sluiten

Inloggen

Log hieronder in met uw gebruikersnaam en wachtwoord.

Deze ontvangt u van ons bij het afsluiten van een (proef)abonnement.

Nog geen inlog? meld u gratis aan


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een (proef)abonnement?.
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice:

sluiten

Welkom bij de Kennisbank Duurzame Energie

Om de uitgebreide informatie op de kennisbank te kunnen lezen heeft u een inlogcode nodig. Deze ontvangt u bij het afsluiten van een abonnement.

Waarom de Duurzame Energie-kennisbank

  • Kennis van experts altijd beschikbaar
  • Antwoorden, oplossingen en tools
  • Toevoegen van eigen notities mogelijk
  • Praktijkcases, veelvuldig aangevuld Bekijk de voorbeelden
  • Handige formules en interactieve berekeningen. Bekijk de voorbeelden
Neem nu een abonnement >

Abonnement € 275,- per jaar, ieder moment opzegbaar. Meer over een abonnement op Duurzame Energie

Inloggen voor abonnees


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een abonnement?
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice: 088 58 40 888
Of stuur een e-mail naar: klantenservice@vakmedianet.nl

Werking PV-systemen

Een netgekoppeld PV-systeem bestaat uit diverse onderdelen zoals:

  • de zonnecellen;
  • een of meerdere modulen;
  • de DC-installatie;
  • de inverter.

 

Deze verschillende onderdelen worden hieronder toegelicht. 

Zonnecellen

In 1839 werd door de Franse natuurkundige Edmond Becquerel het zogenaamde "Foto-Voltaïsche" effect ontdekt, waarbij licht wordt omgezet in elektriciteit. Dit effect houdt in dat elektronen door invallend licht wat extra energie krijgen, waardoor een elektrische spanning wordt opgewekt. Het Foto-Voltaïsche effect treedt alleen bij halfgeleiders. Deze halfgeleiders vormen de basis van elke zonnecel.

 

Er zijn drie soorten stoffen te onderscheiden: metalen, isolatoren en halfgeleiders. In metalen hebben de atomen één of meer elektronen afgestaan die "vrij" door het metaal kunnen bewegen. Deze vrije elektronen zorgen voor de geleiding van elektrische stroom. In isolatoren staan atomen ook één of meer elektronen af, maar deze blijven dicht in de buurt van hun atoom. Ze kunnen niet vrij bewegen en dus ook géén elektrische stroom geleiden. Halfgeleiders hebben eigenschappen die hier tussenin staan.

 

De elektronen die door een atoom zijn afgestaan blijven in eerste instantie dicht bij dit atoom. Door nu een bepaalde hoeveelheid energie toe te voegen aan de elektronen, kunnen ze loskomen van het atoom en zich vervolgens vrij gaan bewegen. Nu kan de stof dus wèl elektrische stroom geleiden. Het bijzondere van een halfgeleider is dat deze vrije elektronen hun extra energie kunnen blijven vasthouden. In een zonnecel is de extra energie die de elektronen gekregen hebben een maat voor de spanning (en dus de elektrische energie) die de zonnecel afgeeft. Immers, het verband tussen potentiaal V, en energie U, wordt gegeven door:

formule werking pv-systemen

waarbij e de elementaire ladingseenheid (1,60x10-19 C) is. De potentiële energie van een elektron wordt hier gedefinieerd door de energie die aan een elektron moet worden toegevoegd om het vanuit het oneindige in één van de schillen rond de atoomkern te krijgen. Omdat elektronen zich liever in een atoomschil bevinden dan in het oneindige, is de potentiële energie van elektronen in een stof altijd negatief.

 

In de afbeelding hieronder is een energiediagram weergegeven van elektronen in een halfgeleider. De elektronen die aan hun atoom vastzitten zitten in de valentieband. De term valentieband geeft een bepaald energiebereik aan, waarbij de energie kleiner is dan een bepaalde waarde Ev. Geven we het elektron wat extra energie, dan kan hij loskomen van zijn atoom en in de geleidingsband komen De energie is dan groter dan Ec.Het elektron bevindt zich nu in een energetisch hogere, ofwel aangeslagen toestand. In de valentieband blijft dan een lege plaats achter, een gat genoemd. Een gat is niets anders dan een ontbrekend elektron en kan beschouwd worden als een deeltje met een positieve lading.

 

Net als elektronen kunnen gaten zich ook door het rooster bewegen: als een elektron van een naburig atoom in een gat springt, verplaatst het gat (en dus de positieve lading) zich in de tegenovergestelde richting. Tussen de valentie- en geleidingsband zit een gebied van energieën waar geen enkel elektron kan en mag komen, dit is een ‘verboden’ gebied. De grootte van dit gebied wordt vaak aangeduid met de engelse term ‘bandgap’ en wordt uitgedrukt in elektronvolt (1 eV = 1,60x10-19 J). De waarde van de bandgap, aangegeven door Eg, is een materiaal-eigenschap. De bekendste halfgeleider, silicium, heeft een bandgap van 1,12 eV.  

 

Energiebanden in halfgeleider

Energiebanden in halfgeleider.

