Werkingsprincipe van een zonnepaneel: hoe een zonnepaneel is opgebouwd en werkt

De efficiënte omzetting van gratis zonnestralen in energie die kan worden gebruikt voor de elektriciteitsvoorziening van woningen en andere objecten, is de langgekoesterde droom van veel aanhangers van groene energie.

Maar het werkingsprincipe van een zonnepaneel en het rendement ervan zijn zodanig dat er voorlopig nog geen sprake is van een hoge efficiëntie van dergelijke systemen. Het zou niet slecht zijn om over een eigen extra elektriciteitsbron te beschikken. Nietwaar? Te meer omdat ook in Rusland tegenwoordig al een aanzienlijk aantal particuliere huishoudens met behulp van zonnepanelen succesvol van 'gratis' elektriciteit wordt voorzien. Weet u nog steeds niet waar u moet beginnen?

Hieronder vertellen wij u over de opbouw en de werkingsprincipes van een zonnepaneel; u verneemt waarvan de efficiëntie van het zonnesysteem afhangt. De in het artikel opgenomen video's helpen u om zelf een zonnepaneel uit fotocellen samen te stellen.

Zonnepanelen: terminologie

Op het gebied van 'zonne-energie' bestaan er nogal wat nuances en verwarring. Vaak is het voor beginners in het begin moeilijk om alle onbekende termen te doorgronden. Maar zonder dat is het niet verstandig om met zonne-energie aan de slag te gaan door apparatuur voor de opwekking van 'zonnestroom' aan te schaffen.

Door onwetendheid kunt u niet alleen een ongeschikt paneel kiezen, maar het ook eenvoudigweg laten doorbranden bij het aansluiten of er te weinig energie aan onttrekken.

Allereerst moet u zich verdiepen in de bestaande varianten van apparatuur voor zonne-energie. Zonnepanelen en zonnecollectoren zijn twee fundamenteel verschillende apparaten. Beide zetten de energie van zonnestralen om.

Echter, in het eerste geval krijgt de consument elektrische energie, en in het tweede geval thermische energie in de vorm van verwarmde warmtedrager, d.w.z. zonnepanelen worden gebruikt voor het verwarmen van het huis.

Het maximale rendement van een zonnepaneel kunt u alleen behalen als u weet hoe het werkt, uit welke componenten en onderdelen het bestaat en hoe alles correct wordt aangesloten.

Het tweede nuance betreft het begrip van de term 'zonnepaneel'. Gewoonlijk verstaat men onder het woord 'batterij' een apparaat dat elektriciteit opslaat. Of men denkt aan een gewone verwarmingsradiator. Bij zonnepanelen ligt de situatie echter volledig anders. Zij slaan niets op in zichzelf.

Een zonnepaneel genereert gelijkstroom. Om deze om te zetten in wisselstroom (gebruikt in huishoudens), moet er een omvormer in het circuit aanwezig zijn.

Zonnepanelen zijn uitsluitend bedoeld voor het opwekken van elektrische stroom. Deze stroom wordt opgeslagen voor de elektriciteitsvoorziening van het huis 's nachts, wanneer de zon onder de horizon is gezakt, in de extra aanwezige accu's in het energievoorzieningsschema.

Batterij wordt hier bedoeld in de context van een verzameling van gelijksoortige componenten, samengevoegd tot een geheel. In feite is het gewoon een paneel bestaande uit meerdere identieke fotocellen.

Interne opbouw van een zonnepaneel

Steeds goedkoper en efficiënter worden zonnepanelen. Tegenwoordig worden ze gebruikt voor het opladen van accu's in straatlantaarns, smartphones, elektrische auto's, particuliere woningen en satellieten in de ruimte. Men is zelfs begonnen met de bouw van volwaardige zonne-energiecentrales met grote opbrengsten.

Een zonnepaneel bestaat uit vele fotocellen (fotovoltaïsche omzetters), die de energie van fotonen van de zon omzetten in elektrische energie.

