Soorten zonnepanelen: vergelijkend overzicht van constructies en tips voor het kiezen van panelen

Duurzame energie ontwikkelt zich snel in Europa en toont met resultaten haar potentieel. Er komen nieuwe soorten zonnepanelen op de markt en hun rendement neemt toe.

Wanneer u een industrieel gebouw of woonruimte van zonne-energie wilt voorzien, is het noodzakelijk om vooraf de verschillen in apparatuur te kennen en te begrijpen welke zonnepanelen geschikt zijn voor de klimatologische omstandigheden van een bepaalde regio.

Wij helpen u dit te begrijpen. In dit artikel wordt het werkingsprincipe van fotovoltaïsche omzetters besproken en wordt een overzicht gegeven van verschillende soorten zonnepanelen met hun kenmerken, voor- en nadelen. Na het lezen van de informatie kunt u de juiste keuze maken voor het opzetten van een efficiënt zonne-energiesysteem.

Werkingsprincipe van zonnepanelen

De overgrote meerderheid van zonnepanelen zijn in fysieke zin fotovoltaïsche omzetters. Het elektriciteitsopwekkende effect vindt plaats ter plaatse van de halfgeleider p-n-overgang.

Het zijn met name de siliciumwafers die de basis vormen van de kostprijs van zonnepanelen, maar wanneer u deze gebruikt als een 24-uursbron van elektriciteit, moet u ook dure accu's aanschaffen.

Het paneel bestaat uit twee siliciumwafers met verschillende eigenschappen. Onder invloed van licht ontstaat in de ene een tekort aan elektronen en in de andere een overschot. Elke wafer heeft koperen stroomafvoerstrips die zijn aangesloten op spanningsomzetters.

Een industrieel zonnepaneel bestaat uit talrijke gelamineerde fotovoltaïsche cellen, die aan elkaar zijn bevestigd en op een flexibele of starre ondergrond zijn gemonteerd.

Het rendement van de apparatuur hangt grotendeels af van de zuiverheid van het silicium en de oriëntatie van de kristallen. Juist deze parameters proberen ingenieurs de laatste decennia te verbeteren. Het grootste probleem hierbij is de hoge kostprijs van de processen die ten grondslag liggen aan het zuiveren van silicium en het in één richting plaatsen van kristallen over het hele paneel.

Jaarlijks stijgen de maximale rendementen van verschillende zonnepanelen omdat er miljarden dollars worden geïnvesteerd in onderzoek naar nieuwe fotovoltaïsche materialen (+)

Halfgeleiders van fotovoltaïsche omvormers kunnen niet alleen van silicium worden gemaakt, maar ook van andere materialen – het werkingsprincipe van de batterij verandert daarbij niet.

Soorten fotovoltaïsche omzetters

Industriële zonnepanelen worden geclassificeerd op basis van hun constructiekenmerken en het type werkende fotovoltaïsche laag.

Er worden de volgende soorten batterijen onderscheiden naar type apparaat:

• flexibele panelen;
• stijve modules.

Flexibele dunnefilm panelen nemen geleidelijk een steeds grotere niche in de markt in vanwege hun montage-universaliteit, want ze kunnen op de meeste oppervlakken met diverse architectonische vormen worden geïnstalleerd.

De werkelijke specificaties van zonnepanelen zijn meestal lager dan aangegeven in de handleiding. Daarom is het raadzaam om voordat u ze thuis installeert zelf een vergelijkbaar gerealiseerd project te bekijken.

Op basis van het type werkende fotovoltaïsche laag worden zonnepanelen onderverdeeld in de volgende varianten:

1. Silicium: monokristallijn, polykristallijn, amorf.
2. Tellurium-cadmium.
3. Op basis van indium-koper-galliumselenide.
4. Polymeren.
5. Organische.
6. Op basis van galliumarsenide.
7. Gecombineerd en meerlagig.