 

Met licht is het nu mogelijk om elektronen in de geleidingsband te brengen. Licht bestaat uit fotonen met een energie (in Joules) gegeven door:

formule werking pv-systemen

met h de constante van Planck (6,62x10-34 Js), c de lichtsnelheid (3,0x108 ms-1) en λ de golflengte van het licht.  Om nu elektrische energie uit een zonnecel te krijgen moeten de aangeslagen elektronen een uitwendig circuit doorlopen. In dit uitwendige circuit wordt met de energie van de elektronen nuttige arbeid verricht. Om dit te bereiken moeten de aangeslagen elektronen zich dóór de halfgeleider heen naar een elektrisch contact bewegen. Als het elektron op zijn weg een gat tegenkomt zal het elektron in dit gat blijven zitten, door de tegengestelde lading trekken ze elkaar immers aan. Hierbij verliest het elektron zijn energie, welke wordt omgezet in warmte (ofwel roostertrillingen). De elektrische energie gaat dus verloren! Het is daarom van belang dat de elektronen en gaten binnenin de zonnecel van elkaar gescheiden worden.

 

Omdat een elektron en een gat een tegengestelde lading hebben, kunnen we ze van elkaar scheiden door een elektrisch veld aan te leggen. Het te belichten deel van de zonnecel is dan dat deel, waar het elektrisch veld aanwezig is. In een halfgeleider kan een elektrisch veld worden aangebracht door een p-novergang te maken. Hierbij wordt een zgn. p-type halfgeleider in contact gebracht met een n-type halfgeleider, waardoor in een gebied rondom de grens van deze materialen een elektrisch veld ontstaat. In onderstaande afbeelding is aangegeven hoe een zonnecel op basis van een p-n overgang werkt. Hierbij zijn ook de elektroden aangegeven die ervoor zorgen dat je een elektrisch contact met de zonnecel kunt maken.

 

Werking van een p-n type zonnecel

Werking van een p-n type zonnecel.

 

De buiging van de valentie- en geleidingsband in de halfgeleider is gekoppeld aan de potentiaal. Een elektron wordt door lichtinval aangeslagen naar de geleidingsband, waar het door het elektrisch veld van het achtergebleven gat wordt gescheiden. In het uitwendige circuit kan het elektron zijn energie kwijtraken, waardoor nuttige arbeid wordt verricht. De celspanning (= potentiaalverschil) kan berekend worden uit het energieverschil tussen de geleidingsband van het n-type materiaal en de valentieband van het p-type materiaal.

 

In het ideale geval zet een zonnecel alle energie van het invallende licht om in elektrische energie. In de praktijk worden rendementen van maximaal 30% gehaald. Dit zijn dan wel hele dure zonnecellen, die vanwege hun prijs vrijwel alleen in de ruimtevaart worden gebruikt. Zonnecellen voor op het dak en in rekenmachientjes hebben over het algemeen een rendement van 15 tot 20%. Het rendement van een zonnecel, h, wordt als volgt gedefinieerd als het quotiënt van de elektrische energie en de energie van het invallend licht, in formulevorm:

formule werking pv-systemen

 

De hoeveelheid energie per seconde van het invallend licht (ofwel het vermogen) is gegeven door het aantal fotonen, n, dat per seconde binnenvalt maal de energie per foton, dus:

formule werking pv-systemen

Voor het gemak wordt hierbij van monochromatisch licht uitgegaan, d.w.z. licht met maar één bepaalde golflengte. De elektrische energie die per seconde door de cel geleverd wordt, wordt gegeven door het produkt van de stroom I, en de spanning V:

formule werking pv-systemen

 

Het rendement wordt dan:

formule werking pv-systemen

 

Stroom en spanning zijn afhankelijk van de intensiteit van het licht. De stroom-spanning karakteristiek van deze structuur, afhankelijk van de intensiteit van het licht, is weergegeven in onderstaande afbeelding. In feite is het een diodekarakteristiek, die bij belichting langs de stroomas is verschoven over een afstand die overeenkomt met de stroom die de cel levert in kortgesloten toestand, de kortsluitstroom Isc.

 

Stroom-spanning karakteristiek van een zonnecel

Stroom-spanning karakteristiek van een zonnecel.

 

Ook is er een optimale belasting van de zonnecel mogelijk, waarbij het produkt van V en I maximaal wordt. Het maximaal vermogen dat de zonnecel kan leveren wordt bepaald door het “Maximum Power Point”, zoals aangegeven in de afbeelding hieronder. Ook in kortgesloten situaties zal de stroom nauwelijks toenemen, hetgeen betekent dat PV-systemen geen wezenlijke bijdrage leveren aan het kortsluitvermogen in het net.

MPP Zonnecel

MPP zonnecel.

 

De spanning wordt bepaald door de energie van de elektronen, de stroom wordt bepaald door het aantal elektronen per tijdseenheid. Dus hoe meer licht, hoe meer elektronen er aangeslagen kunnen worden, en des te hoger de stroom. Bij zonnecellen is het gebruikelijk te praten over de stroomdichtheid: dit is de stroom per oppervlakte-eenheid, dus [Am-2] (of [Acm-2]).

