IE01 Impuls 14
07-01-2008
11:19
Pagina 1
Katern voor scholing, her- en bijscholing
14 Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB januari 2008
inHoud 1
Basiskennis
Een krachtcentrale op het dak: de moeite waard
Een krachtcentrale op het dak:
4
de moeite waard?
Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet!’
De opwekking van elektrische energie direct uit zonlicht staat bekend als extreem schoon en milieuvriendelijk. Fotovoltaïsche installaties produceren geen geluid en hebben geen schadelijke emissies, hebben nauwelijks onderhoud nodig en de noodzakelijke grondstoffen zijn in voldoende mate voorhanden. 1. Werkingsprincipe van een zonnecel.
Veel klanten zien de eigen krachtcentrale op het dak als mogelijkheid iets duurzaams voor het milieu te doen. Bij de besluitvorming spelen dan ook zeker emotionele beweegredenen een rol.
kristallijn zuiver silicium gesmolten. De smelttemperatuur bedraagt daarbij ongeveer 1.420 °C. Na het vloeibaar maken wordt een siliciumentkristal met het smeltoppervlak in contact gebracht (afbeelding 4). Dit entkristal bevindt zich op een lood-
Techniek achter de fotovoltaïsche cel Fotovoltaïsche techniek betekent de directe omzetting van zonlicht in elektrische energie. Lichtinval zorgt bij een halfgeleiderkristal voor het vrijmaken van positieve en negatieve ladingsdragers (afbeelding 1). Het kleinste onderdeel van een fotovoltaïsche installatie is de zonnecel (afbeelding 2). Deze bestaat uit silicium, gallium-arsenide, cadmium-telluride, en koper-indium-selenide. Afhankelijk van het soort kristal onderscheiden we drie celtypen. - Monokristallijne cellen: kwarts wordt als grondstof gebruikt voor deze uit gesmolten silicium gemaakte monokristallijne cellen (afbeelding 3). In een uit kwartsglas bestaande smeltkroes wordt allereerst poly-
2. Van zand tot
PV-module
– de productiefasen. 14 1
IE01 Impuls 14
07-01-2008
11:19
Pagina 2
een krachtcentrale op het dak: de moeite waard?
4. Principe van het uit een smeltkroes trekken van een monokristal volgens de 3. Monokristallijne cellen hebben een diepblauw, homogeen oppervlak. Afzonder-
productiewijze van Czochralski. De groei van het kristal begint bij het entkristal
lijke siliciumcellen worden tot grotere eenheden verbonden door serieschakeling.
en het kristal dat ontstaat wordt draaiend uit het smeltvat getrokken.
recht verschuifbare, draaiende houder. Het aan het einde van het entkristal stollende silicium groeit met een snelheid van enkele centimeters per uur en neemt daarbij de kristalstructuur van het entkristal over. Door langzaam draaien en trekken uit de vloeibare massa ontstaan
5. Monokristal uit silicium.
6. Bij polykristallijne zonnecellen ontstaat bij stolling van het vloeibare silicium een ijsbloemenstructuur die uit vele kleinere kristallen bestaat. 14 2
cilindervormige, tot 20 cm dikke en tot 70 kg zware monokristallen (afbeelding 5), die vervolgens in plakjes worden gezaagd. Het monokristallijne kristaltype haalt tegenwoordig een rendement van veertien tot zeventien procent. - Polykristallijne cellen: polykristallijne cellen zijn goedkoper te fabriceren dan monokristallijne. Hierbij wordt het vloeibare silicium in vacuüm in blokken gegoten en vervolgens met speciale zagen verdeeld. In tegenstelling tot de monokristallijne cellen ontstaan daarbij veel kristalstructuren die verschillend van grootte zijn (afbeelding 6). Ze zijn zo georiënteerd dat de polykristallijne cellen als parallelschakeling van vele monokristallijne cellen kunnen worden gezien. Aan de uiteinden van de kristallen ontstaan onvermijdelijk fouten in het materiaal, die het rendement van dit type kristal met ongeveer twee procent verlagen. - Dunne-laagcellen: zeer dunne zonnecellen ontstaan door het afscheiden van silicium op een dragermateriaal, zoals glas. De productiekosten van deze dunne-laagcellen (ook wel amorfe cellen genoemd) zijn lager dan bij de andere productiemethoden, het rendement overigens ook. Dat ligt tegenwoordig tussen de vijf en acht procent. Als materiaal wordt hier van waterstof voorzien amorf silicium gebruikt. Het materiaalgebruik is duidelijk lager dan bij de andere productiemethoden. Door een proces dat uit diverse fasen bestaat, worden met maskers en een procédé waarbij een laser
als een snijmes werkt, amorfe silicium dunne-laagcellen omgezet in dunne-laag fotovoltaïsche (PV) modules met een groot oppervlak. Juist dit celtype geeft de grote buigzaamheid bij de vormgeving van nieuwe zonnecelproducten, ook op transparante of gebogen oppervlakken (afbeelding 7).
