Het principe van zonne-energie
Voordat we gedetailleerd zonnepaneelinstallaties kunnen behandelen ontkomen we er niet aan om eerst de basisprincipes toe te lichten. De kracht van de zon is immens. En deze energie bereikt onze aarde. Gratis! De zon is het middelpunt van ons zonnestelsel. In het middelpunt van de zon vindt continu kernfusie plaats, bij een temperatuur van 15 miljoen graden Celsius en een druk van 200 miljard bar (zie ook de kolom De zon’ in de kolom hiernaast). De stralingsintensiteit op de oppervlakte van de zon wordt geschat op 70.000 – 80.000 kW/m². Om te bepalen hoeveel hiervan op een plaats op aarde aan komt, word dit gesplitst in twee delen:
- de afstand van de zon tot de dampkring;
- de afstand van de dampkring tot een plaats op aarde.
Straling verzwakt door afstand
met: Hsun = 64 × 106 W/m2
en de straal van de zon, Rsun = 695 × 106 m.
| Afstand tot de zon (D) = | miljoen km. |
| Intensiteit zonlicht Ho = | W/m² |
Met deze formule kunnen we eenvoudig berekenen hoeveel zonnestraling er aankomt op een planeet:
| Planeet | Afstand (miljoen km) | Gemiddelde zonnestraling (W/m²) |
|---|---|---|
| Mercurius | 57 | 9116.4 |
| Venus | 108 | 2611.0 |
| Aarde | 150 | 1366.1 |
| Mars | 227 | 588.6 |
| Jupiter | 778 | 50.5 |
| Pluto | 5806 | 0.878 |
De zoninstralingsgegevens in de tabel hierboven kunnen iets afwijken van het berekeningsresultaat van de benaderingsformule. De tabel geeft de nauwkeurigste nasa-gegevens weer. De formule geeft een goede benadering. Na een afstand van 150 miljoen km bereikt deze straling de dampkring. Hier wordt nog een gemiddelde intensiteit gemeten van 1353 W/m². Deze waarde wordt de zonneconstante genoemd omdat langjarige metingen hebben aangetoond dat deze waarde nauwelijks veranderd. Vanwege de met de jaargetijden variërende afstand van de aarde tot de zon kan deze waarde +/- 1,7 % afwijken. Deze intensiteit bereikt niet het aardoppervlak, maar wordt door de atmosfeer deels gereflecteerd, geabsorbeerd en verstrooid (zie afbeelding).
Van de straling vanaf de zon wordt:
31% gereflecteerd door de atmosfeer
17,4 % geabsorbeerd door de atmosfeer
4,2% gereflecteerd door het aardoppervlak
14,4% ingestraald op de continenten
33% ingestraald op het zeeoppervlak
Air mass zero
De intensiteit van de zonnestraling varieert iets vanwege de steeds veranderende afstand tussen de zon en de aarde. De aarde beweegt in een elliptische baan om de zon. Ook de intensiteit van de door de zon uitgezonden straling is niet constant. Toch zijn deze variaties minimaal en voor het berekenen van zonnepaneelinstallaties gaat men uit van een constante straling, gedefinieerd als de Air Mass Zero (AM0). Men rekent met een AM0 van 1366 W/m².
| Dagnummer (1..365) = | |
| Intensiteit zonlicht atmosfeer = | W/m². |
De formule waar dit mee berekend word is:
We zien dat de variaties minimaal zijn en 1366 Watt per vierkante meter een goede waarde is om mee te rekenen.
Van de atmosfeer naar de aarde (Air Mass)
De Air Mass is de lengte van de weg die het zonlicht door de atmosfeer aflegt om de aarde te bereiken. De kortste weg is als de zon pal boven een plaats op aarde staat, de Air Mass is dan 1. Als de zon niet pal boven onze plaats op aarde staat geeft de Air Mass de reductie aan van de sterkte van het zonlicht, vanwege de langere weg die de zonnestraling af moet leggen en de daarbij behorende absorptie door lucht en stof. De definitie van Air Mass is:
| Verticale hoek (zenit hoek) θ = | |
| AM = |
| Air Mass | Omschrijving |
|---|---|
| AM0 | Het spectrum buiten de atmosfeer, benaderd door het 5800 K zwarte lichaam, wordt AM0 genoemd. Zonnecellen die worden gebruikt voor ruimtevaarttoepassingen, zoals die op communicatiesatellieten, worden gestandaardiseerd met AM0-condities. |
| AM1 | Het spectrum wat de zonnestraling aflegt door de atmosfeer naar zeeniveau met de zon recht boven die plaats wordt AM1 genoemd. |
