In dit kennisartikel wordt de werking van zonnepanelen en de achterliggende techniek van fotovoltaïsche (PV) uitgelegd. Daarbij wordt er stilgestaan bij de geschiedenis van fotovoltaïsche cellen, hoe de PV-technologie werkt, en wat de toekomst van PV-systemen ons mogelijk brengt.
Geschiedenis van fotovoltaïsche cellen
In 1954 ontwikkelde Bell Laboratories in de Verenigde Staten ’s werelds eerste praktische PV-cellen. Ze ontwikkelden met succes een PV-systeem met een efficiëntie van 6%. Eind jaren vijftig werden PV-cellen gebruikt om ruimtesatellieten in de VS van stroom te voorzien.
Tegen het einde van de jaren zeventig kon elektriciteit worden geproduceerd door PV-panelen op een afgelegen locatie of off-grid locatie zonder elektriciteitsleidingen. Technologische vooruitgang heeft geholpen de productiekosten voor PV-systemen te verlagen, en verschillende financiële prikkels en overheidsbeleid hebben sinds het midden van de jaren negentig sterk bijgedragen aan de uitbreiding van het gebruik van PV.
Deze uitbreiding blijkt bijvoorbeeld uit het gestegen nutsniveau. De elektriciteitsopwekking bij PV-krachtcentrales op nutsniveau is immers gestegen van 6 miljoen kilowattuur (kWh) (of 6.000 megawattuur [MWh]) in 2004 tot ongeveer 143 miljard kWh (of 142.596.000 MWh) in 2022. Circa 59 miljard kWh (of 58.512.000 MWh) werd opgewekt door kleinschalige, op het net aangesloten PV-systemen in 2022. Dat betreft een stijging van 11 miljard kWh (of 11.233.000 MWh) ten opzichte van 2014.
Kleinschalige PV-systemen hebben minder dan 1.000 kilowatt aan elektriciteitsopwekkingscapaciteit. De meeste kleinschalige PV-systemen bevinden zich op gebouwen en worden soms dak-PV-systemen genoemd.
Wat is fotovoltaïsche (PV) technologie?
Het proces van het omzetten van licht (fotonen) in elektriciteit (spanning) wordt het fotovoltaïsche effect genoemd. Fotovoltaïsche systemen werken volgens het principe van het omzetten van lichtenergie in elektriciteit door fotovoltaïsche cellen (PV). Een fotovoltaïsche cel, vaak een zonnecel genoemd, is een niet-mechanisch apparaat dat zonlicht direct omzet in elektriciteit. Sommige PV-cellen kunnen kunstlicht omzetten in elektriciteit.
Hoe werkt de PV-technologie?
Zonlicht bestaat uit fotonen, of deeltjes zonne-energie. Deze fotonen bevatten verschillende hoeveelheden energie die overeenkomen met de verschillende golflengtes van het zonnespectrum. PV-materialen en -apparaten zetten zonlicht om in elektrische energie. Een individuele PV-cel is meestal klein en produceert doorgaans ongeveer 1 of 2 watt vermogen. Dat is slechts voldoende elektriciteit voor kleine toepassingen, zoals het aandrijven van rekenmachines of polshorloges.
Deze cellen zijn gemaakt van verschillende halfgeleidermaterialen en kunnen variëren in dikte, wat doorgaans minder is dan de dikte van vier menselijke haren. Om jarenlang de weersinvloeden buiten te kunnen doorstaan, worden de cellen tussen beschermende materialen in een combinatie van glas en/of kunststoffen geplaatst.
Wanneer fotonen een PV-cel raken, kunnen ze de cel reflecteren, door de cel gaan, of worden geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal. Alleen de geabsorbeerde fotonen leveren energie om elektriciteit op te wekken. Wanneer het halfgeleidermateriaal voldoende zonlicht (zonne-energie) absorbeert, worden elektronen losgemaakt van de atomen van het materiaal.
Een speciale behandeling van het materiaaloppervlak tijdens de productie maakt het vooroppervlak van de cel ontvankelijker voor de losgemaakte, of vrije, elektronen. Daardoor kunnen de elektronen zich naar het oppervlak van de cel verplaatsen (lees: migreren).