Van zonnecel tot zonnemodule Omdat afzonderlijke zonnecellen slechts 1,5 W leveren, worden ze in de fabriek tot een PV-module samengesteld. De bovenzijde van een zonnemodule bestaat uit glas of kunststof. Dit materiaal laat het licht passeren en beschermt de zonnecellen gelijktijdig tegen weer en wind. Afhankelijk van het aantal cellen kan het vermogen van een module 50 … 300 W bedragen. De PV-modules kunnen met verschillende systemen op het dak of tegen de gevel worden bevestigd.
Van gelijk- naar wisselspanning De PV-omvormer is de koppeling tussen de zonnemodule en het wisselstroomnet. De eigenschappen ervan bepalen in aanzienlijke mate de werking van de netgekoppelde PV-installatie. De omvormer maakt van de gelijkstroom van de PV-module een aan het net gesynchroniseerde wisselstroom. De juiste besturing van diverse dagelijks terugkerende processen, zoals het starten ‘s ochtends, het op maximaal vermogen werken en het afschakelen ‘s nachts, vereist een goed doordachte elektronica. Al deze eisen en opdrachten maken een PVomvormer tot een gecompliceerd apparaat.
IE01 Impuls 14
07-01-2008
11:19
Pagina 3
een krachtcentrale op het dak: de moeite waard?
Maar het is niet voldoende om alleen maar naar het functioneren te kijken, ook de onderhouds- en mogelijke reparatiekosten zou je voor de aanschaf bij de fabrikant moeten opvragen.
7. Dunne-laagmodules kenmerken zich door een hoge buigzaamheid, zo kunnen hele gebouwen van semi-transparante dunne-laagcellen
Vaak is de klant teleurgesteld, omdat de toegezegde opbrengsten niet worden gerealiseerd. Een slecht uitgevoerde installatie en slechte advisering kunnen hiervan de oorzaak zijn, maar vaak zijn het ook problemen die pas lang na inbedrijfstelling optreden en niet op tijd worden opgemerkt. Veelvuldig gemaakte fouten zijn: - niet optimale plaatsing ten opzichte van de zon. Voor de efficiëntste energieopwekking moet een PV-module richting het zuiden worden opgesteld onder een hoek van 30°. Hierop zijn echter afwijkingen mogelijk, omdat een groot deel van het invallende licht diffuus (verstrooid) instraalt; - beschaduwing, zoals door antennes, gebouwdelen en bomen. De zonnecel met de grootste inwendige weerstand (waarbij dus ook door de beschaduwing de lichtsterkte gering is) bepaalt de stroom en daarmee het vermogen van de hele module. Ook vuile modules verminderen de opbrengst; - te sterke opwarming van de module door te geringe ventilatie. Het rendement van de module daalt bij opwarming. Als de temperatuur 10 °C stijgt, daalt het vermogen van de module met vokf procent; - de aanleg, locatie en bewaking. Een ondergedimensioneerde omvormer leidt in sommige gevallen tot een verminderd vermogen. Omdat ook het rendement van de omvormer afhankelijk is van de temperatuur, moet de opstellingsplaats geschikt zijn. Verder zou een onopgemerkt uitvallen van de omvormer moeten worden voorkomen. Meetsystemen voor registratie van installatie- en stralingsgegevens bewaken de installatie voortdurend. Ook fouten en storingen moeten onmiddellijk worden doorgegeven, bijvoorbeeld via sms; - corrosie op contactpunten en schade aan de bevestigingsconstructie. De levensduur van een PV-module ligt tegenwoordig op ongeveer 25 jaar. Dit vereist bijzondere zorgvuldigheid bij de installa-
worden voorzien.
