Hoe elektriciteit wordt geproduceerd met fotovoltaïsche panelen

Energiris faciliteert al enkele jaren de bouw van fotovoltaïsche installaties om bij te dragen aan de energietransitie naar een meer koolstofvrije elektriciteitsproductie. Maar weet u hoe dit type installatie werkt? Hoe kan je “de zon omzetten in elektriciteit”?

We gaan het je allemaal uitleggen, in vereenvoudigde termen, in dit gepopulariseerde artikel.

Waaruit bestaat een fotovoltaïsch systeem?

We nemen het geval van een huis, een bekend geval voor onze coöperanten, maar de hoofdcomponenten blijven identiek in alle soorten installaties.

Om zonlicht om te zetten in elektriciteit die gebruikt kan worden in het gebouw en/of teruggevoerd kan worden naar het elektriciteitsnet, zijn twee belangrijke elementen nodig:

• Fotovoltaïsche panelen, meestal geïnstalleerd op het dak van een gebouw (hoewel er ook andere soorten installaties bestaan), bestaan uit fotovoltaïsche cellen die de energie in licht^[1] omzetten in gelijkstroom.
• Een omvormer die gelijkstroom omzet in wisselstroom, die kan worden gebruikt door de elektrische apparaten in het gebouw (zoals de koelkast, de televisie, een lamp, enz.).

Tot slot wordt de installatie aangesloten op het distributienetwerk, via een of twee[2] elektriciteitsmeters van de netwerkbeheerder, om de geproduceerde maar niet zelf verbruikte elektriciteit te injecteren op het net, of om de elektriciteit die nodig is voor je verbruik af te tappen als de panelen niet genoeg kunnen produceren (’s nachts, op een regenachtige dag, enz.).

Aan deze elementen kan worden toegevoegd :

• een bewakingssysteem dat de prestaties van de installatie analyseert en/of optimaliseert, terwijl je deze bewaakt vanaf je telefoon, tablet of computer
• een energieopslagsysteem met batterijen, waardoor de geproduceerde elektriciteit kan worden opgeslagen en vrijgegeven wanneer deze nodig is voor verbruik. Het toevoegen van een batterij vereist de installatie van een regelaar die het opladen en ontladen van de batterijen regelt en hun levensduur optimaliseert.

Hoe een fotovoltaïsche cel werkt

Zoals hierboven vermeld, bestaan fotovoltaïsche panelen uit cellen die de energie in licht[3]omzetten in gelijkstroom.

Een fotovoltaïsche cel is een halfgeleider die gemaakt is van siliciumkristallen. Het bestaat uit een “P”-laag met “ontbrekende” elektronen (gaten genoemd) en een “N”-laag met overtollige vrije elektronen. Wanneer de twee soorten materiaal aan elkaar worden geplakt en blootgesteld aan zonlicht (direct of indirect), worden er elektronen “uitgeworpen”. Dit staat bekend als het foto-elektrisch effect. Er bestaat een onbalans in lading tussen de twee halfgeleiderlagen.  Als beide kanten van de cel verbonden zijn met een lading of draden, kunnen elektronen door de draden naar de andere kant van de cel stromen en een elektrische stroom produceren die ontstaat door de uitwisseling van elektronen.

De spanning die wordt geproduceerd door een enkele zonnecel is ongeveer 0,6 V. Een fotovoltaïsch paneel bestaat uit meerdere cellen in serie om een hogere spanning te produceren.

Bouw van een zonnepaneel

Zoals we net hebben gezien, bestaat een paneel uit een serie fotovoltaïsche cellen die in serie zijn geschakeld om een hogere spanning te produceren. Maar deze cellen worden niet “zomaar op het dak gelegd”. Ze worden geassembleerd op een stijf frame om een bruikbare module te maken.

Het panel zal bestaan uit :

• een aluminium frame, een stijf frame dat de sandwichstructuur ondersteunt
• gehard glas, dat naar de zon is gericht en de stralen doorlaat terwijl de zeer kwetsbare cellen worden beschermd. Dit is de kant die naar de zon is gericht.
• Net onder het glas zitten de fotovoltaïsche cellen, met elkaar verbonden door geleidende platen of draden. De cellen zijn ingekapseld in een transparante hars. Het doel van deze hars is om een waterdichte afdichting te garanderen en de cellen te beschermen tegen vocht, het risico op oxidatie en de ontwikkeling van schimmel, wat de werking van de panelen zou kunnen beïnvloeden en hun rendement zou kunnen verlagen.
• Tot slot is er een polymeer achterplaat die het achterste gedeelte beschermt en een doosje voor de aansluitingen bevat.