Niet alle soorten zonnepanelen zijn interessant voor de brede consument, maar alleen de eerste twee kristallijne subtypes.

Hoewel sommige andere typen panelen hogere rendementen hebben, hebben ze vanwege de hoge kosten geen wijdverbreide toepassing gevonden.

Silicium fotovoltaïsche elementen zijn vrij gevoelig voor warmte. De basistemperatuur voor het meten van elektriciteitsopwekking is 25°C. Bij een stijging van één graad neemt de efficiëntie van de panelen af met 0,45-0,5%.

Vervolgens worden de zonnepanelen die de grootste consumenteninteresse wekken in detail besproken.

Kenmerken van panelen op basis van silicium

Silicium voor zonnecellen wordt gemaakt van kwartspoeder – gemalen kwarts kristallen. De rijkste grondstofvoorraden bevinden zich in West-Siberië en de Midden-Oeral, waardoor de vooruitzichten voor deze richting van zonne-energie vrijwel onbegrensd zijn.

Zelfs nu nemen kristallijne en amorfe silicium panelen al meer dan 80% van de markt in. Daarom is het de moeite waard om ze nader te bekijken.

Monokristallijne siliciumpanelen

Moderne monokristallijne silicium wafers (mono-Si) hebben een uniforme donkerblauwe kleur over het gehele oppervlak. Voor de productie wordt het zuiverste silicium gebruikt. Monokristallijne fotovoltaïsche cellen hebben van alle silicium wafers de hoogste prijs, maar leveren ook het beste rendement.

Grote monokristallijne zonnepanelen met draaimechanismen passen perfect in woestijnlandschappen. Daar worden de omstandigheden voor maximale productiviteit geboden.

De hoge productiekosten zijn te wijten aan de complexiteit van het oriënteren van alle silicium kristallen in één richting. Vanwege dergelijke fysieke eigenschappen van de actieve laag wordt het maximale rendement alleen gegarandeerd bij loodrechte inval van zonnestralen op het oppervlak van de wafer.

Monokristallijne panelen vereisen extra apparatuur die ze gedurende de dag automatisch draait, zodat het vlak van de panelen zo loodrecht mogelijk op de zonnestralen staat.

Siliciumlagen met eenzijdig georiënteerde kristallen worden gesneden uit een cilindrische metaalstaaf, waardoor de uiteindelijke fotovoltaïsche blokken de vorm hebben van een afgeronde vierkant.

Tot de voordelen van monokristallijne silicium panelen behoren:

1. Hoog rendement met een waarde van 17-25%.
2. Compactheid – een kleiner oppervlak voor plaatsing van apparatuur per eenheid vermogen, vergeleken met polykristallijne silicium panelen.
3. Duurzaamheid – voldoende efficiëntie van elektriciteitsopwekking wordt tot 25 jaar gegarandeerd.

Er zijn slechts twee nadelen aan dergelijke panelen:

1. Hoge kosten en een lange terugverdientijd.
2. Gevoeligheid voor vervuiling. Stof verstrooit licht, waardoor het rendement van bedekte zonnepanelen sterk daalt.

Vanwege de behoefte aan direct zonlicht worden monokristallijne zonnepanelen geïnstalleerd voornamelijk op open terreinen of op hoogte. Hoe dichter het gebied bij de evenaar ligt en hoe meer zonnige dagen het heeft, des te meer de voorkeur uitgaat naar installatie van dit type fotovoltaïsche elementen.

Polykristallijne zonnepanelen

Polykristallijne silicium panelen (multi-Si) hebben een ongelijkmatige blauwe kleur qua intensiteit vanwege de verschillende richtingen van de kristallen. De zuiverheid van het silicium dat bij de productie wordt gebruikt, is iets lager dan bij monokristallijne varianten.

De verschillende richtingen van de kristallen zorgen voor een hoog rendement bij diffuus licht – 12-18%. Dit is lager dan bij eenrichtingskristallen, maar bij bewolkt weer blijken deze panelen effectiever.

