Zonne-energie

De zonnestraling die de aarde bereikt bestaat grotendeels uit zichtbaar licht en deels uit infrarood (warmtestraling) en UV-straling. Zonne-energie kan vastgelegd worden door fotovoltaïsche (zon-PV) en zon-thermische installaties.

Zon-PV

Bij fotovoltaïsche (photovoltaïsche, PV-) installaties wordt gebruik gemaakt van een combinatie van halfgeleiders om zonne-energie om te zetten in elektriciteit. Het zonlicht zorgt ervoor dat een elektron in een zogenoemde aangeslagen toestand raakt. Om ervoor te zorgen dat zo’n aangeslagen elektron maar een kant op kan gaan en er stroom gaat lopen, wordt gebruik gemaakt van twee typen halfgeleiders.

Onderstaande figuur laat zien dat instraling van licht ervoor zorgt dat een elektron uit het p-type halfgeleider zich verplaatst naar het n-type geleider. Het elektron kan niet terug van het n-type naar het p-type geleider. Het gat (h⁺) dat het elektron achterlaat in het p-type geleider kan weer opgevuld worden door een ander elektron in het p-type geleider. Wanneer beide geleiders worden opgenomen in een elektrisch circuit, zal er een elektrische stroom gaan lopen op het moment dat er zonlicht op het p-type halfgeleider schijnt.


Een p-type halfgeleider ontstaat door aan een halfgeleidend materiaal een verontreiniging toe te voegen (‘te doteren’) die een elektron minder in de valentieschil heeft, bijvoorbeeld door gallium (Ga) of indium (In) toe te voegen aan silicium (Si). Het resterende materiaal heeft een tekort aan elektronen. Er wordt ook wel gezegd dat dit materiaal positieve deeltjes of ‘positief geladen gaten’ heeft. Andersom ontstaat een n-type halfgeleider door een verontreiniging te doteren die een elektron meer in de valentieschil heeft, bijvoorbeeld door arseen (As) of antimoon (Sb) toe te voegen aan silicium. Een n-type halfgeleider heeft een overschot aan elektronen.

Het maximale rendement van een zonnepaneel is gedefinieerd als:

$$ η_{\max} = P_{\max}/P_{\zonlicht} $$
met:
$P_{\max}$ = maximaal vermogen van een zonnepaneel, ofwel het aantal Wattpiek (Wp)
$P_{\zonlicht}$ = ingestraald vermogen van de zon

Het maximale vermogen van een zonnepaneel (of zonnecel) gemeten bij standaard­omstandigheden, waaronder 1000 W/m² aan invallende zonnestraling en bij een temperatuur van 25 °C van zonnecel/zonnepaneel, wordt uitgedrukt in Watt peak (Wp, ‘Wattpiek’). Het werkelijke vermogen van een zonnepaneel is o.a. afhankelijk van de locatie van het zonnepaneel, de oriëntatie ten opzichte van de zon en de hellingshoek waaronder het paneel geplaatst is.

Volgens Milieucentraal (2014) gaan zonnepanelen zeker 25 jaar mee en heeft een zonnesysteem na 3 jaar elektriciteitsproductie evenveel elektriciteit opgewekt als er aan energie nodig was bij de productie van het systeem.

Zon-thermisch

Bij zon-thermische installaties wordt zonne-energie gebruikt om een vloeistof, meestal water, op te warmen. Voorbeelden van zon-thermische installaties zijn zonneboilers op de daken van huizen en bedrijfspanden, en grootschalige zonnecentrales waarbij zonlicht met behulp van spiegels geconcentreerd wordt, de zogenaamde Concentrated Solar Power (CSP) installaties.

Er bestaan verschillende uitvoeringsvormen van zonneboilers. Een standaard zonneboiler bestaat uit een collector en een groot opslagvat dat naverwarmd kan worden door een CV-ketel. Bij de compacte zonneboiler is het voorraadvat geïntegreerd in de collector op het dak. Een zonneboilercombi bestaat uit meerdere collectoren en een groot opslagvat en is geschikt voor zowel warm tapwater als verwarmingsdoeleinden door middel van vloer- of wandverwarming. Ook bestaan er verschillende uitvoeringsvormen van de collector, namelijk een vlakke plaat of (nieuwer) collectorbuizen.

Bij grootschalige zonnecentrales kan zonlicht geconcentreerd worden door middel van parabolische trogspiegels, lineaire Fresnel-spiegels, zonnetorens en parabolische schotelspiegels, zie onderstaande figuren. Met uitzondering van de parabolische schotelspiegels wordt de opgevangen zonnewarmte vervolgens gebruikt om een Rankine-cyclus aan te drijven. Een parabolische schotelspiegel wordt gecombineerd met een Stirling-cyclus.


De parabolische trogspiegel wordt het meest toegepast. De rijen spiegels zijn in noord/zuid-richting geplaatst en draaien mee met de zon als die van oost naar west gaat. Het zonlicht wordt met behulp van de trogspiegels geconcentreerd en gebruikt om het transportmedium in de lange buis tot ca. 550 °C te verhitten. Oorspronkelijk was dit medium een soort olie, maar tegenwoordig wordt hiervoor gesmolten zout (een mengsel van natrium- en kaliumnitraat) gebruikt. Het hete zoutmengsel wordt gebruikt om water om te zetten in stoom. Wanneer het gesmolten zout in speciale opslagtanks wordt opgeslagen kan het tot zo'n zes uur zijn warmte behouden en daarmee gebruikt worden om een periode zonder zon te overbruggen.


Frensnel-spiegels zijn vlak of licht gebogen, draaien over een as en concentreren het zonlicht naar een meer van de ontvangers boven de spiegels. Deze technologie is kostenbesparend ten opzichte van trogspiegels en schotelspiegels doordat er één ontvanger voor een aantal spiegels gebruikt wordt.


Bij een zonnetoreninstallatie draaien de spiegels op de grond om twee assen zodat er gedurende meer uren per dag zo veel mogelijk zonlicht opgevangen kan worden. De spiegels concentreren het zonlicht naar een ontvanger bovenin de toren die de warmte overdraagt naar een transportmedium, gewoonlijk gesmolten zout. Het zout kan worden opgeslagen voor toekomstig gebruik of zijn warmte overdragen naar een verzadigd stoomsysteem.


Bij een parabolische schotelspiegel wordt geen stoomcyclus toegepast, maar wordt een Stirling-motor aangedreven. De schotelspiegels draaien om twee assen waardoor de zon dagelijks van oost naar west en met de seizoenen mee ook van noord naar zuid en vice versa gevolgd kan worden. Het rendement van een parabolische schotelspiegel bedraagt ca. 30% en is daarmee aanzienlijk hoger dan het rendement van de andere types CSP-installaties (15-20%).

Achtergrondinformatie

• werking zonnepanelen^w (website Milieucentraal)
• werking zonneboiler^w (website Milieucentraal)
• CSP-installaties^w (beschrijving verschillende types)
• overzicht operationele CSP-installaties^w
• Ivanpah Solar Electric Generating System^w
• Solaben CSP-installatie^w
• artikel Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants^w (Weißbach et al. (2013), alleen vanaf TU-netwerk!)

Bronnen

Milieucentraal (2014), Milieucentraal. (2014). http://www.milieucentraal.nl/thema%27s/thema-1/energie-besparen/zonnepanelen/hoe-werken-zonnepanelen/ geraadpleegd op 13 oktober 2014
Weißbach et al. (2013), Weißbach D., G. Ruprecht, A. Huke, K. Czerski, S. Gottlieb en A. Hussein (2013). Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants. Energy 52: 210-221