Zonne energie

Zonne-energie

Volgens de laatste schattingen is de zon zo’n 4,5 miljard jaar oud. Ze staat op gemiddeld 149.600.000 km van de aarde, heeft een straal van 696.000 km en een inhoud van 1,4 triljoen kubieke km. In feite is de zon niet meer dan een grote kernfusiereactor. Iedere seconde zet de gasbol 4 miljoen ton waterstof om in helium. Daarbij loopt de temepratuur in de kern op tot wel 16 miljoen graden Celsius. Aan de opppervlakte van deze ster is het nog altijd zo’n 5.500 graden Celsius.

De zon is een constante en zeer krachtige energiebron. De zon vormt voor de aarde een onmisbare functie; door de warmte van de zon wordt de aarde opgewarmd, kunnen planten groeien en ontstaat het getij en de wind. De energiestromen van de zon naar de aarde bedraagt constant 1,28 kW per vierkante meter. De hoeveelheid zonne-energie die de aarde bereikt is 9000 keer groter dan de huidige energiebehoefte; met de zon heeft de aarde een gratis energiebron.

Eigenschappen van zonlicht

De energiestroom die de buitenkant van onze damprking bereikt, is slechts een fractie van de door zon uitgezonden energie. Op weg naar de aarde wordt een deel  van de straling verstrooid (“scattering”). Het deel van het zonlicht dat uiteindelijk het aardoppervlakte bereikt wordt verstrooid en een deel geabsorbeerd. Dit heef tot gevolg dat de zonnestraling binnen de dampkring ten dele uit directe zonnestraling en ten dele uit diffuse straling bestaat.

Op een zonnige dag in juli is op onze breedtegraad de stralingsintensiteit ongeveer 1000 W/m² en op een net zo zonnige dag in december  ca 850 W/m² . Een zwaar bewolkte hemel laat zeer weinig straling door, de stralingsintensiteit is dan ongeveer 20 W/m² en bij lichte bewolking 300 W/m².

De stralingsintensiteit is bovendien afhankelijk van de troebelheid van de atmosfeer. Bij onze breedtegraad neemt het waterdampgehalte in de atmosfeer toe bij een stijgende buitentemperatuur en daarmee de troebelfactor (“Trübungsfaktor”)

Zon in Nederland

De zon zendt een zeer gelijkmatig stroom energie uit naar de aarde, maar niet overal op aarde kan een gelijk deel van deze zonne-energie worden opgevangen. Hoewel beperkt zijn er zelfs in Nederland verschillen afhankelijk van het weer. Bijvoorbeeld doordat er in het binnenland meer wolken zijn dan aan de kust heeft West Nederland meer zon-uren dan Oost-Nederland. De opbrengst van uw zonnepanelen is dus afhankelijk van uw woonplaats.

Het onderzoeksinstituut JRC Renewable Energies van de Europese Commissie heeft een zogenaamd “Photo Voltaic Geographical Information System (PVGIS)” ontwikkeld. In PVGIS zijn diverse kaarten en bestanden te vinden met data over het potentieel aan zonne-instraling. Onderstaand de op Nederland betrekking hebbende gegevens:

Wilt u meer weten over PVGIS raadpleeg dan: http://re.jrc.ec.europa.eu

Passieve zonne-energie

De benutting van zonnestraling ten behoeve van onze energie-voorziening wordt zonne-energie genoemd. Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen actieve en passieve benutting van zonne-energie. Bij actieve zonne-energie wordt de energie in zonnestraling omgezet in warmte of elektriciteit. Dit gebeurt dan in een apparaat zoals bijvoorbeeld bijv. een zonne-collector of zonnecel. Bij passieve zonne-energie wordt de zonnestraling direct benut voor de verwarming van een gebouw.

Dit houdt in dat zo veel mogelijk gebruik wordt gemaakt van op muren, ramen en daken van een gebouw invallende zonnestraling om de gewenste binnentemperatuur te handhaven. Directe benutting van zonnestraling die op een gebouw valt heeft alles te maken met de warmtebalans in dat gebouw. Een belangrijk aandachtspunt bij passieve zonne-energie is het realiseren van een goed comfort  gedurende het gehele jaar.

De energieprestatie is het leidende begrip in vraagstukken rondom warmtebalans en comfort.

Fotovoltaïsche energie

Fotovoltaïsche energie (afgekort PV-energie) is directe omzetting van (zon)licht in elektriciteit met behulp van zonnecellen. Een zonnecel is een elektrische cel die lichtenergie omzet in bruikbare elektrische energie.

Het belangrijkste onderdeel van een gewone fotovoltaïsche cel is een stuk halfgeleidend materiaal dat een scheidingsvlak tussen bevat. De elektrische stroom kan maar in één richting door de zonnecel lopen. Als er zonlicht op de zonnecel valt, worden er elektronen losgestoten. Die gaan dus in de gewenste richting bewegen. De beweging van alle losgemaakte elektronen samen is de elektrische stroom die door de zonnecel loopt

In 1839 werd het fotovoltaïsche effect voor het eerst onderkend door de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel. De eerste zonnecel werd in 1883 door Charles Fritts gemaakt. Hij bedekte een halfgeleider, selenium, met een uiterst dunne laag goud om op die manier de juncties te vormen. Het apparaat had een rendement van 1%.