De inhomogeniteit van het materiaal leidt ook tot lagere productiekosten van silicium. Het gezuiverde metaal voor polykristallijne zonnepanelen wordt zonder bijzondere kunstgrepen in mallen gegoten.

Bij de productie worden speciale technieken gebruikt voor de vorming van kristallen, maar hun richting wordt niet gecontroleerd. Na afkoeling wordt het silicium in lagen gesneden en volgens een speciaal algoritme behandeld.

Polykristallijne panelen vereisen geen constante oriëntatie naar de zon, daarom worden voor hun plaatsing actief daken van huizen en industriële gebouwen gebruikt.

Overdag bij lichte bewolking zullen de voordelen van zonnepanelen van amorf silicium niet merkbaar zijn, hun sterke punten komen alleen tot uiting bij dichte wolken of in de schaduw (+).

Tot de voordelen van zonnepanelen met kristallen in verschillende richtingen behoren:

1. Hoge efficiëntie bij diffuus licht.
2. Mogelijkheid tot stationaire montage op daken van gebouwen.
3. Lagere kosten in vergelijking met monokristallijne panelen.
4. Lange levensduur – de efficiëntiedaling na 20 jaar gebruik bedraagt slechts 15-20%.

Nadelen van polykristallijne panelen zijn er ook:

1. Lager rendement met een waarde van 12-18%.
2. Relatieve omvang – er is meer installatieruimte nodig per eenheid vermogen in vergelijking met monokristallijne varianten.

Polykristallijne zonnepanelen veroveren een steeds groter marktaandeel onder de andere siliciumpanelen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ruime potentiële mogelijkheden om de productiekosten te verlagen. Ook het rendement van dergelijke panelen neemt jaarlijks toe, snel naderend tot 20% bij massaproducten.

Zonnepanelen van amorf silicium

Het productiemechanisme van zonnepanelen van amorf silicium verschilt fundamenteel van de fabricage van kristallijne fotovoltaïsche cellen. Hier wordt niet het zuivere niet-metaal gebruikt, maar het hydride, waarvan hete dampen op een substraat worden afgezet.

Als gevolg van deze technologie worden er geen klassieke kristallen gevormd en dalen de productiekosten sterk.

Fotocellen van neergeslagen amorf silicium kunnen zowel op een flexibele polymeersubstraat als op een stijve glasplaat worden bevestigd

Op dit moment bestaan er al drie generaties panelen van amorf silicium, waarbij in elke generatie het rendement aanzienlijk toeneemt. Als de eerste fotovoltaïsche modules een efficiëntie van 4-5% hadden, worden nu op de markt modellen van de tweede generatie met een rendement van 8-9% op grote schaal verkocht.

Amorfe panelen van de nieuwste ontwikkeling hebben een efficiëntie tot 12% en beginnen al in de handel te verschijnen, maar ze zijn nog vrij duur.

Dankzij de bijzonderheden van deze productietechnologie kan een siliciumlaag zowel op een stijve als op een flexibele ondergrond worden aangebracht. Hierdoor worden modules van amorf silicium actief gebruikt in flexibele dunnefilmzonnepanelen. Maar de varianten met een flexibele ondergrond zijn veel duurder.

De fysisch-chemische structuur van amorf silicium maakt het mogelijk om fotonen van zwak verstrooid licht maximaal te absorberen voor het opwekken van elektriciteit. Daarom zijn dergelijke panelen geschikt voor toepassing in noordelijke gebieden met grote open ruimtes.

De efficiëntie van batterijen op basis van amorf silicium neemt niet af bij hoge temperaturen, hoewel ze op dit punt inferieur zijn aan panelen van galliumarsenide.

