E-Learning

Ga aan de slag. Succes !


1. Inleiding


Fotovoltaïsche installaties (PV-systemen) zetten zonne-energie direct om in elektriciteit door zogenaamde zonnecellen. De directe omzetting van zonlicht in stroom is misschien wel de meest elegante manier van onszelf te voorzien van elektrisch licht.
zon

Figuur 1: De zon een onuitputtelijke bron van energie

De zon, een gigantische energie-centrale aan de hemel met een opbrengst van 50 miljoen GW, levert ons per jaar circa 4,5 . 10 17 kWh energie. Dat is een getal met 17 nullen! En het komt overeen met het 15000-voudige van het primaire energiege­bruik van de hele aarde in dezelfde tijdspanne. Deze voor ons onuitputtelijke energiebron kan technisch op vele manieren worden gebruikt en kan theoretisch al onze behoeften dekken.

Daarnaast is de zon verantwoordelijk voor het leven op aarde. Zij zorgt niet alleen voor de noodzakelijke temperatuur, de wind en de kringloop van het water, doch zij levert de energie waarmee groene planten uit kooldioxide en water de basisbouwstof van het leven: suiker, opwekken. Suiker is de grondslag van alle plant­aardige en dierlijke bouw- en brandstoffen.

Ook onze fossiele energiedragers zoals aardolie, steenkolen en aardgas zijn niets anders dan opgeslagen zonne-energie - een reserve die zich in miljoenen jaren diep in de aarde heeft opge­hoopt. Zij wordt op dit moment echter, zonder dat men erbij na­denkt, vernield, waardoor onze biosfeer zodanig bedreigd wordt dat we het gevaar lopen dat we onze blauwe planeet in een woes­tijn te veranderen.

De stroom uit een PV-systeem (de kosten van paneel en toebehoren meegerekend) is duurder dan de 'conventionele' stroom die de energiebedrijven leveren. Daar staat tegenover dat men investeert in een schoner milieu. Per PV-systeem met een paneeloppervlak van 1 m2 wordt er per jaar 42 kg tot 56 kg minder CO2 uitgestoten in de atmosfeer (afhankelijk van de hoeveelheid zonlicht per jaar). Dit vermindert dus het broeikaseffect want CO2 is een belangrijke veroorzaker ervan. Een 100 Watt piek PV paneel van ca. 0,85 m2, wat optimaal op de zon is gericht, levert gemiddeld 76 kWh per jaar op. Dit is ongeveer 90 kWh per m2. Om 90 kWh op te wekken gebruikt men in de elektriciteitscentrale zo'n 0,9 GigaJoule (GJ) aan energie, vergelijkbaar met ca. 30 m3 aardgas.

De zon heeft maar een luttele 35 minuten nodig om ons jaarlijkse gebruik aan energie te dekken.
pv sateliet

Figuur 2: Fotovoltage voor satelieten

 

Satellieten en ruimte­stations kunnen nauwelijks meer met batterijen voorzien worden. Deze zijn enerzijds te zwaar en ander­zijds raken zij leeg.

Daarom moesten er voor de ruimtevaart andere oplossingen worden gevonden. Het is bekend dat, in tegenstelling tot voor aardse doeleinden, voor de ontwikkeling van de ruimtevaart tijd noch geld wordt gespaard.

Zo was de eerste - in 1954 in de Bell Laboratories (USA) - gefabri­ceerde zonnecel bedoeld voor gebruik in de ruimte. Mar Becquerell experimenteerde al in 1839 met electrodes die energie opwekte als er licht op viel.  Het gebruik van zonnecellen in de ruimte biedt enkele beslissende voordelen. Het permanent op de zon gericht zijn van de cellen maakt, in tegenstelling tot op aarde, een gebruik van 24 uur per dag mogelijk.
bell zonnepaneel
De eerste zonnepanelen die werden geinstallleerd in 1954.

Voor het gebruik in grote ruimtevaartstations en voor verre vluchten van bemande ruimteschepen gebruikt men dan daarnaast voor het veiligstellen van de energievoorziening nog aanvullende zogenaamde brandstofcellen.

