Werkingsprincipe

Zonlicht treft het zonnestroompaneel. U kunt licht opvatten als een voortdurende stroom van pakketjes energie (een stroom fotonen). Op de animatie hieronder ziet u wat er gebeurt

Een zonnecel is een sandwich van twee lagen kristallijn halfgeleidend materiaal: een P-laag en een N-laag, met daartussenin een dunne grenslaag. Fotonen uit het zonlicht maken in de P laag elektronen los. Deze elektronen hopen zich op in de N-laag. De grenslaag laat alleen elektronen door van de P-laag naar de N-laag (diode-werking). Omdat elektronen negatief zijn geladen, krijgt de P-laag onder invloed van zonlicht een positieve lading (tekort aan elektronen) en de N-laag een negatieve lading (overschot aan elektronen). Zonlicht veroorzaakt dus een elektrisch spanningsverschil tussen de P-laag en de N-laag. Dit spanningsverschil kan bij volle zon oplopen tot ongeveer 0,3 V. Een zonnestroompaneel is opgebouwd uit een aantal zonnecellen die in serie zijn geschakeld. Een zonnepaneel met 36 cellen levert dus ongeveer 12V en een paneel met 72 cellen levert 24V. Let op dat het hier altijd om gelijkstroom gaat. Vanaf 1958 worden zonnepanelen toegepast, in de eerste tijd in de ruimtevaart. Vanaf de jaren '80 worden zonnepanelen ook buiten de ruimtevaart toegepast, namelijk op aarde!
Het fotovoltaische principe is al in 1839 ontdekt door Edmond Becquerel. Links ziet u de aanhef van het artikel van Becquerel waarin hij de ontdekking van het fotovoltaische effect uitlegt (voor de liefhebber:Comptes Rendus hebdomadaires des Séances de l'Academie des Sciences, 1839, pagina's 561-566).

Hiernaast ziet u een opname van heel dichtbij van een moderne zonnecel, ofwel een dun plakje polykristallijn silicium. De omzetefficiency van zonlicht naar elektriciteit van polykristallijn silicium is ongeveer 15%. De zilveren streepjes zijn elektroden die de elektronen die uit het silicium vrijkomen geleiden naar de omvormer of het verbruiksapparaat.

 

 

Monteert men een aantal zonnecellen bij elkaar dan is het resultaat een zonnepaneel. Links ziet u de voorkant en de achterkant van zo'n paneel, in dit voorbeeld een Kyocera KC-50. Achterop het paneel bevindt zich een junction box. Als u deze aansluitdoos opent (plaatje links onder) dan ziet u de aansluitpunten met daartussen bypass diodes (beschermen de zonnecellen tegen beschadiging als het paneel niet egaal door zonlicht wordt beschenen - bijvoorbeeld een hoekje krijgt schaduw).

Ik heb voor u ingetekend vanaf de aansluitpunten in de junction box de rode en blauwe gelijkstroomdraden die naar de omvormer (inverter) lopen. De inverter hangt binnen, goed beschermd ergens op zolder. Vanuit de omvormer komt een snoer met een stekker. De stekker gaat in het stopcontact. Dat is alles en de stroomproductie voor eigen gebruik kan beginnen. Buitengewoon simpel.

 
Er zijn zo veel typen en merken omvormers dat voor deze elektronische apparaten een aparte pagina is ingericht: de pagina 'de omvormer'

Solar concentrators. Zonnecellen zijn duur, dus waarom niet met een grote lens veel licht op een klein superefficient zonnecelletje werpen, net als een brandglas dat doet. Inderdaad, het werkt en er bestaan tientallen ontwerpen solar concentrator cellen. De meest recente is de "Sun Cube' van Greg Watson. Een Fresnel lens concentreert zonlicht op een superefficiënte zonnecel. Het exemplaar op de foto is uitgerust met vier eenheden lens-zonnecel. Voordeel is de lagere kosten, nadeel is dat het hele geval voortdurend op de zon gericht moet blijven anders werkt het brandglasprincipe niet). Meer op Greg's website: www.greenanandgoldenergy.com.au. Foto ter beschikking gesteld door Greg Watson.

Zonnestroompanelen kunnen op twee manieren worden toegepast: autonoom en net-gekoppeld.

Autonome toepassingen komen veel in afgelegen gebieden voor of op plaatsen waar geen openbare elektriciteitsvoorziening is. Voorbeelden zijn vaartuigen, campers, derde-wereld. De belangrijkste componenten van autonome systemen zijn de zonnestroompanelen, accu's en een regelunit. Overdag wordt electriciteit geproduceerd die wordt verbruikt door apparaten (bijvoorbeeld een 24V gelijkstroomkoelkast of TV) en/of in de accu's wordt opgeslagen. Als de zon niet schijnt kan de gelukkige eigenaar gewoon doorgaan met TV kijken en koud bier drinken, want de energie voor de apparaten wordt uit de accu's betrokken. Een grandioos voorbeeld van een volledig autonoom systeem vindt u in een Benedictijnenklooster, Monastery of Christ in the Desert

Net-gekoppelde toepassingen komen typisch in de stedelijke omgeving tot zijn recht. Panelen op het dak produceren gelijkstroom die door een ingenieus stukje elektronica, de omvormer of inverter, wordt omgezet in 230V (Europa) of 115V (USA) wisselstroom. De inverter is gekoppeld aan de normale elektrische installatie van de woning. De opgewekte stroom wordt gebruikt door allerlei apparaten. Als er zo veel zon is dat de panelen meer stroom produceren dan er door de apparaten in het huis wordt verbruikt, vloeit het teveel aan stroom via de electriciteitsmeter terug het openbare net in. 's Nachts produceren de zonnepanelen geen elektriciteit en wordt het gehele stroomverbruik van de woning gehaald uit het openbare elektriciteitsnet.

Een belangrijk verschil tussen autonome en net-gekoppelde systemen is dat bij "stroomuitval in de wijk" de zonnepanelen van de net-gekoppelde toepassingen automatisch stoppen met stroomproductie! Autonome systemen hebben maling aan het openbare elektriciteitsnet en gaan gewoon door met stroom leveren, ook als het openbare net door storing plat ligt. Californiërs met net-gekoppelde systemen hebben net zoveel te lijden van rolling blackouts als hun buren zonder zonnestroompanelen! Alleen de bezitters van autonome systemen lachen in dat geval in hun vuistje