53
05-5-2013 Green Engineering Helicon Boxtel | Maarten Stassen, Marco Schmidt HELICON THEMA ZONNE-ENERGIE
05-5-2013
Green Engineering Helicon Boxtel | Maarten Stassen, Marco Schmidt
HELICON THEMA ZONNE-ENERGIE
1
Inhoud Introductie ............................................................................................................................................... 3
Wat is zonlicht ......................................................................................................................................... 4
Direct en diffuus licht .......................................................................................................................... 5
Hoeveelheid zonnestraling per oppervlakte-eenheid ..................................................................... 6
Instraling .................................................................................................................................................. 6
Tilt en oriëntatie. ................................................................................................................................. 7
Globale instraling en het aantal zonuren in Nederland ...................................................................... 9
Tracking systeem ............................................................................................................................... 12
Tracking met MLD ......................................................................................................................... 12
Invloed van de seizoenen op de instraling ........................................................................................ 14
Lengte- en breedtegraden ................................................................................................................. 14
Soorten panelen .................................................................................................................................... 16
PV panelen ............................................................................................................................................. 16
STC (standaard test condities) ........................................................................................................... 17
Temperatuurinvloed op de prestaties van het zonnepaneel. ........................................................... 18
Spannings-stroomkarakteristiek van het PV-paneel ......................................................................... 19
Specificaties en begrippen van zonnepanelen .................................................................................. 20
Materiaal en Productie ...................................................................................................................... 22
Werking PV-paneel ............................................................................................................................ 25
Foto-elektrisch effect: Ontdekking van het effect en zijn fysieke verklaring .................................... 25
Zonnecellen gebruiken het foto-elektrische effect voor de opwekking van stroom ........................ 25
Thermische zonne-energie .................................................................................................................... 27
Vlakke plaat collector ........................................................................................................................ 27
Vacuümbuiscollector ......................................................................................................................... 28
Concentrerende collectoren ............................................................................................................. 29
Warmtewisselaar............................................................................................................................... 29
Ontwerpen systemen ........................................................................................................................ 29
Concentrated Solar Power centrale (CSP) ......................................................................................... 31
Wetgeving ............................................................................................................................................. 33
Geen omgevingsvergunning voor het bouwen nodig ....................................................................... 33
Installatie ............................................................................................................................................... 34
Net gekoppelde systemen ................................................................................................................. 34
Stand-alone systemen ....................................................................................................................... 35
2
De accu .............................................................................................................................................. 35
De inverter ......................................................................................................................................... 37
Schaduwval ........................................................................................................................................ 37
Bypass diodes in PV-panelen. ............................................................................................................ 40
Montage ............................................................................................................................................ 42
Overzicht zonnepanelen .................................................................................................................... 48
Stimulering installatie zonnepanelen .................................................................................................... 49
Energieverbruik van enkele huishoudelijke apparaten. ........................................................................ 50
Bibliografie ............................................................................................................................................ 52
3
Introductie
De energie van de zon kan op verschillende manieren gebruikt worden. 1. De warmte van de zon, Thermische zonne-energie 2. Het licht van de zon om elektriciteit op te wekken. 3. Het licht van de zon voor fotosynthese.
In dit thema zal ingegaan worden op de omzetting naar zowel thermische energie als elektrische energie. Naast de techniek en de werking van zonnepanelen en zonnecollectoren wordt ook uitleg gegeven over hoe deze geïnstalleerd worden.
4
Wat is zonlicht
Figuur 1: De energie van zonnestralen (ir. J. Ouwehand, 2009)
Zonlicht is opgebouwd uit verschillende delen. Naast het deel wat de mens kan zien (het zichtbare licht) straalt de zon ook ultraviolet en infrarood licht uit. Tabel 1: Golflengte en energie in zonlicht
Soort Licht Ultraviolet Zichtbaar Infrarood
Golflengtedomein 0-0,38 0,38-0,78 0,78-∞ μm
Energie inhoud 87 656 623 (W/m2)
Fractie van het totaal 6,4 48,0 45,6 %
De energie van zonlicht zal niet helemaal de aarde bereiken. Een deel van de straling verdwijnt door verstooiing, reflectie en absorptie. Dit wordt verder op in het hoofdstuk behandeld. Tabel 2: Het omzetten van zonlicht in energie (ir. J. Ouwehand, 2009)
Golflengte Toepassingsgebied Energiedrager
0,2 - 2,5 Zonnecollectoren Thermische energie
0,2 - 1,2 PV-cellen Elektrische energie
0,45- 0,7 Fotosynthese Chemische energie
Als we kijken naar het omzetten van de energie in zonnestraling, zijn er verschillende mogelijkheden. Zo kun je met zonnecollectoren de energie in de zonnestraling omzetten in bijvoorbeeld warmte. Met PV-cellen (zonnepanelen voor elektriciteit) kunnen we de energie in de zonnestraling omzetten in elektriciteit.
5
Planten zijn ook in staat om energie in zonlicht om te zetten in energie. Dit doen zij door middel van fotosynthese.
Figuur 2: de flow van zonlicht (K.E. Trenberth, maart 2009)
Zoals gezegd bereikt niet al het zonlicht het aardoppervlak. In Figuur 2 is de gele stroom (links) het
zonlicht. Hier is te zien dat een deel van het zonlicht gereflecteerd wordt (weerkaatst) door de
wolken. Ook kunnen de wolken de energie in de zon absorberen (opnemen). Verstrooiing is het
verschijnsel waarbij een deel van de zonnestraling wordt geabsorbeerd door grote gasmoleculen,
stof en ijskristalen, en een ander deel wordt weerkaatst door die zelfde deeltjes.
Absorberen betekent opnemen. Wanneer we kijken naar de eigenschappen van bijvoorbeeld de
absorberplaat van een vlakke plaat collector, die gebruikt worden voor het opwarmen van water,
zien we dat de absorberplaat de warmte van de zon moet opnemen en vasthouden. De
absorberplaat wordt dan opgewarmd door de zon. De absorberplaat draagt zijn warmte over op het
gas of vloeistof die door de collector stroomt die weer gebruikt kan worden om bijvoorbeeld een huis
te verwarmen. Wanneer we een vaste stof hebben waarlangs een gas of vloeistof stroomt met een
andere temperatuur, zal er warmte worden overgedragen. Dit wordt convectie genoemd.
Uiteindelijk is van belang hoeveel energie er per vierkante meter aardoppervlak beschikbaar is voor
de energieomzetting. De verdeling van de hoeveelheid zonne-energie over de aarde hangt van de
geografische breedte (andere woorden de plek op de aarde) en de weersomstandigheden.
Direct en diffuus licht
De energie die het aardoppervlak bereikt bestaat uit twee delen, de directe straling en de diffuse
straling. Deze diffuse straling is straling die het oppervlak op een indirecte manier bereikt. De totale
straling is een optelsom van de directe en de diffuse straling.
6
⁄
GT = globale straling Gdir = directe straling Gdif = diffuse straling
Hoeveelheid zonnestraling per oppervlakte-eenheid
De aarde ontvangt twee soorten straling: directe straling rechtstreeks van de zon en diffuse
straling uit andere richtingen, zoals straling weerkaatst door de wolken. De som van directe en
diffuse straling wordt globale straling genoemd. Globale straling wordt gemeten met een pyranometer
en uitgedrukt in Joules per vierkante meter. Hieruit wordt de duur van de zonneschijn berekend.
Figuur 3 Directe en indirecte straling
Figuur 4 Bijdrage van direct en diffuse instraling in Nederland.
Figuur 4 laat zien dat de instraling in Nederland voor een groot deel uit instraling bestaat van diffuus
daglicht. Daglicht dat via de bewolking of via de bodem gereflecteerd wordt.
Instraling Het vermogen van een zonnepaneel is afhankelijk van de hoeveelheid zon die op het paneel schijnt. De hoeveelheid zon op het paneel wordt de instraling genoemd. De instraling (irradiation) is voor ieder land verschillend, zo hebben de landen rond de evenaar een hogere instraling dan de landen die daar verder van af liggen.
7
Tilt en oriëntatie. Belangrijk om mee te nemen in de berekening van de instraling, is de hellingshoek (tilt) en de oriëntatie van het paneel. De hellingshoek van een paneel is de hoek die het paneel maakt met de horizon. Horizontaal is de hellingshoek nul graden, verticaal is de hellingshoek negentig graden. Oriëntatie is de richting gerelateerd aan de windrichtingen. Met deze twee instellingen van tilt en oriëntatie kan het paneel optimaal worden gericht naar de zon voor een zo groot mogelijke opbrengst van het paneel.
Figuur 5 Oriëntatie (windrichting) en hellingshoek α.
Opdracht: Bereken de hellingshoek α van het dak van een huis. Bereken de lengte van het dak (b). Maat a, de nokhoogte, is 4 meter, maat c is 6 meter.
Opdracht: Een PV-paneel heeft een lengte van 1,5 m. Hoeveel meter moet het paneel aan een zijde omhoog geplaatst worden om een hellingshoek van 30 graden te hebben?
