Wat is zonne-energie ?

Zonne-energie is energie van de zon in de vorm van stralingswarmte en licht. Het is de warmte-stralingsenergie, die je voelt op je huid als je aan het zonnebaden bent. Deze stralingsenergie wordt gebruikt door zonnecellen.

De Groene energie de Zon

Het is de grootste energiebron die we hebben op aarde. Met een vermogen van 380x10²¹ [kW].
Zonne-energie is het gevolg van kernfusie: het smelten van atoomkernen. De zon is een hete gasbol, waarin atoomkernen zo dicht op elkaar staan dat zij kunnen samensmelten tot een gas helium. Men zegt het is de vierde vorm waarin materialen kunnen voorkomen. Op aarde kennen we vast, vloeibaar en gasvormig. En de vierde is plasma van de zon. Plasma is een gasvorming, waar atoomkernen lading bevatte. Het samensmelten(kernfusie) gebeurt binnen in de zon. Waarbij hitte vrijkomt in de vorm van warmte en straling.

Hoe zetten de zonnestraling om in elektriciteit ?

Er is wat natuurkunde van de middelbare school nodig om de energie-omzetting te begrijpen en te beschrijven.
Een inleiding wordt hieronder gegeven.

• Opbouw van moleculen en atomen;
• Bepalen van het atoomnummer en het massagetal;
• Zonnecellen fungeren het best in de buurt van het rood licht of nabij-Infrarood, als warmtestraling;

Atoom model

Materialen ofwel stoffen zijn opgebouwd uit moleculen. Dit zijn de kleinste deeltjes van de stof, die nog alle eigenschappen van die stof bezitten.
Moleculen zijn weer opgebouwd uit verschillende atomen.
Bv. water is samengeteld uit de atomen waterstof (H₂  ) en zuurstof (O)

Rutherford en Bohr en hebben de bouw van atomen verklaard.
De atomen bevatten een kern.
De kern wordt gevormd door Protonen en Neutronen.
De protonen zijn positief geladen. Het aantal protonen genoemd atoomnummer bepaald welke atoomsoort het is.
Echter de positief geladen deeltjes stoten elkaar af. Er dient wat afscherming te zijn. Dit zijn de neutronen. Deze hebben géén lading.

Rutherford en Bohr hebben beschreven hoe de lading in evenwicht is.

Rond de kern cirkelen elektronen rond langs banen of schalen. De elektronen zijn negatief geladen.
Het aantal elektronen dient gelijk te zijn aan het aantal protonen.
Bovenstaand atoom is Lithium. Het massagetal van Li (7) is de som van de neutronen(4) en protonen(3). De elektronen wegen weinig t.o.v. de kern.

Silicium

Het materiaal Silicium wordt gebruikt in zonnecellen om elektriciteit(elektronen) op te wekken.
Door met zonnestralen de elektronen los te weken, kan men een elektronenstroom genereren.

De atoom Silicium heeft een atoomnummer van 14 en een atoommassa van 28. Het aantal elektronen is 28 - 14=14 elektronen. De elektronenconfiguratie is

Volgens Bohr staan de schalen staan op een bepaalde afstand van elkaar. Elektronen kunnen slechts aanwezig zijn in de schalen. De schalen vormen energie-niveaus.
De elektronen bezitten een bepaalde potentiële energie m.b.t. de afstand de kern.
De schillen worden aangegeven met 'n'.
De kleinste schil is n=1. Deze schil kan maximaal 2 elektron bevatten.
De tweede schil n=2 kan maximaal 8 elektronen bevatten.
De derde schil kan maximaal 2⋅n² Is maximaal 18.
Silicium heeft in de derde schil maar 4.

Bijzondere van Fotonen

Elektronen kunnen springen van energie-banen door een Foton(en) op te nemen of hun potentiële energie uit te stralen ∆E.