Het moderne tijdperk van zonne-energietechnologie begon in 1954, toen bij Bell Laboratories onverwacht werd ontdekt dat silicium erg gevoelig is voor licht als het bepaalde onzuiverheden bevat. De ontdekking leidde tot de productie van de eerste praktisch bruikbare zonnecel met een rendement (zonne-energie ten opzichte van elektrische energie) van ongeveer zes procent. Inmiddels zijn zonnecellen ontworpen met een rendement > 30%.

Inmiddels zijn er tal van andere soorten zonnecellen ontwikkeld en de kostprijs, die tot nu toe hoog was, is dalende. De vraag is echter hoe lang dit nog doorzet.

De technologische ontwikkelingen van de zonnecellen duren voort. Hierbij wordt vooral ingezet op de concentratie van zonlicht in relatie tot de absorptie van licht door het silicium. Zonlicht bestaat uit diverse soorten licht waarbij het rode licht vrij diep in het silicium kan doordringen maar violet licht nauwelijks doordringt. Met nog beter geconcentreerd licht is het mogelijk om tot hogere rendementen te komen.

Zonnepanelen

Om zonne-energie effectief te benutten moeten vele zonnecellen aaneengeschakeld worden.  Een gewone (kristallijne Si-) cel levert zijn maximum vermogen bij een spanning van ong 0,45-0,50 volt. Voor praktische toepassingen is deze spanning niet geschikt en daarom worden in een zonnepaneel vele cellen in serie gezet.

Het aantal zonnecellen op een zonnepaneel verschilt sterk. Vanwege de gelijkspanningsstandaards van 12 V en 24 V vindt men in de praktijk veel panelen met 33 tot 36 cellen of het dubbele ervan.

Zonnecentrale

Van een fotovoltaïsche systeem wordt gesproken als licht met zonnecellen wordt omgezet in elektriciteit.  Een zonnepaneel levert gelijkstroom. Het kan aangesloten worden op een omvormer om wisselstroom te krijgen. De energie kan meteen gebruikt worden door aangesloten apparaten.  Er kan ook een accu mee opgeladen worden. Opslaan op een batterij is enkel nuttig indien er geen netstroom ter beschikking is, bijvoorbeeld voor lichtbakens en signalisatie. Als een PV-paneel op het lichtnet aangesloten is, kan het daar eventueel stroom aan leveren. De wisselwerking tussen eigen opbrengst en terugleveren van overschotten aan het net is veel rendabeler dan opslaan op een batterij.

Bij het ontwerpen van PV systemen is een aantal punten van belang:

  • het verbruikspatroon van de belasting; met de andere factiren bepaalt dit de grootte van het systeem en de opslag
  • de benodigde betrouwbaarheid van de energielevering;
  • de systeemdimensionering; hier gaat het om de grootte van het oppervlakte en de grootte van de accu-opslag en andere componenten
  • de instralingskarakteristiek en de hellingshoek;  Als het reflectievlak van de zonnepanelen niet op het zuiden is gericht maar een oriëntatie heef tussen oost en west, kan de globale straling worden gecorrigeerd met behulp van onderstaande grafiek:

De maximale energie-opbrengst op onze breedtegraad wordt verkregen met een vlak op het zuiden gericht en een hellingshoed van het vlak met ongeveer 32°

Structureren en financieren van zonne-energie projecten

Aandachtspunten bij het structureren en financieren van zonne-energieprojecten zijn o.a.:

  • Ontwerp van de installatie (instraling, bouwkundige ontwerp)
  • Samenstelling van de installatie
  • Zakelijke rechten op de installatie
  • Productgaranties
  • Herverzekering van door leveranciers verstrekte garanties
  • Onderhoudsontracten

Technologische ontwikkelingen

Op het gebied van zonne-energie zijn er veel ontwikkelingen gaande. Naast esthetische ontwikkelingen (vooral voor de particuliere markt) richten nieuwe technologische ontwikkelingen zich veelal op een grotere efficiency en bredere toepassingen (o.a. gevels). Door te streven naar een grotere efficiency van PV panelen zal vooral de hoeveelheid dakoppervlak worden beperkt dat noodzakelijk is voor de opwekking van de gewenste hoeveelheid stroom.

de afgelopen 15 jaar zijn de energieprijzen 3x sterker gestegen dan de inflatie.

Bron: CBS

Stroomprijzen - eindafnemers

Leveringsprijs obv 40.000 kWh per jaar (ex. BTW), bron CBS

X = Jaar, Y = €Cent / kWh

Grondstofprijzen

X = Jaartal, Y = Prijs in euro's

10 jaars rente NL staatsleningen

Ontwikkeling 10-jaars rente (in %)

X = Datum, Y = Rente percentage

CO₂ emissierechten

Ontwikkeling CO₂ markt

X = Datum, Y = Cer's