8
De instraling wordt weergegeven als de straling op een horizontaal vlak. Om zo optimaal mogelijk vermogen uit het paneel te halen wordt het paneel onder een hoek geplaatst. De hellingshoek van het paneel is afhankelijk van de plaats waar het paneel geplaatst wordt (zie hoofdstuk wetgeving). In de instralingsschijf is te zien welke oriëntatie en hellingshoek van het zonnepaneel het meeste energie opbrengt. Zo is te zien in Figuur 7 dat bij een hellingshoek van 36 graden en een oriëntatie (windrichting) van 5 graden west ten opzichte van het zuiden de instraling in Nederland optimaal is. Omdat in Nederland de bijdrage van diffuus zonlicht groot is kloppen deze waarden niet geheel maar geeft de instralingsschijf wel een idee van de invloed van de hellingshoek en oriëntatie op de opbrengst van een paneel.
Figuur 6 Procentuele opbrengst afhankelijk van de ligging van het PV-paneel.
Figuur 7: instralingsschijf
9
Globale instraling en het aantal zonuren in Nederland
Naast direct en diffuus licht heeft ook de locatie invloed op het aantal zonuren in Nederland. Als het aantal zonuren van het oosten met het westen wordt vergeleken, kan dit tot wel 10% schelen in het jaarlijks aantal zonuren. Daarbij geldt dat het aantal zonuren dicht bij de zee groter is dan verder van de zee af. Dit heeft veel invloed op de opbrengst van een PV-systeem.
Het aantal zonuren is niet elk jaar gelijk en kan tot 15% boven of onder het langjaarlijkse gemiddelde uitkomen. Per maand zijn hier ook grote verschillen in. Zo kan logischerwijs gezegd worden dat december een laag aantal zonuren heeft en dat juni een hoog aantal zonuren heeft. Over de opbrengst van zonnepanelen kan door de analyse van verschillende testsystemen in Nederland geconcludeerd worden dat november, december en januari bij elkaar maar 8,2 procent opwekken van het jaarlijkse totaal. Juni, juli en augustus kunnen gemiddeld voor 39% van de opbrengst zorgen.
Informatie over de actuele zoninstraling vind je op de site van het KNMI: KNMI actuele zoninstraling [W/m2]
10
Figuur 8: Zonnestraling in Nederland (http://sunbird.jrc.it/pvgis/cmaps/eu_opt/pvgis_solar_optimum_NL.png)
11
Figuur 9: Zonlicht in aantal uren per jaar (KNMI)
Opdracht: Bepaal de jaarlijkse opbrengsten voor PV-installaties met rendement van 14% en een oppervlakte van 12m2. De PV-installaties staan: 1. in Tilburg. 2. op Texel. Opdracht: Op Texel staat het dak van het huis waarop de panelen liggen georiënteerd op west. Het dak heeft een hellingshoek van 30°. -Hoeveel is het rendement van de installatie? -Wat is dan de verwachte jaaropbrengst? In Tilburg staat het dak van het huis waarop de panelen liggen georiënteerd op zuidwest. Het dak heeft een hellingshoek van 50°. -Hoeveel rendement heeft de installatie? -Wat is dan de verwachte jaaropbrengst?
12
Tracking systeem Om een zo hoog mogelijke opbrengst te verkrijgen van het zonnepaneel is het belangrijk dat het zonnepaneel goed naar de zon is gericht. Voor vastliggende zonnepanelen wordt dit gedaan door de tilt en de oriëntatie zo optimaal mogelijk te kiezen. Er zijn nog andere manieren om het zonnepaneel optimaal naar de zon te richten. Een van die systemen is het zogenaamde trackingsysteem. Het trackingsysteem is een actief systeem dat automatisch de stand van de zon volgt. Eenvoudige, enkel-assige systemen passen automatisch hun oriëntatie aan en volgen de zon van oost naar west. Complexere, dubbel-assige systemen houden ook rekening met de verandering van de hoogte van de zon tijdens de seizoenen. Zij passen hun oriëntatie en hellingshoek aan. Er zijn systemen die precies de positie van de zon volgen. Figuur 10 laat een voorbeeld zien van de werking van zo’n systeem.
Figuur 10 Tracking systeem volgt de zon (astrologisch trackingsysteem)
Tracking met MLD
Ook zijn er systemen die kunnen bepalen waar het meeste licht vandaan komt en daar de panelen naar richten. Deze systemen werken met het zogenaamde Maximum Light Detection (MLD) systeem. Het bedrijf DEGERenergie (SOLAR TRACKING - DEGER) levert zo’n systeem. Deze systemen houden rekening met diffuus zonlicht. Als het een zwaar bewolkte dag is kan het zijn dat zo’n systeem de panelen horizontaal positioneert omdat daar op dat moment het meeste licht vandaan komt.
Figuur 11 Trackingsysteem met MLD sturing
Met een trackingsysteem is de gemiddelde opbrengst van de panelen altijd hoger dan zonder zo’n systeem. Waarom dan niet altijd een trackingsysteem toepassen? De redenen hiervoor zijn de kosten en vooral ook de toepasbaarheid van een dergelijk systeem. Voor de toepassing van een trackingsysteem (zeker dubbel-assig) heb je beduidend meer ruimte nodig.
13
Figuur 12 Tracksysteem enkel- en dubbel-assig
Een voorbeeld van een enkelassig trackingsysteem op een schuin dak: Solar Tracker System Tracking Sun - YouTube Een voorbeeld van een dubbelassig trackingsysteem, DEGERenergie - Solar Tracking Systems. http://www.youtube.com/watch?v=Yn0NF_cK3J0 Panelen die continu de beweging van de zon volgen gedurende de dag kunnen 10% (in de winter) tot 40% (in de zomer) meer energie ontvangen dan vaste panelen.
14
Invloed van de seizoenen op de instraling De verschillende seizoenen in een jaar hebben ook invloed op de instraling. Dit heeft te maken met de baan van de aarde die om de zon draait en is het beste uit te leggen aan de hand van Figuur 13
Figuur 13: De baan van de aarde om de zon met de vier seizoenen.
Nederland ligt op ongeveer 52° noorderbreedte. Zoals is te zien in de afbeelding is voor het noordelijk halfrond, de zonnestraling het grootst in de zomer. In de herfst en de winter is de as van de aarde dusdanig gekanteld dat er minder instraling is voor noordelijk halfrond. Hierdoor zijn de dagen korter, en de zon minder krachtig.
Winter December, januari, februari
Lente Maart, april, mei
Zomer Juni, juli, augustus
Herfst September, oktober, november
Lengte- en breedtegraden Met de lengtegraad en de breedtegraad coördinaten wordt een locatie aangeduid op onze aardbol. Op de evenaar ligt op 0° breedtegraad. De noordpool ligt op 90° Noorderbreedte of +90°. De zuidpool ligt op 90° Zuiderbreedte of -90°. Het plaatsje Greenwich in England ligt op 0° lengtegraad. De lengtegraden lopen van 0° tot 180° naar het oosten en van 0° tot -180° naar het westen. Nederland ligt op circa +5° lengtegraad.
15
Figuur 14 Lengte-en breedtegraden
Opdracht: Ga naar de volgende website: http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/[email protected] Wanneer je geen toegang hebt, zorg dan dat je je aanmeld.
A. Zoek via google maps de coördinaten op van jouw huis. (tip: zoek je huis, klik rechter muis knop en vervolgens wat is hier om de coördinaten te krijgen). *
B. Voer deze coördinaten in op de website. C. Plaats de waarden in een tabel in Excel. Vervang alle punten door komma’s en maak van de
gegevens een grafiek.
16
Figuur 15: Instraling Helicon Boxtel volgens NASA
Belangrijk is om te weten dat de instraling die je zojuist hebt gevonden de instraling is op een
horizontaal vlak. Ook geeft deze grafiek een dag gemiddelde weer, en niet de gemiddelde instraling.
* Latitude = breedtegraden Longitude = lengtegraden
Soorten panelen Er zijn veel verschillende soorten zonnepanelen, met verschillende toepassingen. Zo zijn er zonnepanelen die gebruikt kunnen worden voor het maken van elektriciteit en andere panelen zijn voor het opwekken van warmte.
PV panelen PV panelen kunnen gebruikt worden voor de opwekking van elektriciteit. PV komt uit het Engels en is een afkorting van photovoltaic. Zoals in het eerste hoofdstuk is te lezen bereikt niet al het licht het aardoppervlak. Wanneer het licht het zonnepaneel bereikt, wordt niet al het licht opgenomen. Net zoals het licht wat geabsorbeerd of gereflecteerd wordt door de aarde, gebeurd dit ook in een zonnepaneel.
0
1
2
3
4
5
6
kWh
/m2
/d
Instraling Helicon Boxtel op horizontaal vlak
instraling
17
Figuur 16: Reflectie, transmisie en absorptie van licht in een transparante stof (bijvoorbeeld zonnecel) (ir. J. Ouwehand, 2009)
STC (standaard test condities) Het vermogen van zonnepanelen wordt uitgedrukt in Watt (W). Met de Standaard Test Condities kan het maximale vermogen berekend worden van een zonnepaneel. Deze Standaard Test Condities zijn:
Een instraling van 1000 W/m2
Een temperatuur van 25°C
Loodrechte instraling op het paneel
AM = 1,5 Onder deze condities kunnen dus de maximale prestaties berekend worden, die worden uitgedrukt in Wattpiek (Wp). Voor het berekenen van het vermogen gebruiken we de volgende formule:
P = vermogen [W] I = instraling [W/m2] ɳ = rendement A= oppervlakte van het paneel [m2] Bijvoorbeeld: een zonnepaneel met een paneeloppervlak van 1 m2 en een rendement van 15%, heeft bij een instraling van 1000 W/m2 een piekvermogen Wp van 1000 x 0,15 x 1 = 150 W. Opdracht Bereken het piekvermogen van een zonnepaneel onder Standaard Test Condities. Het rendement van het paneel is 14%.