Bij gelijke kosten van de apparatuur vertonen zonnepanelen van siliciumhydride een hogere productiviteit dan hun mono- en polykristallijne tegenhangers (+)

Samenvattend kunnen de volgende voordelen van amorfe zonnepanelen worden genoemd:

1. Universaliteit – de mogelijkheid om flexibele en dunne panelen te vervaardigen en batterijen op elke architectonische vorm te monteren.
2. Hoog rendement bij diffuus licht.
3. Stabiele werking bij hoge temperaturen.
4. Eenvoud en betrouwbaarheid van de constructie. Dergelijke panelen gaan vrijwel nooit kapot.
5. Behoud van functionaliteit onder moeilijke omstandigheden – minder prestatievermindering bij stoffige oppervlakken dan bij kristallijne tegenhangers.

De levensduur van dergelijke fotovoltaïsche elementen bedraagt, vanaf de tweede generatie, 20-25 jaar bij een vermogensdaling van 15-20%. Tot de nadelen van panelen van amorf silicium behoort alleen de behoefte aan grotere oppervlakten voor het plaatsen van apparatuur met het vereiste vermogen.

Overzicht van siliciumvrije apparaten

Sommige zonnepanelen, vervaardigd met zeldzame en kostbare metalen, hebben een rendement van meer dan 30%. Ze zijn vele malen duurder dan hun siliciumtegenhangers, maar hebben desalniettemin een hoogtechnologische handelsniche ingenomen vanwege hun bijzondere eigenschappen.

Zonnepanelen van zeldzame metalen

Er bestaan verschillende typen zonnepanelen van zeldzame metalen, en niet alle hebben een hoger rendement dan monokristallijne siliciummodules.

De mogelijkheid om in extreme omstandigheden te werken stelt fabrikanten van dergelijke zonnepanelen in staat concurrerende producten te maken en verder onderzoek uit te voeren.

Cadmiumtelluride-panelen worden actief gebruikt bij de gevelbekleding van gebouwen in equatoriale en Arabische landen, waar hun oppervlak overdag tot 70-80 graden wordt verhit.

De belangrijkste legeringen die worden gebruikt voor de vervaardiging van fotovoltaïsche cellen zijn cadmiumtelluride (CdTe), indium-gallium-koperselenide (CIGS) en indium-koperselenide (CIS).

Cadmium is een giftig metaal, en indium, gallium en telluur zijn vrij zeldzaam en duur, waardoor massaproductie van zonnepanelen op basis daarvan zelfs theoretisch onmogelijk is.

Het rendement van dergelijke panelen ligt rond de 25-35%, hoewel het in uitzonderlijke gevallen kan oplopen tot 40%. Voorheen werden ze voornamelijk gebruikt in de ruimtevaart, maar nu is er een nieuwe veelbelovende richting ontstaan.

Vanwege de stabiele werking van fotovoltaïsche cellen van zeldzame metalen bij temperaturen van 130-150°C worden ze gebruikt in zonthermische elektriciteitscentrales. Daarbij worden de zonnestralen van tientallen of honderden spiegels geconcentreerd op een klein paneel, dat tegelijkertijd elektriciteit opwekt en zorgt voor de overdracht van thermische energie aan een waterwarmtewisselaar.

Als gevolg van de verhitting van water wordt stoom gevormd, die een turbine laat draaien en elektriciteit opwekt. Op deze manier wordt zonne-energie gelijktijdig op twee manieren met maximale efficiëntie omgezet in elektrische energie.

Polymere en organische varianten

Fotovoltaïsche modules op basis van organische en polymere verbindingen werden pas in het laatste decennium ontwikkeld, maar onderzoekers hebben al aanzienlijke vooruitgang geboekt. De grootste vooruitgang wordt getoond door het Europese bedrijf Heliatek, dat al verschillende hoge gebouwen heeft uitgerust met organische zonnepanelen.

De dikte van zijn rolfolieconstructie van het type HeliaFilm bedraagt slechts 1 mm.