Eigenschappen van fotonen

Fotonen zijn:

• fotonen zijn energiedeeltjes.
  Je voelt hun energie op je huid als je aan het zonnebaden bent;
• Het zijn lichtdeeltjes komende van de zon. Deze zonnestraling noemt men in de natuurkunde een Elektromagnetische straling(EM);
• Fotonen hebben geen massa of gewicht;
• Het zijn energiedeeltjes.
  Hun energie niveau is afhankelijk van de frequentie f of golflengte λ van de EM.;

De energie van een foton is gelijk aan ΔE_foton=h⋅f=h⋅c/λ [J]
h is de constante van Plank= 6,626070040 10⁻³⁴ [J.s] en
c de snelheid van het licht c= 2,99792458⁺⁸  [m/s].

Berekening van de f en λ

Een elektron kan afhankelijk van de golflengte λ van de foton springen naar een hogere energetische baan.
Volgens Prof. M Lundstrom is de foto-energie om een elektron naar de geleidingsbaan, het los raken van de kern, te verplaatsen E_kin=1,1 [eV] waar de omgevingstemperatuur 0 [K] is.
Volgens de definitie 1eV=1,602x10^-19 [J]

Dan is de frequentie:
f = 1,1[eV]/h=
1,1x1,602x10^-19/6,626070040x10^-34= 0,2659788x 10¹⁵ [Hz] =265,9788 [THz]
en
de golflengte:
λ= h.c/E_kin=6,62607015 × 10⁻³⁴ 2,999792458x10⁺⁸ / 1,1x1,602x10^-19 = 11,27129106495 x10^-7 [m] =
1127,9 [nm]=1128 [nm]=1,128[µm]

Anderen zeggen dat het energie niveau van de fotonen 2-3 [eV] is.

Dan is het losraken van de elektroden door de EM-zonnestraling:
De frequentie 483,5 -725,3 [THz]
En de golflengte 620 - 663 [nm]

Spectrum EM-straling

Onderstaand zie je een elektromagnetische spectrum van licht:

Rood licht heeft een frequentie van ongeveer 4,6 × 10¹⁴ Hz=460 [THz]

Conclusie

Zonnecellen fungeren het best bij fotonen in de buurt van het rood licht of nabij-Infrarood.
Ofwel warmtestraling, zoals gevoeld bij zonnebaden.
De golflengten van nabij Infrarood ofwel warmtestraling liggen tussen 0,78-3 [µm] of 780-3000 [nm].
Het menselijk oog ziet helaas de Infrarood straling niet. Maar bijen en ratelslangen voelen wel...

Wat zou ik graag een proef willen uitvoeren met een infrarood afstandbediening van een TV en een windmolen aangesloten op een zonnecel ?

Indien er voldoende foton-energie of warmtestraling is, kan een elektron in de buitenste baan(valence) springen naar een elektrische geleidingsband(conduction) De energie die daarvoor nodig is 1,11 [eV]
Hierdoor ontstaat elektrische geleiding in halfgeleiders.
Bij halfgeleiders zoals het instabiele Silicium, dat 4 elektronen in de buitenste schil heeft, gebruiken dit verschijnsel. Om het niet-elektrisch geleidende materiaal geleidend te maken.

PN-verbinding van een zonnecel

De zonnecel werkt als een diode.
Het zijn twee lagen aan elkaar gesmeden en kunnen de elektronen geleiden.
De PN verbinding heeft een negatieve ladingsbron dat elektronen afstoot en in de juiste richting duwt.

• De n-laag is gevuld met fosfor(P).
  De elektronen van de buitenste schil van Fosfor hebben een zwakke bindingskracht met de kern. Fosfor heeft één elektron extra in de roosterstructuur van Silicium. Het rooster heeft een negatieve lading.
  Want er zijn véél vrije elektronen.
  De N-laag is Negatief Het rooster heeft een negatieve lading.
  Want er zijn véél vrije elektronen.
• De P-laag is gevuld met Boron.
  Boron mist één elektron en heeft een positieve lading. Het roosterstructuur van Silicium heeft dus een gaten(h⁺) tussen de Silicium atomen. Gaten worden gezien als positief geladen, want ze kunnen worden gevuld met een elektron. De P-laag is Positief.

