Alles over energie en milieu in het dagelijks leven

Hoe werken zonnepanelen

De zon stuurt een oneindige hoeveelheid energie naar de aarde. Zonnepanelen zetten een beetje van die energie om in stroom. Hieronder lees je hoe dat kan.

Al in 1839 ontdekte de Franse natuurkundige Becquerel dat het mogelijk is om elektriciteit op te wekken uit zonlicht. Dit heet het photovoltaïsch effect. In de meeste systemen wordt hiervoor silicium (een halfgeleider) gebruikt. Energie van de zon kan elektronen losmaken in het silicium. Hierdoor ontstaat spanning in een zonnecel. Door meerdere zonnecellen achter elkaar te schakelen in een zonnepaneel kan er stroom gaan lopen. Voor het opwekken van stroom hebben zonnepanelen niet per se direct zonlicht nodig. Ook op een bewolkte dag levert een zonnecel elektriciteit.

Schaduw: ketting zo sterk als zwakste schakel

De rondlopende stroom is ook de reden waarom schaduw de opbrengst van een set zonnepanelen verlaagt. In de cel waarop schaduw valt zal minder stroom lopen, waardoor de elektronen niet meer rondlopen. Zo is in een seriegeschakeld systeem de stroomketen in feite zo productief als zijn beschaduwde schakel. Om dit opbrengstverlies te verminderen hebben panelen bypass diodes, die de beschaduwde cel tijdelijk 'overslaan'. Door gebruik van de bypass diode neemt de opbrengst van het zonnepanelensysteem af. Een systeem heeft meestal drie bypass diodes. Per bypass diode wordt éénderde van het systeem uitgeschakeld, en heb je dus een derde minder opbrengst. Je kunt schaduw dus het beste vermijden!

Als het echt niet anders kan en je van tevoren weet dat er schaduw op de zonnepanelen zal vallen, kun je micro-omvormers gebruiken. Daarbij heeft ieder paneel zijn eigen omvormer en zorgt een beschaduwd paneel er niet voor dat het gehele systeem minder produceert. Een systeem met micro-omvormers is duurder. Een andere oplossing voor deze situatie is om MPP (Maximum Power Point)-trackers (ook wel ‘power optimizers’ genoemd) aan elk afzonderlijk paneel te koppelen. Dat is een klein kastje dat ervoor zorgt dat dat de stroom en de spanning van het zonnepaneel een optimale verhouding houden. Zo wordt de opbrengst van het paneel maximaal benut. Soms zijn power optimizers geïntegreerd ín het paneel. Ze zijn meestal goedkoper dan micro-omvormers.

Uiterlijk huis belangrijk? Overweeg dummypanelen

Rond een schoorsteen, rookkanaal en dakkapel kun je ook een dummypaneel leggen. Zo'n paneel ziet eruit als een zonnepaneel maar levert geen stroom. Dummypanelen zorgen voor een rustiger beeld op je dak, zodat de zonnepanelen minder opvallen. Kijk voor meer tips en foto's op Hoe leg ik zonnepanelen mooi neer.

Watt? Watt-piek!

Net als bij alle elektrische apparaten staat ook het vermogen van zonnepanelen uitgedrukt in watt. De productie van elektriciteit is niet gelijkmatig doordat de hoeveelheid zonlicht steeds verandert. Daarom staat bij zonnepanelen het maximale vermogen aangegeven: watt-piek (wp). Dit vermogen wordt vastgesteld in een testomgeving bij een standaardtemperatuur en -belichting.

Bij het berekenen van de werkelijke opbrengst, gebruiken installateurs software programma's om de waarden voor Nederlandse omstandigheden te combineren met de hellingshoek en windrichting van het paneel.

Zwart, blauw, dunne film

De meeste zonnepanelen op de Nederlandse markt zijn van monokristallijn silicium (zwarte panelen) of polykristallijn silicium (blauwe panelen). De verdeling is ongeveer half om half. De opbrengst van blauwe en zwarte panelen is in de praktijk ongeveer gelijk. Veel mensen kiezen voor zwarte panelen omdat ze die mooier vinden. Blauwe panelen zijn meestal iets goedkoper. Er bestaan ook panelen in andere kleuren (brons groen of paars). De opbrengst van deze gekleurde panelen is een tiende tot een kwart lager dan van gangbare panelen.

Naast de bovengenoemde typen panelen gebruikt minder dan 5 procent van de panelen op de Nederlandse markt dunnefilmtechniek. Het voordeel van deze panelen is dat ze meestal flexibel zijn waardoor ze gemakkelijker geïntegreerd kunnen worden in het dak en ook op oppervlaktes kunnen worden geplaatst waar geen panelen op zouden kunnen worden geplaatst, zoals muren. Ook zijn dunnefilm panelen goed in staat om indirect licht in stroom om te zetten. Ze zijn minder afhankelijk van de hoek waaronder het licht invalt. De panelen leveren bij bewolkte hemel en op daken met een minder ideale hellingshoek daarom relatief meer stroom op dan PV-panelen op basis van kristallijne silicium. Per vierkante meter zijn deze panelen goedkoper maar hun opbrengst per vierkante meter is nog beduidend lager dan de bovenstaande technieken. Hierdoor zijn de polykristallijne silicium panelen financieel gezien vooralsnog interessanter. Van de toekomstige ontwikkeling van deze dunnefilm techniek wordt veel verwacht.