Elke zonnepaneel is opgebouwd als een blok van een bepaald aantal modules, die op hun beurt bestaan uit in serie geschakelde halfgeleiderfotocellen. Om de werkingsprincipes van een dergelijk paneel te begrijpen, moet men inzicht krijgen in de werking van deze laatste schakel in de constructie van een zonnepaneel, die gebaseerd is op halfgeleiders.

Soorten kristallen van fotocellen

Er bestaan enorm veel varianten van fotovoltaïsche cellen (FVC) uit verschillende chemische elementen. Het merendeel ervan bevindt zich echter nog in de beginfase van ontwikkeling. Op industriële schaal worden momenteel alleen panelen geproduceerd van fotocellen op basis van silicium.

Siliciumhalfgeleiders worden gebruikt bij de fabricage van zonnepanelen vanwege hun lage kosten, maar ze kunnen niet bogen op een bijzonder hoog rendement.

Een gewone fotocel in een zonnepaneel is een dunne plaat van twee siliciumlagen, elk met zijn eigen fysieke eigenschappen. Het is een klassieke halfgeleider p-n-overgang met elektron-gatparen.

Wanneer fotonen de fotovoltaïsche cel treffen, ontstaat er tussen deze halfgeleiderlagen door de inhomogeniteit van het kristal een fotovoltaïsche spanning, wat resulteert in een potentiaalverschil en een stroom van elektronen.

Siliciumplaten van fotocellen worden onderscheiden naar fabricagetechniek in:

1. Monokristallijn.
2. Polykristallijn.

De eerste hebben een hoger rendement, maar de productiekosten zijn ook hoger dan die van de tweede. Uiterlijk zijn de twee varianten op een zonnepaneel van elkaar te onderscheiden door de vorm.

Monokristallijne PV-cellen hebben een homogene structuur en worden gemaakt in de vorm van vierkanten met afgeschuinde hoeken. In tegenstelling daarmee hebben polykristallijne cellen een strikt vierkante vorm.

Polykristallijn wordt verkregen door geleidelijke afkoeling van gesmolten silicium. Deze methode is uiterst eenvoudig, daarom zijn dergelijke fotovoltaïsche cellen niet duur.

Maar hun prestaties bij het opwekken van elektriciteit uit zonlicht overschrijden zelden de 15%. Dit komt door de “onzuiverheid” van de verkregen siliciumplaten en hun interne structuur. Hoe zuiverder de p-laag van silicium, hoe hoger het rendement van de PV-cel ervan.

De zuiverheid van monokristallijn is in dit opzicht veel hoger dan die van polykristallijne tegenhangers. Ze worden niet gemaakt van gesmolten, maar van kunstmatig gekweekte enkelvoudige siliciumkristallen. De fotovoltaïsche conversiefactor van dergelijke PV-cellen bereikt al 20-22%.

In de algemene module worden afzonderlijke fotovoltaïsche cellen op een aluminium frame gemonteerd en ter bescherming worden ze van boven afgedekt met sterk glas dat de zonnestralen niet belemmert.

De naar de zon gerichte bovenste laag van de fotovoltaïsche plaat is gemaakt van hetzelfde silicium, maar met toevoeging van fosfor. Juist deze fosfor is de bron van overtollige elektronen in het pn-overgangssysteem.

Een echte doorbraak op het gebied van zonne-energie was de ontwikkeling van flexibele panelen met amorf fotovoltaïsch silicium:

Werkingsprincipe van een zonnepaneel

Wanneer zonlicht op een fotovoltaïsche cel valt, worden er niet-evenwichtige elektron-gatparen gegenereerd. Overtollige elektronen en «gaten» worden gedeeltelijk door de pn-overgang van de ene halfgeleiderlaag naar de andere getransporteerd.

Uiteindelijk verschijnt er een spanning in het externe circuit. Hierbij wordt op de contact van de p-laag een positieve pool van de stroombron gevormd en op de n-laag een negatieve.

Het spanningsverschil tussen de contacten van de fotocel ontstaat door de verandering van het aantal 'gaten' en elektronen aan verschillende zijden van de p-n-overgang als gevolg van bestraling van de n-laag met zonnestralen

De fotocellen die zijn aangesloten op een externe belasting in de vorm van een accu vormen daarmee een gesloten kring. Hierdoor werkt het zonnepaneel als een soort wiel waarover de elektronen als eekhoorns 'rennen'. Ondertussen laadt de accu geleidelijk op.

