Theorie van zonnepanelen
De zon is een onuitputtelijke bron van energie en is schoon. Er is genoeg zonlicht om alle elektriciteit op te wekken die nodig is.
Zonne-energie wordt toegepast in de ruimtevaart maar tegenwoordig wordt het toegepast in alle mogelijke toepassingen zoals in huizen, gebouwen, rekenmachines, telefoontoestellen, lichtboeien, waterpompen, zomerhuisjes en kampeerwagens.
Het proces waarmee een zonnecel zonne-energie omzet in elektriciteit, wordt ook wel fotovoltache omzetting of vaak in het kort PV genoemd. De meeste zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Dit silicium bevat twee lagen, de zogenoemde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische bewerkingen. 
Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het tussenvlak die te vergelijken is met de plus (+) en de min (-) van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken wordt er een elektrische stroom opgewekt. Voor dit proces is niet altijd de felle zon nodig, ook op een bewolkte dag kan een zonnecel elektriciteit leveren.
Voor de huidige toepassingen van zonnecellen wordt als basis silicium gebruikt. De volgende drie verschillende typen cellen worden toegepast:
- Monokristallijn silicium zonnecellen zijn gemaakt van siliciumplakken die uit een groot donkerblauw monokristal zijn gezaagd. Dit is een kostbaar en tijdrovend proces.
- Multikristallijn silicium zonnecellen worden gegoten, zijn goedkoper en zijn eenvoudiger te maken dan monokristallijn silicium zonnecellen maar het rendement is lager
- Amorf silicium cellen worden opgedampt op een ondersteunend materiaal. De opbrengst is niet zo hoog maar ze zijn zeer bruikbaar voor bijvoorbeeld rekenmachines.
De kosten kunnen omlaag gebracht worden door minder silicium te gebruiken en door het productieproces te vereenvoudigen.
PV-systemen
Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnecel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 24 Volt. In een paneel zijn de cellen tegen regen en wind beschermd. Meer zonnepanelen worden tot een compleet systeem gekoppeld inclusief kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. Ze kunnen gebruikt worden voor netgekoppelde PV-systemen of voor autonome PV-systemen.
De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van de hellingshoek van het paneel en de richting waarin het paneel staat. De opbrengst is optimaal (100%) wanneer het paneel een hellingshoek heeft van 36 en gericht is op het zuiden.
(maar vanwege materiaalbesparing / gewicht en stormbeveiliging gaat men steeds meer over op 10-12 graden)
Een gangbaar zonnepaneel van 1 m heeft een piekvermogen van 100 Watt-piek. Dit is het maximale vermogen dat bij maximale zon-instraling en onder vastgestelde condities geleverd wordt. Een autonoom PV-systeem van 1 m levert ongeveer 40 kilowatt-uur per jaar. Netgekoppelde PV- systemen levert ongeveer 80 kilowatt-uur per jaar. Het gebruik van een netgekoppeld PV-systeem van 4 m komt ongeveer overeen met 10% van het gemiddeld huishoudelijk elektriciteitsgebruik of met het verbruik van een koelkast.
Het verschil in opbrengst tussen de twee PV-systemen komt door het gebruik van de accu bij een autonoom PV-systeem. Wanneer de accu vol is worden de zonnepanelen uitgeschakeld zodat er geen zonlicht meer omgezet wordt in elektriciteit.
We vinden het vanzelfsprekend dat elektriciteit altijd beschikbaar is. We staan er vaak niet bij stil dat productie van elektriciteit uit steenkool of aardgas schade veroorzaakt aan ons milieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat een grote rol speelt in het broeikas effect. Het is een gas dat zelfs tot veranderingen in ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. En op lange termijn zullen deze brandstoffen opraken. De afhankelijkheid van deze brandstoffen zal ons op lange termijn kwetsbaar maken. Het gebruik van PV-systemen brengt geen uitstoot van schadelijke gassen en doet geen aanslag op de schaarse hulpbronnen. Zonne-stroom is schoon, stil en duurzaam.
Even rekenen
We verbruiken gemiddeld 400 watt gedurende een hele dag. 1m2 vangt in december om 12.00 uur 870 W en in juni 1000 W. Vanwege dag/nacht is het gemiddelde 110 W / m2. Het rendement van de cellen is 15 % = 18 W / m2. Je hebt dus 22 m2 nodig. Eén paneel is 1 x 1.65 (vaak) dus heb je 13 panelen nodig.
Om 3600 kWh te verkrijgen heb je 4200 Wp nodig. Tegenwoordig heb je panelen van 300 Wp dus heb je 4200/300 = 14 panelen nodig. Wp kost € 1,2 dus je hebt € 5100 nodig.
3600 kWh = 3600*1000*60*60 Joules = 12.900 MJ Daarnaast verbruiken we nog een 50.000 MJ aan koken, verwarmen, warm water. Vervang je op gas koken door elektrisch en verwarmen door een warmtepomp dan verbruik je 26.000 MJ.
Dus dat is samen 38.900 MJ = 10822 kWh = 45 zonnepanelen van 300 Wp.
Als je ook nog elektrisch wil rijden en alles mee wil nemen verbruik je gemiddeld 80.000 MJ per jaar = 22.222 kWH = 22.222 / 0,8 Wp = 27.778 Wp = 93 zonnepanelen van 300 Wp per persoon.
In laboratoria wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe PV-technologie. De dunne film zonnecel heeft een laag gewicht, is flexibel en vanwege het gebruik van minder silicium minder kostbaar. Verder zijn er organische cellen in ontwikkeling die gebruik maken van lichtabsorptie in organisch materiaal. Op deze manier probeert men de kosten van de zonne-cellen te reduceren.Rendementen (maar ze gaan richting 20 %)
monokristallijn 16 - 17 %
multikristallijn 15 %
amorf 6 - 9 %
CdTe 6 - 9 %
CIS 12 %
Meerdere panelen aan elkaar noemt men een string. Om van gelijkstroom wisselstroom te maken wordt een inverter gebruikt. het rendement is 91-95 %. De inverter bevat een voorziening om panelen in hun maximale vermogenspunt te belasten (=MPP maximale power point).
De opbrengst is de prestatiefactor * de jaarlijkse instraling (1100 W//m2) * het totale piekvermogen van de panelen samen (0,77 in NL) = 850 kWh / kWp.
Een meisje heeft een hele goedkope suntracker ontwikkeld op basis van het feit dat staal anders uitzet dan aluminium wanneer het aan warmte wordt blootgesteld. De tracker verbruikt geen elektriciteit.