Potentieel voor zonnestroom in Nederland De hoeveelheid zonne-energie die Nederland per jaar bereikt is veertigmaal groter dan het jaarlijkse energiegebruik. Door de noordelijke ligging is de hoeveelheid zonne-energie die Nederland ontvangt, lager dan in zuidelijke landen, zoals Spanje of Egypte. Toch is dat verschil minder groot dan vaak wordt gedacht. Over het hele jaar genomen ontvangt Caïro ruim 2000 kWh/m2 zonne-energie en De Bilt ongeveer 1000 kWh/m2. Opvallend is het verschil in zonaanbod tussen Entebbe, dat dicht bij de evenaar ligt, en de overige landen. In Entebbe varieert de instraling maar weinig, terwijl in de overige landen het verschil tussen winter en zomer enorm groot is.
tie, om te zorgen dat er geen fouten worden gemaakt bij de elektrische bedrading en geen schade ontstaat aan de bevestigingsconstructie of de module zelf. De verwachte rendementen zouden anders vrij snel als sneeuw voor de zon wegsmelten.
De rendabiliteit bekeken In een markteconomie bepalen vraag en aanbod de prijs, en dat geldt ook voor de PV-markt. De wet op duurzame energie (in Duitsland) heeft als doelstelling dat de pro-
8 uren volle zon per dag 7 6 5 4 3
Egypte Uganda Nederland Noorwegen
2 1 0
jan feb mrt apr mei juni juli aug sep okt nov dec
Fouten bij het ontwerp kosten geld
Het gemiddelde aantal uren volle zon (à 1 kWh/m2) per dag in Nederland (De Bilt), Egypte (Giza, nabij Caïro), Uganda (Entebbe) en Noorwegen (Bergen).
ductiekosten door massaproductie en technische vooruitgang gaan dalen. Deze doelstelling werd ook gerealiseerd, maar helaas gebruikten veel aanbieders van PV-modules de groeiende vraag om hun prijzen te verhogen. Dit heeft vooral invloed op de kosten van kleine installaties. Hier komt nog bij dat tegelijkertijd de elk jaar voor twintig jaar vastgelegde terugleververgoeding daalt. Betaalden de energieleveranciers in 2005 nog 54,5 cent per teruggeleverde kWh, in 2006 was dat al 2,7 cent minder. Als voor de installatie vreemd kapitaal 14 3
IE01 Impuls 14
07-01-2008
11:19
Pagina 4
een krachtcentrale op het dak: de moeite waard?
Nominaalvermogen in kWp De opgave van het nominaalvermogen in kWp(iek) is gebaseerd op een vermogensbepaling bij goed omschreven testvoorwaarden (niet te verwarren met het vermogen van de module bij de hoogste zonne-instraling). De elektrische kengetallen van een PV-module worden onder standaardomstandigheden gemeten, zodat producten van diverse fabrikanten met elkaar te vergelijken zijn. Het nominaalvermogen wordt hierbij verkregen bij een intensiteit van de straling van 1.000 W/m2 en bij een celtemperatuur van 25 °C. Een andere factor waarmee rekening wordt gehouden, is de weg die de zonnestralen door de aardatmosfeer moeten afleggen. Door verstrooiing en absorptie daalt het vermogen van de straling. Dus: naarmate de weg langer is, zijn er meer verliezen. Deze factor wordt Air Mass (AM) genoemd. Bij loodrechte stand van de zon neemt het licht de kortste weg door de atmosfeer, de AM bedraagt 1. Staat de zon wat schuin, dan is de weg door de atmosfeer langer en wordt de AM groter. De standaardvoorwaarden houden rekening met een AM van 1,5. Dat de testomstandigheden maar beperkt overeenkomen met de echte omstandigheden blijkt bijvoorbeeld uit de testtemperatuur. In bedrijf hebben PV-modules duidelijk hogere temperaturen en daarmee ook een lager rendement. Ook de stralingsvermogen per oppervlakte eenheid in de orde van grootte van 1.000 W/m2 komt vooral in Noord-Europa –over het hele jaar gezien– niet al te vaak voor. Het te behalen rendement is eenvoudig te berekenen. Als je van een gemiddelde jaaropbrengst van 900 kWh per kWp uitgaat, dan wordt het rendement (8.760 h = 1 jaar):