Bij de productie van polymere panelen worden stoffen zoals koolstoffullerenen, koperftalocyanine, polyfenyleen en andere gebruikt. Het rendement van dergelijke fotovoltaïsche cellen bereikt al 14-15%, en de productiekosten zijn vele malen lager dan die van kristallijne zonnepanelen.

De kwestie van de degradatietermijn van de organische werklaag is nijpend. Op dit moment is het niet mogelijk om het rendement ervan na enkele jaren gebruik betrouwbaar te bevestigen.

De voordelen van organische zonnepanelen zijn:

• de mogelijkheid van milieuvriendelijke verwijdering;
• lage productiekosten;
• flexibele constructie.

Tot de nadelen van dergelijke fotovoltaïsche cellen behoren het relatief lage rendement en het ontbreken van betrouwbare informatie over de stabiele werktijden van de panelen. Het is mogelijk dat over 5-10 jaar alle nadelen van organische zonnecellen verdwijnen en ze serieuze concurrenten worden voor siliciumplaten.

Welk zonnepaneel kiezen?

Het kiezen van zonnepanelen voor buitenhuizen op breedtegraad 45-60° is niet moeilijk. Hier hoeft u slechts twee opties te overwegen: polykristallijne en monokristallijne siliciumpanelen.

Bij plaatsgebrek kunt u beter de voorkeur geven aan efficiëntere modellen met een eenzijdige oriëntatie van de kristallen; bij onbeperkte ruimte wordt aanbevolen om polykristallijne batterijen aan te schaffen.

Het is niet de moeite waard om zich te laten leiden door prognoses van analytische bedrijven over de ontwikkeling van de zonnepanelmarkt, want de beste voorbeelden zijn misschien nog niet uitgevonden.

Het is beter om een specifieke fabrikant, het vereiste vermogen en de extra apparatuur te kiezen met medewerking van managers van bedrijven die dergelijke apparatuur verkopen en installeren. U moet weten dat de kwaliteit en prijs van fotovoltaïsche modules bij de grootste fabrikanten weinig verschillen.

U moet er rekening mee houden dat bij het bestellen van een 'sleutelklare' set apparatuur de kosten van de zonnepanelen zelf slechts 30-40% van het totale bedrag zullen bedragen. De terugverdientijden van dergelijke projecten zijn 5-10 jaar en zijn afhankelijk van het energieverbruik en de mogelijkheid om overtollige elektriciteit aan het stadsnet te verkopen.

Sommige vakmensen geven er de voorkeur aan om zonnebatterijen zelf in elkaar te zetten. Op onze website vindt u artikelen met een gedetailleerde beschrijving van de productietechnologie van dergelijke panelen, de aansluiting ervan en de installatie van verwarmingssystemen op zonne-energie.

Wij raden u aan om kennis te nemen van:

1. Hoe maakt u een zonnepaneel zelf: handleiding voor zelfbouw
2. Zonneverwarmingssystemen: analyse van technologieën voor het inrichten van verwarming op basis van zonnesystemen
3. Aansluitschema van zonnepanelen: naar de laadregelaar, de accu en de onderhouden systemen

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De gepresenteerde video's tonen de werking van verschillende zonnepanelen in realistische omstandigheden. Ze helpen u ook bij het begrijpen van de keuze van bijbehorende apparatuur.

Regels voor het kiezen van zonnepanelen en bijbehorende apparatuur:

Soorten zonnepanelen:

Testen van monokristallijne en polykristallijne panelen:

Voor particulieren en kleine industriële objecten is er nog geen reëel alternatief voor kristallijne siliciumpanelen. Maar de snelheid van ontwikkeling van nieuwe typen zonnebatterijen geeft hoop dat zonne-energie binnenkort de belangrijkste elektriciteitsbron zal worden in veel buitenhuizen.

Aan alle geïnteresseerden in de keuze en het gebruik van zonnebatterijen raden wij aan om reacties achter te laten, vragen te stellen en deel te nemen aan discussies. Het contactformulier bevindt zich in het onderste blok.