Standaard silicium fotovoltaïsche omzetters zijn enkelvoudige junctie-elementen. De stroom van elektronen vindt daarin slechts plaats via één p-n-overgang met een beperkte fotonenergiezone van deze overgang.

Dat wil zeggen dat elke dergelijke fotocel alleen elektriciteit kan genereren uit een smal spectrum van zonnestraling. Alle overige energie gaat verloren. Daarom is de efficiëntie van FV-cellen zo laag.

Om het rendement van zonnepanelen te verhogen, worden silicium halfgeleiderelementen de laatste tijd vaak als meervoudige junctie (cascade) gemaakt. In nieuwe FV-cellen zijn er al meerdere overgangen. Elk daarvan in deze cascade is afgestemd op een eigen spectrum van zonnestralen.

De totale omzettingsefficiëntie van fotonen in elektrische stroom bij dergelijke fotocellen neemt uiteindelijk toe. Maar hun prijs is aanzienlijk hoger. Het is of eenvoud van fabricage met lage kosten en laag rendement, of een hogere opbrengst in combinatie met hoge kosten.

Het zonnepaneel kan zowel in de zomer als in de winter werken (het heeft licht nodig, geen warmte) – hoe minder bewolking en hoe feller de zon schijnt, hoe meer elektrische stroom het zonnepaneel zal opwekken

Tijdens het gebruik warmen de fotocel en het gehele paneel geleidelijk op. Alle energie die niet is gebruikt voor het opwekken van elektrische stroom, wordt omgezet in warmte. Vaak stijgt de temperatuur op het oppervlak van het zonnepaneel tot 50–55 °C. Maar hoe hoger de temperatuur, hoe minder efficiënt het fotovoltaïsche element werkt.

Uiteindelijk genereert hetzelfde model zonnepaneel bij warmte minder stroom dan bij vorst. Fotocellen bereiken hun maximale rendement op een heldere winterdag. Hier spelen twee factoren een rol – veel zon en natuurlijke koeling.

Als er sneeuw op het paneel valt, zal het nog steeds elektriciteit blijven opwekken. Bovendien hebben de sneeuwvlokken niet eens de tijd om er lang op te blijven liggen, omdat ze smelten door de warmte van de verwarmde fotocellen.

Efficiëntie van de panelen van het zonnesysteem

Eén fotocel levert zelfs 's middags bij helder weer slechts een beetje elektriciteit, genoeg voor bijvoorbeeld een led-zaklamp.

Om het uitgangsvermogen te verhogen, worden meerdere FV-cellen parallel geschakeld om de constante spanning te verhogen, en in serie om de stroomsterkte te verhogen.

Efficiëntie van zonnepanelen hangt af van:

• temperatuur van de lucht en van het paneel zelf;
• correctheid van de keuze van de belastingsweerstand;
• hoek van de zonnestraling;
• aanwezigheid/afwezigheid van antireflectiecoating;
• sterkte van de lichtstroom.

Hoe lager de buitentemperatuur, hoe efficiënter de fotocellen en de zonnebatterij als geheel werken. Dat is eenvoudig. De situatie wordt echter gecompliceerder bij het berekenen van de belasting. Die moet worden afgestemd op de stroom die het paneel levert. Maar de waarde ervan varieert afhankelijk van weersfactoren.

Zonnepanelen worden geproduceerd met een uitgangsspanning die een veelvoud is van 12 V – als er 24 V aan de accu moet worden geleverd, moeten twee panelen parallel worden aangesloten.

Het is problematisch om constant de parameters van de zonnepaneel te volgen en handmatig de werking aan te passen. Hiervoor kunt u beter gebruik maken van een regelcontroller, die in de automatische modus zelf de instellingen van het zonnepaneel aanpast om maximale prestaties en optimale werkingsmodi te bereiken.

