VMBO PIE
Zonnepanelen
Colofon Uitgave: Ontwerp:
“CSG Liudger Drachten” Harrie Nanninga
Illustraties: KWX, Met de Zon, De zeeuwse zonnefabriek, IVN Auteur:
Harrie Nanninga
Bewerking: Harrie Nanninga
Deze uitgave is uitsluitend bestemd voor gebruik door leden van de Vereniging Platform PIE
Ondanks alle inspanningen is het mogelijk dat niet alle copyrights van de in de uitgave opgenomen illustraties geregeld zijn. Degene die meent alsnog rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht contact op te nemen met CSG Liudger Drachten.
2
Inhoudsopgave De Geschiedenis van de zonnepaneel
pag. 4
Huidige Energiebronnen
pag. 5
Waarom kiezen voor zonnepanelen
pag. 5
Hoe werkt een zonnepaneel
pag. 6
De omvormer of Inverter pag. 6-7 Welk type zonnepaneel is verkrijgbaar
pag. 8
Netgekoppeld of Autonoom
pag. 9
Het plaatsen van panelen pag. 10 Veiligheid en Regelgeving pag. 11 Verwachte opbrengst vanwege Dakrichting en Dakhelling
pag. 12
Het onderhoud aan een PV installatie
pag. 13
Het testen van een PV installatie
pag. 14
Voorbeeld Berekening PV installatie op een woning
pag. 15
Vragen en Opdrachten pag. 16-18 De teruglever meter pag. 22
3
De Geschiedenis van de zonnepaneel
Wist je dat de eerste zonnepaneel in 1839 werd ontwikkeld? Ik kwam deze informatie ergens tegen en vind het wel leuk om dit met jullie te delen. Voor de geschiedenis van de zonnepanelen moeten we terug naar het jaar 1839. In dat jaar heeft de Franse fysicus Antoine César Becquerel het fotovoltaïsche effect ontdekt. Antoine Ceasar Becquerel ontdekte met andere woorden de technologie om licht of zonlicht in elektriciteit om te zetten. Het was echter wachten tot 50 jaar later de eerste zonnecel, het basisbestanddeel van zonnepanelen, werd ontworpen.
De eerste zonne-auto (1960)
4
Huidige Energiebronnen Wijzelf en bij alles wat we gebruiken en doen hebben we energie nodig om te bewegen. Mensen en dieren halen hun energie uit voedsel. Apparaten, zoals tv’s en computers hebben elektriciteit nodig. Auto’s en vliegtuigen hebben brandstoffen nodig. Energie om elektriciteit op te wekken halen we uit de grond. Dat zijn fossiele energiebronnen. Een paar voorbeelden zijn steenkool, olie en gas. Die zijn ontstaan uit de resten van uitgestorven planten en dieren die miljoenen jaren geleden gestorven zijn. De afgestorven dieren en planten vormden diep onder de grond een soort fossiele opslagplaats, Steenkool wordt opgedolven in steenkoolmijnen. Er wordt naar aardolie en aardgas geboord in de grond. De olie, gas en steenkool worden verbrand. Daardoor ontstond warmte waarmee water verhit wordt. De stoom die er ontstaat drijven turbines aan. Hierdoor wordt elektriciteit opgewekt. Het nare van deze methode is dat het erg slecht voor het milieu is en het belangrijkste is dat het wel eens op kan raken! Daarom zijn ze op zoek gegaan naar energiebronnen die niet opraken. Deze energiebronnen worden alternatieve energie genoemd. Vandaar de naam.
Waarom kiezen voor zonnepanelen • Energieprijzen stijgen gemiddeld 8% per jaar • Investeer met hoog rendement en bespaar op energiekosten • Concrete invulling en directe reductie CO2 uitstoot • Produceer zelf stroom zonder enig risico
Zonnepanelen zijn de laatste jaren fors in prijs gedaald en zijn rendabel zonder subsidie. De zonnepaneel systemen van Zonnepanelen op het dak B.V. leveren gegarandeerd minimaal 25 jaar rendement. Bijvoorbeeld: 20 panelen besparen 60.676 kg CO2 en leveren ca. € 74.000,op (25 jaar).
