Hoe werken zonnepanelen?
Zonnepanelen zetten zonlicht rechtstreeks om in elektrische energie. Dat gebeurt zonder bewegende onderdelen: in de zonnecellen zorgt invallend licht ervoor dat elektrische ladingen in beweging komen. Dit principe noemen we het fotovoltaïsch effect.
De elektriciteit die een zonnepaneel produceert, kan echter niet rechtstreeks door de meeste toestellen in een woning worden gebruikt. Tussen het zonlicht dat op het dak valt en de elektriciteit die uiteindelijk uit het stopcontact komt, doorloopt de energie verschillende stappen.
In dit artikel bekijken we hoe dat proces werkt: van foton tot zonnecel, van gelijkstroom tot wisselstroom en uiteindelijk tot verbruik, opslag of injectie op het elektriciteitsnet.
1. Hoe maakt een zonnecel elektriciteit uit zonlicht?
De meeste moderne zonnepanelen bestaan uit zonnecellen op basis van silicium, een halfgeleidermateriaal.
Een klassieke siliciumzonnecel bevat verschillende halfgeleiderlagen. Door het silicium gericht te voorzien van andere atomen ontstaan een p-type en n-type halfgeleider. Op de overgang tussen beide ontstaat een intern elektrisch veld: de zogenaamde p-n-overgang.
Wanneer zonlicht op de zonnecel valt, brengen fotonen energie over aan elektronen in het halfgeleidermateriaal. Wanneer een foton voldoende energie bezit, kan een elektron worden vrijgemaakt en ontstaat een elektron-gatpaar.
Het interne elektrische veld van de p-n-overgang zorgt ervoor dat deze elektrische ladingen van elkaar worden gescheiden. Via de metalen contacten van de zonnecel kunnen de elektronen vervolgens door een externe elektrische kring lopen.
Er ontstaat zo een elektrische stroom.
Principeschets: werking van een fotovoltaïsche zonnecel
2. Van één zonnecel naar een zonnepaneel
Eén zonnecel levert slechts een beperkte spanning en een beperkt vermogen. Daarom worden meerdere zonnecellen elektrisch met elkaar verbonden tot één zonnepaneel of PV-module.
Verschillende zonnepanelen worden vervolgens met elkaar verbonden tot één of meerdere kringen of ook wel strings genoemd.
Bij een serieschakeling tellen de spanningen van de afzonderlijke zonnepanelen bij elkaar op. Een string van bijvoorbeeld 12 zonnepanelen die elk rond 35 V leveren, kan daardoor een werkspanning van meer dan 400 V DC bereiken.
De exacte spanning verandert afhankelijk van onder andere temperatuur en werkpunt. Daarom moet bij het ontwerp van een installatie niet alleen naar het totale vermogen in wattpiek worden gekeken, maar ook naar de minimale en maximale stringspanning die de omvormer kan verwerken.
3. Van gelijkstroom tot wisselstroom
Een zonnecel produceert gelijkspanning (DC). De elektrische stroom loopt daarbij steeds in dezelfde richting.
De elektrische installatie van een woning en het openbare elektriciteitsnet werken daarentegen met wisselspanning (AC).
Daarom hebben vrijwel alle netgekoppelde zonnepaneleninstallaties een omvormer nodig.
De energiestroom ziet er vereenvoudigd als volgt uit:
Zonlicht → zonnecel → zonnepaneel → PV-string (DC) → omvormer → AC-installatie woning → verbruik / elektriciteitsnet
Zonnepanelen produceren gelijkstroom (DC). De omvormer zet deze om in wisselstroom (AC), waarna de energie in de woning kan worden gebruikt of op het elektriciteitsnet kan worden geïnjecteer
4. Wat doet de omvormer precies?
De omvormer doet meer dan alleen de gelijkstroom (DC) van de zonnepanelen omzetten naar wisselstroom (AC). Een belangrijke taak is ervoor zorgen dat de zonnepanelen voortdurend zo dicht mogelijk bij hun optimale elektrische werkpunt functioneren. Dit gebeurt met Maximum Power Point Tracking (MPPT).