PV-systemen hebben voordelen maar ook bepaalde nadelen

Voordelen van zonnestroom opwekking

Nadelen

  • Geen verbranding
  • Onuitputtelijke gratis energiebron
  • Geen emissie van geluid of vervuiling
  • Geen mechanische processen
  • Het leveren van waardevolle elektrische energie
  • Het is makkelijk te integreren in het constructie werk (dak of gevel)
  • Modulaire constructie is mogelijk (van milli- tot megawatt)
  • Grotendeels onafhankelijk van de infrastructuur op de plaats waar het nodig is
  • De opwekking is afhankelijk van de plaats, het weer, tijd van de dag etc zodat donkere periodes overbrugd moeten worden enerzijds door de energie op te slaan of anderzijds door additionele bronnen
  • De huidige grote vraag naar stroom vergt een aanzienlijke investering en grote oppervlakten vanwege de relatief lage opbrengstdichtheid
  • De opwekking is afhankelijk van de plaats, het weer, tijd van de dag etc zodat donkere periodes overbrugd moeten worden enerzijds door de energie op te slaan of anderzijds door additionele bronnen

De huidige grote vraag naar stroom vergt een aanzienlijke investering en grote oppervlakten vanwege de relatief lage opbrengstdichtheid

Het grootste probleem van stroomopwekking door PV komt voort uit de wisselende hoeveelheid zonlicht. Vandaar dat voorzorgsmaatregelen genomen moeten worden door stroom op te slaan voor de nacht of voor tijden dat er niet genoeg licht op de panelen valt. Om dit op te lossen bestaan twee mogelijkheden:


“Eiland” installaties

eiland

Figuur 3: Eiland installaties


Hier hebben we te maken met autonome systemen die provisorisch zonne-energie opslaan in batterijen of accu’s. In vrijetijds situaties als in boten, caravans, vakantiehuisjes, tuinen etc maar ook op onherbergzame plaatsen waar aansluiting op het net te kostbaar is, zijn deze onafhankelijke “eiland” installaties in trek.

De belangrijkste componenten van een autonoom systeem zijn de zonne­module, de accu - een zonne-energie-accu, want een auto-accu is niet geschikt voor zonne-energie - en de centrale besturingseen­heid, de laadregelaar.

De laadregelaar controleert de accu en bewaakt deze voor overla­ding en voor uitputting en hij schakelt hongerige verbrui­kers uit als de accu zijn grenzen bereikt.

Het grootste nadeel van een autonoom systeem is dat er grote verliezen zijn door het gebruik van batterijen (50%) en er door de lage spanning verlies optreedt via kabels.

De efficiency, de zogenaamde performance ratio, die alle verlie­zen in een factor samenvat, ligt op ongeveer 60%. De prestatie van de module moet dienovereenkomstig hoger zijn.


Netgekoppelde PV-installaties

netgekoppeld
Figuur
4: Net-gekoppelde installaties


Indien installaties een grote hoeveelheid stroom opwekken, zoals in steden, spelen “eilandinstallaties” een minder belangrijke rol. In steden fungeert de koppeling aan het net als een quasi opslagsysteem. De overmaat aan stroom die niet gebruikt wordt, wordt aan het net gegeven en komt dus beschikbaar aan alle gebruikers. Indien het donker is of bewolkt gebruikt de afnemer stroom van het net.

Vele installaties leveren alles aan het net waardoor de eigenaar van de panelen een soort kleine energieleverancier wordt die de overmaat aan stroom verkoopt.

Voor alle net-gekoppelde systemen gelden dezelfde principes:

De opgewekte gelijkstroom moet eerst worden geconverteerd in wisselspanning die geschikt is voor het net en waarvoor een nogal rigoureuze technische inspanning nodig is. Omdat een PV-installatie werkt in samenspel met het net, dient het aan dezelfde strikte condities te voldoen als   een kolengestookte energiecentrale. Dit vereist behoorlijke technische prestaties maar ook veiligheidsmaatregelen in het vervaardigen, onderhoud en repareren.

De installaties zijn vooral aan te raden als er al een huis­aansluiting op het openbare elektriciteitsnet bestaat. Overtollige elektrische energie wordt tegen een vergoeding aan het publieke net geleverd. 's Nachts wordt de elektriciteit uit het publieke net gehaald, waardoor de zonne-energie efficiënt wordt gebruikt.

Het middelpunt van de installatie is de omvormer (inverter) die de gelijkstroom van de zonnemodule verandert in wisselstroom die qua frequentie, fase en amplitude overeenkomt met die van het openbare net. De wisselstroomomvormer heeft bovendien een controle­rende functie en schakelt de installatie automatisch uit als er een storing optreedt. Op deze wijze kunnen de medewerkers van het openbare net veilig doorgaan met hun onderhoudswerk.


Vragen

1. Wat betekent fotovoltage?

2. Wat zijn de voor- en nadelen van PV-systemen en van zonne-energie in het algemeen?

3. Wat kun je doen wanneer er maar weinig zonlicht schijnt ?