Spiegeltje, spiegeltje aan de wand

Hoeveel levert een zonnepaneel eigenlijk op?

Hier wordt de opbrengst van zonnepanelen berekent.

De instraling van de zon op het aardoppervlak kun je exact berekenen. Het weer kun je echter minder goed voorspellen. Daarom heb ik eerst een model gemaakt van het zon-aarde systeem.

 

De hoeveelheid zonnestraling die op een vlak loodrecht op de stralingsrichting valt, wordt bepaald door de afstand tot de Zon. De hoeveelheid zonnestraling neemt kwadratisch af met de afstand.

De Aarde volgt een bijna cirkelvormige baan rond de Zon op een afstand van 150 miljoen kilometer. De zonnestraling die de Aarde ontvangt loopt van 1412 Wh/m2 (3 januari) tot 1312 Wh/m2 (4 juli), een variatie van 7,4%. Hierbij vallen de dagelijkse (0,24%) en langjarige (0,06%) schommelingen in het niet .

  Zonsafstand  

miljoen kilometer

Het vermogen van het zonnepaneel wordt voornamelijk bepaald door de afmeting en het piekvermogen van het paneel. Daarnaast speelt ook de afname van de capaciteit van het paneel een rol, wat wordt veroorzaakt door de leeftijd van het paneel en de vervuiling van het oppervlak.

  Zonnepaneel  
Afmeting ( x )
mm
mm
Wp
Efficiëntie: 19,9%
  details  
°C
Efficiëntie: 100,0%
jaar
Efficiëntie: 100,0%
%
Efficiëntie: 100,0%
panelen
%

Gedurende het jaar ontvangt de Aarde meer zonnestraling in de buurt van de evenaar dan richting de polen. Bovendien is gedurende het jaar de variatie in de hoeveelheid zonnestraling veel groter naarmate je verder van de evenaar af beweegt.

Omdat er gerekend wordt met zonnetijd, is de tijdzone waarin je je bevindt (en hiermee de lengtegraad) niet van belang. In zonnetijd staat de Zon altijd om klokslag 12 uur in het zuiden.

  Locatie  
graden

Zoek naar een locatie op aarde

Indien niet nader beschreven, is de stand van het berekende vlak loodrecht op de stralingsrichting van de zonnestralen. Wanneer je je echter op een bepaalde plaats op Aarde bevindt, is het vaak interessanter om te kijken naar een vlak onder een bepaalde hellingshoek en in een specifieke richting.

Hoe variabele richting of hellingshoek toevoegen?

  Stand  
graden
graden

De Aarde draait eenmaal per 24 uur om zijn as en in ruim 365 dagen rond de Zon. Bovendien staat de Aard-as 23.4 graden schuin ten opzicht van zijn rotatie-as rond de Zon. Dit zorgt voor een dag-nacht ritme en seizoensinvloeden.

  Seizoenen  

dag/nacht, gemiddelde hoeveelheid zonlicht, seizoenen

De atmosfeer is een niet weg te denken onderdeel van de Aarde. Zonder atmosfeer zou er op de evenaar een dagelijkse temperatuurschommeling zijn van min honderd tot plus honderd graden.

  Atmosfeer  
%

Seizonesinvloeden op bewolking

Schaduw kan behoorlijk complex zijn, en is daarom nog niet opgenomen.

  Schaduw  

bomen, gebouwen

Berekening


 
 
 

Uitgangspunten

1. Berekening van de energie van de zon in de ruimte bij de Aarde. Hierin is de gemiddelde afstand gelijk aan 150 miljoen kilometer en de gemiddelde energie gelijk aan 1360.8 Wh/m2

Doel van deze berekening is om inzicht te krijgen in de basisvoorwaarden.

2. Berekening van de energie van de zon op de Aarde. De Aarde is in dit geval een perfecte bol die altijd dezelfde kant richting de Zon heeft gekeerd.

Doel van deze berekening is om inzicht te krijgen in de invloed van de locatie (de breedtegraad) en de stand (richting en hellingshoek) op de ingevangen energie.

3. Berekening van de energie van de zon op een scheefstaande en draaiende Aarde. Hierbij is de scheefstand per definitie 23,4 graad, de Aarde draait in 24 uur om haar as en in 365 dagen rond de Zon. Hier worden uitsluitend waarden per jaar getoond, omdat anders de waarden teveel varieren.

