Fotovoltaïsche zonne-energie

Fotovoltaïsche zonne-energie

Fotovoltaïsche zonne-energie (PV) is een methode om elektrische energie op te wekken door zonne-energiestraling om te zetten in gelijkstroom elektrisch vermogen met behulp van halfgeleiders die het fotovoltaïsche effect vertonen. Zonne-PV-energie is zowel een hernieuwbare als een duurzame energiebron. Zonne-PV-energie is nu de derde belangrijkste hernieuwbare energiebron na waterkracht- en windenergie in termen van wereldwijd geïnstalleerd vermogen. Zonnecellen, door wetenschappers ook wel fotovoltaïsche cellen genoemd, zetten zonne-energie direct om in elektriciteit. PV dankt zijn naam aan het proces waarbij licht (fotonen) wordt omgezet in elektriciteit (spanning), dat het 'fotovoltaïsche (PV) effect' wordt genoemd. Het PV-effect verwijst naar fotonen van licht die elektronen in een hogere energietoestand brengen, waardoor ze kunnen fungeren als ladingsdragers voor een elektrische stroom. Het PV-effect werd voor het eerst waargenomen door Alexandre-Edmond Bequerel in 1839. De term fotovoltaïsch duidt de zuivere bedrijfsmodus van een fotodiode aan waarbij de stroom door het apparaat volledig te wijten is aan de getransduceerde lichtenergie. Vrijwel alle fotovoltaïsche apparaten zijn een soort fotodiode. Het PV-effect van silicium (een element dat in zand wordt gevonden) werd ontdekt in 1954, toen wetenschappers van Bell Telephone ontdekten dat silicium een ​​elektrische lading creëerde bij blootstelling aan zonlicht.

Zonne-energie is de meest voorkomende energiebron op aarde. Directe omzetting van zonne-energie in elektrische energie in PV-cellen is een van de drie actieve zonne-technologieën. De andere twee technologieën zijn ‘concentrating solar power (CSP)’ en ‘solar thermal collectors for heating and cooling (HSC)’. Tegenwoordig levert PV meer dan 0,1% van de totale wereldwijde energieopwekking. Het heeft ook een veelbelovende toekomst. De wereldwijde PV-capaciteit neemt sinds 2000 met een gemiddelde jaarlijkse groei van meer dan 40% toe en heeft een aanzienlijk potentieel voor groei op lange termijn in de komende jaren. Zonne-PV-energie is een commercieel beschikbare betrouwbare technologie voor stroomopwekking. Fotovoltaïsche zonne-energie draagt ​​niet alleen bij aan een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van broeikasgassen, maar biedt ook voordelen op het gebied van de continuïteit van de energievoorziening en sociaaleconomische ontwikkeling. Vanwege de groeiende vraag naar hernieuwbare energiebronnen is de productie van zonnecellen en fotovoltaïsche cellen de afgelopen jaren aanzienlijk gevorderd.

Zonnecellen produceren gelijkstroom uit zonlicht dat kan worden gebruikt om apparatuur van stroom te voorzien of om een ​​batterij op te laden. De eerste praktische toepassing van fotovoltaïsche energie was om satellieten en andere ruimtevaartuigen van stroom te voorzien, maar tegenwoordig worden de meeste fotovoltaïsche modules gebruikt voor op het elektriciteitsnet aangesloten stroomopwekking. In dit geval wordt een omvormer gebruikt om de gelijkstroom (DC) om te zetten in wisselstroom (AC).

Zonnepanelen die worden gebruikt voor het opwekken van stroom worden meestal gemaakt van zonnecellen die zijn gecombineerd tot modules die ongeveer 40 cellen bevatten. Veel zonnepanelen vormen samen een systeem dat een zonnepaneel wordt genoemd. Koperen zonnekabels verbinden modules (modulekabel), arrays (arraykabel) en subvelden. Een typisch gebouw zal ongeveer 10 tot 20 zonnepanelen gebruiken om aan zijn stroombehoeften te voldoen. Voor grote elektriciteits- of industriële toepassingen zijn honderden zonnepanelen met elkaar verbonden om een ​​grootschalig PV-systeem te vormen.

