Van zonlicht naar elektriciteit

De werking van zonne-energie

Zonlicht wordt steeds vaker gebruikt als energiebron. Maar hoe werkt de omzetting van licht in elektriciteit? Hieronder een beschrijving van de verschillende manieren waarop zonne-energie verkregen kan worden.

ZONNE-ENERGIE
Zonne-energie kan op twee manieren gebruikt worden: direct en indirect. Bij het directe gebruik van de energie is een technisch hulpmiddel een vereiste. Deze technische hulpmiddelen zijn: zonnecollectoren (oftewel zonneboilers en -panelen) die voornamelijk worden gebuikt om zonlicht om te zetten in warmte en zonnepanelen met zonnecellen (ook wel fotovoltaïsche of PV-cellen genoemd), CSP systemen en zonnetorens, die het licht direct in elektriciteit (zonnestroom) omzetten. Indirect wordt zonne-energie gebruikt bij de bouw van warmteregulerende huizen. Daarnaast zijn biomassa, hydro-energie en windenergie allemaal energiebronnen waarbij de zon een indirecte rol speelt.
 
ZONNECELLEN
Een zonnepaneel bestaat uit meerdere aaneengeschakelde zonnecellen (zogenaamde ‘fotovoltaïsche cellen’). Zonnecellen zetten zonlicht rechtstreeks om in elektrische energie, dit wordt ook wel het fotovoltaïsche proces genoemd (dit proces werd in 1839 ontdekt door Edmond Becquerel). Als er licht op zonnecellen valt, absorberen deze cellen fotonen (de lichtdeeltjes uit zonnestraling). Dit zorgt ervoor dat er negatief geladen elektronen in het zonnepaneel losgemaakt worden die zich vervolgens verplaatsen en een positief geladen ‘gat’ overlaten. De meeste zonnecellen worden gemaakt van silicium. Een silicium-atoom heeft vier elektronen in zijn buitenste schil. De elektronen dragen bij aan de stevigheid van de kristalstructuur, maar raken zelf gemakkelijk los als er bijvoorbeeld zonlicht op valt. Omdat silicium nauwelijks stroom geleidt, wordt er een halfgeleider van gemaakt door er andere stoffen aan toe te voegen. Aan de bovenkant is dit meestal fosfor en aan de onderkant meestal borium. Fosfor heeft één elektron meer dan silicium. Deze elektron is niet nodig om de bindingen in stand te houden en heeft hierdoor meer vrijheid om zich te verplaatsen. Borium heeft één elektron minder dan silicium waardoor de elektronen in de fosforkant (de negatief geladen N-laag) naar de boriumkant (de positief geladen P-laag) bewegen. Onder invloed van zonlicht krijgt de P-laag dus een negatieve lading (door een tekort aan elektronen) en de N-laag een positieve lading (door een overschot aan elektronen). Zonlicht veroorzaakt dus een elektrisch spanningsverschil tussen de P-laag en de N-laag. Als de beide lagen uitwendig met een metaaldraad verbonden worden gaat er een stroom lopen. De stroom die verkregen wordt door zonnecellen is gelijkstroom. Er moet nog een omvormer aan gekoppeld worden om de stroom om te zetten in wisselstroom. Het fotovoltaïsch proces voltrekt zich net zo lang als er licht op de cel valt. Omdat er in dit proces geen materialen verbruikt worden zijn zonnecellen duurzaam.
 
Niet al het licht kan worden omgezet in elektriciteit, aangezien zonnecellen voornamelijk zichtbaar licht gebruiken. Het theoretische omzettingsrendement ligt daarom rond de 20 tot 30 procent. Dit lijkt weinig, maar in vergelijking met het omzettingsrendement van bijvoorbeeld biobrandstoffen blijken zonnecellen stukken efficiënter te zijn. Zo ligt het rendement van het blad van een suikerrietplant (een grondstof voor biobrandstoffen) slechts rond de 6 procent, de benodigde energie voor het bewerken van het land en de extractie van de suiker nog niet meegerekend. Zonnecellen daarentegen worden momenteel geproduceerd met een rendement van 16 procent en naar verwachting zal dit de komende jaren zelfs hoger worden.
 
HET CSP SYSTEEM
Het Concentrating Solar Power (CSP) systeem is een anders systeem dat zonlicht omzet in elektrische energie. Dit systeem gebruikt spiegels om het zonlicht te richten op een ontvanger die zeer hoge temperaturen kan verdragen. Binnen in deze ontvanger bevindt zich een gas of een vloeistof die de hitte vervoert naar een systeem die dit omzet naar elektrische energie. Dit kan een stoomturbine zijn of een externe verbrandingsmotor of generator die aangedreven wordt door zuigermotoren. Sommige CSP systemen kunnen de hitte opslaan om ook op bewolkte dagen en ’s nachts elektriciteit te produceren. Er zijn 3 typen CSP systemen: parabolic troughs (parabolische troggen), power towers (zonne-energiecentrales) en solar dish-engines (schotelvormige energiegenerende systemen).
 
Parabolic troughs
Parabolic troughs concentreren de energie van de zon in grote U-vormige reflectoren. In het centrum van deze reflectoren lopen pijpen die met olie gevuld zijn. De gespiegelde reflectoren richten al het zonlicht op de pijpen en verwarmen de olie tot een temperatuur van 400 graden Celsius. Deze olie wordt gebruikt om water te koken en stoom te produceren om stoomturbines en generatoren aan te drijven die vervolgens elektriciteit produceren.
 
Power towers
Power towers gebruiken veel platte zonneschermen om de zonnestralen op te vangen en vervolgens te richten op een ontvanger. Deze ontvanger bevindt zich bovenaan een lange toren waarin het zonlicht een vloeistof, bijvoorbeeld gesmolten zout, tot wel 570 graden Celsius verwarmt. De hete vloeistof kan direct gebruikt worden voor de productie van stoom die omgezet wordt door middel van generatoren in elektriciteit of opgeslagen worden voor later gebruik.
 
Solar dish-engines
Dit systeem gebruikt schotelvormige spiegels om het zonlicht te concentreren op een ontvanger. De ontvanger bevindt zich in het brandpunt van de schotel. Om de maximale hoeveelheid zonlicht op te vangen draait de schotel met de stand van de zon mee. Één schotel kan tussen de 2 kW en 25 kW aan elektriciteit produceren.
 
ZONNETORENS
Een derde manier waarop duurzame energie verkregen kan worden door de zon (naast zonnepanelen en CSP systemen) zijn zonnetorens. In zonnetorens wordt de lucht opgewarmd door zonnewarmte onder een grote platte cirkelvormige collector die aan de rand open is. In het midden van de cirkel staat een verticale toren. Omdat hete lucht lichter is dan koude lucht, stijgt deze op in de toren. Aan de zijkant van de cirkelvormige collector wordt hierdoor nieuwe koude lucht aangezogen die vervolgens verwarmd wordt door de zon en weer opstijgt. Hierdoor ontstaat er een continue luchtstroom die door windturbines omgezet wordt in mechanische energie. Deze mechanische energie wordt vervolgens door generatoren omgezet in elektrische energie.