De werking van uw zonnesysteem uitgelegd in mensentaal

Zonnepanelen voor dummy’s

Als investeerder wilt u weten waarin u investeert. Bij zonnepanelen is dat niet anders: u begrijpt graag de opbouw en werking van uw zonnesysteem. Dit artikel kan u daarbij helpen. We laten de technische hoogstandjes achterwege en introduceren u in mensentaal in de wondere wereld van het zonnesysteem. Eerst bekijken we hoe het zonnesysteem eruitziet. Daarna ontdekken we hoe het van zonlicht bruikbare elektriciteit maakt.

Zonlicht

Het lot van de aarde is onlosmakelijk verbonden met die onvermijdelijke ster die wij simpelweg dé zon noemen. Hoewel het heelal oneindig veel zonnen telt, is onze zon immers de centrale ster van ons planetenstelsel — niet voor niets het zonnestelsel genaamd. Zo’n zon is eigenlijk een plasmabol, een onvoorstelbaar hete verzameling van geïoniseerde gassen.

In onze “Gele Dwerg” zijn die gassen vooral waterstof en helium. Onze zon omvat zo meer dan 99% van alle materie in het zonnestelsel en u kunt ze rustig vergelijken met een natuurlijke kerncentrale. Haar binnenste is zo warm en dens dat er spontaan kernfusie ontstaat. Elke seconde zet die fusie 600 miljoen ton waterstof om in helium. Zo creëert de zon een ontzaglijke hoeveelheid energie, die uitgestraald wordt, onder andere als zichtbaar licht: zonlicht.

De opbouw van het zonnesysteem

Centraal in uw zonnesysteem staan de zonnepanelen waaruit het is opgebouwd. Hoewel elke producent eigen methodes heeft, zien die er wezenlijk allemaal hetzelfde uit. Ter illustratie gebruiken we ons eigen, Zongeschikt aanbod: de glas-glas zonnepanelen van Sonnenstromfabrik. Ze zijn opgebouwd uit 7 lagen:

In het zonnepaneel wordt zo een kern van zonnecellen beschermd door vochtwerende folie en structuurglas. Het aluminium frame geeft deze constructie stevigheid en richting. Het laat tegelijk toe om de panelen op verschillende manieren te monteren.

Daarbij draait alles om de zonnecellen: zij gaan straks uw elektriciteit opwekken. Dat gebeurt afzonderlijk in elke cel en elk paneel. Om al deze verschillende energiestromen te verzamelen worden cellen en panelen in serie geplaatst met connectoren. Via

bekabeling gaat deze stroomverzameling vervolgens eerst naar een omvormer en van daaruit naar uw elektriciteitskast. Dat, in een notendop, is meteen ook de basisstructuur van uw zonnesysteem.

Glas op glas zonnepanelen

Zonlicht vangen

Als daar geen elektriciteit inzit, dacht de Franse fysicus Antoine Henri Becquerel. In 1839 ontdekt hij het “fotovoltaïsch effect”. Kort gezegd is dat hoe zonlicht in bepaalde stoffen elektronen opwekt. Zo’n elektron is een basissteen van de natuur, een “elementair deeltje”. Het onderscheidt zich van andere elementaire deeltjes door een negatieve elektrische lading. Een elektron kan vrij zijn of gebonden aan (de atomen van) een bepaalde stof.

In zonnecellen worden elektronen meestal opgewekt in silicium. Eens de zon direct of indirect (“diffuus”) op silicium schijnt, wekt het fotovoltaïsch effect er elektronen op. De zonnecel wordt zo onder elektrische spanning gezet. Hoe meer zonlicht, hoe meer elektronen.

Elektriciteit laten stromen

In silicium bewegen elektronen op een “valentieband”. Dat is eigen aan niet-geleiders. De opgewekte elektronen zitten er vast, als het ware geboeid aan de band. Als dusdanig kan in silicium eigenlijk geen elektriciteit worden opgewekt: er ontwikkelt zich geen energiestroom.

Om die stroom te creëren is er nood aan aantrekking tussen elementaire deeltjes, aan magnetisme. Hiervoor hebben de negatieve elektronen een positieve tegenpool nodig. Fysici noemen het “protonen”. Simpel gezegd is elektriciteit het magnetisme tussen elektronen en protonen.

Blijven we bij silicium, dan vormt men deze stof om tot een halfgeleider om zonnecellen magnetisch te maken. Meestal gebeurt dit door toevoeging van borium en fosfor. De elektronen van deze stoffen zoeken elkaar immers op. Die zoekende elektronen laten gaten vallen, waarin honderden andere zoekende elektronen kunnen duiken. Die elektronen laten opnieuw gaten vallen waarin weer anderen kunnen duiken — enzovoort. Zo vormen ze een reizend scheidingsvlak tussen positieve ladingen bovenaan en negatieve ladingen onderaan. Men noemt dit de geleidingsband. Elektriciteit stroomt nu door de zonnecel. Zonlicht zal de silicium-elektronen niet enkel opwekken, maar ook “los stoten” van hun atomen, in de gaten van de magnetische keten. De elektronen stromen vrij, van leegte tot leegte, op de geleidingsband.

Gelijkstroom

Door zijn magnetisme zet de geleidingsband dingen in beweging. Potentiële energie wordt geactualiseerd, negatieve ladingen worden omgezet in positieve. Op een gegeven moment heeft de band echter zoveel energie omgezet — zijn er zoveel leegtes gevuld — dat de elektronen als het ware in een file terechtkomen. Het scheidingsvlak wordt een “uitputtingszone”. De elektronen worden nu allemaal aangetrokken door het “sterkste” punt van de stroom, de positieve bovenkant. Ze kunnen maar 1 kant meer op. Men spreekt daarom van gelijkstroom: alle elektronen stromen in dezelfde richting.

De sterkte van een gelijkstroom in zonnepanelen is variabel en wordt bepaald door de zwakste schakel. In een zonne-systeem is dit de cel die het meest in de schaduw blijft. Hier stopt de doorstroming. Wil men er dan nog voor zorgen dat het systeem blijft draaien, zijn er kunstgrepen nodig, bijvoorbeeld een “bypass diode”. Die kan de inactieve cel dan overslaan en zo uit de serie halen.

Wisselstroom

Gelijkstroom is eigen aan halfgeleiders. Mocht de werking van uw zonnesysteem hier stoppen, dan bleef uw energie voor altijd in zonnepanelen gevangen. Om dat te vermijden moet de gelijkstroom omgezet worden in wisselstroom of wisselspanning. Die kan zich meteen ook beter aanpassen aan uw verschillende elektrische apparaten, die elk hun eigen spanning nodig hebben. Zoals de naam aangeeft, kan wisselspanning immers van spanning wisselen.

Zonne-installaties zetten gelijkstroom om in wisselstroom met een (spannings-)omvormer of inverter. De techniek hierachter is te complex om hier te verklaren; maar het komt er op neer dat de omvormer de uniforme richting van de gelijkstroom periodiek doorbreekt. Hij laat de stroom regelmatig van richting veranderen. Zo kan de energie zich weer verder verplaatsen: uit de zonnepanelen en naar uw elektriciteitskast. De zonne-energie heeft nu uw huis bereikt en is klaar om u te dienen.