moet worden gebruikt, wordt het door de gestegen rentepercentages voor PV-krediet vooral voor particuliere huishoudens steeds lastiger om een economisch rendabele investering in duurzame energie te plegen. Of een PV-installatie kan worden terugverdiend, hangt af van veel factoren. Behalve de hoogte van de investering, de rentepercentages, het aandeel eigen en vreemd kapitaal, de jaarlijkse bedrijfskosten en de betrouwbaarheid van de installatie speelt zeker ook de locatie een belangrijke rol. Bij een goed ontwerp en een foutloze installatie bereiken we in Noord-Europa gemiddeld 900 kWh (per geïnstalleerde nominaal kW piekvermogen en jaar). In Zuid-Europa bereiken ze al 1.100 kWh en meer. Wereldwijd gezien liggen die cijfers duidelijk hoger, in Chili bijvoorbeeld 2.400 kWh, in India en Australië 2.200 kWh. Als nummer één in Europa gelden Zuid-Spanje en Sicilië met 1.800 kWh. Als je een PV-installatie wil bouwen, moet je dus weten hoeveel zonne-energie op de voorgenomen locatie beschikbaar is. Bij de weerkundige diensten zijn deze cijfers te verkrijgen. 14 4
Op onze breedtegraad is de maximale stroomopbrengst realiseerbaar, als de PVmodule op het zuiden is gesitueerd en de hellingshoek ten opzichte van het horizontale vlak 30° tot 45° bedraagt. In de praktijk zijn echter niet alle daken en gevels op het zuiden georiënteerd, of is niet altijd de juiste hellingshoek mogelijk. Wie nu als privé-persoon in een huisinstallatie met een typisch nominaalvermogen < 10 kW piek wil investeren moet zeer nauwkeurig rekenen. Rekening houdend met alle factoren moeten we helaas maar al te vaak vaststellen, dat een nieuwe PV-installatie slechts op de beste locaties loont.
Verbetering van het rendement door nieuwe technieken Tegenwoordig beheersen de klassieke kristallijne siliciumzonnecellen met meer dan negentig procent de markt. De producenten kunnen de vraag nauwelijks aan. Omdat de huidige productietechnieken zeer materiaalen energie-intensief zijn, wordt nu een aantal nieuwe technieken ontwikkeld. - Betere oppervlaktestructurering voor vermindering van de reflectieverliezen: de
-
-
-
-
bovenlaag van de cellen wordt in een piramidestructuur opgebouwd, zodat invallend licht meervoudig het oppervlak raakt. Om een zo breed mogelijk lichtspectrum ten volle te benutten worden halfgeleidermaterialen voor diverse spectraalgebieden over elkaar gelegd. Dit type cel wordt een gestapelde- of tandemcel genoemd. Cellen die het licht bundelen met lenzenen spiegelsystemen en zo de lichtintensiteit verhogen. Omdat ze hoofdzakelijk de directe straling van de zon benutten, moeten zij hierop gericht blijven. Een ander technisch concept gebruikt de MIS-inversielaagzonnecel (MIS = laagvolgorde metaal, isolator en silicium). Hier wordt het elektrische veld niet door een pn-overgang opgewekt, maar door een overgang van een oxidelaag naar een halfgeleider. De innovatieve Grätzel-cel bestaat uit een speciale vloeistof met titandioxide als elektrolyt. Ter verbetering van de lichtabsorptie worden speciale kleurstoffen gebruikt.
Vooruitzichten Op de lange termijn zullen nieuwe, goedkopere en efficiëntere productieprocessen ervoor zorgen dat het aandeel van zonnestroom in het totale stroomaanbod flink toeneemt. Het begrip ‘flink’ moeten we helaas wel wat relativeren. In 2005 werd veel minder dan 0,1 procent van de Nederlandse stroom uit zonne-energie opgewekt. Dit aandeel zou in 2020 flink moeten zijn gestegen. Of PV in de toekomst ook voor kleinere PVinstallaties rendabel zal blijken te zijn, hangt op beslissende wijze af van de verbetering van de bereikbare rendementen. Nieuwe materialen en concepten voor goedkope en efficiënte productie van zonnecellen en modules zal een impuls geven aan de concurrentiekracht en zorgen voor een daling van de productiekosten. Het zou wenselijk zijn als deze ontwikkelingen een positieve uitwerking hebben op de prijs van PV-installaties bij particuliere huishoudens. Een ding is zeker, we kunnen niet heen om een transitie naar duurzame energie. De juiste mix van energiebronnen is daarbij beslissend.