18
Temperatuurinvloed op de prestaties van het zonnepaneel. De temperatuur van het zonnepaneel heeft invloed op de prestaties. Hoe hoger de temperatuur hoe lager de prestaties. Daarom is belangrijk bij de montage van zonnepaneel altijd een zekere afstand te houden tussen de achterkant van het paneel en het dak, om te zorgen dat er nog lucht langs kan stromen om het paneel af te koelen. Wanneer een paneel zijn warmte niet kwijt kan, zal de opbrengst snel dalen!
Figuur 17: invloed van temperatuur op de prestaties van PV panelen
In de datasheet van het zonnepaneel staan de specificaties van de temperatuurinvloed. Dit noemen we de temperatuurcoëfficiënt. Dit is een belangrijke specificatie van het zonnepaneel, immers hoe kleiner de temperatuurcoëfficiënt, hoe minder de afname van het geleverde vermogen van het paneel bij een stijgende temperatuur. Een voorbeeld hiervan staat hieronder.
Temperatuur Coëfficiënt (TC) Pmax -0,43 %/°C
Voc -0,34 %/°C
Isc 0,065 %/°C
Normal Operating Cell Temperature (NOCT)
45±2 °C
Tabel 3Temperatuur karakteristieken
Uit de bovenstaande grafiek blijkt dat het maximale vermogen Pmax van dit zonnepaneel met -0,43 %/°C afneemt. De temperatuur is ook van invloed op de openklemspanning Voc en op de kortsluitstroom Isc. Het minteken betekent dat de waarde afneemt als de temperatuur toeneemt. In formulevorm is de verandering van gevolge van de temperatuur als volgt:
Voor Pmax:
[W]
19
Voor Voc:
[V]
Voor Isc:
[A]
Temperatuur Coëfficiënt TC in [%/°C] Temperatuursverschil met STC waarde, ΔT in [°C] Opdracht. Een zonnepaneel heeft de volgende specificaties: Wp=250 W Temperatuur Coëfficiënt Pmax = -0,43 %/°C Wat is het geleverde maximale vermogen van het paneel bij een paneeltemperatuur van 45°C?
Spannings-stroomkarakteristiek van het PV-paneel Elk zonnepaneel heeft een spannings-stroomkarakteristiek (zie volgende pagina). Het vermogen van een paneel reken je uit door de spanning te vermenigvuldigen met de stroom.
P = vermogen I = stroom (A) V = spanning (V) Omdat je zoveel mogelijk vermogen uit je zonnepaneel wilt halen, moet dus je vermogen (P) zo groot mogelijk zijn. Het Maximum Power Point is het punt op de karakteristiek waarop het paneel het maximale vermogen heeft.
Figuur 18: het Maximum Power Point
20
Maximum Power Point (MPP): combinatie van stroom en spanning van een zonnepaneel die tot het hoogst bereikbare vermogen van een PV systeem leidt, gegeven een bepaalde instraling en temperatuur. Het vermogen kan je ook op een andere manier berekenen. Het oppervlak onder de spannings-stroomkarakteristiek is namelijk gelijk aan het vermogen. Met andere woorden, het punt waarbij het oppervlak onder de grafiek het grootst is, is het Maximum Power Point. In de praktijk hoef je niet voor elk paneel het Maximum Power Point te vinden, maar is daarvoor software die het Maximum Power Point zelf opzoekt. Hierdoor werkt het paneel optimaal. Deze software zit in de inverter, en wordt een max power point tracker genoemd. Opdracht. In de onderstaande grafiek zie je de vermogenskarakteristiek van een zonnepaneel. Bereken bij benadering het maximale vermogen van een zonnepaneel bij een instraling van 800W/m2. Bereken de Wp van dit zonnepaneel. Het rendement is 18%.Bereken het oppervlak van het paneel.
Figuur 19 Vermogenskarakteristiek van een PV-paneel
Specificaties en begrippen van zonnepanelen Specificaties geven informatie over de leverancier, het type, de opbouw, de prestaties, de toleranties, garantie, levensduur, enz. Deze specificaties vind je terug op de datasheet van het zonnepaneel. Op het zonnepaneel zelf staan ook een aantal specificaties aangegeven. Een aantal specificaties die je kunt vinden op een zonnepaneel zijn: Peak power: Pmax Het maximale vermogen dat het zonnepaneel kan leveren volgens de STC. Open circuit voltage Voc Dit is de spanning die het zonnepaneel maximaal kan afgeven als deze niet is aangesloten op een circuit. In het nederlands: open klemspanning. Max power voltage Vmp Dit is de spanning van het zonnepaneel bij de maximale vermogensafgifte (Pmax).
21
Short circuit current Isc Dit is de maxiale stroom die het zonnepaneel kan leveren als het wordt kortgesloten. In het nederlands: kortsluitstroom. Max power current Imp
Dit is de maximale stroom die het zonnepaneel levert volgens de STC. Power tolerance range Dit de afwijking (tolerantie) van het gespecificeerde vermogen van het zonnepaneel. Module efficiency Dit is het rendement van het zonnepaneel. Dit is iets anders dan de cell efficiency. De cell efficiency is het rendement van een zonnecel. Een paneel is opgebouwd uit meerdere zonnecellen. Max system voltage. Dit de maximale spanning die een string (groep) van gekoppelde zonnepanelen mag hebben. STC: Standaard Test Condities. Dit zijn de afgesproken condities waaronder de Wp wordt bepaald. De STC waarden zijn: AM=1,5 E=1000W/m2 Tc=25 AM (Air Mass), Het AM-getal (AM =Air Mass = lucht massa) geeft aan hoe dik de luchtlaag is die de zonnestralen moeten doordringen. Operating temperature. Dit is het temperatuurbereik waarbinnen de werking van het zonnepaneel gegarandeerd is. Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) Een zonnepaneel wordt normaal getest onder Standaard Test Condities (STC). Echter in praktijk werken panelen vaak onder hogere temperaturen bij lagere instralingswaarden. Om het opbrengstvermogen van panelen te bepalen is het belangrijk om de verwachte ‘operating temperature’ te bepalen van een paneel onder deze werkelijke condities. De NOTC wordt gedefinieerd als de temperatuur die wordt bereikt bij open circuit zonnecellen in een paneel onder de volgende condities: instraling op het zonneceloppervlak = 800 W/m2, buitentemperatuur = 20 °C, Windsnelheid = 1 m/s, en een open achterkant van de bevestigingsconstructie. Test en certificeringsinstituten. De IEC norm, (International Electrotechnical Commission), internationaal instituut voor testen en certificering. De UL norm, (Underwriter Laboratory), amerikaans instituut voor testen en certificering. Sommige specificaties van de zonnepanelen zijn per instituut verschillend. De locatie (het land en zijn wetgeving) bepalen welke norm gehanteerd dient te worden.
22
Voorbeeld. De specificatie voor de maximale systeem spanning voor een zonnepaneel is: Maximale systeem spanning: 1000V (IEC) /600V (UL). Afhankelijk van de voorgeschreven norm mag de systeemspanning van een groep van gekoppelde zonnepanelen niet meer dan 600V (UL) of 1000V (IEC) zijn. Opdracht Zoek van vijf verschillende PV-panelen de datasheets.
Materiaal en Productie De meeste zonnepanelen worden gemaakt van kristallijn silicium. Silicium wordt gemaakt van siliciumdioxide, dat wordt gewonnen in de vorm van kwartszand. Net als ijzer uit ijzererts wordt silicium uit siliciumdioxide gewonnen door reductie met behulp van koolstof en wordt daarna gezuiverd. Zoals gezegd is de meest gebruikte bron voor silicium voor zonnepanelen kwartszand. De chemische formule van kwarts is SiO2. Door de kwarts te verhitten tot een temperatuur van rond de 3000°C en het toevoegen van koolstof (chemische formule C), verloopt de volgende reactie waaruit silicium ontstaat (chemische formule silicium Si):
Het silicium heeft na deze reactie een zuiverheid van 99,99%. Het meeste silicium wordt gebruikt in de elektronica-industrie, voor zonnepanelen worden meestal de restjes gebruikt. Dit restmateriaal wordt dan opnieuw gezuiverd en vervolgens met een speciale techniek (de directionele stollingstechniek van Czochralski) omgezet in monokristallijn silicium.
Figuur 20: Kwarts (siliciumdioxide SiO2)
Van dit monokristallijne silicium worden dunne plakjes afgezaagd. Het oppervlak van de plakjes
worden ruw gemaakt zodat ze minder zonlicht reflecteren. Na het ruwer maken van de zonnecel
ondergaat de zonnecel nog een chemische reactie, en worden er speciale onzuiverheden
aangebracht (doormiddel van een ionenbombardement). Door alle behandelingen is monokristallijn
duur. Het rendement van monokristallijne silicium zonnecellen is ongeveer 16%.
Niet alle zonnepanelen zijn van monokristallijn silicium. Een andere techniek, waarbij het silicium
wordt gegoten in blokken. Van deze blokken worden weer plakjes afgezaagd. Door het gieten heeft
23
silicium ontstaat er een kristalstructuur. Deze cellen worden polykristallijne zonnecellen genoemd.
