Panelen

Ik heb ze nu precies twee jaar, die zonnepanelen en ik kan meedelen, dat ze in die twee jaar 1144EU of  5200kWh hebben opgeleverd. Ik wil het dit keer hebben over zonne-energie en met welk rendement je die zonne-energie kunt opwekken. Al ons doen en laten is afhankelijk van die zon, de vraag is hoe we dat zo zonnig mogelijk kunnen doen.

De Zon

Al zo’n 4,5 miljard jaar zorgt de zon voor wat leven in de aardse brouwerij. Zo heeft zij zo’n 350miljoen jaar geleden onze olievoorraad aangelegd, die wij stervelingen er in goed 200 jaar doorheen dreigen te jagen met veel extra CO₂ broeikas gas. Het ligt dus voor de hand om te zien of we de energie van de zon direct kunnen benutten zonder al die extra bijproducten (duurzaam dus). Zonnepanelen zijn een mooi voorbeeld van duurzame energieproductie: ze worden steeds goedkoper, de energie is echt gratis en de overheid stimuleert het gebruik ervan.

Bijna alle straling en energie van de zon die we hier ontvangen bestaat uit zogenaamde fotonen. Het zijn golfdeeltjes die we, als ze zichtbaar zijn, licht noemen.  Bij onzichtbare langgolvige deeltjes spreken we van infrarood, microgolven of radiogolven, terwijl we bij kortgolvige deeltjes spreken van UV, Röntgen– of radioactieve straling. In de natuurkunde vatten deze stralingsfamilie samen met de term Elektro-Magnetische-Straling (EMS). In de figuur is de EM-straling die de zon uitzendt nog eens weergegeven, waarbij de golflengte varieert van femtometers (femto=10^-12 = 0,000000000001) tot kilometers.

 Elektro Magnetische Straling (EMS) loopt van korte golven (hoge energie Gammastraling) naar lange golven (lage energie Radiostraling).

Foto-elektrisch effect

Het duurde tot aan het einde van de 19^de eeuw voordat men begreep hoe dat zat met die EMS. De zon straalt massaloze deeltjes (fotonen) uit, die wij ervaren als licht en als warmte. Alles en iedereen maakt er gebruik van. Het was (alweer!) Einstein, die bedacht dat fotonen met voldoende energie in staat zijn elektronen uit materialen vrij te maken met voldoende energie. We noemen dit het foto-elektrisch effect. Einstein kreeg er in 1921 de Nobelprijs voor. Essentieel is, dat alleen licht met genoeg energie (d.w.z. met een kortere golflengte) dit effect kan veroorzaken.

Voordat ik die panelen wilde aanschaffen, wilde ikzelf uitrekenen of dat allemaal wel nuttig was, want met een draaiende zon, wisselende seizoenen, schuine daken, stoffige atmosferen en bewolkte dagen moeten die rekenmodellen toch wel complex zijn. In de eerste plaats was ik nieuwsgierig hoeveel stralingsvermogen (energie per seconde) er nu maximaal beschikbaar is op 1 vierkante meter oppervlak. Schijnt de zon loodrecht op zo’n vierkant op een heldere dag, dan is dat 1kW (van de 1,4kW die binnenkomt blijft 0,4 in de atmosfeer steken). Dat is het vermogen van een straalkacheltje, zeg maar. Het duizelt je natuurlijk wel als je bedenkt hoeveel straalkacheltjes die zon in zijn totaliteit uitstraalt. Op internet vind je dat dat 3,9x10²³ (10²³ is een 1 met 23 nullen) straalkacheltjes zijn. De fractie die de aarde bereikt houdt ons ecologische systeem in stand en is verantwoordelijk voor ons doen en laten.

Rendement

Terug naar de panelen: Als je de specificatie van zo’n paneel van (0,9x1,65)m² bekijkt, lees je dat een paneel maximaal 250W elektrisch vermogen kan leveren (Watt-piek). Dat gebeurt ook weer op een heldere dag bij loodrechte inval van de zon.  Dit betekent 250/(0,9x1,65)=150W/m². Het elektrisch rendement is dus 150/1000=15%.