Invloed van breedtegraad en seizoen

In de volle zon ontvangt een vierkante meter van het aardoppervlak op de evenaar tot 1000 W energie per dag, zonder wolken. Maar niet alle breedtegraden ontvangen dezelfde hoeveelheid zonne-energie. Op een breedte van 50° [4] is het vermogen ongeveer 610 W per m².

Hoe verder je je van de evenaar bevindt, hoe meer panelen een fotovoltaïsche installatie nodig heeft om een bepaalde hoeveelheid energie te produceren. Op de evenaar is bijvoorbeeld een kleiner paneel nodig dan op een Brussels dak.

Bij het berekenen van het oppervlak aan zonnepanelen dat nodig is om een gebouw van stroom te voorzien, moet daarom rekening worden gehouden met de breedtegraad waarop het fotovoltaïsche systeem zal worden gebruikt.

De seizoenen hebben ook een invloed op de zonne-energie aan het aardoppervlak. Op het noordelijk halfrond zal een fotovoltaïsche cel meer energie produceren in de maanden juni tot augustus dan in december en januari.

Dit is te wijten aan een hele reeks factoren zoals :

• de dagen zijn korter in de winter en langer in de zomer;
• de zon staat schuiner tijdens de wintermaanden;
• In de wintermaanden is er meer kans op bewolking.
• Op plaatsen waar het sneeuwt, zal een vaste installatie een lager rendement hebben wanneer de panelen bedekt zijn met sneeuw.

Dit maakt fotovoltaïsche installaties natuurlijk niet onbruikbaar op onze breedtegraden, maar het zal wel invloed hebben op het aantal zonnepanelen dat nodig is voor een bepaald vermogen.

Het probleem van grijze gebieden

Een van de vijanden van fotovoltaïsche installaties is schaduw, die de elektriciteitsproductie vermindert omdat fotovoltaïsche cellen licht nodig hebben om energie op te wekken.  Schaduw kan gedeeltelijk of volledig zijn. Als een paneel gedeeltelijk in de schaduw ligt, kan dit de opbrengst aan zonne-energie van het hele systeem verminderen. Als een paneel volledig in de schaduw ligt, produceert het helemaal geen zonne-energie.

Om dit probleem op te lossen, kunnen verschillende technische oplossingen worden gebruikt, zoals :

• Met micro-omvormers kunnen fotovoltaïsche modules onafhankelijk worden beheerd, waardoor het vermogensverlies van een module door schaduw of een technische storing wordt beperkt of verminderd.
• Optimisers worden geïnstalleerd op fotovoltaïsche panelen om hun productie in realtime te controleren en hun output te optimaliseren door het maximale vermogenspunt (MPPT) te vinden.
• Het gebruik van zonnepanelen met by-pass diodes. Deze diodes zorgen ervoor dat de elektriciteit die wordt geproduceerd door de cellen die nog steeds aan de zon zijn blootgesteld, door het paneel blijft stromen, zelfs als sommige van de fotovoltaïsche cellen die in serie met het paneel zijn aangesloten, zich in de schaduw bevinden.

  

Hoe de omvormer werkt

Zoals vermeld aan het begin van dit artikel, zet de omvormer de gelijkstroom van de fotovoltaïsche panelen om in wisselstroom die kan worden gebruikt door de elektrische apparaten in het gebouw. Het is een vermogenselektronicatoestel dat meestal bestaat uit elektronische schakelaars zoals IGBT’s, vermogenstransistors of thyristors. Deze schakelaars worden elektronisch aangestuurd om de bron te moduleren en zo een wisselsignaal van de gewenste frequentie te verkrijgen. Dit signaal wordt vervolgens elektronisch gefilterd om een sinusvormig elektrisch signaal te verkrijgen dat kan worden gebruikt door elektrische apparaten of kan worden ingevoerd in het distributienetwerk.

Omvormers zijn cruciale en noodzakelijke onderdelen voor fotovoltaïsche installaties, omdat ze van nature gelijkstroom produceren door de energie van de zon op te vangen met fotovoltaïsche cellen, zoals hierboven uitgelegd, terwijl de meeste elektrische apparaten op wisselstroom werken. Vandaar de noodzaak van een omvormer om deze conversie uit te voeren. Ze hebben ook geavanceerde functies zoals bewaking, stroomregeling en overspanningsbeveiliging.

Merk op dat de omvormers gesynchroniseerd moeten worden met het elektriciteitsnet (zelfde frequentie, zelfde fase) voordat het fotovoltaïsche systeem wisselstroom kan leveren.