Polykristallijne zonnecellen zijn goedkoper dan monokristallijne zonnecellen, en hebben een lager
rendement van ongeveer 13%.
Dan is er ook nog amorf silicium. Amorf silicium bestaat uit silicium atomen zonder regelmatige
ordening (amorf betekent zonder geordende structuur). Amorfe zonnecellen zijn een stuk goedkoper
dat kristallijne zonncellen. Het rendement van amorfe zonnecellen is ongeveer 10%. Amorfe
zonnecellen worden vaak toegepast in bijvoorbeeld rekenmachines en horloges.
Het is ook mogelijk om zonnepanelen uit andere grondstoffen te maken. Een voorbeeld hiervan zijn
cadmiumtelluride en koper-indium-diselenide. Dit zijn stoffen waar momenteel veel onderzoek naar
wordt gedaan.
Een andere ontwikkeling is de toepassing van siliciumlinten. Deze worden rechtstreeks uit vloeibaar
silicium getrokken in plaats van ze te gieten. Het voordeel van siliciumlinten is dat het op allerlei
dragermaterialen kan worden aangebracht, bijvoorbeeld flexibel plastic. Dit heeft als voordeel dat
we geen grote panelen meer nodig hebben!
Opdracht, Zoek drie toepassingen met afbeeldingen van dunnefilm toepassingen. Noem minimaal twee redenen waarom je monokristallijne danwel polykristallijne PV-panelen zou installeren.
24
Uitvoering Materiaalsoort Maximum rendement laboratorium
Rendement commerciële modules
Plakken Monokristallijn silicium
25% 13-16%
Plakken Polykristallijn silicium
20% 12-14%
Plakken Amorf silicium en silicium-germanium
14% 6-8%
Dunne film Koper-indium-diselenide
19% 9-11%
Dunne film Cadmiumtelluride 16% 7-9% Figuur 21: De verschillende soorten en panelen en hun rendement
25
Werking PV-paneel
Figuur 22: werking zonnepaneel (ir. J. Ouwehand, 2009)
Foto-elektrisch effect: Ontdekking van het effect en zijn fysieke verklaring
Het foto-elektrische effect werd ontdekt in 1839 door Alexander Edmond Bequerel. Tijdens een experiment ontdekte hij dat tussen twee elektrolytische cellen een licht-afhankelijke stroom ontstond. Dit foto-elektrische effect werd in de volgende decennia onder andere door Heinrich Hertz en W. Hallwachs (1887), verder beschreven. Onder andere onderzochten zij de manier waarop geladen deeltjes (elektronen) een materiaal verlaten (Hallwachs effect of foto-emissie effect). Later betrok Albert Einstein het foto-elektrische effect in zijn licht-kwantumtheorie.
Dankzij zijn onderzoek aan het licht-kwantumeffect in 1905, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs ontving, kon het foto-elektrische effect fysisch worden verklaard. In zijn theorie is licht niet alleen een golf, maar heeft het ook deeltjeskenmerken („het dualisme van het golfdeeltje“). De zogenaamde „fotonen“ hebben een bepaalde energielading. Een foton kan zijn energie aan andere deeltjes overdragen. Deze energie kan voor verschillende processen, onder andere voor de opwekking van stroom door zonnepanelen worden gebruikt. De eerste aangewezen zonnepanelen werden gebruikt in de ruimte om satellieten van stroom te voorzien.
Zonnecellen gebruiken het foto-elektrische effect voor de opwekking van
stroom
In zonnepanelen wordt elektriciteit opgewekt. De zonnecellen in zonnepanelen bestaan meestal uit silicium, een halfgeleidermateriaal. De halfgeleider wordt elektrisch geleidend, als hij aan licht of warmte wordt blootgesteld. Een zonnecel bestaat uit twee halfgeleiderlagen, die enerzijds overschot
26
aan positieve ladingdragers en anderzijds een overschot aan negatieve lastendrager hebben. Dit wordt dotering genoemd.
Bij de overgang tussen beide lagen ontstaat een elektrisch veld, dat onder invloed van lichtinval de door het foto-elektrische effect vrijkomende deeltjes van de lading scheidt. Metaalcontacten geleiden de daardoor ontstane elektrische spanning. Als er een elektrisch apparaat aangesloten is, is de buitenste kring gesloten en stroomt er gelijkstroom. Voor toepassing in huishoudens wordt een omvormer toegepast die de gelijkstroom omzet in wisselstroom. De meeste huishoudelijke apparaten werken immers op wisselstroom.
In onderstaand filmpje wordt laten zien hoe een zonnepaneel gemaakt wordt. http://www.youtube.com/watch?v=cWL6QQuRuxE&feature=related Introductie tot PV-paneel energie: http://www.youtube.com/watch?v=ZSviOnud7uY Nog een filmpje over de precieze werking van het PV-paneel: http://www.youtube.com/watch?v=Y0InAuhAre4
27
Thermische zonne-energie
Thermische zonne-energie is de warmte-energie die uit de zon gehaald kan worden. Om deze warmte-energie uit de zon te halen zijn verschillende technieken mogelijk. Deze zullen in de komende paragrafen worden toegelicht. Voor alle technieken geldt dat om de warmte van de zon te kunnen vervoeren of vast te houden er een vloeistof of gas nodig is. Deze vloeistof of gas noemen we een energiedrager.
Vlakke plaat collector De vlakke plaat collector is een zonnecollector waarbij de zon de energiedrager opwarmt. In het
geval van de vlakke plaat collector is het een vloeistof die door de collector heen stroomt. Aan de
onder zijde komt de koude vloeistof in de collector. Deze vloeistof wordt verwarmd door de
geabsorbeerde warmte. Vervolgens stroomt de vloeistof aan de bovenkant uit de collector.
Figuur 23: vlakke plaat collector (ir. J. Ouwehand, 2009)
Deze warme vloeistof kan gebruikt worden voor verschillende dingen, zoals het verwarmen van een
ruimte of het opwarmen van tapwater. Om te berekenen hoeveel energie de collector opbrengt
gebruiken we de volgende formule:
Q= energie opbrengst [Watt] 𝜱m= massastroom [kg/s] Cp= soortelijke warmte van de vloeistof [J/(kg*K)] T = temperatuur van de vloeistof (bij uit en bij in) De massastroom laat zien hoeveel vloeistof er per seconde door de collector stroomt. De soortelijke warmte van een vloeistof, is de energie (in joule) die je nodig hebt om 1 kg van de vloeistof 1 graad in Kelvin te laten stijgen.
28
Opdracht 40 liter water stroomt in één uur door een vlakke plaat collector.
a) Hoeveel liter stroomt er per seconde door de vlakke plaat collector? Water heeft een dichtheid van 1000 kg/m3
b) hoe zwaar is 2 liter water? (tip: 1 liter = 1 dm3) 30 liter water stroomt in één uur door een vlakke plaat collector.
c) Wat is de massastroom in deze vlakke plaat collector, geef je antwoord in kg/s Opdracht Door een vlakke plaat collector stroomt water van 20°c en met een massastroom van 0,01 kg/s. de soortelijke warmte van water bij 20°c is 4180 J/kgK. Als het water uit de vlakke plaat collector komt heeft het water een temperatuur van 50°c
a) Bereken het vermogen van de vlakke plaat collector. Opdracht Door een vlakke plaat collector met een vermogen van 2.000 Watt stroomt water met een snelheid van 0,015 kg/s. het water heeft een temperatuur van 18°c voordat het de collector in stroomt. De soortelijke warmte van water is 4180 J/kgK.
a) Bereken de temperatuur in graden celcius als deze de collector verlaat.
Vacuümbuiscollector Een ander veel gebruikt type collector is de vacuümbuiscollector. Vacuümbuiscollector bestaan uit een ronde lange, vacuüm getrokken glazen buizen die met een edelgas argon of krypton worden gevuld. De absorber en koelbuizen liggen in de met edelgas gevulde buis en door afwezigheid van de interne convectiestromingen in de buis zijn de thermische verliezen lager.
In de afbeelding hiernaast is de werking te zien van de vacuümbuiscollector. De zon warmt de collector op, hierdoor warmt ook de absorber op. Door het vacuüm is wordt het medium al bij een temperatuur van 30°C zo warm dat het stoomt. De stoom geeft vervolgens zijn warmte af en condenseert weer. Waarna het weer wordt opgewarmd.
Figuur 24: Vacuumbuiscollector
29
Concentrerende collectoren Concentrerende collectoren richten doormiddel van een spiegel het zonlicht en de warmte naar een centraal punt. In dit centrale punt wordt de absorber geplaatst. Voor deze absorber wordt ook vaak een vacuümbuiscollector gebruikt. Met concentrerende collectoren is het mogelijk hogere temperaturen te behalen dan met bijvoorbeeld de vlakke plaat collector, en worden doorgaans niet gebruikt voor het opwarmen van tap water. Een voordeel van de concentrerende collectoren is dat ook wanneer het licht niet recht op de spiegel staan, het licht toch naar de absorber wordt weerkaatst.