Ik heb 12 panelen op het dak, dus maximaal heb ik 12x250=3000W (Watt-piek) beschikbaar. In een jaar zou ik dus 3000x24x365x60x60 Joule = 3000x24x365/1000 = 26,000kWh kunnen opbrengen. Genoeg energie voor ruim zes huishoudens, ware het niet dat de zon niet altijd schijnt, nooit loodrecht op de panelen staat, het KNMI roet in het eten gooit en we ook wel eens naar bed willen als de zon niet schijnt. In de praktijk kwam ik uit op 5200kWh in 2 jaar (zie figuur). Dat is dus een rendement van 2600kWh/26000kWh= 10% vanuit de zonnepanelen zelf of 0,15x10%=1,5% vanuit de zonne-energie zelf.

De energieopbrengst in kWh van mijn zonnepanelen over de afgelopen twee jaar.    

U ziet, de getallen worden steeds kleiner, maar in vergelijking met het rendement van fossiele brandstof is dit een goudmijn. Voor niets gaat de zon op, terwijl benzine en aardgas verre van gratis zijn en bovendien zorgen ze ook voor een flinke portie broeikasgas.

Regeltjes

Ik heb een week lang gebouwd aan een virtueel planetarium om met zon, aarde en oriëntatie van mijn panelen de rendementen te berekenen. Allemaal vergeefse moeite, want op internet staan heel veel modellen die je mooi vooruit kunnen helpen.

Wat vuistregels voor een Hees huis dat op 51grNB (en 3grOL) staat:

·      Een schuin dak onder 30gr op het zuiden is het mooist, je zult boven de 10% paneel rendement uitkomen. Mijn dak staat onder 45gr en op het zuid-westen en dat werkt ook nog goed.

·      Bij een plat dak moeten de panelen Oost-West staan en ook onder 30gr.

·      Een grote boom in je tuin is mooi, maar voor het paneel is het een horizonvervuiler. Zorg ervoor dat je horizon vervuiling niet meer dan 15gr bedraagt. De kans dat de zon ’s avonds achter een wolk verdwijnt is tenslotte ook aanzienlijk!

·      Het klinkt onbenullig, maar huur een erkend installateur in, die verstand van zaken heeft. Niet alleen technisch, maar ook financieel (want er zijn subsidies te scoren)

Opslag

De energie die we opvangen gaat rechtstreeks het net op. Dat gaat overigens niet zomaar. Speciale omvormers die van gelijkstroom wisselstroom maken zijn daarvoor nodig. Dat is maar goed ook, want waar laat je je energieke elektronen als je ze niet nodig hebt. Onze netbeheerder, opwekkers (groot en klein), verbruikers (groot en klein) en de overheid hebben gelukkig goede afspraken met elkaar gemaakt, dat de verdeling efficiënt, maar vooral ook veilig gebeurt.  Op “slimme” meters in je meterkast is precies af te lezen welk gedeelte van de energie aan de netbeheerder wordt teruggeleverd. Die meters zijn rechtstreeks via internet af te lezen, terwijl ook je eigen centrale via een router en WiFi is uit te lezen.

Het kan natuurlijk zijn dat u in een flatje woont. Zonnepanelen zijn dan geen optie.  In Nijmegen draaien diverse duurzame energie projecten waarin je geld kunt investeren in zonne-energie of windenergie. Want hoe je het ook wendt of keert die zon brandt de komende miljard jaar nog wel even door.

Dick is natuurkundige (die graag in de zon loopt) met als specialisatie golfoptica van diode-lasers.

Illustratie: Joop van Eck

Bronnen:

http://www.windparknijmegenbetuwe.nl/nieuws/bestuur-windpowernijmegen/

hemel.waarnemen.com

https://nl.wikipedia.org/wiki/Foto-elektrisch_effect

https://nl.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein#Nobelprijs

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell