Zonnecellen zijn niet-mechanische apparaten die halfgeleiders gebruiken om zonlicht rechtstreeks om te zetten in elektriciteit via het fotovoltaïsche effect. Je zou denken dat zonnecellen het beste werken onder intense zonneschijn, maar is dat wel echt zo?
De mensheid maakt al lange tijd gebruik van zonne-energie, met drie belangrijke manieren om deze om te zetten: fotovoltaïsche conversie, fotothermische conversie en fotochemische conversie. Fotovoltaïsche (PV) energieopwekking, waarbij zonlicht wordt omgezet in elektriciteit, is een van de meest efficiënte toepassingen van zonne-energie.
Het fotovoltaïsche effect werd voor het eerst waargenomen in 1839 door de Franse wetenschapper Edmond Becquerel en verwijst naar de opwekking van een elektrisch potentiaal wanneer licht op een halfgeleider valt. Later verklaarde Einstein dit effect met behulp van de kwantumtheorie van licht, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving.
In tegenstelling tot het foto-elektrisch effect, dat optreedt wanneer licht op een enkele geleider valt, vindt het fotovoltaïsche effect plaats op de grens tussen twee halfgeleiderplaten. Wanneer deze platen met elkaar verbonden zijn door een draad, ontstaat er op deze grens een elektrisch veld waardoor stroom kan vloeien.
Hoe zetten zonnecellen zonlicht om in elektriciteit? Zonlicht is een breed spectrum van elektromagnetische straling. Wanneer het een zonnecel raakt, kan de straling worden weerkaatst, geabsorbeerd of doorgelaten. Alleen geabsorbeerde straling wordt omgezet in elektrische energie.
Voor halfgeleiders op siliciumbasis is een energie van 1,11 elektronvolt (eV) nodig om een elektron los te maken van zijn atoom. Alleen fotonen met een energie hoger dan deze drempelwaarde kunnen elektriciteit opwekken. Overtollige energie van fotonen met een hogere energie gaat echter verloren als warmte, wat bijdraagt aan de opwarming van het zonnepaneel en de temperatuur ervan boven de omgevingstemperatuur kan laten stijgen.
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, geven zonnecellen op siliciumbasis de voorkeur aan koelere omgevingen, hoewel ze nog steeds zonlicht nodig hebben. Naarmate de temperatuur stijgt, produceren zonnepanelen minder energie, ondanks dat ze dezelfde hoeveelheid zonlicht ontvangen.
Hoge temperaturen verlagen voornamelijk de nullastspanning (de spanning wanneer er geen stroom vloeit), terwijl de kortsluitstroom (de stroom wanneer de cel kortgesloten is) relatief stabiel blijft. Dit betekent dat hogere temperaturen leiden tot een lager rendement en een lager uitgangsvermogen.
Zonnecellen worden doorgaans getest bij een standaardtemperatuur van 25 °C (77 °F). Wanneer de temperatuur van het paneel 60 °C (140 °F) of hoger bereikt, neemt het vermogen aanzienlijk af. Voor elke graad temperatuurstijging neemt de kortsluitstroom slechts met 0,04% toe, terwijl de nullastspanning met 0,4% afneemt.
Hoewel de efficiëntie in de zomer afneemt, zorgt de overvloed aan zonlicht in dit seizoen nog steeds voor een hogere totale energieproductie in vergelijking met andere seizoenen.
Hoe koel je zonnepanelen af?
Net als andere elektronische apparaten presteren zonnepanelen beter bij lagere temperaturen. Omdat ze zonlicht in plaats van warmte gebruiken voor hun energievoorziening, werken ze het best in heldere, maar koele omstandigheden.
Moeten we zonnepanelen in de zomer afschermen? Natuurlijk niet! Zonlicht blokkeren zou het nut van een zonnepaneel tenietdoen. En zonnebrandcrème gebruiken? Nee, fysieke barrières verminderen de lichtabsorptie en chemische methoden helpen niet om de temperatuur te verlagen.
Natuurlijke ventilatie is een effectieve en economische manier om zonnepanelen op het dak te koelen. Door de panelen met een kleine opening tussen het dak en de panelen te plaatsen, kan de lucht circuleren en de panelen afkoelen. Het is echter belangrijk om bladeren en ander vuil uit deze opening te houden om de luchtstroom te behouden en oververhitting te voorkomen.
Onderzoekers hebben ook verschillende koelmethoden bestudeerd om de efficiëntie van zonnepanelen te verbeteren. Naast natuurlijke ventilatie zijn geforceerde luchtkoeling en fotovoltaïsch-thermische koeling (PVT) onderzocht, wat waardevolle inzichten heeft opgeleverd in het verlagen van de paneeltemperatuur en het verhogen van de energieopbrengst.
Naarmate zonnecellen, de boodschappers van schone energie, steeds meer in ons leven geïntegreerd raken, brengen ze een nieuwe golf van koolstofarme, milieuvriendelijke oplossingen met zich mee.