Warmtewisselaar In de meeste gevallen is het water of een ander medium niet geschikt om mee te douchen. Daarom draagt het opgewarmde medium wat door de collectoren stroomt zijn warmte over op het drink water. Dit gebeurd in een warmtewisselaar. Een warmtewisselaar is een onderdeel waar de twee stromen zo dicht langs elkaar stromen dat de warmte van het medium kan worden overgedragen op het drinkwater, zonder dat de twee met elkaar in aanraking komen. De meest gebruikte warmtewisselaar is de tegenstroom warmtewisselaar, hierin stromen meerdere stromen van het medium tegen de richting van het drinkwater in. Hierdoor vindt de overdracht van warmte nog sneller plaats.
Ontwerpen systemen Er zijn verschillende opstellingen mogelijk bij de bouw van een thermisch systeem voor bijvoorbeeld huizen. In deze paragraaf zullen verschillende configuraties aanbod komen. Systemen gebaseerd op natuurlijke watercirculatie, de zogeheten thermosifonsystemen, en de systemen met pompcirculatie. Bij thermosifonsystemen staat de collector onder het laagste punt van de warmtewisselaar of het voorraadvat. De meest voorkomende systemen zijn voorzien van een circulatiepomp voor de watercirculatie tussen de collector en het voorraadvat. Bij het gebruik van een circulatiepomp hoeft het paneel niet onder het voorraadvat of warmtewisselaar geplaatst te worden. Systemen met open expansie en met drukexpansie. Bij open, drukloze systemen –dat wil zeggen bij atmosferische druk- zet het warm wordende water uit in een open expansievat, en bij gesloten, onder druk staande systemen zet het uit in een drukexpansievat. Terugloop- of leegloopsystemen en systemen met antivries. In het laatste geval wordt het systeem met een speciale, niet giftige koelvloeistof gevuld te bescherming tegen bevriezing, terwijl de te hoge druk door oververhitting in het expansiesysteem wordt opgevangen. In Nederland past men bij kleine systemen bijna altijd een zogeheten terugloopsysteem toe, ook wel drainbacksysteem genoemd. Dit werkt uitsluitend bij systemen, waarbij de onderkant van de collector ruimschoots boven het terugloopvat staat en de leidingen op afschot liggen. Bij stilstand van de pomp stroomt het water uit de collector en de door vorst bedreigde leidingen terug het vat in. De pomp moet daarvoor onder het vat zitten, omdat deze altijd met water is gevuld. Verder is bij dit soort systemen in woonhuizen geen expansievat nodig. Leegloopsystemen moeten worden toegepast als de collector direct wordt gevuld is met tapwater. Bij vorstgevaar dient het water uit de collector en de leidingen weg te stromen. Omdat die niet in het voorraadvat past, loopt het leeg in het riool. (ir. J. Ouwehand, 2009)
30
Figuur 25: Systeem ontwerpen zonneboilers
31
Concentrated Solar Power centrale (CSP) Een nieuwe ontwikkeling in de zonne-energie is het gebruik van concentrated solar power centrales. Een CSP centrale werkt als volgt: De spiegels weerkaatsen het zonlicht naar één centraal punt. Op dit punt wordt de temperatuur zo hoog dat de vloeistof die door het centrale punt (receiver) stroomt wordt omgezet in stoom. De stoom drijft vervolgens door de stoomturbines waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Om dit alles te verduidelijken kijk naar het volgende filmpje: http://www.youtube.com/watch?v=rO5rUqeCFY4 De concentrated solar power centrale heeft minimaal 2000 kWh/m2 aan directe instraling nodig om effectief te zijn. Hierdoor zijn CSP centrales niet overal op de wereld geschikt om te plaatsen. Wanneer we kijken naar de gebieden die geschikt zijn in Europa is dat alleen zuid Spanje. Andere gebieden in de wereld die geschikt zijn voor CSP zijn noord Afrika, Mojave Desert (VS), Chili, zuidelijk Afrika en Australië. De meest toegepaste vorm van CSP is de parabolische trog, maar in de toekomst verwacht men dat de zonnetoren aan terrein zal winnen. Het voordeel bij de zonnetoren is namelijk dat er één receiver nodig is, waar de parabolische trog voor elke spiegel een receiver heeft. Hierdoor is het mogelijk een hoger thermisch rendement te behalen. In de zonnetoren kan de temperatuur oplopen tot wel 1000°C. in de parabolische trog is dit maar 400°C In de praktijk is het zo dat de centrale zo’n 8 tot 10 uur per dag effectief elektriciteit kan opwekken. Het nadeel is dus dat er op momenten dat er weinig zonlicht is, zoals in de avond en bij bewolking, er weinig energie wordt geproduceerd. Om te voorkomen dat mensen zonder elektriciteit komen te zitten is het dus nodig om de energie die overdag wordt opgewekt ’s avonds te benutten. Dit kan op verschillende manieren. Het Hybride systeem. Bij het hybride systeem is het mogelijk om bij een grote elektriciteitsvraag tijdelijk over te schakelen op fossiele brandstoffen zoals aardgas. De andere optie is om de energie die overdag wordt opgewekt op te slaan. Dit wordt gedaan doormiddel van gesmolten zout. Het mengsel van zout met een andere vloeistof stroomt door de receivers, en wordt opgeslagen in grote tanks.
32
Figuur 26: Overzicht verschillende CSP technieken (ir. J. Ouwehand, 2009)
33
Wetgeving De volgende regels gelden voor zowel zonnecollectoren als zonnepanelen. In de onderstaande figuur is een stappenplan om te controleren of je een vergunning nodig hebt voor het plaatsen van een zonnepaneel of een collector.
Figuur 27: Stappenplan plaatsing zonnepanelen/collector BRON: (Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 2010)
Geen omgevingsvergunning voor het bouwen nodig Om een zonnecollector of zonnepaneel vergunningsvrij te mogen plaatsen, moet worden voldaan aan de volgende voorwaarden:
1. De zonnecollector of het zonnepaneel moet op een dak worden geplaatst. 2. De collector of het paneel moet een geheel vormen met de installatie voor het opslaan van
water of elektriciteit, als dat niet het geval is, moet de installatie voor het opslaan van water of elektriciteit in het betreffende gebouw geplaatst worden.
3. Komt de zonnecollector of het zonnepaneel op een schuin dak, dan geldt dat: a. De collector of het paneel niet mag uitsteken en dus aan alle kanten binnen het vlak
van het dak moet blijven. b. De collector of het paneel in of direct op het dakvlak moet worden geplaatst. c. De hellingshoek van de collector of het paneel moet hetzelfde zijn als die van het
dak. 4. Komt de of het zonnepaneel op een plat dak, dan geldt dat de collector of het paneel ten
minste net zo verwijderd moet blijven van de dakrand als de collector of het paneel hoog is. is het hoogste punt van de collector bijvoorbeeld 50 centimeter, dan moet de afstand tot de dakranden ook minimaal 50 centimeter zijn.
(Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 2010)
34
Installatie In dit hoofdstuk gaan we in op de installatie van zonnepanelen en de verschillende mogelijkheden voor het aansluiten van zonnepanelen. Eerst zal het net gekoppelde systeem en het stand-alone systeem worden behandeld, en vervolgens zal ingegaan op de montage. Aan het einde van dit hoofdstuk vind je een overzicht van een aantal verschillende panelen die nu op de markt zijn.
Net gekoppelde systemen Het is mogelijk om meerdere zonnepanelen aan te sluiten op één inverter. Deze panelen worden dan in serie met elkaar geschakeld, dat wordt een string genoemd. De inverter ziet zo’n string als één groot zonnepaneel. Op wat grotere inverters is het mogelijk om meerdere strings aan te sluiten. Als de inverter maar één Max Power Point Tracker (MPP tracker) heeft, dan moeten de strings gelijk zijn in de hoeveelheid panelen en het type. Ook moet de hellingshoek en de oriëntatie van de panelen het zelfde zijn. Zo niet, dan zullen de stromen in de verschillende strings ongelijk zijn waardoor de MPP tracker geen eenduidig MPP kan vinden. De opbrengsten van het complete systeem zullen daardoor lager uitvallen. Inverters met meerdere MPP trackers hebben hier geen last van maar zijn vaak duurder. Als de inverter meerdere MPP trackers heeft (één MPP tracker per string) dan hoeven de strings niet gelijk aan elkaar te zijn. Het voordeel van het string concept is dat de kabelverliezen kleiner worden, en er voor meerdere panelen maar één inverter nodig is. Het grote nadeel is dat de string net zo goed presteert als het slechtste paneel. Als er in de string dus een paneel is wat beschadigd is, vies is of in de schaduw staat dan heeft dat gevolgen voor de hele string (minder opbrengst). (Sideria FAQ zonnepanelen, 2010) Ook is het mogelijk om systemen om een DC-koppelkast (gelijkstroom koppelkast) te gebruiken. Deze koppelkasten verzamelen de verschillende strings. En koppelt deze vervolgens met de inverter, die de gelijkstroom dan omzet in wisselstroom zodat deze naar het net geleverd kan worden. Dit systeem wordt gebruikt bij grotere systemen van tientallen of zelfs honderden strings. De koppelkast bevat scheiders, zekeringen, overspanningsbeveiligingen en een DC-schakelaar (gelijkstroom schakelaar) naar de inverter.