In de verbindings gebied tussen deze lagen vormt zich een spanningsverschil gecreëerd:

• Doordat de elektron van de P-laag naar de Boron-laag gaat diffunderen en daar het gat(h⁺) gaat opvullen. Dan raakt de Boron-kern negatief geladen.
• De fosfor-kern raakt positief geladen, door het verlies van één elektron in zijn buitenste schil en duwt daardoor gaten weg.

Hierdoor wordt een spanningsverschil gecreëerd. Het diffunderen, het opvullen van gaten door elektronen, gaat net zolang door tot er evenwicht is.

Dit is de situatie in de nacht.

Maar overdag als de zon schijnt, worden elektronen uit de valentie los geslagen door fotonen en schieten zij in de geleidingsband. De elektronen in de geleidingsband kunnen vrij bewegen. De ontstane gaten worden aangetrokken door de P-laag. De elektronen worden afgestoten door de negatieve Boron-lading.
De negatieve Boron-kernen(-) trekken de vrijgekomen gaten(+) aan.
Dit is zeer belangrijk om te voorkomen dat de eleketronen terug schieten naar hun oorspronkelijke plek.

Door een verbinding te maken tussen de twee lagen stromen vrije elektronen naar de p-laag en vullen de gaten.

De drijvende kracht wordt veroorzaakt door:

• Het aanwezig zijn van té veel elektronen in het roosterstructuur van het Siliciumatoom in de N-laag
• De Boron-laag van het Siliciumrooster bezit té weinig elektroden in het roosterstructuur en vraag naar meer;
• De Borom-Silicium roosterstructuur ligt vast en daardoor ook de negatieve lading van de Boron-atomen. Want er mist één elektron. Wanneer een elektron het gat opvult van de Silicium rooster dan wordt de Boron kern negatief geladen.
  B + e^- → B^-
• Wanneer een Fosfor atoom een elektron kwijt raakt. Dan is de kern positief geladen en stoot het de postieve gaten af. Dit vormt de grens voor gaten. P - e^- → P⁺
• In het scheidingsgebied is de kern negatief en trek gaten(+) aan. Zowel in het P-gebied als ook in het N-gebied;
• Het is vooral de negatieve lading, die zorgt dat elektronen worden weggedrukt en gaten worden aangetrokken.
• De negatieve lading heeft oók invloed, wanneer door een foton een elektron wordt losgeslagen en het in de geleidingsbaan komt.
  De Negatieve vrije elektronen in de geleidingsband worden weggeduwd en de hierdoor ontstane gaten worden aangetrokken door de negatieve lading.

Op YouTube zijn vele filmpjes te zien over de energie omzetting en de productie van zonnecellen:

De productie van Polykristallijne zonnecellen

Zonne-installatie

Een zonne-instalatie bestaat uit:

• Aantal zonnepanelen;
• omvormer;
• Een monitorsysteem;

Zonnecellen

Zonnecellen worden ook wel Fotovoltaïsche cel genoemd.
Foto komt van Photos en betekent licht in het Grieks en volt staat voor elektrische spanning.

Een zonnecel is gemaakt van laag Silicium met sporen van Fosfor en Boron. In deze laag ontstaan bij instraling van zonlicht, vrije beweegbare elektronen die zorgen voor een elektronenstroom.

De ontstane elektronen stroom is een gelijkspanning, het gaat maar in één richting.
Eén zonnecel produceert 0,5 [V]
32 zonnecellen in een paneel levert een spanning van 16 [V].

Zonnepanelen

Zonnepanelen bestaan uit een groot aantal zonnecellen. Het aantal zonnepanelen hangt van verschillende factoren af:

• De hoeveelheid stroom, dat wordt gebruikt per jaar.
  Een gemiddeld huishouden gebruikt per jaar 3500 [kWh];
• het oppervlak en het rendement van de zonnepanelen;

Er zijn verschillende zonnepanelen. Een onderscheidt wordt gemaakt in Monokristallijn en polykristallijn zonne-panelen

De afmetingen zijn vaak de breedte is standaard ongeveer 100 [cm] en de hoogte is variabel. B.v. 165,170,195, 200,0 [cm]

Monokristallijn zonnepanelen

Mono kristallijn zonnepanelen zijn gemaakt van zonnecellen waarvan de structuur uit één groot kristal bestaat. Hierdoor is de kleur egaler. De zonnecel is foto-elektrisch, wat inhoudt dat silicium licht of fotonen kan omzetten in elektrische energie.