De dimensionering van een fotovoltaïsch systeem?

De grootte van een fotovoltaïsche installatie hangt af van een aantal factoren, zoals het elektriciteitsverbruik, de beschikbare oppervlakte, de oriëntatie en helling van het systeem, het type paneel dat wordt gebruikt, de elektrische aansluiting enzovoort. Het is belangrijk om de installatie correct te dimensioneren om optimale prestaties te garanderen.

Er zijn verschillende methoden om de grootte van een fotovoltaïsche installatie te bepalen. Eén methode is om het piekvermogen van de zonnepanelen te berekenen. Het piekvermogen is de maximale elektrische output die een zonnepaneel kan leveren onder standaardomstandigheden. Het rendement van de meeste zonnepanelen ligt tussen 15% en 18%. Om het maximale vermogen te berekenen, moet je rekening houden met de oppervlakte van de zonnepanelen, de efficiëntiecoëfficiënt en de hoeveelheid zonlicht. Hier zijn twee formules om het vermogen van zonnepanelen in een installatie te berekenen:

• Oppervlakte (m²) x efficiëntiecoëfficiënt (0,85) x 1 000 W/m² = piekvermogen (Wp)
• Energie (kWh) x efficiëntiecoëfficiënt (0,85) / zonneschijn (uren) = piekvermogen (Wp)

Het is belangrijk om te begrijpen dat het vermogen van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in piekwatt (Wp) of piekkilowatt (kWp). 1 kWp komt overeen met 1.000 Wp. Hoe hoger het aantal kWp (het vermogen van de zonnepanelen), hoe meer elekrticiteit de installatie produceert.

Een andere methode is om de grootte van de installatie af te stemmen op het elektriciteitsverbruik. De volgende formule kan worden gebruikt om het piekvermogen te bepalen dat nodig is voor een bepaald vermogen:

• Te installeren piekvermogen = Verbruik / (specifieke productie van de locatie x correctiefactor) [kWh/jaar / (kWh/kWp x %) = kWp].

De technische dienstverlener die de installatie uitvoert, is het best geplaatst om je systeem correct te dimensioneren.

Referenties

1. Institut Royal Météorologique, Rayonnement solaire global journalier, moyenne annuelle, https://www.meteo.be/fr/climat/climat-de-la-belgique/atlas-climatique/cartes-climatiques/rayonnement-solaire/rayonnement-solaire-global/annuel
2. Khan Academy, Effet Photoélectrique, https://fr.khanacademy.org/science/physique-a-l-ecole/x6e8a541a302cdab5:physique-a-l-ecole-6e-annee-secondaire-2h/x6e8a541a302cdab5:physique-a-l-ecole-6e-2h-mecanique-quantique-l-atome-et-le-photon/a/photoelectric-effect
3. Energie + , Ensoleillement, https://energieplus-lesite.be/theories/climat8/ensoleillement-d8/
4. Kolantla, D., Mikkili, S., Pendem, S.R. and Desai, A.A. (2020), Critical review on various inverter topologies for PV system architectures. IET Renew. Power Gener., 14: 3418-3438. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2020.0317
5. Vieira, Romênia & Araújo, Fábio & Dhimish, Mahmoud & Guerra, Maria Izabel. (2020). A Comprehensive Review on Bypass Diode Application on Photovoltaic Modules. Energies. 13. 2472. http://dx.doi.org/10.3390/en13102472
6. Inverters: principle of operation and parameters | EME 812: Utility Solar Power and Concentration (psu.edu) : https://www.e-education.psu.edu/eme812/node/711
7. Hernández-Callejo, L., Gallardo-Saavedra, S., & Alonso‐Gómez, V. (2019). A review of Photovoltaic Systems : design, operation and maintenance. Solar Energy, 188, 426‑440. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.06.017

Voetnoten

[1] Fotovoltaïsche systemen gebruiken de warmte van de zon niet. Deze warmte wordt gebruikt door thermische zonne-energiesystemen, vooral om warm water voor huishoudelijk gebruik te produceren.

[2] Dubbele debietmeter of toevoeging van een productiemeter die bekend staat als een “groene meter”.

[3] Fotovoltaïsche systemen gebruiken de warmte van de zon niet. Deze warmte wordt gebruikt door thermische zonne-energiesystemen, vooral om warm water voor huishoudelijk gebruik te produceren.

[4] De breedtegraad van België strekt zich uit over 2 graden, 51°30′ op het meest noordelijke punt (Meerle) en 49°30′ op het meest zuidelijke punt (Torgny).