IE01 Impuls 14
07-01-2008
11:19
Pagina 5
fotowedstrijd
regionaal loopbaanproject wint net niet eerste prijs
Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet!’ Onder het motto ‘Zo moet het niet’ gaat Intech Elektro en ICT op zoek naar foto’s van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto’s worden geplaatst in Intech kunnen rekenen op een technisch handboek van Isso ter waarde van maar liefst 245 euro. Het handboek be staat uit twee delen en bevat ruim 1.400 pagina’s aan technische kennis. Vermeldt u alstublieft kort en bondig welke fouten te zien zijn op de foto en uiteraard ook uw naam en adres. Mail of stuur uw foto’s naar: Redactie Intech Elektro en ICT ‘Zo moet het niet’
[email protected] Postbus 188 2700 AD Zoetermeer
Vaste installatie gemaakt met soepel snoer. Wandcontactdozen met insteekverbinding, waarop soepele kern is ingestoken. Er is geen gebruik gemaakt van hollewand- of inbouwdozen, soepel snoer met een diameter van 1 mm2, terwijl hierop Een verkeerd geplaatste wandcontactdoos. Deze is
een aantal koffiezetters zijn ingestoken.
bestaand, de kraan is later gemonteerd. Installatie voor de zonwering, soepel en vaste kern op lasklemmen. Geen deugdelijke mon-
Prijswinnaar van deze maand
tage van het
Ralf Huijten van GTI Zuidoost is deze maand de winnaar van de fotowedstrijd. Hij ontvangt het handboek Installatietechniek van Isso. Van harte gefeliciteerd namens de redactie!
kokerwerk.
Onjuist geplaatste wandcontactdoos, niet achter aardlekbeveiliging. Na constatering gemeld, afgekoppeld, en met codering status aangegeven.
Regionaal loopbaanproject wint net niet eerste prijs Het Opleidings- en Ontwikkelingsfonds voor het Technisch Installatiebedrijf (Otib) viel net niet in de prijzen bij de uitreiking van de EVC-prijs 2007.Elly Verburg, directeur Otib: ‘De concurrentie was groot en helaas hebben wij de landelijke EVCprijs niet kunnen binnenhalen. Toch ben ik niet teleurgesteld. Het is een erkenning voor ons EVC-project om het hier te mogen presenteren.’ De EVC-competitie wordt georganiseerd door het Kenniscentrum EVC dat is opgericht door de ministeries van EZ, SZW en OCenW om de invoering van EVC in Nederland te stimuleren. De vakjury was vooral te spreken over het feit dat het EVC-project van Otib niet bij één bedrijf wordt uitgevoerd, maar bij 36
mkb-bedrijven die gezamenlijk ruim honderd deelnemers in het project hebben. Het project is volgens het juryrapport een goed voorbeeld van inspelen op de urgentie in de markt. Verder werd de toevoeging van scholing en certificering als zeer waardevol beschouwd. Het volledige proces, waarbij in het nazorgtraject een adviseur het bedrijf bezoekt en checkt of er zaken zijn die een vervolg in de weg kunnen staan, getuigt volgens de jury van complete inzet op ‘employability’. Toch heeft deze positieve beoordeling niet geleid tot een eerste prijs, maar wel tot meer enthousiasme bij Otib om het project verder uit te zetten.
Verborgen talenten behouden In 2006 startte Otib in Noord-Nederland een uniek project om met bedrijven de toe-
komst in beeld te brengen en na te gaan in hoeverre de bestaande talenten van de werknemers aansluiten bij deze ontwikkelingen. Otib voert samen met de bedrijven een toekomstscan uit, begeleidt het traject richting werknemers en adviseert over de verdere noodzakelijke acties. Het instrument EVC heeft een centrale plaats in dit proces. In verband met het te verwachten personeelstekort is het noodzaak jonge vaktalenten aan te trekken, maar vooral ook het huidige personeel te scholen naar de vragen en wensen van de markt. De verborgen talenten binnen een bedrijf moeten worden herkend, erkend en daarmee zichtbaar worden. Met het EVC–project in NoordNederland wil Otib samen met de bedrijven een antwoord geven op de toekomstige ontwikkelingen op de arbeidsmarkt. 14 5