Voor de beste prestaties streven zonne-PV-panelen ernaar om de tijd dat ze naar de zon kijken te maximaliseren voor een hogere stroomopwekking. Zonnetrackers bereiken dit door PV-panelen te verplaatsen om de zon te volgen. Hierdoor kunnen ze het meeste zonlicht opvangen. De stijging kan in de winter oplopen tot 20% en in de zomer tot 50%. Statisch gemonteerde systemen kunnen worden geoptimaliseerd door analyse van het zonnepad. Panelen zijn vaak ingesteld op breedtegraad kantelen, een hoek die gelijk is aan de breedtegraad, maar de prestaties kunnen worden verbeterd door de hoek aan te passen voor het zomerseizoen en het winterseizoen. Over het algemeen verminderen, net als bij andere halfgeleiderapparaten, temperaturen boven kamertemperatuur de prestaties van fotovoltaïsche cellen.

Zonnecel bestaat uit lagen van een halfgeleidend materiaal. Als er licht op de cel schijnt, ontstaat er een elektrisch veld over de lagen, waardoor er elektriciteit gaat stromen. Hoe groter de intensiteit van het licht, hoe groter de stroom van elektriciteit. Maar een PV-systeem kan ook op bewolkte dagen elektriciteit opwekken. Het heeft geen fel zonlicht nodig om te werken. De prestatie van een zonnecel wordt gemeten in termen van efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Een PV-module op zonne-energie met een efficiëntie van 12,5% betekent dat deze een achtste van het zonlicht dat op de module valt, omzet in elektriciteit.

Het fotovoltaïsche vermogen wordt gemeten als het maximale uitgangsvermogen onder gestandaardiseerde testomstandigheden (STC) in 'Wp' (Wattpiek). Het werkelijke vermogen op een bepaald tijdstip kan kleiner of groter zijn dan deze gestandaardiseerde of 'nominale' waarde, afhankelijk van de geografische locatie, het tijdstip van de dag, de weersomstandigheden en andere factoren. De plant load factor (PLF) van fotovoltaïsche zonnepanelen is doorgaans minder dan 25%, wat lager is dan bij veel andere industriële elektriciteitsbronnen.

Zonne-PV-cellen

Traditionele zonnecellen worden gemaakt van silicium. Ze zijn meestal vlakke plaat en zijn over het algemeen het meest efficiënt. Cellen hebben bescherming tegen de omgeving nodig en zijn meestal stevig verpakt achter een glasplaat. Fotovoltaïsche technologie maakt gebruik van de volgende soorten zonnecellen.

• Kristallijn-silicium zonnecel - Dit zijn de meest efficiënte zonnecellen en zijn gemaakt van 'solar grade silicium'. Deze technologie werd eerst ontwikkeld en vertegenwoordigt tegenwoordig de meeste toepassingen in zonnepanelen. De cellen zijn gemaakt van dunne schijfjes (wafels) gesneden uit een enkel kristal van silicium (monokristallijn silicium c-Si) of uit een blok siliciumkristallen (poly- of multikristallijn silicium poly-Si of mc-Si). Eenkristalwafelcellen zijn meestal duur omdat ze uit cilindrische blokken worden gesneden. Ze dekken een vierkante zonnecelmodule niet volledig af zonder een aanzienlijke verspilling van geraffineerd silicium. Gewoonlijk zijn er onbedekte openingen in de vier hoeken van de cellen gemaakt van eenkristal. Poly- of multikristallijne siliciumcellen zijn gemaakt van gegoten vierkante blokken die grote blokken gesmolten silicium zijn die zorgvuldig worden gekoeld en gestold. Poly-Si-cellen zijn minder duur om te produceren dan monokristallijne siliciumcellen, maar zijn minder efficiënt.
• Dunnefilm-zonnecel – Dit zijn zonnecellen van de tweede generatie en worden gemaakt door extreem dunne lagen fotogevoelige materialen aan te brengen op een goedkope ondergrond zoals glas, roestvrij staal of plastic. De gebruikte fotogevoelige materialen zijn amorf silicium en niet-silicium materialen zoals cadmiumtelluride (Cd-Te), koper indium gallium selenide/sulfide (CIGS). Dunne-filmzonnecellen gebruiken lagen halfgeleidermateriaal van slechts enkele micrometers dik. De lagere productiekosten compenseren de lagere efficiëntie van deze technologie. Ze zijn populair geworden in vergelijking met wafer-silicium vanwege lagere kosten en voordelen, waaronder flexibiliteit, lichtere gewichten en gemakkelijke integratie. Een typisch fabricageproces voor dunne films omvat (i) het coaten van het substraat met een transparante geleidende laag, (ii) het afzetten van de actieve laag door verschillende technieken zoals chemische/fysische dampafzetting, (iii) metallisatie aan de achterkant (contacten) met behulp van laser schrijven of traditionele zeefdruk, en (iv) inkapseling in een glazen polymeer omhulsel. Roll-to-roll-technieken worden vaak gebruikt bij flexibele substraten om de productietijd en -kosten te verminderen.

