Wat is zonne-energie?
Zonne-energie is stralingsenergie afkomstig van de zon. Deze kan men direct of indirect omzetten in diverse energievormen: elektriciteit, warmte...
Zonne-energie is stralingsenergie
Al miljarden jaren levert de zon energie. Zonne-energie is eigenlijk de solaire straling die de aarde bereikt.
Zonne-energie kan rechtstreeks of onrechtstreeks omgezet worden in andere vormen van energie zoals warmte en elektriciteit. Zo gebruikt men zonne-energie voor het verwarmen van water, het verwarmen van gebouwen, het drogen van landbouwproducten en het genereren van elektrische energie.
Zonne-energie via zonnecollectoren
In 1830 gebruikte een Britse wetenschapper al een zonnecollector om zijn voedsel te bereiden op een expeditie in Afrika. Nu gebruikt men de energie van de zon voor verschillende dingen. Elektrische gebruiksvoorwerpen gebruiken fotovoltaïsche cellen, een proces waarbij zonne-energie rechtstreeks omgezet wordt in elektriciteit. Elektriciteit kan rechtstreeks geproduceerd worden met fotovoltaïsche toestellen of onrechtstreeks met behulp van stoomgeneratoren die zonnewarmtecollectoren gebruiken om vloeistoffen te verhitten met het oog op de productie van stroom.
Nadelen van zonne-energie
Solaire energie kent 2 grote nadelen. Ten eerste is er de periodieke en wisselende manier waarop zonne-energie de aardoppervlakte bereikt: de zon schijnt met andere woorden niet altijd even sterk. Ten tweede heb je een erg groot oppervlak zonnecollectoren nodig om de energie van de zonnestralen op te vangen in een bruikbare hoeveelheid.
Zonne-energie als fotovoltaïsche energie
Zonne-energie vangt men op via fotovoltaïsche cellen of zonnecellen. Deze foto-elektrische cellen zetten zonnewarmte om in elektrische energie.
Energie uit fotovoltaïsche cellen
Fotovoltaïsche energie verkrijgt men uit de omzetting van zonlicht in elektriciteit via fotovoltaïsche of foto-elektrische cellen, zonnecellen genaamd: deze platen van cadmiumsulfide, kopersulfide en laagjes glas zetten zonnewarmte om in elektrische energie.
Werking van fotovoltaïsche energie
Zonnelicht is samengesteld uit fotonen of lichtquanten. Dat zijn deeltjes zonne-energie waaruit elektromagnetische straling is samengesteld. Deze fotonen bevatten verschillende hoeveelheden energie overeenkomstig met de verschillende golflengtes van het zonnespectrum.
Wanneer fotonen een fotovoltaïsche cel bereiken, worden ze weerkaatst, geabsorbeerd of gaan ze er recht door. Alleen de geabsorbeerde fotonen leveren energie om elektriciteit te genereren. Als er voldoende zonlicht geabsorbeerd wordt door het materiaal, meer bepaald een halfgeleider, maken de elektronen zich los van de atomen van het materiaal. Een speciale behandeling van het oppervlak tijdens de fabricage maakt de bovenzijde receptiever voor vrije elektronen, zodat de elektronen op een natuurlijke wijze naar de oppervlakte trekken.
Als de elektronen hun positie verlaten, vormen zich gaten. Als veel elektronen met elk een negatieve lading, naar de voorzijde van de cel bewegen, dan volgt er een onevenwichtigheid qua lading tussen de voor- en achterzijde van de cel waardoor voltagepotentieel ontstaat zoals de negatieve en positieve pool van een batterij. Als de twee oppervlaktes met een externe lading verbonden worden, stroomt er elektriciteit.
Fotovoltaïsche cellen, modules en series
De basis van een fotovoltaïsch systeem is de fotovoltaïsche cel. Deze cellen variëren in grootte tussen 1 en 10 centimeter. Eén cel produceert slechts 1 à 2 watt, wat niet genoeg stroom is voor de meeste toestellen. Om de stroomoutput te verhogen verbindt men de cellen elektrisch met elkaar in een weerbestendige module. Modules kunnen op hun beurt ook weer met elkaar verbonden worden waardoor je een serie bekomt.
