Zonnestraling

De straling van de zon kan worden gezien als een reeks deeltjes die door de ruimte reizen, fotonen genaamd. Het energieniveau van elk foton is afhankelijk van de golflengte. De fotonen die door de zon op verschillende golflengten worden uitgezonden, worden in het zonnespectrum weergegeven zoals in Figuur 1.

Fig. 1 - Zonnestralingsspectrum

De externe aardse straling (het oranje gebied) vertegenwoordigt de effectieve zonnestraling die door de zon in de ruimte wordt uitgestraald. Wanneer de straling de top van de atmosfeer van de aarde bereikt en naar het oppervlak gaat, wordt ze geabsorbeerd en verspreid door elementen die in verschillende atmosferische lagen aanwezig zijn (voornamelijk ozon, waterdamp en koolstofdioxide).

Het fenomeen van de absorptie van de elektromagnetische straling bestaat uit de transformatie van binnenkomende elektromagnetische energie naar de interne energie van een molecuul door de atomen in trillingstoestanden te brengen. Verschillende moleculen worden opgewekt op verschillende golflengten, dus de absorptie is golflengteselectief en veroorzaakt gaten en discontinuïteiten in de spectrale curve aan het aardoppervlak (geel gebied in Figuur 1). De mate van verzwakking van de binnenkomende straling is evenredig met de lengte van het pad dat de straling door de atmosfeer aflegt voordat ze de grond bereikt. Deze verzwakking wordt uitgedrukt door de Air Mass (AM) coëfficiënt. Hoe langer het pad, hoe groter de absorptie en hoe zwakker de invallende zonnestraling.

Stralingscomponenten

Zonnestraling die een willekeurig voorwerp op het aardoppervlak bereikt, kan worden onderverdeeld in drie hoofdcomponenten:

(1) Directe straling: beweegt zich direct in een rechte lijn vanaf de zon. Op heldere dagen levert dit onderdeel de belangrijkste bijdrage aan de fotovoltaïsche energieopwekking in zonneapparatuur.

(2) Diffuse straling: verspreid door de atmosfeer. Op bewolkte dagen bestaat het grootste deel van het beschikbare zonlicht uit diffuse straling.

(3) Albedo: gereflecteerd vanaf het aardoppervlak. Deze component is een functie van het reflectievermogen van de grond en wordt intenser in de nabijheid van hoogreflecterende oppervlakken zoals sneeuw of water.

Genereren van ladingsdragers

Normaliter, als een foton voldoende energie heeft om een elektron naar een hoger energieniveau te brengen, genereert het een paar vrije ladingsdragers die een 'elektron-gatpaar' worden genoemd. Deze ladingsdragers hebben geen band meer met de molecuulstructuur waaruit een zonnecel bestaat en kunnen dus vrij rondbewegen in het materiaal zonder aan een bepaald molecuul gebonden te zijn.

Scheiden van ladingsdragers

Om een stroom op te wekken worden de ladingsdragers allereerst van elkaar gescheiden via een intern elektrisch veld op de grens tussen twee halfgeleidermaterialen met een verschillende samenstelling.

Verzamelen van ladingsdragers

De stroom van de vrije elektronen door een extern circuit is de stroom waaruit de zonne-elektriciteit bestaat. Iedere zonnecel heeft een typische stroom-voltagekarakteristiek, zoals wordt getoond in Figuur 1 (de rode lijn).

Fig. 1 - Stroom-voltagekarakteristiek van een typische zonnecel

Figuur 1 toont dat er een punt is waarop het vermogen van de cel maximaal is, die overeenkomt met Impp en Vmpp. Het operatiepunt van de cel is daarom gebruikelijkerwijs gecalibreerd om zo dicht mogelijk bij dit maximum vermogenspunt te zijn.

Van zonnecel tot PV module

Als cellen in serie zijn verbonden, wordt het voltage van het systeem verhoogt overeenkomstig met het aantal cellen dat in serie is verbonden. Als de cellen parallel aan elkaar worden verbonden, wordt juist de stroom verhoogd met een factor gelijk aan het aantal in parallel verbonden cellen. Een zorgvuldige evaluatie van het benodigde aantal en type connecties tussen modules is nodig tijdens de ontwerp van een systeem om een goed ontwerp te verkrijgen.

Kristallijn siliciumtechnologie

Er zijn twee soorten kristallijn siliciummateriaal die worden gebruikt bij het maken van zonnepanelen: monokristallijn silicium en polikristallijn silicium. Terwijl monokristallijn silicium wordt gemaakt van een homogeen kristalblok, is polikristallijn silicium opgebouwd uit een aantal kleinere siliciumkristallen. De meerdere kristallen vormen grenzen voor vrije ladingsdragers en verminderen zo de efficiëntie vergeleken met het homogene monokristallijn silicium. Polikristallijn silicium kan echter voor een lagere prijs worden geproduceerd dan monokristallijn silicium en wordt daarom het meest gebruikt in de zonnecelindustrie. Kristallijn siliciumtechnologie is veruit de meest ontwikkelde PV-technologie en maakt het grootste deel uit van de huidige PV-markt [1].

Dunne-film siliciumtechnologie

Wegens de belofte van sterk verlaagde productiekosten voor zonnepanelen door verminderde materiaalkosten en een minder intensief productieproces, is dunne-film siliciumtechnologie een zeer interessant alternatief voor kristallijn silicium geworden in het afgelopen decennium. Dunne-film silicium kan zowel op rigide glas als op flexibele, lichte en minder kostbare plastics worden afgezet. Een van de grote obstakels naar de ontwikkeling van deze technologie is de licht-geïnduceerde degradatie van het materiaal waardoor de operationele prestaties van het materiaal omlaaggaan. Na een initiële groei lijkt de productie van dunne-film silicium de afgelopen jaren te zijn afgenomen [1].

