Zonnepanelen

Zonnepanelenpark in Nevada (Verenigde Staten)

Een zonnepaneel of PV-paneel (van het Engelse 'Photo-Voltaic') is een paneel dat zonne-energie omzet in elektriciteit. Hiertoe wordt een groot aantal fotovoltaïsche cellen op een paneel gemonteerd. Ook de zonnecollector wordt soms tot de zonnepanelen gerekend, maar deze is op een ander principe gebaseerd, namelijk opwarming van een stromend medium, meestal water. De zonne-energie die zo wordt opgevangen is een vorm van duurzame energie, met andere voor- en nadelen dan energieopwekking met fossiele brandstoffen. Zonnepanelen worden ook toegepast voor energieopwekking in deruimtevaart.

Bouw en werking

Zonnepaneel langs de Duitse autobaan

Zonnecellen zijn meestal gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen. Onder invloed van licht gaat er tussen de twee lagen een elektrische stroom lopen. Daarom heten zonnepanelen ook wel fotovoltaïsche cellen (Grieks photos: licht, enVolt naar de eenheid van elektrische spanning). Afgekort wordt gesproken van PV-systemen. Een andere vorm van PV zijn de elementen gemaakt met de dunnelaagtechnologie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van amorf silicium. Deze elementen hebben een lager rendement, maar zijn ook beduidend goedkoper. Het rendement van gangbare zonnecellen ligt tussen ca. 5 en 15%, waarbij de cellen met betere rendementen wel meestal onevenredig veel duurder zijn. Fotovoltaïsche zonnepanelen benutten zonlicht of daglicht, waarbij door de absorptie van fotonen in de zonnecellen een spanning ontstaat die wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. De fotovoltaïsche opgewekte stroom kan aan het lichtnet geleverd worden (netgekoppeld systeem), in accu's opgeslagen worden (voor verlichting of bijvoorbeeld voor communicatiesystemen op afgelegen plekken) of direct gebruikt worden om bijvoorbeeld een pomp aan te drijven (autonoom systeem). Een zonnecel die met zijn esthetische kwaliteit bijzonder geschikt is voor zichtbare architecturale toepassingen, is de achtercontactcel. Die wordt zo genoemd omdat alle elektrische contacten op de achterzijde plaatsvinden en de voorkant een nauwelijks zichtbaar metalen raster heeft, zonder storende dubbele metaalstroken. Dat resulteert ook in een grotere bruikbare oppervlakte van de cellen en hoeveelheid geleverde stroom.

Koppeling aan het elektriciteitsnet

Sommige zonnepanelen worden via een inverter aan het elektriciteitsnet gekoppeld, andere slaan overtollige energie op in een accu. Voor de tweede mogelijkheid wordt vooral gekozen op plekken waar het elektriciteitsnet ontbreekt of een aansluiting te duur is. De accu's moeten natuurlijk wel voldoende capaciteit hebben om een paar donkere dagen te overbruggen. Systemen die aan het elektriciteitsnet zijn gekoppeld sluizen de energie die niet wordt gebruikt door naar het energiebedrijf. In dat geval loopt de elektriciteitsmeter terug zolang in huis minder elektriciteit wordt gebruikt dan het zonnepaneel levert. Systemen die aan het elektriciteitsnet gekoppeld worden zijn netgekoppelde decentrale opwekkers.