| AM1.5 | De zon staat meestal niet precies loodrecht op de zonnepanelen. Als de zon onder een hoek staat met het aardoppervlak zal de effectieve afstand groter zijn. Europa, China, Japan, de Verenigde Staten van Amerika en bijvoorbeeld Noord-India, Zuid-Afrika en Australië liggen op breedtegraden waar een gematigde temperatuur is. Een AM-nummer dat het spectrum op gemiddelde breedtegraden vertegenwoordigt, komt daarom vaak voor. AM1.5 komt overeen met een zonne-zenithoek van θ=48,2°. Terwijl het AM-nummer in de zomer voor de middelste breedtegraden tijdens de middelste delen van de dag minder dan 1,5 is, zijn hogere cijfers van toepassing in de ochtend en avond en op andere tijden van het jaar. Daarom is AM1.5 nuttig om het jaargemiddelde voor middelste breedtegraden weer te geven. De specifieke waarde van 1,5 is in de jaren zeventig geselecteerd voor standaardisatiedoeleinden, op basis van een analyse van gegevens over zonnestraling in de Verenigde Staten. Sindsdien gebruikt de zonne-industrie AM1.5 voor alle gestandaardiseerde tests of classificaties van zonnecellen of –panelen. De nieuwste AM1.5-normen met betrekking tot fotovoltaïsche toepassingen zijn de ASTM G-173 [10] [11] en IEC 60904. (zie ook STC). De lichtsterkte voor daglicht volgens A.M.1.5 is 109.870 lux. Dit komt overeen met het de lichtintensiteit in het AM1.5 spectrum tot 1000,4 W/m². |
| AM2~3 | AM2 tot AM3 wordt gebruikt om de opbrengst van zonnepanelen te schatten op plaatsen met een hoge breedtegraad, zoals bijvoorbeeld in het uiterste noorden van Europa. AM2 en AM3 worden ook wel gebruikt om de opbrengst van zonnepanelen te schatten in de winter op plaatsen met breedtegraden van gematigde temperatuur. |
| AM38 | AM38 is horizontale straling (θ=90°) op zeeniveau. |
Terug op aarde
De straling die bij een onbewolkte hemel tegen de middag als de zon de meeste kracht heeft op aarde aankomt schommelt gemiddeld om en nabij de 1000 W/m².
In vaktermen: 1000 kWh/m².a bij 25 graden Celsius zonneceltemperatuur en AM=1,5 (d.w.z. onder een hoek van 48,2 graden, waardoor de stralen een 1,5 maal dikkere luchtlaag moeten doordringen).
De straling van de zon levert ons per jaar 220.000 biljoen kWh, dat is meer dan 2500 keer het totale verbruik van de wereldbevolking. Dit betekend dat we om aan de totale energiebehoefte van de wereld te voldoen we genoeg hebben aan een zonnepaneelveld van ca. 144.400 km² oppervlakte, dus ongeveer ter grootte van 3,5 keer Nederland of ca. 25% van Frankrijk.
Vergelijk stroomproductie wereld |
| Benodigde opp. PV: 144.400 km²
Oppervlakte Nederland : 41.528 km² |
De intensiteit van de zon op de diverse werelddelen
Ieder land van de wereld heeft zijn eigen zoninstraling. In het ene land is de intensiteit hoog, in andere landen wat minder.
Uit onderstaande grafiek blijken de verschillen:
Zo zien we dat in Oeganda er een vrij constant aantal uren zon per dag zijn. Dat is erg plezierig en ook is het dan eenvoudig om de opbrengst te berekenen. Bovendien kan men er de klok op gelijk zetten dat men zowat iedere dag dezelfde hoeveelheid elektriciteit met PV-panelen kan opwekken. Met name voor thermische zonnecollectoren (zie bijvoorbeeld www.zonnecollector-info.nl) is dit een ideaal land. Voor zonnepanelen die elektriciteit opwekken (PV-panelen) is Egypte het ideale land. In de zomer schommelt het aantal uren zon per dag tussen de 7 a 8 uur. Ondanks dat Nederland er erg bekaaid afkomt, zullen we zien dat het toch aantrekkelijk is om ook bij ons zonnepanelen te plaatsen. In Nederland is de instraling in de westelijke regionen langs de kust iets hoger dan in de rest van het land. Behalve de zonintensiteit is ook de omgevingstemperatuur van belang voor een hoge opbrengst: Hoe hoger de zonne-intensiteit en hoe lager de omgevingstemperatuur, des te hoger is de opbrengst.
Nederland
Gemiddeld ontvangen we in Nederland dus ca. 1000 kWh/m² per jaar aan zonlicht. Men dient er wel rekening mee te houden dat ca. 70 tot 80% hiervan in de zomerperiode (voorjaar en zomer) ontvangen wordt! De verdeling over de seizoenen ziet men in het taartdiagram.
de seizoenen in Nederland
Het AM-getal (AM =Air Mass = lucht massa) geeft aan hoe dik de luchtlaag is die de zonnestralen moeten doordringen. De waarde AM=1,5 wordt gebruikt als referentiegrootheid (STC) door zonnepaneelfabrikanten. Door uniforme specificaties maakt dit het vergelijken van de diverse panelen eenvoudiger. We komen later nog op deze Standaard Test Condities terug.
Bent u geïnteresseerd in zonnepanelen? En wilt u misschien een en ander vergelijken? Of een indicatie krijgen wat dat allemaal gaat kosten? Dan kunt u het offerteformulier invullen en u ontvangt gratis en vrijblijvend een offerte.
Volgende pagina: Zoninstraling in Nederland