Het productie proces

Silicium wordt gewonnen uit silica, ook wel zand genoemd. Het zand wordt verhit en gezuiverd in een speciale oven, waardoor er silicium vrijkomt. Er ontstaat dan vloeibare silicium. Een stok wordt in het vloeibare silicium gehangen en koelt het silicium langzaam af. Het materiaal gaat zich dan aan de stok hechten. De stok wordt langzaam uit het vloeibare silicium gehaald, waardoor een grote, ronde staaf van silicium ontstaat.

Door dit proces, wat ook wel het Czochralski proces genoemd, ontstaan kristallen die één geheel vormen (mono). Vandaar ook de naam monokristallijn zonnepanelen. Door dit proces ontstaat er dus een silicium staaf. Uit deze staaf worden vervolgens de zonnecellen gezaagd. De silicium staaf is echter rond, waardoor de panelen niet geheel vierkant zijn maar gebogen hoekjes van de ronding bevatten. Zie onderstaand video. [lit.38]

Welke voordelen hebben Monokristallijn zonnepanelen ?

• Het mooie zwarte oppervlak valt mensen in de smaak.
• Een goed rendement samen met een goed warmte coëfficiënt welke goed is voor de verwachte opbrengst per oppervlakte eenheid m ²
• Goed voor een klein oppervlak vanwege het hoog rendement en meer kW's.

Er bestaan ook glas-glas Monokristallijn zonnepanelen. Deze hebben een langere levensduur en een goede opbrengst.
De zonnepaneel bestaat uit een laag glas, een laag met zonnecellen en aan de achterzijde een kunststof folie en wederom een laag glas omgeven met een aluminium frame. Dit voorkomt schade door doorbuiging. Glas is extreem duurzaam, sterk, chemisch ondoordringbaar en bestand tegen weersinvloeden.
Deze zonnepanelen hebben niet langer een kunststof achterzijde, maar een volledig ondoordringbare glas achterzijde. Daardoor neemt de stabiliteit en de levensverwachting toe.
Zonnepanelen met een plastic achterzijde laten makkelijker vuil en vocht door.
Het paneel heeft veel minder last van vocht, temperatuurverschillen en mechanische spanningen.
De volgende bedrijven produceren deze zonnepanelen: AEG, Bauer, Denim, Luxor, Solarwatt.[lit.35]

[lit.34]

Het nadeel van deze glas-glas zonnepanelen is het gewicht en de prijs.

Polykristallijn zonnepanelen

Polykristallijn zonnepanelen werken bij diffuus licht beter dan mono. Zijn bestaan uit meerdere grove kristallen.
Dit betekent dat ze bij bewolkt weer een hogere opbrengst hebben.
Om polykristallijne silicium zonnepanelen te produceren, wordt gebruik gemaakt van silicium in vloeibare vorm die in grote blokken gegoten wordt.
Bij het uitharden van deze blokken vormen zich de kristallen die verschillende vormen zullen aannemen: een gebroken scherven patroon.
Polykristallijne zonnecellen zijn te herkennen aan de blauwe kleur. Geschikt voor grote oppervlakten zoals bedrijfshal en loodsen.
Op dit moment hebben de meeste polykristallijn zonnepanelen een vermogen tussen 265 [wp] en 285 [wp] per stuk. [lit.34]

