Fotovoltaïsche energie is een hernieuwbare energiebron die in principe zonne-energie of – straling energie omzet in elektriciteit. Naar schatting dekt de wereldwijde fotovoltaïsche productie tussen 3,5% en 7% van de bestaande vraag naar elektriciteit.
Deze vorm van energieopwekking genereert, eenmaal geïnstalleerd en in bedrijf, geen broeikasgassen of andere vormen van vervuiling. Bovendien is het zeer eenvoudig om de installatie aan te passen aan de behoeften van de gebruikers.
De belangrijkste nadelen zijn dat voor een optimaal rendement direct zonlicht nodig is en dat de uren met maximale zonnestraling gewoonlijk niet samenvallen met de uren met de grootste vraag naar elektriciteit.
La célula fotoeléctrica
Het is het basiselement van fotovoltaïsche panelen en is het sleutelelement van het hele proces van elektriciteitsopwekking.
Kort gezegd bestaat de functie van foto-elektrische cellen (ook bekend als cellen, fotocellen of fotovoltaïsche cellen, onder andere) erin licht om te zetten in spanning en elektrische stroom. Een verschijnsel dat zich bij sommige halfgeleiders voordoet en het foto-elektrisch effect wordt genoemd.
Dit effect, hoewel ontdekt door Heinrich Hertz in 1887, zou pas bijna 20 jaar later een theoretische basis krijgen in het artikel “Heuristics of the generation and conversion of light”, gepubliceerd door Albert Einstein.
Principe van werking
Het principe achter deze technologie, zonder al te diep in te gaan op de natuurkundige onderbouwing ervan, is gebaseerd op het vermogen van een foton om een halfgeleideratoom te treffen en te exciteren, waardoor een elektron vrijkomt en een gat wordt gecreëerd.
De elektronen vinden gewoonlijk snel een nieuw gat om te bezetten, en de door het foton geleverde energie wordt afgevoerd in de vorm van warmte.
De bijzondere eigenschap van de materialen waaruit fotocellen zijn opgebouwd, is dat zij elektronen en gaten dwingen te bewegen in plaats van tegelijkertijd te recombineren. Dit creëert een potentiaalverschil, net als een batterij.
Vervaardiging van fotocellen
De technieken voor de vervaardiging van deze cellen zijn vergelijkbaar met die voor andere halfgeleiderelementen, hoewel de zuiverheidsgraad van de vereiste grondstoffen of het proces zelf niet zo veeleisend zijn.
Het proces komt in grote lijnen overeen met het volgende:
- De grondstof, zoals kwarts, wordt genomen en in een oven gevoerd waar gesmolten silicium wordt verkregen.
- Onzuiverheden worden verwijderd.
- Met procédés zoals het Czochralski-procédé worden monokristallijne ingots verkregen.
- De ingot wordt in zeer dunne platen (wafers) van 200 µm gesneden.
- Reinigen en polijsten van de wafers.
- Dopering van de wafers, die kan geschieden tijdens het Czochralski-proces in het geval van Borium (B)-dopering of, zoals met Fosfor (P) wordt gedaan, door de wafers onder het smeltpunt te brengen in aanwezigheid van fosforgas.
- De cellen worden met elkaar verbonden door elektrische contacten en dunne metalen strips worden toegevoegd om de opgewekte elektriciteit “op te vangen”.
- Een anti-reflecterende coating is toegevoegd om lekkage te voorkomen.
- De zonnecellen worden ingekapseld en in de paneelstructuur geplaatst.
Soorten fotovoltaïsche cellen
Hoewel er verschillende soorten cellen zijn, zullen wij ons concentreren op de twee populairste soorten.
Polykristallijne siliciumcellen
Deze cellen, ook multikristallijne cellen genoemd, worden gekenmerkt door meervoudige kristallen die zich vormen tijdens het afkoelen van het silicium. Dit resulteert in een niet-uniform uiterlijk.
Zij hebben een rendement van ongeveer 100 Wp/m2 (wattpiek per vierkante meter) met een hoog rendement van 14%.
Hij wordt vooral in warme klimaten gebruikt omdat hij minder last heeft van oververhitting.
Monokristallijne siliciumcellen
Behalve voor zonnecellen wordt het ook gebruikt als basis voor siliciumchips, hoewel de eisen aan de onvolkomenheden daarvan veel beperkter zijn.
Het rendement en de prestaties zijn iets hoger, met respectievelijk bijna 150 Wp/m2 en 14-16%.
In tegenstelling tot de vorige, zijn ze minder goed bestand tegen hoge temperaturen.