 

Wat betreft de energie van het invallende licht zijn er drie situaties te onderscheiden: de fotonen hebben meer, minder of precies genoeg energie om een elektron van de valentieband naar de geleidingsband aan te slaan. Als de foton-energie kleiner dan de bandgap is, krijgen de elektronen niet genoeg energie om in de geleidingsband te komen. De zonnecel zal dan dus geen elektriciteit leveren, hoeveel licht er ook binnenkomt!  Het rendement van de zonnecel voor deze golflengten is dus 0%. Wanneer de energie van een foton precies gelijk is aan de bandgap wordt alle lichtenergie omgezet in elektrische energie (rendement 100%). Als de energie van het licht groter is dan de bandgap wordt het overschot aan energie van de aangeslagen elektronen via botsingen met atomen omgezet in warmte. Het rendement voor deze golflengten zal dus ergens tussen 0% en 100% liggen.

 

Het totale rendement van een zonnecel zal voor zonlicht dus altijd kleiner zijn dan 100%. Er zullen immers maar heel weinig fotonen zijn met een energie exact gelijk aan de bandgap. Een andere belangrijke verliesfactor ontstaat door het transport van lading. Als een elektron in de geleidingsband komt, moet het door de zonnecel heen naar de elektrode lopen. Omdat elk materiaal, dus ook een zonnecel, een zekere weerstand heeft tegen het lopen van stroom (de zogenaamde inwendige weerstand), zullen hier verliezen in de vorm van warmte-ontwikkeling optreden.

Modulen

In een PV-installatie worden geen afzonderlijke zonnecellen gebruikt. De zonnecellen worden opgenomen in een module die in verschillende uitvoeringsvormen op de markt worden gebracht. Een voorbeeld  van een dergelijke module is afgebeeld in onderstaande afbeelding.

PV-module

PV-module

 

Deze modulen worden in grotere aantallen opgenomen in een gelijkspanningsinstallatie. Er zijn echter ook uitvoeringen die rechtstreeks op het net kunnen worden aangesloten. De benodigde inverter is dan al op de achterzijde van de module gebouwd (de AC-module).

Opbouw DC-gedeelte

De gelijkspanningskant bestaat uit een verzameling in serie en parallel geschakelde modules die via kabels en diverse koppelkasten aangesloten worden op de inverter. Het spreekt vanzelf dat aan de installatie diverse eisen worden gesteld.

 

Gelijkspaninngsinstallatie

De gelijkspanningsinstallatie.

 

De inverter zet de gelijkspanning tenslotte om in een wisselspanning. Naast de omzetting van gelijk- naar wisselspanning zijn in de inverter nog andere functies ondergebracht.

De inverter

Voor de omzetting van DC naar AC worden omvormers (inverters) toegepast. In de praktijk zijn er diverse werkingsprincipes die ieder hun eigen specifieke eigenschappen ten aanzien van de terugwerking op het net. Daarnaast hebben de inverters, met de regeling en beveiliging er om heen echter ook allemaal dezelfde functies (zie de afbeelding hieronder).

 

Algemene opbouw inverter t.b.v. PV

Algemene opbouw inverter t.b.v. PV.

 

In het kort zullen de benodigde functies worden opgesomd en de diverse werkingsprincipes. Bij de werkingsprincipes zullen de kenmerkende eigenschappen i.v.m. de terugwerking op het net worden aangegeven.

 

Functies inverter

Voor het goed functioneren van een netgekoppeld PV-systeem zijn de volgende functies in elk PV-systeem aanwezig:

  • MPP-tracking;
  • Beveiliging tegen eilandbedrijf.

 

Dit is uiteraard geen volledige opsomming van alle functies, maar het zijn wel de 2 belangrijkste functies voor het functioneren van het PV-systeem in samenhang met het net.

 

MPP-tracking

Het vermogen dat het PV-systeem levert is, afgezien van het omzettingsrendement, het produkt van DC-stroom en DC-spanning. Voor het leveren van het maximale vermogen moet gezocht worden naar het punt waar dit produkt maximaal is. In figuur 4 is voor een zonnecel het verband aangegeven tussen spanning en stroom enerzijds en spanning en vermogen anderzijds. Het maximale vermogen wordt ongeveer geleverd bij 80% van de open klemspanning. In de inverter is een regeling opgenomen om de PV-panelen op het MPP te laten functioneren.

 

Beveiliging tegen eilandbedrijf

Beveiliging tegen eilandbedrijf moet voorkomen dat PV-systemen (maar hetzelfde geldt ook voor andere typen zelfopwekkers) gaan invoeden op een spanningsloos gemaakt net.

 

De inverters zijn hiervoor minimaal voorzien van de beveiligingen zoals ook vereist is in de netcode (spannings- en frequentiebewaking). Bij een onderbreking in het net zal er altijd een situatie optreden dat er onbalans is tussen de nog aangesloten belasting op het PV-systeem en het opgewekte vermogen. Deze onbalans is nodig om afwijkingen te krijgen in frequentie en spanning. Gezien de vele variaties in zowel opwekvermogen als belasting is de kans op “het niet aanwezig zijn van onbalans” nihil.