Dunne-film Koper Indium (Gallium) Diselenium (CI(G)S) en Cadmium-Tellurium (CdTe)

Net als bij dunne-film siliciumtechnologie kunnen CI(G)S en CdTe-modules worden gedeponeerd op grote substraatoppervlakken waardoor de productiekosten worden verlaagd. In tegenstelling tot dunne-film silicium lijden deze twee technologiën niet onder licht-geïnduceerde degradatie en kunnen zij hogere efficiënties halen gedurende hun operationele levensduur. De verwachting is dat beide technologiën hun marktaandeel in de PV-industrie gaan verhogen wegens de snelle toename in gemeten celefficiënties van deze technologiën [2].

Netgekoppeld vs. losstaand

Een netgekoppeld systeem is verbonden aan het lokale elektriciteitsnetwerk. Het geeft elektriciteit af aan en neemt elektriciteit op van het nationale netwerk en hoeft daardoor niet energetisch onafhankelijk te zijn. Dit in tegenstelling tot een zelfstandig (losstaand) systeem, dat ontworpen is om energetisch zelfvoorzienend te zijn. Vanwege de variabele aard van zonlicht vereist deze configuratie een zorgvuldig ontworpen opslagsysteem om energie op te slaan en vrij te laten wanneer nodig.

Fig. 1 - Netgekoppeld PV systeem

Fig. 2 - Losstaand PV systeem

Montagestructuur

De montagestructuur bestaat uit alle delen die een paneel ondersteunen of het verbinden aan een oppervlak zoals een dak of een gebouw. In meer geavanceerde systemen kan de montagestructuur ook worden gebruikt om de beweging van de zon te volgen gedurende de dag en het jaar. Zonvolgende structuren kunnen een of twee bewegende assen hebben afhankelijk van de gewenste complexiteit van het systeem. De toevoeging van bewegende delen verhoogt echter de kosten en het onderhoud aan het systeem, en de bewegende delen dienen soms te worden vervangen gedurende de levensduur van het systeem.

Bedrading & verbindingskabels

Bedrading en kabels verbinden de verschillende componenten van het systeem en vervoeren de stroom die wordt geproduceerd tussen de componenten. Weerstandsverliezen in de kabels leiden tot een verlaging van de efficiëntie van het totale systeem en moet daardoor worden geminimaliseerd door kabels van een afdoende dikte te kiezen en door de lengte van kabels kleiner te maken.

Omvormer & MPPTracker

PV-modules produceren directstroom (direct current (DC)). De meeste huishoudelijke apparaten en het elektriciteitsnet gebruiken echter wisselstroom (alternating current (AC)). De meeste stroom moet daarom worden omgezet van DC naar AC. Deze omzetting vindt plaats in een component dat een omvormer wordt genoemd. Omvormers zijn ontworpen om DC- naar AC-elektriciteit om te zetten en om het PV-systeem zo dicht mogelijk bij zijn maximum-vermogenspunt (maximum power point (MPP)) te laten opereren. Deze laatste taak wordt gerealiseerd met een Maximum Power Point Tracker (MPPT) dat voordurend het operatiepunt van de modules aanpast zodat zij opereren bij het maximum in de I-V curve. De efficiëntie van moderne omvormers ligt gewoonlijk tussen ongeveer 90% tot 96% voor operatie op volledig PV-vermogen [1].

In het geval van netgekoppelde omvormers zijn verdere vereisten dat de omvormer de kwaliteit van de stroom die aan het net wordt geleverd controleert, en dat hij het netwerkvoltage, de golfvorm en de frequentie van de stroom op het net monitort. In het geval dat het elektriciteitsnetwerk uitvalt moet de omvormer zich kunnen loskoppelen van het net uit veiligheidsoverwegingen.

Opslagcomponenten

De meeste hernieuwbare energietechnologiën worden 'periodiek' genoemd omdat zij alleen elektriciteit kunnen produceren als de hernieuwbare energiebron (zoals zonlicht, wind of water) aanwezig is. Om een zelfstandig PV-systeem te ontwerpen is daarom een opslagfaciliteit voor energie nodig om op ieder moment aan de elektriciteitsvraag te kunnen voldoen. De meest gebruikelijke opslagcomponent die momenteel wordt gebruikt is een oplaadbare batterij die elektriciteit opslaat en afgeeft afhankelijk van de productie en vraag op ieder moment. Het meest gebruikte batterijtype is de loodzuurbatterij [1]. De kosten van een batterij verhogen de kosten van het totale systeem substantieel, vooral in het geval van grootschalige PV-toepassingen.

Laadregelaar

Als batterijen worden meegenomen in de installatie dient een laadregelaar te worden geplaats tussen de modules, de batterijen en de elektrische belasting om de batterijen te beschermen tegen te snelle en te hevige laad-/ontlaadcyclussen die de levensduur van de batterijen zouden verkorten. De standen van de laadregelaar moeten zorgvuldig worden ontworpen om aan te sluiten op het type batterij dat wordt gebruikt. Alhoewel laadregelaars de degradatie van batterijen tot op zekere hoogte kunnen voorkomen, moeten de batterijen desalniettemin waarschijnlijk minstens eenmaal worden vervangen gedurende de levensduur van het systeem.

PV modules

Hier ff onzin

Inverter

Hier ff onzin

Off-grid?

Hier ff onzin

PV modules

Hier ff onzin

Inverter

Hier ff onzin

Off-grid?

Hier ff onzin