Figuur 28: (a) systeem met DC-koppeling (b) string inverter systeem
35
Ook bestaan er AC-zonnepanelen (wisselstroom). Dit zijn zonnepanelen die een eigen inverter hebben ingebouwd. De stroom die door dit paneel wordt opgeleverd kan meteen worden terug geleverd aan het net. Voordeel van dit systeem is dat er één maar ook honderd stuks kunnen worden geïnstalleerd. Wanneer grotere hoeveelheden worden geïnstalleerd zijn we dat dit systeem een beter rendement heeft dan grote systemen met een DC-koppelkast, ongeveer 3 á 4%. Dit komt omdat er minder zekeringen, diodes en bekabeling nodig is. (ir. J. Ouwehand, 2009); (Agentschap NL, 2010)
Stand-alone systemen Een stand-alone systeem is een groep van zonnepanelen die niet aan het net zijn gekoppeld, maar hun energie leveren aan een accu. Bij het ontwerpen van een stand-alone systeem zijn de volgende dingen belangrijk:
Het verbruikspatroon van de belasting. In andere woorden hoeveel elektriciteit is er nodig, zodat hier het aantal panelen en de hoeveelheid opslag op afgestemd kan worden.
De instralingskarakteristiek. Gemiddelde waarde van de dagelijkse instraling. Deze verschilt sterk per seizoen. Zo is de instraling in de zomer hoger dan in de winter
De benodigde betrouwbaarheid van het system. Dit heeft te maken met de dimensionering van het systeem (de grote van het systeem). Als het systeem in de winter ook gebruikt moet worden heb je meer panelen nodig om ook in de winter aan je energievraag te voldoen.
De systeemdimensionering. De grote van het oppervlak wat nodig is voor het installeren van de panelen, en de hoeveelheid accu’s.
De hellingshoek van de panelen. Bij de systeemdimensies kijken we naar de verhouding tussen de elektrische energie die opgewekt kan worden en de behoefte in iedere periode van bijvoorbeeld; een dag, een week, een maand of seizoen. Dit levert kritische periodes (lage verhouding) en overschotsperiodes (hoge verhouding). Dan is van belang om te kijken of het mogelijk om wanneer je een energietekort hebt, deze met energie uit een overschotsperiode aangevuld kan worden.
De accu
Er wordt meestal gesproken over accu’s en af en toe wordt ook de term cel gebruikt. Een cel is het basis element. Een accu is opgebouwd uit meerdere cellen. Eén cel van een loodaccu geeft een spanning af van 2 Volt. Een 12 Volt accu is samengesteld uit 6 cellen (6 cellen x 2V = 12V). Een volledig geladen 12 Volt accu heeft een openklemspanning van 12,6 V. De accu is volledig leeg bij een spanning van 11,8 V. Op een accu kan bijvoorbeeld het volgende staan: U = 12V I = 25A Imax = 120A (5sec.) C = 7Ah (C/20) of (20h) U is het symbool voor spanning, deze wordt weergegeven in V (Volt). Dit is een 12Volt accu. I is het symbool voor stroom, weergegeven in A (Ampère). Deze accu kan 25A continu leveren. Imax is de maximale stroom die deze accu gedurende korte tijd kan leveren. Soms staat er ook nog een tijd bij hoelang deze stroom uit de accu getrokken mag worden. In dit geval dus 5 seconden. C staat voor de Capaciteit en wordt weergegeven in Ampère-uur afgekort als Ah. Die h is van hour,
36
het Engelse woord voor uur. De toevoegingen C/20 of 20h betekenen hier dat de capaciteit wordt opgegeven bij een ontlading met een stroom van één twintigste van de capaciteit oftewel ontladen in 20 uur. In dit geval dus ontladen met 0,35A. Als dit niet op de accu staat, is de capaciteit vrijwel altijd opgegeven bij een ontlading in 10 uur. Wordt in dat geval de accu sneller ontladen dan in 10 uur, bijvoorbeeld in 1 uur, dan moet je rekening houden met een lagere capaciteit. Bij een accu wordt altijd de spanning en het aantal Ah vermeld. De energie-inhoud kan men berekenen, door de spanning (Volt) te vermenigvuldigen met het aantal Ah. Dit levert de hoeveelheid Wh (= energie) op, die in de accu kan worden opgeslagen. Twee voorbeelden: - een accu van 24 volt en 15 Ah heeft een energie-inhoud van 24 × 15 = 360 Wh - een accu van 36 volt en 10 Ah heeft een energie-inhoud van 36 × 10 = 360 Wh Beide accu's hebben dus dezelfde energie-inhoud. Vermelding van alleen de spanning of alleen het aantal ampère-uren geeft geen informatie over de energie-inhoud. Het energieopslagrendement voor loodzuuraccu’s is ongeveer 75- 80%.
Opdracht Bereken de energieinhoud van de GEL-accu op de foto in Figuur 29. Met hoeveel stroom mag je de accu ontladen?
37
Figuur 29 Een loodaccu
De inverter Zoals bekent kunnen zonnepanelen niet zonder inverter. De inverter zorgt ervoor dat gelijkstroom die uit de panelen komt wordt omgezet in wisselstroom. Wanneer er een keuze is gemaakt in het aantal panelen en het vermogen kan de inverter worden gekozen. Bij de het kiezen van een inverter moet gekeken worden naar het ingangsvermogen. In de praktijk blijkt dat de zonnepanelen vrijwel nooit hun piekvermogen behalen (het vermogen wat behaald wordt onder standaard test condities). Daarom mag het ingangsvermogen iets lager zijn dan het piekvermogen van de panelen. Belangrijk is wel dat de inverter de panelen ten alle tijden aan kan, dus onder dimensionering kan gevaarlijk zijn. Het maakt overigens niet uit of er één grotere of twee kleinere inverters geplaatst worden (mits deze het aantal strings en het vermogen aankunnen). Wel kan het zo zijn dat twee inverters meer bedrijfszekerheid kunnen hebben. Bekende merken voor omvormers in Nederland zijn Mastervolt en SMA.
Bron: http://www.solarnoord.nl/wat-is-zonne-energie-/38-pv-systeem.html
Schaduwval Wanneer een zonnecollector of zonnepaneel in de schaduw van bebouwing of bomen staat, valt er minder licht op de absorber. Hierdoor zal de opbrengst van het paneel ook lager uitkomen maar in het geval van PV panelen kan dit leiden tot totale productie uitval (in een string van panelen, is de gene met het laagste rendement bepalend). Daarom is het van belang dat de schaduwval in beeld wordt gebracht. Om dit in beeld te brengen wordt een zonnebaandiagram gebruikt.
38
Figuur 30: zonnebaandiagram 52ste breedtegraad noorderbreedte (ir. J. Ouwehand, 2009)
Schaduwval is afhankelijk van de hoogte van de zon. De hoogte van de zon is afhankelijk van de stand van de aarde ten opzichte van de zon, zoals dat is uitgelegd in het hoofdstuk Instraling. Zoals is te zien in het zonnebaandiagram is de stand van de zon in de zomer het hoogst en in de winter het laagst. Op de verticale as is de hoogte van de zon in graden uitgezet, op de horizontale hemelsrichting (180° is het zuiden).
Voorbeeld In de achtertuin staat een boom van 10 meter hoog. De boom staat ten zuid-oosten van het huis. Om te bepalen of de boom geen schaduw werpt op de zonnepanelen moet de hoek berekend worden. dit zal stap voor stap uitgelegd worden.
Figuur 31: Situatie tekening
1. Schets eerst de situatie van boven af.
39
Figuur 32: boven af gezien
2. Bereken L (zijde AD) met de stelling van pythagoras.
√
3. Teken het zij-aanzicht
Figuur 33: zij-aanzicht
4. Bereken de hoogte (H) tussen A en B
5. Bereken nu hoek ϒ met de volgende formule ⁄ ⁄
6. De grote van de hoek kan ingetekend worden in het zonnebaandiagram. Let hierbij op dat de
boom ten zuid oosten staat van het huis.
40
Figuur 34: beschaduwing boom op zonnepanelen.
De hoogte van hoek ϒ mag ingetekend worden in de zonnehoogte. Hieruit kan je afleiden dat de zonnepanelen in de schaduw kunnen vallen in de maanden november en december. (ir. J. Ouwehand, 2009)
Bypass diodes in PV-panelen.
Wat zijn bypass diodes en waarvoor dienen ze
Een zonnepaneel bestaat uit verschillende zonnecellen. Wanneer op alle zonnecellen evenveel zonlicht valt, produceren ze allemaal even veel stroom.
Wanneer enkele zonnecellen in de schaduw vallen van bijvoorbeeld een schoorsteen, dan produceren deze cellen minder stroom. Maar de stroom van de zonnecellen waar wel het zonlicht op valt, moet nog wel door deze beschaduwde, minder actieve zonnecellen. De stroom die hierdoor gedwongen wordt "geduwd", zorgt ervoor dat de beschaduwde zonnecellen erg gaan opwarmen. Dit is een "Hot Spot". Dit kan de zonnecellen beschadigen, of zelfs de glasplaat van de panelen vervormen of doen barsten.
Om dit te voorkomen, worden er bypass diodes in een zonnepaneel ingebouwd. Wanneer er zonnecellen zijn die minder energie produceren, wordt de stroom die door deze cellen moet via een bypass diodes omgeleid. Zo wordt het paneel beschermd wanneer er op een stuk schaduw valt. Doordat het paneel meerdere "bypass zones" heeft, gaat de elektriciteit van de zonnecellen die wel nog zonlicht krijgen niet verloren.