Energieprijzen stijgen Niet alleen het energieverbruik stijgt, ook de energieprijzen blijven stijgen. Het CBS (Centraal Bureau voor de Statistiek) houdt de energieprijzen ieder jaar bij. De laatste 15 jaar is de prijs van elektriciteit van index 100 naar 267 gestegen
Opbouw van een zonnepaneel Watt peak (Wp) In deze video wordt duidelijk uitgelegd hoe een zonnepaneel wordt gemaakt: http://www.schooltv.nl/beeldbank/clip/20060411_zonnepaneel01
5
De werking van een zonnepaneel Een zonnepaneel is opgebouwd uit zonnecellen. Een zonnecel is een dun velletje silicium waarin de door bepaalde frequenties zonlicht elektriciteit wordt gevormd. De tientallen zonnecellen worden aan elkaar bevestigd en geplaatst in een paneel, die zorgt voor de bescherming van de cellen. Klik hier voor meer informatie over de panelen. Op het dak worden de panelen gekoppeld in een zogenaamde “string”. Een zonnepaneel is opgebouwd uit zonnecellen. Een zonnecel is een dun velletje silicium waarin de door bepaalde frequenties zonlicht elektriciteit wordt gevormd. De tientallen zonnecellen worden aan elkaar bevestigd en geplaatst in een paneel, die zorgt voor de bescherming van de cellen. Klik hier voor meer informatie over de panelen. Op het dak worden de panelen gekoppeld in een zogenaamde “string”.
Het vermogen van een zonnepaneel Het vermogen van zonnecellen wordt uitgedrukt in Watt-piek (Wp). Dit is de opbrengst van een zonnepaneel onder optimale omstandigheden.
Omvormer Een “string” zonnepanelen levert gelijkstroom en gelijkspanning af. Dit kan niet zomaar in het lichtnet worden ingevoerd. Deze spanning en stroom (DC) moet eerst worden omgezet in wisselspanning en wisselstroom (AC). Daarvoor is een omvormer nodig. De output van de zonnepanelen wordt aan de ene kant op de omvormer aangesloten en aan de andere kant komt er 230 Volt wisselspanning uit, die het net in kan. Twee bekende onvormers zijn Mastervolt (links) en Sunny Boy van SMA (rechts).
6
Hoe ziet zo’n koppeling er schematisch uit Hiernaast zie je een afbeelding hoe een inverter, ook omvormer genoemd, wordt gekoppeld aan het Net.
Wat is een string Een string is een serieschakeling van zonnepanelen zie op een omvormer zijn aangesloten. Dit kan niet onbeperkt, omdat elke omvormer zijn eigen capaciteit heeft. Er zijn ook omvormers waar meerdere strings op aangesloten kunnen worden. Waarom meerdere strings toepassen als het ook op een omvormer kan. Dat wordt gedaan wanneer er sprake is van schaduw op een deel van de zonnepanelen. De opbrengst gaat dan behoorlijk naar beneden. De panelen worden dan anders verdeeld. Nu, bij de huidige omvormers hoeft de verdeling van string 1 en string 2 niet gelijk te zijn. Nu mag je, afhankelijk van het type omvormer, als je 12 panelen hebt, string 1 8 panelen en string 2 4 panelen.
7
Verschillende type zonnecellen Bij kristallijne zonnecellen onderscheiden we monokristallijn, waarbij de kristallen in één richting staan en polykristallijn (figuur 3) dat er gevlekt uitziet. Deze soorten zonnecellen worden gemaakt door een groot blok zuiver silicium in hele dunne plakjes cellen te zagen. Hoewel de kristallijne zonnecel de meest toegepaste technologie is, zijn er nog andere soorten zonnecellen. Bij dunne film zonnecellen wordt een heel dun laagje celmateriaal met een opdamp techniek op een drager aangebracht. Deze cellen zijn een flink stuk dunner dan hun kristallijne collega’s. Figuur 2: van silicon tot zonnepaneel (bron solarphotovoltaic. blogspot.com).