Een zonnepaneel heeft namelijk geen vaste combinatie van spanning en stroom. Het werkpunt verandert onder invloed van onder andere zoninstraling, temperatuur en schaduw. De relatie tussen stroom en spanning wordt weergegeven door de zogenaamde I-V-curve (stroom-spanningscurve).
Van I-V-curve naar maximaal vermogen
Op de linkerzijde van onderstaande figuur zijn I-V-curves weergegeven bij verschillende niveaus van zoninstraling. Bij een hogere instraling kan het zonnepaneel vooral meer stroom leveren. Bij minder zon verschuift de curve naar beneden en neemt het beschikbare vermogen af.
Het elektrische vermogen van een zonnepaneel wordt bepaald door:
P = U × I
waarbij P het vermogen in watt, U de spanning in volt en I de stroom in ampère is.
Door voor ieder punt op de I-V-curve spanning en stroom met elkaar te vermenigvuldigen, ontstaat de P-V-curve (vermogenscurve) die rechts in de figuur wordt weergegeven. Deze curve heeft een duidelijk maximum: het Maximum Power Point (MPP).
Invloed van de zoninstraling op de stroom-spanningscurve (I-V) en vermogenscurve (P-V) van een zonnepaneel. De punten A, B en C illustreren hoe MPPT het werkpunt naar het Maximum Power Point verplaatst.
A – Het werkpunt ligt links van het MPP
In punt A is de spanning relatief laag en de stroom relatief hoog. Het product van spanning en stroom is daardoor kleiner dan het maximaal beschikbare vermogen.
De omvormer detecteert dat het vermogen kan toenemen door het elektrische werkpunt te verschuiven. Hij stuurt de zonnepanelen naar een hogere werkspanning, waardoor het werkpunt richting punt B beweegt.
B – Maximum Power Point
In punt B is de combinatie van spanning en stroom optimaal:
Pmpp = Vmpp × Impp
Hier bereikt de P-V-curve haar hoogste punt en levert het zonnepaneel onder de gegeven omstandigheden zijn maximaal beschikbare elektrische vermogen.
Dit is het werkpunt dat de MPPT-regeling van de omvormer probeert te vinden en vast te houden.
C – Het werkpunt ligt rechts van het MPP
Wordt de spanning verder verhoogd, dan komen we in punt C terecht. De spanning is weliswaar hoger, maar de stroom begint sterk af te nemen. Het product U × I wordt daardoor opnieuw kleiner.
De omvormer zal de werkspanning vervolgens verlagen om opnieuw richting punt B, het MPP, te bewegen.
Het MPP verandert voortdurend
Het Maximum Power Point is geen vast punt. Wanneer bijvoorbeeld een wolk voor de zon schuift, daalt de instraling en ontstaat een andere I-V- en P-V-curve. Zoals de figuur laat zien, ligt het maximale vermogen bij 1.000 W/m² aanzienlijk hoger dan bij bijvoorbeeld 400 W/m².
Ook temperatuur en gedeeltelijke beschaduwing veranderen de elektrische karakteristiek van de zonnepanelen. De MPPT-regeling moet het optimale werkpunt daarom continu opnieuw bepalen.
Dit verklaart ook waarom een moderne omvormer meerdere onafhankelijke MPPT-ingangen kan hebben. Zonnepanelen op bijvoorbeeld een oostelijk en een westelijk dakvlak krijgen op verschillende momenten een andere hoeveelheid zonlicht. Door beide groepen op afzonderlijke MPPT's aan te sluiten, kan de omvormer voor iedere groep onafhankelijk het optimale werkpunt bepalen.
Ontdek hier waarom een oost-westopstelling ondanks een lagere piekproductie financieel interessant kan zijn.
Werken zonnepanelen ook als het bewolkt is?
Ja. Zonnepanelen hebben licht nodig, geen rechtstreeks zonlicht.