Amorf zonnepanelen

Amorf zonnepanelen zijn de goedkoopste soort en leveren ook het laagste rendement.
Deze zonnepanelen worden van amorfe silicium gemaakt.
Amorf= zonder duidelijk geordende structuur
De zonnepanelen worden uit verschillende laagjes geproduceerd en worden daarom ook wel dunne-film panelen genoemd. Je kan de productie een beetje vergelijken met de productie van laminaat.
Amorf zonnepanelen hebben een lager rendement dan kristallijn zonnepanelen en zijn ook een stuk goedkoper.
Deze soort zonnepanelen zijn buigzaam en wordt vooral op vaar- en voertuigen zoals bussen, zeilboten en jachten gebruikt. Als je een groot beschikbaar dakoppervlakte voor zonnepanelen hebt hoeft het lager rendement geen probleem te zijn.
In dat geval kun je dus de keuze maken voor vele Amorf zonnepanelen.
Amorf zonnepanelen worden vooral gebruikt als er weinig energie nodig is en er voldoende ruimte beschikbaar is.[lit.36]

Rendement van een zonnecel

Een overzicht van de behaalde rendementen vind men in Wikipedia.

Aantekeningen van natuurkunde en rendementen vind je op de pagina natuurkunde.

Het rendement van een zonnecel is
η= P_uit/P_in

• P_uit is het vermogen van de zonnecel uit. Deze kan men afleiden in de IV-curve;
• P_in is de bron van de zon of van de foton straling;

De I-V kromme geeft weer, het product van spanning en stroom P= V x I. Het rechthoekje is het electrisch vermogen dat de zonnepaneel levert. Het punt op de knie is het maximaal vermogen ofwel Maximum Power Point.

I - V kromme

Het MPP hangt af van:

• De stroomsterkte I is liniear afhankelijk van de grootte van licht intensiteit.
  Staat de instraling loodrecht, dan is er maximale intensiteit. Wanneer de zon draait t.o.z. de zonnecel, dan wordt de stroomsterkte kleiner of lager;
• Is afhankelijk van de Si-matriaal temperatuur. 0,04 % per ⁰C van de omgevingstemperatuur, negatief;
• De spanning is afhankelijk van de bestraling en is logarimisch afhankelijk van de licht intensiteit.
• De spanning is afhankelijk van Si-matriaal temperatuur 0,3-0,46 % per ⁰C, negatief. De spanning daalt als de temperatuur afneemt en andersom.
• Het vermogen P_uit stijgt naar mate het kouder wordt.

Dit vormt voor ontwerpers en ontwikkelaars de meetwaarde voor zonnecellen te beoordelen.

Het meten van bovenstaand diagram gebeurt met een variabele weerstand. In aaname dat de zonnecel een constante spanning en stroom levert.

Het vermogen of de capaciteit

Het maximaal vermogen van zonnepanelen drukken we uit in Wattpiek [Wp].
Dit is het vermogen dat het zonnepaneel onder ideale omstandigheden kan opwekken.
Ofwel: in een testopstelling, met standaard zoninstraling bv: loodrecht straling met een intensteit van 1000 [W/m²] en een temperatuur van 25 graden.
Heden ten dage ligt het vermogen tussen 300-450 [Wp] [lit.39] Een zonnepaneel van 450 [Wp] wekt op jaarbasis 382,5 [kWh] op. [lit.33]
Hoe duurder een zonnepaneel hoe hoger zijn watpiek is, ofwel zijn capaciteit. Ofwel hoe hoger het Wp-vermogen, hoe hoger de opbrengst.
Een Nederlands gezin verbruikt per jaar aan elektriciteit volgens het Nibut ongeveer 2900 [kwh].
Er is een vuistregel in NL tussen Wp en het [kWh].

0,85 = [kWh] / [Wp]

0,85 is gebaseerd op zonne-uren en de licht intensiteit.

Zonnevermogen in Suriname

Volgens de organisatie © 2019 The World Bank, Source: Global Solar Atlas 2.0, Solar resource data: Solargis is het Potentieel van het fotovoltaïsche vermogen in Suriname:
Het PV-potentieel wordt gedefinieerd in de eenheid kWh / kWp en geeft de kWh elektriciteit aan die zou worden opgewekt door een PV-systeem met een geïnstalleerd piekvermogen van 1 kW.