41
Figuur 35 Bypass diodes in een PV paneel.
3 bypass diodes, is dat veel of weinig?
3 bypass diodes wil zeggen dat er 3 zones zijn die het paneel aan en uit kan schakelen. Dankzij de 3 bypass diodes kunnen verschillende stukken van het paneel worden uitgeschakeld in plaats van meteen het hele paneel. Een derde van een paneel uitschakelen geeft maar een klein verlies in opbrengst op, terwijl het paneel zeker veilig is bij schaduw.
Wanneer panelen volledig zouden uitvallen wanneer enkele cellen in de schaduw vallen, kan het zijn dat het totale voltage van de PV installatie onder het werkingsgebied van de omvormer valt en dat deze uitschakelt.
3 bypass diodes is dus een goed evenwicht tussen optimale beveiliging, minimaal verlies in opbrengst en bedwingen van de productiekosten van de panelen.
Figuur 36 Orientatie van zonnecellen in een PV-paneel.
De oriëntatie van het PV-paneel is van belang in verband met de diode-schakeling van de zonnecellen
in geval van schaduw op het paneel. De schaduw beweegt altijd van links naar rechts over het
paneel. Het is van belang dat de groepen zonnecellen van een paneel altijd verticaal gepositioneerd
worden bij montage. Er zijn twee uitvoeringen zie Figuur 36. Het N-type in de figuur dient staand
(portrait) gemonteerd te worden, het H-type liggend (landscape).
42
Montage Stoppenkast: De wet schrijft voor dat bij een installatie van meer dan 600 Wp je zonnepanelen op een nieuwe lege groep moet aansluiten. Wanneer er nog een lege groep aanwezig is, kan deze gebruikt worden. Wanneer er geen groep vrij is zal een installateur een extra groep aan moeten leggen. Dat kost afhankelijk van de situatie in de meterkast 300 tot 500 euro. (Stichting Wijwillenzon, 2012) Verder is het maximaal in te voeden vermogen van een zonnepaneelinstallatie afhankelijk van de hoofdzekering. In de standaard woning is normaal gesproken 25A, 35A of 40A. De vuistregel is dat een zekering in de groepenkast een factor 1.6 x kleiner moet zijn dan de hoofdzekering. Op de volgende pagina volgen wat voorbeelden: (Zonnekoning, 2012)
43
Figuur 37: Hoofdaansluitingen (Zonnekoning, 2012)
Een aantal voorbeelden De hoofdzekering is 1 × 40A Maximale groepenkastzekering = 40A / 1.6 = 25A. De maximaal in te voeden ‘zonnestroom’ is dan 230V x 25A = 5750 Watt.
De hoofdzekering is 1 × 25A Maximale groepenkastzekering = 25A / 1.6 = 16A. De maximaal in te voeden ‘zonnestroom’ is dan 230V x 16A = 3680 Watt. Er is een 3 fasen aansluiting van 3 × 25A Per fase kan dan een zekering van maximaal 25A / 1.6 = 16A gemonteerd worden en per fase 3680 Watt invoeden. Op deze aansluiting kunnen dus drie systemen plaatsen met per systeem maximaal 3680 Watt en een totaalvermogen van 11040 Watt. Er is 1 fase Een 9900W omvormer levert ca 9900W / 230V = 43A. Dat wil zeggen dat deze installatie met 50A afgezekerd moet worden. De hoofdzekering moet in dit geval dus minstens 50A x 1.6 = 80A zijn. Er zijn 3 fasen Het beste is om het vermogen over gelijk te verdelen, dus 3300W per fase 3300W / 230V = 14A, hier is een 16A zekering per fase nodig De aansluiting moet in dit geval minimaal 3 × 25A zijn. Het is ook mogelijk combinaties van zekeringen te kiezen tot aan de aansluitwaarde van de hoofdzekering. 1 fase met een hoofdzekering van 35A De maximale groepenkastzekering mag 25A bedragen, het maximale omvormervermogen van 1 omvormer bedraagt dan 5750W. Er kan ook een groep van 10A en een van 25A geplaatst worden, er kunnen dan 2 omvormers met totaal max 8050W, bv een SMA SB2000HF op 10A en een SB5000 op 25A, geplaatst worden. 3 fasen met een hoofdzekering van 80A De maximale groepenkastzekering mag 3×50A bedragen, het maximale omvormervermogen van 1 omvormer bedraagt dan 34500W. Men kan ook 3 groepen van 3×25A plaatsen, er kunnen dan 3 omvormers van max 17250W (geeft totaal 51750W). Zorg er in ieder geval voor, dat het totaal aan zonnesysteemzekeringen onder de waarde van de hoofdzekering blijft, dan kan de hoofdzekering er niet “verkeerd om” uitvliegen.
44
Hieronder volgt een overzicht van de hoofdaansluiting in combinatie met het maximale omvormervermogen en het maximaal te plaatsen vermogen aan panelen:
Hoofdzekering Maximum zekering Solargroep
Maximum omvormervermogen
Maximaal te plaatsen vermogen
1 × 25A 16A 3680 W 3680 W
1 × 35A 25A 5750 W 5750 W
1 × 40A 25A 5750 W 5750 W
3 × 25A 3 × 16A 3 × 3680 W 11040 W
3 × 35A 3 × 25A 3 × 5750 W 17250 W
3 × 40A 3 × 32A 3 × 7360 W 22080 W
3 × 63A 3 × 40A 3 × 9200W 27600 W
3 × 80A 3 × 50A 3 × 11500 W 34500 W
3 × 100A 3 × 63A 3 × 14490 W 43470 W
3 × 125A 3 × 80A 3 × 18400 W 55200 W
3 × 250A 3 × 160A 3 × 36800 W 110400 W
3 × 400A 3 × 250A 3 × 57500 W 172500 W
3 × 500A 3 × 355A 3 × 81650 W 244950 W
3 × 630A 3 × 400A 3 × 92000 W 276000 W Figuur 38: overzicht hoofdaansluiting en vermogen (Zonnekoning, 2012)
Elektriciteitsmeter: Niet elke elektriciteitsmeter is geschikt voor het terug leveren van elektriciteit aan het net. De oude ferarrismeter is een analoge meter met een draaischijf. Wanneer er zonnepanelen zijn aangesloten die elektriciteit produceren, en de productie groter is dan het verbruik, zal de meter achteruit lopen. Dit type meter is in de wat oudere huizen te vinden en wordt niet nieuw meer geïnstalleerd.
Figuur 39: Ferarrismeter (analoog met draaischijf) (Zon en Co, 2011)
Figuur 40: Analoog zonder draaischijf (Zon en Co, 2011)
Analoge meters zonder draaischijf zijn niet geschikt om energie mee terug te leveren aan het net. Wanneer deze is geinstalleerd, moet via de netbeheerder of stroom leverancier een nieuwe meter worden aangevraagd.
45
Figuur 41: digitale meter met teruglever registratie (Zon en Co, 2011)
Figuur 42: Slimme meter zonder teruglever registratie (Zon en Co, 2011)
Ook bestaan er digitale meters met teruglever registratie. Dit type wordt veel geinstalleerd in nieuwbouw of gerenoveerde huizen. Deze digitale meter heeft een apart telwerk voor terug geleverde energie. Wanneer er een digitale meter met teruglever registratie is geinstalleerd in combinatie met zonnepanelen moet dat wel gemeld worden bij de stroomleverancier. Er bestaan helaas ook digitale meters die geen teruglever registratie hebben, dit zijn vaak slimme meters die op afstand uit te lezen zijn. (Zon en Co, 2011) Het plaatsen van panelen: Energiebedrijf ENECO Energie (voormalig REMU) heeft de praktische uitvoering van een zonnestroomproject in woord en beeld vastgelegd. Het betreft een project van de Stichting Centrale Woningzorg (SCW) in de Amersfoortse nieuwbouwwijk Nieuwland, waarbij vijftig woningen betrokken zijn. In dit project is de toepassing van zonnepanelen gecombineerd met zonnecollectoren.
1. Voorbereiding Op de geisoleerde dakplaten wordt een waterdichte, dampdoorlatende folie aangebracht. Daaroverheen komt het regelwerk.
46
2. Bekabeling Tussen het regelwerk worden de kabelbomen aangebracht. Deze bestaan uit in de fabriek op maat gemaakte en gecodeerde kabelstukken, voorzien van de benodigde connectoren. Op iedere kabelboom kan
een ‘string’ zonnepanelen worden aangesloten.
3. Bevestiging profielen Op het regelwerk worden met behulp van roestvrijstalen spaanplaatschroeven de aluminium bevestigingsprofielen gemonteerd. Deze profielen lopen van nok naar goot. De afstand tussen de profielen sluit aan bij het formaat van de zonnepanelen.
4. Zonnepanelen Voor het monteren van een zonnepaneel wordt eerst een connector in de aansluitdoos gestoken en vervolgens vastgeschroefd. Daarna volgt het plaatsen van de zonnepanelen in de profielen. De panelen zijn voorzien van een stapelprofiel waardoor ze verticaal in elkaar passen. Zo ontstaat een waterdichte constructie. Voor de afvoer van eventueel condenswater zijn aan de onderzijde van de panelen gootjes aangebracht. Tenslotte worden over de nok-gootprofielen afdekstrips aangebracht.