Kosten

Zonnepanelen op een dak

De terugverdientijd voor fotovoltaïsche zonnepanelen ligt anno 2011 bij ongeveer 10 jaar bij gelijkblijvende elektriciteit-prijs. Gemiddeld kost een Wp van een kristallijn zonnepaneel ongeveer EUR 1,95 (ex. montage). 100 Wp levert in Nederland circa 70 tot 90 kWh per jaar aan energie op, afhankelijk van de locatie in Nederland en het type zonnepaneel. Met een gemiddelde prijs van 23 cent per kWh (september 2011) levert een Wp dus gemiddeld 18,4 cent per jaar op (=0,85*23) en daarmee wordt de terugverdientijd 10 jaar. Als de elektriciteitsprijs nog sneller stijgt zal deze tijd korter worden. Nieuwere generatie zonnepanelen hebben een hogere opbrengst, 1 Wp levert dan 1 kWh. Dit natuurlijk onder ideale omstandigheden (zonneuren, positie tov zuiden, hellingshoek). Het financiële rendement op een investering in zonnepanelen is anno 2011 ongeveer 5% . De levensduur van zonnepanelen met kristallijne cellen wordt gegarandeerd op 25 jaar, maar ligt -afhankelijk van de kwaliteit- in praktijk tussen de 30 en 45 jaar. De levensduur van zonnepanelen op basis van amorf silicium ligt tussen de 5 en 15 jaar. Tot 2004 werd in Nederland veel geïnvesteerd in zonne-energie, maar het abrupt stopzetten van subsidie heeft hier een eind aan gemaakt. In andere Europese landen wordt nog wel veel geïnvesteerd in zonnepanelen omdat deze op lange termijn zinvol zijn. Niet alleen vanuit milieu-oogpunt, maar met de stijgende stroomprijs (tussen 2000 en 2004 met 8% per jaar en in 2005 met 12%), toenemend ook vanuit economisch oogpunt. Vanaf 2008 kent Nederland de regeling SDE waardoor er per geproduceerde kWh subsidie wordt uitgekeerd.Deze is sinds 2010 niet meer van kracht. Anno 2011 zijn er steeds meer die zonnepanelen aanschaffen, zonder subsidies. Vooral bedrijven kopen steeds vaker zonnepanelen omdat de terugverdientijd vaak verkort wordt door de Energie Investerings Aftrek (E.I.A.), (kleinschaligheids) Investeringsaftrek (I.A.) en de willekeurige afschrijving. Afhankelijk van de rechtsvorm en fiscale winst kan is terugverdientijd 4-7 jaar. Men vindt zonnecellen ook vaak op plaatsen waar een net niet voorhanden is, bijvoorbeeld op zeiljachten, boeien, palen langs de weg of op draagbare voorwerpen zoals rekenmachines. In België, maart 2007 resulteerden de tegemoetkomingen van de diverse overheidsinstanties - gegeven de elektriciteitsprijzen bij Electrabel - in een te verwachten terugbetalingstermijn van de zonnepaneelinstallatie van circa 11 jaar. Dit mede dankzij de elektriciteitsopbrengst van deze geruisloze, milieuvriendelijke en duurzame energiebron. Zonder deze tegemoetkomingen zou bij die prijzen de afbetaling circa 15 jaar duren. Europese deskundigen voorspellen dat zonnestroom vanaf 2015 of 2017 volledig kan concurreren met marktprijzen van conventioneel opgewekte elektriciteit. Chinese producenten realiseerden in 2010 een kostenreductie op zonnecellen van 60% ten opzichte van een jaar eerder.^[3] De productie van zonnepanelen vraagt op zich ook energie. De maat wordt de energiebalans genoemd en in België en Nederland ligt deze tussen 1 en 2 jaar.

Toepassing

In verhouding tot conventionele energiebronnen zijn zonnepanelen nog relatief duur in aanschaf en daardoor slechts op middellange termijn of voor speciale toepassingen kostenbesparend. Van de wereldwijde energiebehoefte wordt momenteel slechts een zeer klein deel opgewekt met zonnepanelen. In Portugal, Duitsland, Japan, Australië, Canada en de Verenigde Staten staan enkele grote zonnepaneelinstallaties die veelal door overheden zijn gesubsidieerd. Daarnaast vinden zonnepanelen ook toepassing in afgelegen elektrische installaties met een geringe energiebehoefte, waar het aansluiten van de installatie op het lichtnet of het hoogspanningsnet, of het gebruik van een aggregaat te duur of onmogelijk is. Voorbeelden zijn lichtboeien op het water of lantaarnpalen op afgelegen kruispunten. De grootste PV-installatie (tot 2009) in België is 5.600 m² groot (op een dakoppervlakte van 12.000 m²) en heeft een vermogen van 340 kWp (kilowattpiek). Ze werd in mei 2007 geïnstalleerd op het dak van mediabedrijf Alfacam in Lint. De 1.927 fotovoltaïsche panelen produceren jaarlijks 270.000 kWh aan elektriciteit. In december 2009 werd op het dak van Flanders Expo in Gent een installatie van 53.000 m² in gebruik genomen. Op de gebouwen van Katoen Natie in Antwerpen, Kallo, Gent en Genk wordt op hetzelfde moment gewerkt aan een installatie die een gezamenlijke oppervlakte van ongeveer 800.000 m² zal bestrijken.

