (PV) is nu de derde belangrijkste hernieuwbare energiebron na waterkracht en windenergie in termen van wereldwijd geïnstalleerde capaciteit. Zonnecellen, ook wel fotovoltaïsche cellen genoemd door wetenschappers, zetten zonnenergie direct om in elektriciteit. PV krijgt zijn naam van het proces van het omzetten van licht (fotonen) in elektriciteit (spanning), wat het 'fotovoltaïsche (PV) effect' wordt genoemd. Het PV-effect verwijst naar fotonen van licht die elektronen in een hogere energietoestand brengen, waardoor ze als ladingsdragers voor een elektrische stroom kunnen fungeren. Het PV-effect werd voor het eerst waargenomen door Alexandre-Edmond Becquerel in 1839. De term fotovoltaïsch duidt op de onbevooroordeelde werkmodus van een fotodioda waarin de stroom door het apparaat volledig te wijten is aan de getransduceerde lichtenergie. Practisch alle fotovoltaïsche apparaten zijn een of ander type fotodioda. Het PV-effect van silicium (een element dat in zand voorkomt) werd in 1954 ontdekt, toen wetenschappers bij Bell Telephone ontdekten dat silicium een elektrische lading creëerde wanneer het aan zonlicht werd blootgesteld.

Zonne-energie: Meest Rijke Bron

Zonne-energie is de meest abundante energiebron op aarde. Directe omzetting van zonnenergie in elektriciteit in PV-cellen is een van de drie actieve zonne-technologieën. De andere twee technologieën zijn 'geconcentreerde zonne-energie (CSP)' en 'zonne-thermische collectors voor verwarming en koeling (HSC)'. Vandaag de dag levert PV meer dan 0,1% van de totale mondiale energieopwekking. Het heeft ook een veelbelovende toekomst. De mondiale PV-capaciteit neemt toe met een gemiddelde jaargroei van meer dan 40% sinds 2000 en heeft significant potentieel voor lange termijngroei in de komende jaren. Zonne-energie (PV) is een commercieel beschikbare, betrouwbare technologie voor energieopwekking. Zonne-energie (PV) draagt niet alleen bij aan significante reducties in broeikasgasuitstoot, maar biedt ook voordelen in termen van energieveiligheid en sociaal-economische ontwikkeling. Vanwege de groeiende vraag naar hernieuwbare energiebronnen is de productie van zonnecellen en fotovoltaïsche systemen in de laatste jaren aanzienlijk gevorderd.

Toepassingen en Systemen

Zonnecellen produceren gelijkstroom elektriciteit uit zonlicht die kan worden gebruikt om apparatuur aan te sturen of om een batterij op te laden. De eerste praktische toepassing van fotovoltaïsche systemen was om satellieten en andere ruimtevaartuigen te voeden, maar vandaag de dag wordt de meerderheid van fotovoltaïsche modules gebruikt voor netgekoppelde energieopwekking. In dit geval wordt een omvormer gebruikt om de gelijkstroom (DC) om te zetten in wisselstroom (AC).

Zonnepanelen die voor energieopwekking worden gebruikt, zijn typisch gemaakt van zonnecellen gecombineerd in modules van ongeveer 40 cellen. Veel zonnepanelen gecombineerd creëren een systeem dat een zonne-array wordt genoemd. Koperkabels verbinden modules (modulekabel), arrays (arraykabel) en sub-velden. Een typisch gebouw gebruikt ongeveer 10 tot 20 zonnepanelen om aan zijn energiebehoefte te voldoen. Voor grote elektriciteitsnutbedrijven of industriële toepassingen worden honderden zonne-arrays met elkaar verbonden om een grootschalig PV-systeem te vormen.

Optimalisatie van Prestaties

Voor optimale prestaties streven zonne-PV-panelen ernaar de tijd te maximeren dat zij de zon afkeren voor hogere energieopwekking. Zonnetrackers bereiken dit door PV-panelen te bewegen om de zon te volgen. Hierdoor kunnen ze het meest van het zonlicht vangen. De toename kan zo veel zijn als 20% in de winter en zo veel als 50% in de zomer. Statisch gemonteerde systemen kunnen worden geoptimaliseerd door analyse van de zonnebaan. Panelen worden vaak ingesteld op breedtegraad-helling, een hoek gelijk aan de breedtegraad, maar de prestaties kunnen worden verbeterd door de hoek aan te passen voor het zomer- en winterseizoen. Over het algemeen, zoals bij andere halfgeleiderapparaten, verminderen temperaturen boven kamertemperatuur de prestaties van fotovoltaïsche cellen.

Werking van Zonnecellen

Een zonnecel bestaat uit lagen van een halfgeleidermateriaal. Wanneer licht op de cel valt, creëert het een elektrisch veld over de lagen, waardoor elektriciteit stroomt. Hoe groter de intensiteit van het licht, hoe groter de stroom van elektriciteit. Een PV-systeem kan echter ook elektriciteit opwekken op bewolkte dagen. Het heeft geen helder zonlicht nodig om te functioneren. De prestaties van een zonnecel worden gemeten in termen van efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Een zonne-PV-module met een efficiëntie van 12,5% betekent dat het een achtste deel van het zonlicht dat de module raakt in elektriciteit omzet.

Fotovoltaïsch vermogen wordt gemeten als maximum vermogensuitgang onder gestandaardiseerde testcondities (STC) in 'Wp' (Watt-piek). De daadwerkelijke vermogensuitgang op een bepaald moment in de tijd kan lager of hoger zijn dan deze gestandaardiseerde of 'nominale' waarde, afhankelijk van geografische locatie, tijdstip, weersomstandigheden en andere factoren. De Anlagenutzungsgrad (PLF) van zonne-PV-arrays is typisch minder dan 25%, wat lager is dan veel andere industriële bronnen van elektriciteit.