De cellen zijn een beetje buigzaam en en kunnen daardoor op ronde oppervlakken worden geplakt. Het rendement van dunne film zonnecellen is een stuk lager en het productieproces is erg ingewikkeld, maar de benodigde hoeveelheid grondstof is zeer gering. Hierdoor zijn de cellen per oppervlakte-eenheid goedkoper dan kristallijne cellen. Omdat je voor dezelfde opbrengst een groter oppervlak nodig hebt, ben je meestal niet goedkoper uit. Verschillende cellen hebben hun eigen kenmerken zoals rendement, levensduur en kosten.
Monokristalijne zonnecel, Polykristalijne zonnecel en Dunne film
8
Toepassingen van zonne-energie: netgekoppeld en autonoom Autonoom Een zonnepaneel wekt elektriciteit op. Als je deze zonnestroom niet meteen kunt benutten, bijvoorbeeld zoals bij de de zonnebloem voor het motortje, kun je hem opslaan zodat je er later nog wat aan hebt. Dat kan bijvoorbeeld in een accu of oplaadbare batterij. Maar het kan ook met behulp van het elektriciteitsnet, zie figuur 7. Als je de gelijkstroom van het zonnepaneel omzet in 230V wisselstroom (AC) met een omvormer, kun je de stroom invoeden in het net. Er gaat dan een stroom lopen van het zonnepaneel naar het net. In dat geval spreken we over een netgekoppeld PV systeem. Wordt de zonnestroom opgeslagen in een accu, dan spreken we van een autonoom PV systeem. Figuur 7: Zonnepanelen op het dak wekken gelijkstroom op (1). Deze wordt omgezet in wisselstroom met behulp van een omvormer (2). De zonnestroom wordt gebruikt in de woning voor verlichting, koelkast, computer etc. (3). De overgebleven elektriciteit die niet in huis kan worden gebruikt gaat via de meterkast het net in (4).
Netgekoppelde PV Onmisbaar voor het netgekoppelde PV systeem is de omvormer, ook wel ‘inverter’ genoemd. De inverter zet de gelijkstroom uit de zonnepanelen om in 230V wisselstroom. Figuur 8: Solar inverter van het Nederlandse bedrijf Mastervolt. (www.mastervolt.nl) Bij een inverter gaat het erom dat hij het hoogst mogelijke omzettingsrendement heeft: immers, er mag zo weinig mogelijk zonnestroom verloren gaan. Goede inverters halen rendementen dichtbij 100% (zie figuur 9 ). Verder is het belangrijk dat de omvormer een lange levensduur heeft en dat hij niet te duur is. Een leuke extra voor een netgekoppeld PV systeem is de mogelijkheid om informatie over de opgewekte energie uit te lezen.
9
Plaatsing op het dak De panelen worden meestal op het dak gemonteerd. Bij schuine daken gebeurt dit met dakhaken. Deze haken worden aan de daklatten achter de dakpannen gehaakt waarna de dakpannen in zijn geheel weer teruggelegd worden. Er hoeft (meestal) dus niet in het dak geboord of geschroefd te worden om ze stevig te bevestigen. Aan de dakhaken – en boven de dakpannen – worden vierkante buizen gemonteerd die samen een frame vormen. Op dit frame worden de panelen gemonteerd. Omdat de panelen op het frame bevestigd zijn, liggen de panelen dus niet in het dak maar ‘zweven’ boven het dak. Bij platte daken worden er frames op het dak gezet waar de panelen in komen te liggen. Deze frames worden niet aan het dak vastgeschroefd maar verzwaard (meestal met stoeptegels). https://www.youtube.com/watch?v=sJZirl37DsY http://www.eco-logisch.nl/pdfupload/Installatiehandleiding%20Schletter.pdf Onderste link is een complete handleiding voor het plaatsen van panelen op een schuin dak.
Plaatsing op een tracking (volg) systeem Een tracking systeem is zo gemaakt dat het hoogste rendement wordt bereikt. Lorentz is zo’n leverancier. Er is een motor in de constructie opgenomen die de panelen in de juiste stand zet. Een besturingseenheid meet de opgewekte spanning en stuurt de motor aan wanneer de spanning terugloopt. Op deze manier zal er een hogere energie opbrengst worden verkregen.