Eerste 40-MW CdTe PV Array geïnstalleerd door JUWI Group in Waldpolenz, Duitsland

De grootste zonnestroomcentrale ter wereld, Waldpolenz met 550.000 zonnepanelen op een oppervlak van 110 hectare, kwam in 2008 gereed bij het Duitse stadje Brandis bij Leipzig. Ze heeft een vermogen van 40 megawattpiek en zal jaarlijks 40.000 MWh megawattuur leveren. De voorziene levensduur is ten minste 20 jaar, maar waarschijnlijk 30 tot 40 jaar. Jaarlijks wordt er ongeveer 25.000 ton CO₂ uitstoot bespaard.
In Abu Dhabi wordt een 60 MWp zonnecentrale gebouwd voor het project "Al Masdar", de eerste CO₂-neutrale stad ter wereld. Er zouden plannen zijn om deze centrale later uit te breiden tot 500 MWp, genoeg om een half miljoen gezinnen van stroom te voorzien. Het opmerkelijke is dat Abu Dhabi zelf een aardoliereserve van 100 miljard vaten heeft (de op twee na grootste voorraad in de wereld). Een gebied waar zonnepanelen op grote schaal zeer succesvol worden toegepast is de ruimtevaart. Ruimtevaartuigen in een baan om de Aarde en met bestemmingen in het binnenste deel van het zonnestelsel worden veelal uitgerust met zonnepanelen. Voor bestemmingen verder dan Mars kunnen zonnepanelen onvoldoende energie opwekken als gevolg van het zwakke zonlicht en zijn dus andere systemen zoals radio-isotoopgeneratoren beter geschikt.

Opbrengst

De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van een aantal factoren:

Opwaartse hellingshoek van invallend zonlicht; een zonnepaneel op de noorderbreedte van Vlaanderen en Nederland levert de hoogste opbrengst wanneer het een hellingshoek van 35° (tot 36°) heeft. Bij hellingshoeken tussen 20° en 60° is de jaaropbrengst slechts 5 % lager.
Zijwaartse hoek : optimaal wanneer het paneel stationair gericht is op 5° ten westen van het zuiden. Bij oriëntaties tussen zuidoost en zuidwest is er slechts 5% verlies op jaarbasis. Met een meedraaiend paneel, wanneer het zonlicht er loodrecht op blijft vallen, stijgt uiteraard de productie.
Oppervlak (lengte maal breedte). Maar ook hoe de panelen aan elkaar zijn bevestigd (parallel of serieel).
Rendement; het percentage van de energie in het op het zonnepaneel vallende zonlicht dat wordt omgezet in elektriciteit. Verschillende typen zonnecellen hebben een verschillend rendement. Door onderzoek en ontwikkeling stijgen de rendementen nog voortdurend.
Het achterliggende systeem; bij een autonoom systeem speelt de grootte van het opslagsysteem een belangrijke rol. Wanneer dit vol is kan er namelijk geen energie meer bij. Het paneel werkt dan voor niks.
Zoninstraling; de hoeveelheid opvallend zonlicht bepaalt in belangrijke mate de opbrengst. Ook als het bewolkt is, werkt een zonnecel. Wolken houden slechts een deel van het zonlicht tegen - de rest van de stralen verspreiden ze - en in gebieden dicht bij de evenaar is de opbrengst hoger dan in meer gematigde gebieden. Aan de Franse Rivièra, waar veel minder bewolking is, levert de zon toch slechts 1,5 keer zoveel energie als in Nederland.
Zonuren; de hoeveelheid uren per jaar zonder bewolking is medebepalend voor het rendement. Op Texel zijn ca 20% meer zonuren dan in het oosten van Nederland.
Temperatuur; bij hoge temperaturen wordt minder elektriciteit opgewekt dan bij lage temperaturen. Dit heeft te maken met de betere elektrische geleiding in materialen bij lage temperaturen. Hierdoor kan het zijn dat op een zonnige dag in oktober, met een temperatuur van 10° C de opbrengst hoger is dan in de zomer bij 35° C. Koeling van panelen met lucht of water kan een opbrengstverhogende werking hebben.

Om het vermogen van zonnepanelen te kunnen vergelijken zijn er standaardcondities opgesteld : een instraling van 1000 Watt/m², waarvan het spectrum overeenkomt met het spectrum van zonlicht bij een luchtmassa van 1,5 (dit betekent dat het zonlicht een afstand door de atmosfeer heeft afgelegd die gelijk is aan anderhalf maal de gemiddelde dikte van de atmosfeer) en een celtemperatuur van 25 °C. Het maximale elektrische vermogen van een zonnepaneel onder deze condities wordt het piekvermogen genoemd en wordt geschreven als Wp (Wattpiek).