Hogere temperatuur: lagere opbrengst

Bij hogere temperaturen wordt de opbrengst van zonnepanelen lager. Voor iedere 10 graden temperatuurstijging daalt de stroomopbrengst met ongeveer 5 procent. Het is daarom van belang dat er lucht achter de panelen langs kan stromen, zodat de temperatuur niet te hoog oploopt. Ook de omvormer moet niet te warm worden. Hoe meer licht op de panelen valt, hoe warmer de omvormer. Wanneer de omvormer te warm wordt, daalt zijn efficiëntie. Bij het kiezen van de plek van de omvormer moet dus ook worden gelet op voldoende vrije luchtstroom rond de omvormer.

Vermogen neemt geleidelijk iets af

In de loop van de tijd neemt de opbrengst van zonnepanelen licht af. Ieder jaar wordt ongeveer een half procent minder stroom opgewekt. Na 25 jaar is het rendement van de zonnepanelen dus zo'n 12,5 procent lager dan in het eerste jaar. Hiermee is rekening gehouden in de berekeningen van de kosten en baten van zonnepanelen.

Als je van tevoren weet dat er schaduw op een deel van je zonnepanelen zal vallen, kun je micro-omvormers gebruiken.

Omvormer: hart van het systeem

De omvormer zet de gelijkstroom van de zonnepanelen om in de wisselstroom van het elektriciteitsnet. Een omvormer heeft één of meer Maximum Power Point Trackers (MPPTs), die er voor zorgen dat het systeem zo veel mogelijk stroom produceert bij de lichtintensiteit en temperatuur van dat moment. Om opbrengstverliezen te beperken kan de omvormer het beste dicht bij de panelen geplaatst worden. De omvormer maakt een licht zoemend geluid, dat als storend kan worden ervaren.

Zonnepanelen worden in serie op een omvormer aangesloten. Bij grotere systemen kunnen meer serieschakelingen (strings) worden aangesloten op een zogenoemde stringomvormer. Als je van tevoren weet dat er schaduw op zal vallen, kun je micro-omvormers gebruiken. Daarbij heeft ieder paneel zijn eigen omvormer en zorgt een beschaduwd paneel er niet voor dat het gehele systeem minder produceert. Een systeem met micro-omvormers is duurder.

Na drie jaar al milieuwinst

Door zelf zonne-energie op te wekken help je het klimaat te beschermen. Bij het opwekken van elektriciteit in een zonnepaneel komen namelijk geen milieuvervuilende stoffen of broeikasgassen vrij.

Wel is er voor de productie van de panelen energie nodig uit fossiele brandstoffen en daarbij komt CO2 vrij. Maar na 3 jaar elektriciteitsproductie heeft een zonnesysteem net zoveel energie opgewekt, als er nodig was bij de productie van het systeem. Zonnepanelen gaan zeker 25 jaar mee; de rest van de 22 productieve jaren is elke opgewekte kWh netto milieuwinst.

Aan de belangrijkste grondstof van gangbare zonnecellen, silicium, zal geen tekort ontstaan: het is het hoofdbestanddeel van zand en komt overal op aarde voor. Een ander belangrijk bestanddeel is zilver dat wordt gebruikt in de contactpunten om de stroom te geleiden. De hoeveelheid zilver die nodig is voor de productie van zonnecellen kan in de toekomst voor problemen zorgen naarmate de productie van zonnepanelen toeneemt.

Opbrengst van zonnepanelen verschilt per maand

Door het jaar heen verschilt de opbrengst van zonnepanelen flink. Dit heeft te maken met het verschil in stralingsintensiteit per maand. Zonnestraling in de zomer is sterker dan in de winter en heeft daardoor een hogere stralingsintensiteit. Zonuren in de zomer dragen daarom meer bij aan de opbrengst van zonnepanelen dan de zonuren in de winter.

Onderstaande grafiek toont hoeveel er per maand wordt opgewekt van de totale jaaropbrengst van zonnepanelen.

1573-graphicVerdeling03.png

Opbrengst van zonnepanelen: regionale verschillen

Ook regionaal zijn er duidelijk verschillen in opbrengst van zonnepanelen. De zonne-instraling is namelijk niet overal in Nederland hetzelfde. In het westen van Nederland is de zonne-instraling intensiever dan in het oosten van Nederland. De regionale verschillen in zonnestroomopbrengst kunnen wel tot 10 procent oplopen. Zie onderstaand kaartje voor de regionale verschillen in zonne-instraling (hoe donkerder, hoe meer zonne-instraling). 

Plattegrond van Nederland. Overzicht jaarlijkse hoeveelheid zonnestraling.

Bron: KNMI

Nieuwe technieken

Er vindt veel onderzoek plaats naar het verbeteren van zonnepanelen. Zo zou de opbrengst groter kunnen zijn als er minder verlies van zonlicht optreedt door reflectie op het zonnepaneel. Onderzoek naar anti-reflectietechnieken, oppervlaktestructuren en absorptie van licht moeten die verliezen in de toekomst tegengaan.

Zonnecellen met nanodeeltjes die voor een verbeterde lichtindringing zorgen zijn in een experimenteel stadium van ontwikkeling. In laboratoria wordt verder geëxperimenteerd met organische en polymere cellen.

Voor de lange termijn worden PV-systemen met een potentieel vermogen van 200-300 Wp per m2 voorzien. De dunnefilmtechnieken zouden mogelijk over tien tot twintig jaar slechts een fractie kosten van de huidige kristallijne panelen, onder meer omdat er veel minder grondstof (waaronder silicium) voor nodig is.

Terug naar boven