Met name in Australië worden deze systemen toegepast om energie op te wekken voor waterpompen in onbewoonde gebieden.
Dit zijn speciale stekers die aan de zonnepanelen zijn gemonteerd.
10
Veiligheid Veiligheid is een niet te onderschatten onderdeel van zonnepanelen. Je hebt namelijk met gelijkspanning te maken. Een paneel van 200Wp heeft een spanning van 40V. Wanneer je tien panelen gebruikt heb je al een spanning van 10 x 40V = 400V. Met name wanneer je een kabel onderbreekt dan krijg je een behoorlijke flamboog. En dat is niet zonder gevaar. Sluit de installatie aan volgens de regels zoals die in de NEN 1010 zijn vastgelegd. Let op bij het werken aan de installatie altijd goed op waarmee je bezig bent. De zon houdt geen rekening met jou. De Nuna 5 racewagen op zonne-energie gebouwd door studenten van de TU Delft voor de World Solar Challenge (2009), 3000km dwars door Australie. De zonnecellen volgen de enigszins gebogen vorm van de Nuna en hebben een rendement van maar liefst 34%. (bron: http://www. solarwebsite.nl). De Nuna haalt een topsnelheid van 145 km/h. De volgende regels moet je altijd in de gaten houden. Regelgeving Handboek Zonne-energie is leidend (ISBN: 978-90-5044-229-9) • • • • • • •
DC bekabeling NEN 1010 Aarden Overspanningsbeveiliging Bliksembeveiliging Veiligheid elektriciteit Veiligheid op hoogte werken
11
Verwachte opbrengst in beschikbare capaciteit afhankelijk van dakorientatie en hellingshoek orientatie (in graden afwijkingen tov het zuiden)
Figuur 11: Met behulp van de bovenstaande instralingsschijf kun je berekenen hoeveel jouw dak oplevert. Schat thuis de dakhelling met behulp van je geodriehoek en stel de oriëntatie vast met een kompas. Met deze twee gegevens kun je op de instralingsschijf opzoeken hoe optimaal je de zonne panelen kunt opstellen.
12
Het onderhoud aan een PV installatie.
Reinigen van zonnepanelen een noodzakelijk iets of enkel voor het oog? Het is van belang dat de panelen regelmatig visueel worden gecontroleerd en gereinigd. Vervuiling kan de goede werking van de panelen beïnvloeden. De levensduur van uw zonnepanelen wordt hierdoor bepaald. Het aankopen van zonnepanelen is een belangrijke investering. De bedoeling van zonnepanelen is uiteraard om er een maximaal rendement uit te halen. Afhankelijk van de grote van de PV-installaties kan vervuiling tot 10% opbrengstverlies veroorzaken. Vandaar dat het aangeraden is om jaarlijks de zonnepanelen te laten reinigen.
Waarom zonnepanelen reinigen Vervuiling via – Zure regen – Vogeluitwerpselen – Chemicaliën – Fijne stofdeeltjes – Luchtverontreiniging – Zoutaanslag (zee) – Stedelijk en/of industrieel gebied (roet / metaal) – Mos Voordelen - behoudt van het hoogst mogelijke rendement. - Geen beschadiging aan de panelen. Hot-spots - Een mogelijk probleem door vervuiling zijn zogenaamde “hot–spots”. Deze worden veroorzaakt door een plaatselijke verhitting in het paneel. Als deze cellen geen stroom opwekken (bladeren, zand of vogeluitwerpselen) gaan deze zich gedragen als een weerstand, door de stroom die erdoor wordt gestuurd (via de werkende cellen) gaan deze oververhitten. Dit kan blijvende schade veroorzaken aan de panelen. (Bron: weidenaar)
13
Het testen van een PV installatie Wanneer je wil weten of de gehele installatie aan alle eisen voldoet dan zal dit gedaan worden door een erkende installateur. Deze controle kan gedaan worden met een PV tester. De MI3109 EurotestPV Lite test heel specifiek de functie en karakteristieken van de gehele PV installatie. Met de Autotestfunctie wordt een volledige EN62446 verificatie test op de PV installaties uitgevoerd, daarnaast kunnen ook de U/I karakteristieken worden weergegeven.