PV-cellen zijn elektrisch verbonden in een gesloten, weersbestendige PV-paneel (soms een module genoemd). PV-panelen variëren in grootte en in de hoeveelheid elektriciteit die ze kunnen produceren. De elektriciteitsopwekkingscapaciteit van PV-panelen neemt toe met het aantal cellen in het paneel of het oppervlak van het paneel.
PV-panelen kunnen in groepen worden aangesloten om een zonnestroomsysteem (PV-array) te vormen. Een zonnestroomsysteem kan bestaan uit zo weinig als twee tot honderden PV-panelen. Het aantal PV-panelen aangesloten in een zonnestroomsysteem bepaalt de hoeveelheid elektriciteit die het systeem kan opwekken.
Fotovoltaïsche cellen genereren gelijkstroom (DC) elektriciteit. DC-elektriciteit kan worden gebruikt om batterijen op te laden die apparaten van stroom voorzien die gelijkstroom-elektriciteit gebruiken. Bijna alle elektriciteit wordt geleverd als wisselstroom (AC) in elektriciteitstransmissie- en distributiesystemen. Apparaten genaamd omvormers worden gebruikt op PV-panelen of in zonnestroomsystemen om de DC-elektriciteit om te zetten naar AC-elektriciteit.
PV-cellen en -panelen produceren de meeste elektriciteit wanneer ze direct naar de zon zijn gericht. PV-panelen en zonnestroomsystemen kunnen tracking-systemen gebruiken die de panelen naar de zon gericht houden, maar deze systemen zijn duur. De meeste PV-systemen hebben panelen in een vaste positie die meestal direct naar het zuiden gericht zijn in het noordelijk halfrond- direct naar het noorden in het zuidelijk halfrond – en onder een hoek die de fysieke en economische prestaties van het systeem optimaliseert.
Hoe efficiënt zijn fotovoltaïsche cellen?
Het rendement van de omzetting van zonne-energie naar elektriciteit in het beginstadium was ongeveer 10 % en is gestegen tot meer dan 30 %. Echter, experimentele PV-cellen en PV-cellen voor nichemarkten, zoals ruimtesatellieten, hebben bijna 50% efficiëntie bereikt. De efficiëntie waarmee PV-cellen zonlicht omzetten in elektriciteit varieert naar gelang het type halfgeleidermateriaal en PV-celtechnologie.
Omdat de fotovoltaïsche efficiëntie niet 100% kan bereiken, kan de zonnestraling niet volledig worden omgezet in elektriciteit door fotovoltaïsche panelen, de rest van de zonnestraling wordt in de vorm van thermische energie afgegeven.
Toepassingen van fotovoltaïsche systemen
De kleinste fotovoltaïsche systemen leveren stroom voor rekenmachines en polshorloges. Grotere systemen kunnen elektriciteit leveren om water te pompen, communicatieapparatuur van stroom te voorzien, elektriciteit te leveren voor een enkel huis of bedrijf, of elektriciteit te leveren aan duizenden elektriciteitsconsumenten.
Enkele voordelen van PV-systemen zijn onder meer:
● PV-systemen kunnen elektriciteit leveren op locaties waar elektriciteitsdistributiesystemen (elektriciteitsleidingen) niet bestaan, en ze kunnen ook elektriciteit leveren aan een elektriciteitsnet.
● Zonnestroomsystemen kunnen snel worden geïnstalleerd en kunnen elke grootte hebben.
● De milieueffecten van PV-systemen op gebouwen zijn minimaal.
Een blik op de toekomst van de PV-technologie
De geïnstalleerde energiecapaciteit van PV staat op het punt die van kolen te overtreffen in 2027, en wordt daarmee de grootste ter wereld. De cumulatieve zonne-PV-capaciteit verdrievoudigt bijna in onze prognose, met een groei van bijna 1.500 GW in de periode, en overtreft aardgas in 2026 en kolen in 2027.
De jaarlijkse toevoegingen aan de capaciteit van zonne-energie nemen elk jaar toe voor de komende vijf jaar. Ondanks de huidige hogere investeringskosten door verhoogde grondstofprijzen, is grootschalige zonne-PV de minst kostbare optie voor nieuwe elektriciteitsopwekking in een aanzienlijke meerderheid van de landen wereldwijd.
Gedistribueerde PV, zoals zonne-energie op daken, staat ook klaar voor een snellere groei als gevolg van hogere retail elektriciteitsprijzen en groeiende beleidsondersteuning om consumenten te helpen besparen op hun energierekeningen.