De ideale invalshoek van de zonnestralen op de zonnebatterij is loodrecht. Bij een afwijking tot 30 graden van de loodlijn daalt de efficiëntie van het paneel slechts met ongeveer 5%. Maar bij verdere vergroting van deze hoek wordt een steeds groter deel van de zonnestraling weerkaatst, waardoor het rendement van de fotovoltaïsche cel afneemt.

Als de batterij in de zomer maximale energie moet leveren, moet deze loodrecht worden gericht op de gemiddelde positie van de zon tijdens de lente- en herfstequinoxen.

Voor de regio Moskou is dit ongeveer 40–45 graden ten opzichte van de horizon. Als het maximum in de winter nodig is, moet het paneel in een meer verticale positie worden geplaatst.

En nog een punt: stof en vuil verminderen de prestaties van de fotocellen aanzienlijk. Fotonen bereiken ze gewoon niet door een dergelijke 'vuile' barrière, en er valt dus niets om te zetten in elektriciteit. De panelen moeten regelmatig worden gereinigd of zo worden geplaatst dat het stof vanzelf door de regen wordt weggespoeld.

Sommige zonnebatterijen hebben ingebouwde lenzen om de straling op de fotovoltaïsche cellen te concentreren. Bij helder weer leidt dit tot een hoger rendement. Bij zware bewolking richten deze lenzen echter alleen maar schade aan.

Als een normaal paneel in een dergelijke situatie stroom blijft genereren, zij het in kleinere volumes, zal het lensmodel praktisch volledig stoppen met werken.

De zon moet de batterij van fotocellen idealiter gelijkmatig verlichten. Als een van de delen wordt verduisterd, worden de onbelichte fotovoltaïsche cellen een parasitaire belasting. Ze genereren niet alleen geen energie in een dergelijke situatie, maar nemen deze ook weg van de werkende elementen.

Panelen moeten zo worden geïnstalleerd dat er geen bomen, gebouwen of andere obstakels in het pad van de zonnestralen zijn.

Schema voor de stroomvoorziening van een huis op zonne-energie

Het zonne-energiesysteem omvat:

1. Zonnepanelen.
2. Controller.
3. Accu's.
4. Omvormer (transformator).

De controller in dit schema beschermt zowel de zonnepanelen als de accu's. Enerzijds voorkomt hij het terugstromen van stroom 's nachts en bij bewolkt weer, anderzijds beschermt hij de accu's tegen overladen/ontladen.

Accu's voor zonnepanelen moeten worden geselecteerd met dezelfde leeftijd en capaciteit, anders zal het opladen/ontladen ongelijkmatig verlopen, wat leidt tot een sterke verkorting van hun levensduur.

Om gelijkstroom van 12, 24 of 48 Volt om te zetten naar wisselstroom van 220 Volt is een omvormer nodig. Het wordt afgeraden om auto-accu's in een dergelijk schema te gebruiken vanwege hun onvermogen om frequente herladingen te weerstaan. Het beste is om te investeren en speciale gel-AGM of natte OPzS-accu's aan te schaffen.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De werkingsprincipes en aansluitschema's van zonnepanelen zijn niet te moeilijk om te begrijpen. En met de door ons hieronder verzamelde videomaterialen zal het nog gemakkelijker zijn om alle finesses van de werking en installatie van zonnepanelen te begrijpen.

Toegankelijk en begrijpelijk, hoe een fotovoltaïsche zonnepaneel werkt, in alle details:

Hoe zonnepanelen zijn opgebouwd, zie in de volgende video:

Het zelf monteren van een zonnepaneel uit fotovoltaïsche cellen:

Elk onderdeel in het zonne-energiesysteem van het huisje moet deskundig worden gekozen. Onvermijdelijke vermogensverliezen treden op bij accu's, transformatoren en de regelaar. En deze moeten absoluut tot een minimum worden beperkt, anders zal de al vrij lage efficiëntie van zonnepanelen tot nul worden gereduceerd.

Zijn er vragen gerezen tijdens het bestuderen van het materiaal? Of weet u waardevolle informatie over het onderwerp van het artikel en kunt u deze aan onze lezers doorgeven? Laat uw opmerkingen alstublieft achter in het onderstaande blok.