Ook bij bewolking bereikt diffuse zonnestraling het aardoppervlak en kunnen zonnepanelen elektriciteit produceren. De opbrengst ligt dan uiteraard lager dan bij sterke rechtstreekse instraling.
Dat verklaart ook waarom zonnepanelen in België over een volledig jaar nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit kunnen produceren.
De jaaropbrengst wordt bovendien niet alleen bepaald door hoeveel zon op één ideaal zomermoment beschikbaar is. De productie gedurende duizenden uren over het volledige jaar telt mee.
Lees hier hoeveel elektriciteit zonnepanelen in België jaarlijks kunnen produceren en welke factoren de opbrengst bepalen.
Wat gebeurt er bij schaduw?
Schaduw verdient bijzondere aandacht omdat zonnepanelen binnen een string elektrisch met elkaar verbonden zijn.
Wanneer één of meerdere delen van een zonnepaneel worden beschaduwd, verandert de elektrische karakteristiek van de string. Moderne zonnepanelen beschikken daarom over bypassdiodes, waarmee bepaalde celgroepen onder specifieke omstandigheden elektrisch kunnen worden overbrugd.
Daarnaast bestaan oplossingen zoals meerdere MPPT's en power optimizers om met complexere dakvlakken en gedeeltelijke beschaduwing om te gaan.
Dat betekent echter niet dat iedere zonnepaneleninstallatie optimizers nodig heeft. Een goed stringontwerp en een correcte verdeling over de MPPT's van de omvormer zijn minstens zo belangrijk.
Ontdek hier wat schaduw met de opbrengst van zonnepanelen doet en wanneer optimizers daadwerkelijk nuttig zijn.
Werken zonnepanelen tijdens een stroompanne?
Dit is een veelvoorkomend misverstand.
Een standaard netgekoppelde zonnepaneleninstallatie schakelt uit wanneer het openbare elektriciteitsnet wegvalt. Dat gebeurt onder andere om te vermijden dat de installatie spanning op het net blijft zetten terwijl bijvoorbeeld aan de netinfrastructuur wordt gewerkt.
Het feit dat de zon schijnt, betekent dus niet automatisch dat je woning tijdens een stroompanne elektriciteit heeft.
Om tijdens een netuitval verder elektriciteit te kunnen gebruiken, is een installatie nodig die hiervoor ontworpen is. Afhankelijk van het systeem kan bijvoorbeeld een hybride omvormer, thuisbatterij en automatische of manuele back-upvoorziening worden gebruikt.
Bij een volledige back-upoplossing kan zelfs de volledige woning achter de noodstroomvoorziening worden geplaatst, op voorwaarde dat het systeem correct wordt gedimensioneerd.
Lees hier hoe een thuisbatterij je woning tijdens een stroompanne van elektriciteit kan voorzien en wat het verschil is tussen gewone batterijopslag en echte back-up.
Van zonlicht tot bruikbare elektriciteit
De werking van zonnepanelen kan uiteindelijk worden samengevat in vijf stappen:
1. Fotonen uit zonlicht bereiken de zonnecellen.
2. In het halfgeleidermateriaal ontstaan vrije elektrische ladingen.
3. Het interne elektrische veld van de zonnecel zorgt voor een gelijkstroom.
4. De omvormer zoekt via MPPT naar het optimale werkpunt en zet DC om naar AC.
5. De elektriciteit wordt rechtstreeks verbruikt, opgeslagen in een thuisbatterij of geïnjecteerd op het elektriciteitsnet.
Een goede zonnepaneleninstallatie draait daarom om meer dan alleen het aantal panelen. Het ontwerp van de strings, de keuze en dimensionering van de omvormer, de oriëntatie, eventuele schaduw en de aansluiting op de elektrische installatie bepalen mee hoe goed het volledige systeem functioneert.
Wil je zien hoe deze techniek er in de praktijk uitziet? Bekijk onze gerealiseerde zonnepaneleninstallaties.
Vraag hier vrijblijvend een offerte aan voor een zonnepaneleninstallatie op maat van jouw woning.