5. Afmontage Langs de randen van het zonnedak wordt een pasgoot aangebracht voor de afvoer van hemelwater en het opvangen van maatafwijkingen. Deze goot onderbreekt de zonnepanelen tussen twee woningen en voorkomt daarmee contactgeluiden. Aluminium profielen zorgen voor de afwerking van de buitenste randen. Aan nok- en gootzijde worden ventilatieopeningen aangebracht.
47
6. Omvormerruimte Per zeven woningen is naast de voordeur een ruimte gebouwd waarin twee omvormers de gelijkstroom omzetten naar wisselstroom. Een kWh-meter geeft de hoeveelheid opgewekte zonnestroom aan, andere meters meten het stroomverbruik per woning. De energieopbrengst van de zonnepanelen kan op afstand via een modem of andere communicatiemiddelen in beeld gebracht worden.
7. Oplevering Na installatie van het systeem worden de strings elektrisch doorgemeten om te controleren of alles goed is aangesloten en goed werkt. Via een lijst met een aantal standaard controlepunten wordt het zonne-energiesysteem gecontroleerd en een goede werking gegarandeerd. Hierna wordt het systeem in werking gesteld. Bij de formele oplevering krijgt de gebruiker/eigenaar een map met handleiding, gebruiksaanwijzing en tekeningen van het systeem.
(Agentschap NL, 2010) Soorten dak bevestigingen Er zijn verschillende methoden voor het monteren van zonnepanelen op het dak. Zoals in het voorgaande voorbeeld is te zien, ging het om een heel dak. Het is ook mogelijk om een gedeelte van het dak te gebruiken, en het paneel op de dakpannen te monteren met behulp van dakhaken.
Figuur 43: Dakhaken (CentroSolar, 2011)
Op platte daken is het nodig om de panelen onder een hoek te plaatsen. Hiervoor zijn andere
beugels nodig. Een voorbeeld hiervan is de FlatFix.
48
Figuur 44: FlatFix frame
Overzicht zonnepanelen In het onderstaande overzicht zijn verschillende merken en hun specificaties te vinden.
Merk Type Materiaal Vermogen [Wp]
Afmetingen [L*b in mm]
Specifiek opp. [m2/kWp]
BP Solar BP 3220 N mc-Si 220 1667x1000 7,6
Evalon V-Solar 204 a-Si 204 3360x1550 25,5
Isofoton IS-10/24 sc-Si 170 1590x790 7,4
Kaneka T-EC120 a-Si 120 1919x990 15,8
Kyocera KC175GHT-2 mc-Si 175 1290x990 7,3
Multisol® 200 P5 S+ mc-Si 230 1600x1075 7,5
Schott ASI TM 86 a-Si 86 1308x1108 16,9
Schott ASITHRU-30-SG a-Si 27 1000x600 22,2
Schüco SPV 80-TF CIS 80 1235x641 9,9
Sharp ND-Q2E3EF mc-Si 162 1318x994 8,1
Solarfun SF-160-24-M180
sc-Si 180 1580x808 7,1
Solarworld SW 210 Poly mc-Si 210 1675x1001 8
Solon M230/6+/07 (230)
sc-Si 230 1640x1000 7,1
Sunpower SPR-305-WHT-I sc-Si 305 1559x1046 5,3
Uni-solar PVL-136 a-Si 136 5486x394 15,9
Würth Solar WSG0036 E080 CIS 80 1205x605 9,1
Figuur 45: Overzicht leverancieres (Agentschap NL, 2010)
49
Stimulering installatie zonnepanelen Wanneer er met zonnepanelen meer energie wordt opgewekt dan dat er wordt verbruikt, is het mogelijk om energie terug te leveren aan het net. Het elektriciteitsbedrijf waar jij bij aangesloten bent betaald dan een vast bedrag per kilowatt. Dit bedrag wordt het feed-in tarif genoemd. Bij veel elektriciteitsbedrijven is het feed-in tarif zo laag dat het bijna niet rendabel is om energie terug te leveren aan het net. Daarom is het belangrijk om dit na te vragen bij het elektriciteitsbedrijf. Ook wordt vaak geadviseerd om je aan te sluiten bij het elektriciteitsbedrijf Green Choise, omdat zij de hoogste vergoeding geven voor terug geleverde stroom. Opdracht: Kijk opdracht. Bekijk de tegenlicht documentaire here comes the sun. http://www.uitzendinggemist.nl/afleveringen/1145490
A. Waarom loopt Duitsland voorop in de omschakeling van fossiele brandstoffen naar duurzame energie?
a. Feed in tarif law b. Subsidie
B. hoe komt het dat kosten voor de productie van zonnepanelen daalt a. upscaling van productie b. verbetering van technieken
50
Energieverbruik van enkele huishoudelijke apparaten.
Apparaat vermogen gebruik per dag energie per dag
LED-lamp 5 watt 10 uur 50 wattuur
Spaarlamp 15 watt 10 uur 150 wattuur
Koffiezetter 750 watt 12 minuten 150 wattuur
waterketel 2000 watt 6 minuten 200 wattuur
elektrisch deken 25 watt 8 uur 200 wattuur
Stofzuiger 1500 watt 10 minuten 250 wattuur
ADSL-router 12 watt 24 uur 288 wattuur
elektrische fiets 100 watt 3 uur 300 wattuur
flatscreen TV 100 watt 3 uur 300 wattuur
Computer 100 watt 4 uur 400 wattuur
Stoomstrijkijzer 1000 watt 30 minuten 500 wattuur
Sluipverbruik 25 watt 24 uur 600 wattuur
Gloeilamp 75 watt 10 uur 750 wattuur
Koelkast 180 watt 5 uur 900 wattuur
Wasmachine 1000 watt 1 uur 1000 wattuur
Waterbed 50 watt 24 uur 1200 wattuur
Wasdroger 2000 watt 90 minuten 3000 wattuur
120 liter boiler 3000 watt 90 minuten 4500 wattuur
Airco 1000 watt 12 uur 12000 wattuur
elektrische auto 14000 watt 1 uur 14000 wattuur
Tabel 4 Energieverbruik van enkele huishoudelijke apparaten
Een ADSL-router verbruikt per etmaal bijna evenveel energie als het volledig opladen van een elektrische fiets, of 3 uur naar de TV kijken.
De koelkast wordt door de thermostaat zo nu en dan even ingeschakeld. De "aan"-tijd is ongeveer 5 uur per etmaal.
Het vermogen van 1000 watt voor een wasmachine is een gemiddelde waarde. Het was-proces kan worden opgedeeld in 3 fasen met een verschillend energieverbruik: 1. het opwarmen van het water, dit verbruikt de meeste energie 2. het wassen, hierbij verbruikt de motor die de wastrommel ronddraait weinig energie 3. het centrifugeren, hierbij verbruikt de motor veel energie
Een wasdroger verbruikt per wasbeurt 3 keer zoveel energie als een wasmachine.
De boiler is meestal 's nachts ingeschakeld. Met 4500 wattuur wordt dan 50 liter water verhit van 10 naar 85°C.
Voor de elektrische auto is de Tesla model S gekozen.
Een sluipverbruik van 600 wattuur per etmaal is voor de meeste huishoudens wel een minimumwaarde. Dat is ongeveer 6% van het totale elektriciteitsverbruik.
51
In Nederland is het elektriciteitsverbruik van een huishouden ongeveer 10 kilowattuur per dag. Bij een kilowattuurprijs van 20 eurocent, kost dat dus € 2 per dag = € 730 per jaar. Het energieverbruik (en ook het "sluipverbruik") van huishoudelijke apparaten kan men gemakkelijk meten met een energiemeter. Die kan worden geplaatst tussen de wandcontactdoos en het apparaat waarvan men het verbruik wil meten. Plugwise is zo’n energiemeetsysteem.
52
Bibliografie Sideria FAQ zonnepanelen. (2010). Opgeroepen op Augustus 15, 2012, van website Sideria:
http://www.siderea.nl/zonne-energie/faq/faq.html
Agentschap NL. (2010). Leidraad Zonnestroomprojecten. NL Energie en Klimaat. Utrecht: Agentschap
NL.
CentroSolar. (2011). Installatie-handleiding PV-paketten. CentroSolar.
ir. J. Ouwehand, i. T. (2009). Toegepaste Energietechniek deel II Duurzame Energie (2e druk, mei 2009
ed.). Den Haag: Sdu Uitgevers.
K.E. Trenberth, J. F. (maart 2009). Earth's Global Energy Budget. American Meteorological Society.
Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer. (2010, Augustus).
Zonnecollectoren en zonnepanelen Wanneer vergunningvrij, wanneer een
omgevingsvergunning nodig? Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en
Milieubeheer.
Stichting Wijwillenzon. (2012). Wij Willen Zon. Opgeroepen op augustus 23, 2012, van
wijwillenzon.nl: http://www.wijwillenzon.nl/faq/3/technische-vragen/8/heb-ik-een-nieuwe-
(groep-in-mijn)-stoppenkast-nodig.html
Zon en Co. (2011). Zon en Co. Opgeroepen op augustus 22, 2012, van zonenco.nl:
http://www.zonenco.nl/elektriciteitsmeter-zonnepanelen-welke-meter-is-geschikt/
Zonnekoning. (2012). Controleer uw hoofddaansluiting (zonnekoning). Opgeroepen op Augustus 22,
2012, van Zonnekoning.com: http://www.zonnekoning.com/informatie/hoofdaansluiting/