Toepassingen van fotovoltaïsche zonne-energie
De toepassingen van dit type energie zijn zeer divers. In dit artikel zullen we ons concentreren op installaties voor huishoudelijk eigenverbruik van elektriciteit, maar eerst zullen we enkele van de vele toepassingen opsommen:
Geïsoleerde mechanismen
Het zijn meestal kleine toestellen die worden gevoed door een kleine plaat of groep fotocellen.
Het meest typische voorbeeld is de solar calculator, maar tegenwoordig vinden we allerlei apparaten zoals lampen, waterpompen of parkeermeters.
Vervoer en navigatie
Hoewel het gebruik ervan als primaire energiebron meer experimenteel dan praktisch is, wordt het steeds meer gebruikt als hulpkrachtbron in zowel auto’s als boten.
De World Solar Challenge in Australië is erg populair. Een race waarbij verschillende teams (voornamelijk bedrijven, universiteiten of instituten) het met hun respectieve zonnewagens tegen elkaar opnemen in een 3021 km lange woestijn.
Zonneboerderijen
Ook wel zonneparken genoemd, zijn het niets anders dan fotovoltaïsche centrales waarin grote zonnepaneelinstallaties zijn geïnstalleerd om elektriciteit op te wekken en aan het net te leveren.
Telecommunicatie
Dit type energie is zeer nuttig in telefooncentrales, radioantennes of microgolfrepeaters, waar het meestal wordt geïnstalleerd in combinatie met batterijen. Op die manier wordt de dienst niet onderbroken bij stroomuitval.
Ruimtevaart
Een van de vroegste toepassingen van fotovoltaïsche technologie. Zonnepanelen worden al lang gebruikt op satellieten, sinds de VS in 1958 Vanguard 1 lanceerde.
Fotovoltaïsch zelfverbruik door middel van zonnepanelen
Onder fotovoltaïsch eigenverbruik wordt verstaan de opwekking van energie voor eigen verbruik, uiteraard met behulp van zonnepanelen.
Dit type installatie wordt voornamelijk aangetroffen in eengezinswoningen, waar de installatie en dimensionering van het systeem over het algemeen eenvoudiger is.
Basiselementen van een “huishoudelijk” fotovoltaïsch systeem
De belangrijkste onderdelen van een standaard fotovoltaïsche installatie zijn
Fotovoltaïsche panelen: deze zijn belast met het opwekken van elektrische energie, gebaseerd op het natuurkundige principe dat wij reeds aan het begin van dit artikel hebben uiteengezet.
Batterijen: slaan de opgewekte energie op voor later gebruik, gewoonlijk ’s nachts en tijdens de daluren.
Omvormer: zet gelijkstroom om in wisselstroom.
Laadregelaars: voorkomen overmatig laden/ontladen van de batterijen, waardoor hun levensduur wordt verlengd.
Er zij op gewezen dat niet alle elementen in een installatie aanwezig hoeven te zijn, met uitzondering van de panelen, om volledig functioneel te zijn. Het hangt allemaal af van de behoeften van elk project.
Classificatie van fotovoltaïsche systemen voor eigen gebruik
Onder de verschillende opties die momenteel beschikbaar zijn, kunnen we op technisch niveau verschillende soorten installaties onderscheiden, afhankelijk van de vraag of ze al dan niet op het conventionele elektriciteitsnet zijn aangesloten en hoe deze aansluiting tot stand is gekomen.
Op deze manier kunnen we onderscheid maken:
Niet aan het net gekoppeld fotovoltaïsch systeem
Zoals de naam al doet vermoeden, zijn dit volledig off-grid systemen. Zij zijn vooral populair in gebieden waar de toegang tot elektriciteit beperkter is.
In dit type installatie is het gebruik van batterijen van essentieel belang, want zonder batterijen zou de beschikbaarheid van elektriciteit beperkt zijn tot de uren dat er zonlicht is.
Het is heel gebruikelijk om installaties van dit type aan te treffen waarin afzonderlijke circuits voor wisselstroom en gelijkstroom zijn gecombineerd, d.w.z. dat er apparaten zijn die op gelijkstroom werken (hoofdzakelijk 12V/24V), zoals verlichting, en andere die op wisselstroom werken, zoals een televisie.
Aan het net gekoppeld fotovoltaïsch systeem
In dit geval dient het conventionele net als back-up wanneer de opgewekte zonne-energie niet voldoende is, zodat er geen batterijen hoeven te worden geïnstalleerd en de kosten van de installatie worden gedrukt.
Hier kan in de huidige wetgeving onderscheid worden gemaakt tussen installaties met of zonder op het net geloosde overproductie (een geïsoleerd systeem levert uiteraard geen energie terug aan het distributienet).
We weten nu iets meer over de werking van fotovoltaïsche zonne-energie en de vele toepassingen ervan.