Bijvoorbeeld: een zonnepaneel van 310 [Wp] levert per jaar bij Brokopondomeer(rood gebied)
0,310[kWp}x1680[kWh] =520,800 [kwh] op. Dus levert het tweemaal zoveel op in Sur. dan in NL. 

omvormers

Een omvormer zorgt ervoor dat de gelijkstroom die de zonnepanelen wordt opgewekt wordt omgezet naar een wisselstroom die we uit een normaal stopcontact halen en tevens aan de elektriciteitsnet wordt geleverd.

Over het algemeen zijn er 3 typen omvormers.[lit.37]

• String;
• String met optimisers;
• micro-omvormers;

De string en de string met optimiser zijn seriële systemen en de micro-omvormers is een parallel systeem.
Welk type omvormer hangt af van de grootte en het aantal zonnepanelen.

String

Dit is eigenlijk de simpelste manier om zonnepanelen aan te sluiten. De zonnepanelen zijn in serie geschakeld als baterijen.
Elke zonnecel heeft een zelfde voltage ongeacht de grootte van de cel.
Elke silicium cel heeft een voltage van ongeveer 0,6 volt. Alle cellen in een zonnepaneel worden ook in serie geschakeld. Het is dus een optelsom van de hoeveelheid zonnecellen en vervolgens het aantal zonnepanelen.

De totale spanning die hierdoor ontstaat is de optelsom van de geleverde spanning van de zonnepanelen. Echter de ampère-stroom blijft gelijk.

De installatie moet aan een aantal voorwaarden voldoen:

• dezelfde windrichting te liggen;
• er mag geen schaduw op de zonnepanelen optreden, daardoor daalt de totale opbrengst;
• dezelfde type zonnepanelen;
• dezelfde orientatie t.o.v. de zon en hellingshoek;

Doordat de zon van stand veranderd treedt er inwendige weerstand op. Dit kan alleen als er rondom de zonnepanelen geen objecten zijn en een groot oppervlak heeft.

Voordelen van String:

• één omvormer in plaats van vele omvormers;
• minder bekabeling tussen de zonnepanelen en de omvormer(s);
• minder kabel verliezen, beter rendement met een iets hogere opbrengst;
• Het is ook de goedkoopste qua installatie

Nadelen van de string:

• aantal zonnepanelen niet meer uitbreidbaar;
• iets verhoogde kans op vlambogen(hoogspanning);

Maximum Power Point(MPP)

Een regalaar zoekt constant naar een optimaal punt. Waar de stroom en spanning maximaal is. Het MPP verschuift zodra de instraling of de temperatuur van het paneel veranderd.

String met optimiser

Het werkt als de string. Achter elk paneel zit een optimiser.

De optimiser pakt het opgewekt vermogen en houdt de spanning gelijk. Wanneer er een schaduw optreedt zakt het amperage in het paneel en daardoor ook de spanning (U=I.R)
Het maakt ook niet uit of je meerder windrichtingen of vogels hebt. Of verschillende afmetingen van zonnepanelen. Een optimiser pakt het opgewekte vermogen en houdt het voltage gelijk.

Micro-omvormers

Elke zonnepaneel heeft een apart kasje. Een micro-omvormer heeft geen centrale omvormer. Elk zonnepaneel levert direct vermogen aan het net.
De voordelen zijn: geen last van schaduw en geen hoogspanning op het dak en dat er zonnepanelen uitbreiding mogelijkheden zijn. Hoogspanning komt door de aan een schakeling van zonnepanelen.

Toepassingen

De gemiddelde airconditinor gebruikt 3,0-3,5 [kW/h] als het warm weer is. Dat is per jaar 26280-30660 [kWh/jaar].
Dan heb je nodig in Paramaribo afgelezen uit bovenstaande grafiek, 1534 [kWh/kWp]
17-19 [kWp] nodig.
Met een zonnepaneel van 450 [Wp] zuller er 37 - 42 gelijksoortige zonnepanelen nodig zijn. Dat is een oppervlakte van minimaal 2.094 x 1.038= 2.2 [m²]x 42 = 91 [m²]
Dat is een oppervlakte van 10 x10 [m] of een variatie daarvan in L x B.

Een verder berekening van zonnepanelen voor het binnenland is op deze Sipaliwini te vinden.

Een berekening voor een vakantiewoning is hier te vinden