http://www.kwx.nl/complete-pv-installatietesters-van-metrel.aspx
Nieaf-Smitt EazyPV PV tester EazyPV is uitstekend geschikt voor gebruik bij het installeren, opleveren en het periodiek controleren van PV installaties. Daarnaast ook dé oplossing voor het traceren van storingen in PV installaties.
Wil je zeker zijn van een goed en betrouwbare installatie dan is zo’n meting de oplossing. Wanneer je dit om de 2 jaar doet dan weet je dat de installatie goed is. Als jullie zo’n meetinstrument van Metrel op school hebben, dan moet je jouw docent vragen of hij jouw de werking wil laten zien van zo’n instrument.
14
Hoeveel zonnepanelen heb jij thuis nodig? Hoeveel zonnepanelen heb je nodig om bij jou thuis alle stroom met PV op te wekken? Een gemiddeld Nederlands huishouden verbruikt ongeveer 3500kWh per jaar. In Nederland wekt een PV systeem van 1kWp (1000Wp, dus bijv. 5 panelen van 200Wp) ongeveer 800kWh uur op, mits het optimaal staat gericht op de zon (zie figuur 10). De meeste zonnepanelen hebben een vermogen van ca 150Wp/m2. Dus als je weet wat de jaarlijkse elektriciteitsconsumptie is bij jou thuis, kun je berekenen hoeveel zonnepanelen je nodig zou hebben om jullie gehele verbruik met zonnestroom op te wekken en hoeveel m2 je daarvoor nodig hebt. Omgekeerd kun je ook berekenen aan de hand van het beschikbare dak- oppervlak hoeveel m2 zonnepanelen je kwijt kan. Vervolgens kun je met oriëntatie van het dak ten op-zichte van het zuiden en de hellingshoek berekenen hoeveel kWh je kunt opwekken met je dak. Door dat te vergelijken met de jaarlijkse consumptie weet je hoeveel procent van je verbruik je theoretisch kunt opwekken.
Voorbeeld van een berekening: Stel het jaarlijkse elektriciteitgebruik is 3000kWh/jaar bij jou thuis. Jullie huis heeft een dak van 5 x 4m richting het Zuid Westen en er staan geen bomen of schoorstenen voor die schaduw geven. De hellingshoek van het dak is 60graden t.o.v. horizontaal. Op het dakoppervlak past maximaal 20m2 zonnepanelen. Dat komt overeen met 20m2 x 150Wp/m2=3kWp. Dit is het maximale vermogen dat je kwijt kunt als de zonnepanelen precies passen (in praktijk verlies je meestal wat ruimte langs de randen van het dak). Je maximale opbrengst bij 60 graden en ZW orientatie is 90% (zie instralingsschijf, figuur 11). Je kunt per jaar dus 800kWh/kWp x 95%, dus 2160kWh/jaar opwekken met jullie dak. Dat is 72% van jullie jaarlijkse elektriciteitsverbruik
15
Opdracht 1: Bij jou thuis zijn veel apparaten die elektrische energie gebruiken. De een zal meer gebruiken dan de ander. Ga thuis een lijst maken met apparaten die elektrische energie gebruiken. Schrijf de naam van het apparaat op en noteer ook hoeveel energie het apparaat gebruikt. Daarnaast maak je een inschatting hoeveel minuten per dag deze gebruikt wordt. Noteer dit op bijlage 2.