• Andere celtypes - Verschillende andere soorten PV-technologieën worden momenteel ontwikkeld of worden gecommercialiseerd. Dit zijn zonnecellen van de derde generatie die worden gemaakt van verschillende nieuwe materialen, waaronder zonne-inkten met behulp van conventionele drukperstechnologieën, zonnekleurstoffen en geleidende kunststoffen. Sommige nieuwe zonnecellen gebruiken plastic lenzen of spiegels om zonlicht te concentreren op een heel klein stukje hoogrenderend PV-materiaal. Het PV-materiaal is duurder, maar omdat er zo weinig nodig is, worden deze systemen kosteneffectief voor gebruik door nutsbedrijven en de industrie. Omdat de lenzen echter op de zon gericht moeten zijn, is het gebruik van concentrerende collectoren beperkt tot die delen die het zonnigst zijn.

Het conversierendement van verschillende technologieën is weergegeven in Tab 1. De levensduur van een PV-zonnecel is 25 jaar. De efficiëntie en daarmee de stroomopwekking verslechtert echter met de tijd. De verslechtering is 10% in de eerste tien jaar en nog eens 10% in de volgende 15 jaar.

Toepassingen van fotovoltaïsche zonne-energie

Zonne-PV-systemen kunnen op daken worden geïnstalleerd of op de grond worden gemonteerd. Dit kunnen elektriciteitscentrales zijn die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten of off-gridsystemen zijn. Door aansluiting op het net kan overtollig geproduceerde stroom worden overgedragen aan het net en stroom importeren wanneer er geen stroom wordt opgewekt omdat er geen zon is. Off-grid systemen brengen elektriciteit naar afgelegen gebieden. Off-grid systemen kunnen ook worden gebruikt voor landelijke elektrificatie. Zonne-PV kan ook worden gebruikt voor consumptiegoederen. Schema's van een zonne-PV-installatie wordt getoond in Fig 1.

Fig 1 Schema's van een zonne-PV-installatie

Voordelen van fotovoltaïsche zonne-energie

• Zonlicht dat het aardoppervlak bereikt, is overvloedig en heeft het potentieel om de primaire energiebron van de wereld te worden.
• Zonne-energie is vrij van vervuiling tijdens gebruik.
• PV-installaties hebben een lange levensduur met zeer weinig onderhoud.
• De bedrijfskosten van de PV-installaties zijn extreem laag.
• Op het net aangesloten zonne-elektriciteit kan lokaal worden gebruikt, waardoor transmissie-/distributieverliezen worden verminderd.

Nadelen van fotovoltaïsche zonne-energie

• De initiële investering is hoog.
• Heeft een grote ruimte nodig
• Er is geen stroomopwekking als er geen zonlicht beschikbaar is
• De maximale installatiegrootte voor op het elektriciteitsnet aangesloten elektriciteitscentrales is beperkt tot 10 MW.