Doel van deze berekening is om inzicht te krijgen in de energie die een scheefstaande en draaiende Aarde ontvangt, een Aarde met atmosfeer en een Aarde met bewolking. Hierbij is de bewolking specifiek toegesneden op Nederland. De energie op het horizontale vlak wordt getoond, want dit is het meetgegeven dat de NMI verstrekt. Deze waarde wordt gebruikt ter validatie van de berekening.

4. Berekening van de opwekking van energie door een zonnepaneel. Hier komen alle gegevens bij elkaar. Achtereenvolgens wordt de energie berekend voor een vaststaand zonnepaneel, een zonnepaneel dat noord-zuid kan kantelen, een zonnepaneel dat oost-west kan kantelen en een zonnepaneel dat volledige draai-vrijheid heeft en de Zon continu kan volgen, zodat deze continu loodrecht op de stralingsrichting staat.

Doel van deze berekening is om inzicht te krijgen in de opgewekte energie door een vaststaand zonnepaneel ten opzicht van een bewegend zonnepaneel. Uit deze gegevens kun je afleiden heoveel zin het heeft om een redelijk complex systeem te bouwen om de zon in één of twéé kantelrichtingen te volgen.

Controle

Door bij de Locatie 0 graden in te vullen, en bij de hellingshoek ook 0 graden, wordt onder 3. voor verschillende situaties de gemiddelde energie berekend. Als eerste wordt er 3637kWh/m2 genoemd. Dit is 30,5% van de jaar-waarde genoemd onder 1.: 11921kWh/m2. Deze waarde ligt vrij ver van de waarde die volgt uit 342Wh/m2 van 1361Wh/m2, dat 25,1% is. Een betere waarde hier zou 2980 zijn (scheelt factor 1,22)

Vul bij Locatie voor breedtegraad de waarde 0 in. De berekening heeft nu betrekking op de evenaar. Vergelijk vervolgens het eerste getal met het vierde getal van groep 3. Hier staat respectievelijk 2980 3637kWh/m2 en 1557kWh/m2. Daaruit volgt dat 53% van de energie die de Aarde bereikt, doordringt op het aardoppervlak. Dit getal is bijna gelijk aan de warmtebalans, die aangeeft dat 51% van de energie doordringt. Dit is voldoende nauwkeurigheid om deze berekening te valideren.

In Nederland bij Eindhoven valt gemiddeld 1085kWh/m2.

Conclusie

Een zonnepaneel van 340Wp levert per jaar maximaal 330kWh aan energie op
Voorwaarde is dat het paneel op het zuiden ligt onder een hoek van 36 graden

Een bewegend zonnepaneel levert meer op dan een vaststaand zonnepaneel
Een bewegend zonnepaneel heeft echter veel meer onderhoud nodig
Daarnaast moet dit bewegende paneel veel meer gewicht hebben, omdat het paneel gedurende het seizoen meer overeind komt te staan
Een overweging is om het bewegende paneel in de winter een vaste stand te geven, omdat de winterzon toch relatief weinig energie afgeeft

Een op het zuiden gericht paneel, dat alleen noord-zuid kan kantelen, levert maximaal 13% meer energie op
Een paneel dat alleen oost-west kan kantelen bereikt een maximale meeropbrengst van 41% met een hellingshoek van 60 graden
Een paneel dat de zon in al zijn bewegingen volgt heeft een maximale meeropbrengst van 46%

Een paneel dat maar één kantelrichting heeft is relatief eenvoudig te construeren. Hiervoor is maar één vastliggende as nodig.
Het paneel dat de zon in al zijn bewegingen volgt heeft twéé kantelrichtingen. Dat betekend dat dit paneel vrij over beide assen kan bewegen
De constructie is veel lastiger, de onderdelen complexer en er is veel meer onderhoud nodig

Er zijn verschillende zonnepanelen
glas/glas (minder leeftijdsterugval: 90% na 25jr; minder schade; minder brand) en glas/folie (80% na 25jr)
polykristallijn (blauw, goedkoper; €90) en monokristallijn (beter, duurder: €100)
Er is ook dunne film een nog onvoldoende bewezen techniek (CIS en CIGS)
Er zijn ook bifacial panelen
Er is ook PERC
Omvormer te klein aanschaffen vanwege lager opstartspanning - niet nodig bij microomvormers?
Middels diodes kan het paneel een reeks zonnecellen uitzetten - in de lange richting - met name van belang als er veel schaduw op valt
Wil je stroom opslaan en zelf gebruiken? of terugleveren aan het net?