Typen Zonne-PV Cellen

Traditionele zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Ze zijn meestal vlakke platen en over het algemeen de meest efficiënte. Cellen hebben bescherming nodig tegen de omgeving en worden meestal stevig verpakt achter een glasplaat. Fotovoltaïsche technologie gebruikt de volgende typen zonnecellen:

• Kristallijne silicium zonnecel – Dit zijn de meest efficiënte zonnecellen en zijn gemaakt van 'zonnegraad silicium'. Deze technologie werd als eerste ontwikkeld en vertegenwoordigt vandaag de dag de meerderheid van de toepassingen in zonnepanelen. De cellen zijn gemaakt van dunne plakjes (wafers) gesneden uit een enkel kristal van silicium (monokristallijn silicium c-Si) of uit een blok van siliciumkristallen (poly- of multikristallijn silicium poly-Si of mc-Si). Enkelkristal wafercellen zijn duurder omdat ze uit cilindrische lingoten worden gesneden. Ze bedekken een vierkante zonnecelmodule niet volledig zonder een aanzienlijke verspilling van geraffineerd silicium. Meestal zijn er onbedekte gaten in de vier hoeken van cellen gemaakt van enkelkristal. Poly- of multikristallijne siliciumcellen worden gemaakt van gegoten vierkante lingoten, grote blokken gesmolten silicium die zorgvuldig worden gekoeld en verstold. Poly-Si cellen zijn goedkoper te produceren dan enkelkristallijne siliciumcellen, maar minder efficiënt.
• Dunne-film zonnecel – Dit zijn tweedegeneratie zonnecellen en worden gemaakt door het aanbrengen van extreem dunne lagen van lichtgevoelige materialen op een goedkope ondergrond zoals glas, roestvrij staal of plastic. De lichtgevoelige materialen die worden gebruikt zijn amorfs silicium en niet-silicium materialen zoals cadmiumtelluride (Cd-Te), koper-indium-gallium-selenide/sulfide (CIGS). Dunne-film zonnecellen gebruiken lagen van halfgeleidermaterialen van slechts enkele micrometers dik. De lagere productiekosten compenseren de lagere efficiëntie van deze technologie. Ze zijn populairder geworden vergeleken met wafer-silicium door lagere kosten en voordelen zoals flexibiliteit, lichter gewicht en gemakkelijke integratie. Een typisch dunne-film productieproces omvat (i) coating van het substraat met een transparante geleidende laag, (ii) afscheiding van de actieve laag door verschillende technieken zoals chemische/fysieke dampafscheiding, (iii) achterzijde metallisatie (contacten) met laserscriberen of traditioneel schermprinten, en (iv) encapsulatie in een glas-polymer behuizing. Rol-naar-rol technieken worden vaak gebruikt met flexibele substraten om productietijd en -kosten te reduceren.
• Overige celtypes – Verscheidene andere typen PV-technologieën worden vandaag ontwikkeld of beginnen gecommercialiseerd te worden. Dit zijn derdegene zonnecellen die gemaakt worden van diverse nieuwe materialen waaronder zonne-inkt met conventionele drukpers-technologieën, zonne-kleurstoffen en geleidende kunststoffen. Sommige nieuwe zonnecellen gebruiken plastic lenzen of spiegels om zonlicht te concentreren op een heel klein stukje hoog-efficiënt PV-materiaal. Het PV-materiaal is duurder, maar omdat er zo weinig nodig is, worden deze systemen kosteneffectief voor gebruik door nutbedrijven en industrie. Echter, aangezien de lenzen naar de zon moeten wijzen, is het gebruik van concentrerende collectors beperkt tot de zonrijkste gebieden.

De conversie-efficiëntie van verschillende technologieën is gegeven in Tabel 1. De levensduur van een zonne-PV-cel is 25 jaar. Echter, de efficiëntie en dus de energieopwekking verslechtert met de tijd. De verslechtering is 10% in de eerste tien jaar en nog eens 10% in de volgende 15 jaar.

Toepassingen van Zonne-PV Energie

Zonne-PV-systemen kunnen op daken worden geïnstalleerd of op de grond gemonteerd. Deze kunnen netgekoppelde elektriciteitscentrales zijn of off-grid systemen. Aansluiting op het net stelt overtollige productie in staat om naar het net te worden overgedragen en stroom te importeren wanneer er geen stroom wordt gegenereerd omdat er geen zon is. Off-grid systemen brengen elektriciteit naar afgelegen gebieden. Off-grid systemen kunnen ook gebruikt worden voor landelijke elektrificatie. Zonne-PV kan ook gebruikt worden voor consumentengoederen. Schema van een zonne-PV-centrale is weergegeven in Fig 1.

Fig 1 Schema van een zonne-PV-centrale

Voordelen van Zonne-PV Energie

• Zonlicht dat de aardoppervlakte bereikt is overvloedig en heeft het potentieel om de primaire energiebron van de wereld te worden.
• Zonne-energie is vervuilingvrij tijdens gebruik.
• PV-installaties hebben een lange levensduur met heel weinig onderhoud.
• Exploitatiekosten van PV-installaties zijn extreem laag.
• Netgekoppelde zonne-elektriciteit kan lokaal worden gebruikt, wat transport-/distributieverliezen vermindert.

Nadelen van Zonne-PV Energie

• De initiële investering is hoog.
• Heeft een grote ruimte nodig.
• Er is geen energieopwekking wanneer zonlicht niet beschikbaar is.
• De maximale installatiegrootte voor netgekoppelde elektriciteitscentrales is beperkt tot 10 MW.