Prestatie van fotovoltaïsche systemen
Het succes van een fotovoltaïsche reeks hangt af van het zonlicht. Klimatologische omstandigheden zoals wolken, mist... hebben een aanzienlijk effect op de hoeveelheid zonne-energie die een fotovoltaïsche reeks opvangt en beïnvloeden op die manier de prestaties. Op het ogenblik onderzoekt men volop hoe men de efficiëntie bij het converteren van zonlicht kan verhogen.
Fotovoltaïsche energie en het milieu
Fotovoltaïsche omzetting is nuttig voor diverse redenen. Het omzetten van zonlicht naar elektriciteit gebeurt rechtstreeks, zodat grote mechanische systemen met generatoren onnodig zijn. Bovendien zorgt de modulaire eigenschap van fotovoltaïsche energie ervoor dat je snel reeksen kan installeren van eender welke grootte die nodig is of toegestaan is.
De milieu-impact van een fotovoltaïsch systeem is minimaal. Er is geen water nodig om het systeem te koelen en er worden ook geen afvalproducten gevormd.
Fotovoltaïsche cellen produceren gelijkstroom die doorgaans gebruikt worden voor kleine ladingen van elektronische apparaten (net zoals batterijen). Wanneer gelijkstroom afkomstig van fotovoltaïsche cellen gebruikt wordt voor commerciële toepassingen of verkocht wordt aan elektriciteitsbedrijven die het hoogspanningsnet gebruiken, dan moet het omgezet worden naar wisselstroom.
Toepassingen van fotovoltaïsche energie
De meest eenvoudige fotovoltaïsche systemen leveren stroom voor kleine rekenmachines of polshorloges. De belangrijkste toepassingen van zonnewarmte-energie zijn het verwarmen van zwembaden, het verwarmen van water voor huiselijk gebruik en het verwarmen van ruimtes en gebouwen. Voor deze doeleinden gebruikt men doorgaans vlakke zonnecollectoren met een vaste oriëntatie en positie.
Soorten zonnesystemen
Welke zonnesystemen zijn verkrijgbaar? Wij leggen het verschil uit tussen geconcentreerde en niet-geconcentreerde zonnecollectoren, en passieve en actieve verwarmingssystemen.
Geconcentreerde en niet-geconcentreerde zonnecollectoren
Zonnecollectoren kan je indelen in 2 algemene categorieën: geconcentreerde en niet-geconcentreerde zonnecollectoren.
Bij een niet-geconcentreerde zonnecollector is de oppervlakte die de zonnestraling opvangt even groot als de oppervlakte die de straling absorbeert. Als niet al te hoge temperaturen voldoende zijn, zoals het geval is bij het verwarmen van ruimtes, dan gebruikt men doorgaans vlakke collectoren van het niet-geconcentreerde type.
Bij geconcentreerde zonnecollectoren is het oppervlak dat de zonnestraling opvangt groter, soms zelfs 100 keer groter, dan de oppervlakte die de straling absorbeert.
Er zijn veel designs mogelijk bij vlakke zonnecollectoren, maar allemaal bevatten ze een vlakke absorptieplaat die de zonne-energie opvangt en absorbeert; een of meerdere transparante covers die het de zonne-energie mogelijk maken om te passeren zonder al te groot warmteverlies; een vloeistof (water of lucht) die de warmte transporteert via kanalen en ten slotte een warmte-isolerende achterkantbedekking.
Passieve en actieve verwarmingssystemen
Verwarmingssystemen op basis van zonne-energie zijn ofwel passieve ofwel actieve systemen. Bij passieve verwarmingssystemen circuleert de lucht via convectie langs een zonnewarmteoppervlak en door het gebouw zonder gebruik te maken van een mechanische installatie. Dat betekent dat minder dichte warme lucht de gewoonte heeft om te stijgen, terwijl minder dichte koelere lucht naar beneden beweegt.
In actieve verwarmingssystemen helpen ventilatoren en pompen bij het circuleren van de lucht of de warmteabsorberende vloeistof.