Opdracht 2: Bij jou thuis willen ze zonnepanelen. Jij gaat samen met 2 of 3 personen uitzoeken wat er allemaal moet komen. Vraag je ouders, wanneer ze willen meewerken, hoeveel elektrische energie ze per jaar gebruiken. Het kan gebeuren dat ouders dat niet willen in verband met privacy. Dat is niet erg, want dan ga je uit, zoals in het voorbeeld genoemd, van een verbruik van 3500Kwh per jaar. Ga thuis opmeten hoe groot de hellingshoek van jullie dak is en maak daarvan een tekening. Vervolgens ga je uitrekenen hoeveel vrije beschikbare vierkante meters dak er is om panelen op te plaatsten. Zoek een geschikte plaats voor de omvormer. En zoek uit hoe groot de afstand is naar de meterkast. Bereken uiteindelijk wat de opbrengst is en houdt rekening met de instraling (pagina 12) Schrijf jullie resultaten op bijlage 4 en presenteer jullie advies. Kijk ook naar de aanpassing in de meterkast.
16
Opdracht 3:
Voor deze opdracht heb je een los zonnepaneel nodig en een multimeter. Blijf in het lokaal en meet de spanning van het paneel. Gemeten ..…...………..V Dit is de open spanning, omdat er geen belasting aan zit. Pak een gloeilamp van 24V en kijk of de lamp gaat branden. De lamp brandt wel / niet Ga nu met het paneel naar buiten, de zon moet wel schijnen, en herhaal beide vorige metingen. De gemeten spanning is ..…...………..V open. De lamp brand wel / niet. Schrijf op wat het verschil is en geef aan waarom.
Neem nu een ampèremeter en meet de kortsluit stroom van het paneel. LET OP!!! Doe dit voorzichtig en samen met je docent, omdat er een flamboog kan ontstaan als je het niet goed doet. Controleer de gemeten waarden met de gegevens die achter op het zonnepaneel staan.
17
Vragen: Wat zijn de voor- en nadelen van zonne-energie? Kun je er enkele noemen.
Waarom ga je geen zonnepanelen plaatsen in de buurt van een schoorsteen.
Je wil panelen op het dak. De opbrengst moet maximaal zijn. Er is wel een schoorsteen, dus er is sprake van perioden met schaduw. Waar moet je dan rekening mee houden bij het aanschaffen van een omvormer.
De energie die van een zonnepaneel komt is DC gelijkspanning. Daardoor is het gevaar van een flamboog groter dan bij wisselspanning. Hoe komt dat.
Waarom is de beste steilheid (schuinte) van de panelen in de zomer lager dan in de winter. Misschien heb je op school de mogelijkheid om dit met een los paneel uit te proberen. Als dat zo is vraag dan aan je docent om dat te mogen uit testen.
Wat zou er volgens jou moeten veranderen om zonne-energie een flink deel van onze elektriciteit te laten opwekken?
18
Bijlage 1 Logboek resultaten PV Duurzaamheidsstation Drachten Datum tijdstip Dagopbrengst
19
Totale opbrengst in Watt
Bijlage 2 Apparaten in huis: Naam
Gebr. energie Aantal min/ in Watt dag
Noem een aantal grote en kleine max. 15 Aantal min/mnd
Aantal min/jaar
Aantal Kw per uur Kwh
Reken uit wat dit per jaar kost. 1Kwh kost ..…...……….. eurocent (zoek dit uit op internet). Hieronder mag je aangeven hoe je het hebt berekend.
20
Bijlage 3 (hoort bij opdracht 2) Berekening PV installatie op een woning Denk aan de volgende onderdelen. Beschikbare dakoppervlakte. Welke panelen komen het beste uit vanwege de afmetingen. Waar komt de omvormer. Heb je meerdere strings nodig. Welke omvormer ga je aanschaffen. Welk dakbevestiging materiaal ga je kopen. Wat moet er in de meterkast gedaan worden. Maak van het dak een tekening op schaal en teken de panelen erin. Maak ook een tekening van de meterkast en geef aan wat er bij geplaatst moet worden.
21
Bijlage 4 Teruglevermeter Deze meter wordt momentheel veel geplaatst wanneer er sprake is van teruglevering aan het net. In het display is het eerste cijfer een 6. Dit betekend dat 2418Kwh is teruggeleverd op tarief 1 Deze meter kan 4 meterstanden laten zien. Je kunt met de blauwe toets de vier telwerken bekijken.
22
