thumb|Zonnepanelenpark in Nevada (Verenigde Staten) thumb|Wim Sinke (UvA en ECN) over zonnepanelen - Universiteit van Nederland, 2017 (14 min.) thumb|Natuurkundige Angèle Reinders (Universiteit Twente & TU Eindhoven) over zonnepanelen - Universiteit van Nederland, 2020 (11 min.) Een zonnepaneel, fotovoltaïsch paneel of PV-paneel is een paneel met aan elkaar gekoppelde fotovoltaïsche zonnecellen (ook PV-cellen genoemd), waarmee elektriciteit kan worden opgewekt. PV is de afkorting van het Engelse woord 'photovoltaic'.
Het zonnepaneel zet een deel van de fotonen uit het zonlicht om in elektriciteit. De zonne-energie die zo wordt opgevangen is een vorm van duurzame energie. Het vermogen van een PV-installatie wordt uitgedrukt in wattpiek (Wp), dat is de hoeveelheid energie die de panelen samen onder standaard-omstandigheden kunnen opwekken.
Zonnepanelen kunnen als netgekoppeld zonnestroomsysteem worden toegepast in het elektriciteitsnet, off-grid in net-onafhankelijke systemen voor energieopwekking in afgelegen gebieden, in losse apparaten die zijn voorzien van een aantal zonnecellen en ook in de ruimtevaart.
Een zonnepaneel moet niet worden verward met een zonnecollector. Deze is op een ander principe gebaseerd, namelijk opwarming van een stromend medium, meestal water.
Bouw en werking
thumb|Zonnepaneel langs de Duitse autoweg Zonnecellen zijn meestal gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen. Onder invloed van licht wordt elektrische spanning opgewekt tussen de lagen. Daarom heten zonnecellen ook wel fotovoltaïsche cellen (Oudgrieks φῶς, phōs: licht, en volt naar de eenheid van elektrische spanning). Afgekort wordt gesproken van PV-systemen.
PV-systemen kunnen ook worden gemaakt met behulp van de dunnelaagtechnologie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van amorf silicium. Deze elementen hebben een lager rendement, maar zijn ook beduidend goedkoper. Het rendement van gangbare zonnecellen ligt tussen ca. 15 en 20%, waarbij de cellen met betere rendementen (nieuwere techniek) wel duurder zijn.
Een zonnecel die met zijn esthetische kwaliteit bijzonder geschikt is voor zichtbare architecturale toepassingen, is de achtercontactcel. Die wordt zo genoemd omdat alle elektrische contacten op de achterzijde plaatsvinden en de voorkant een nauwelijks zichtbaar metalen raster heeft, zonder storende dubbele metaalstroken. Dat resulteert ook in een grotere bruikbare oppervlakte van de cellen en hoeveelheid geleverde stroom.
Afmetingen Tot begin jaren 20 waren de afmetingen van zonnepanelen veelal circa 99 cm breed en 165 cm hoog. In de laatste vergrotingsstap is de meest voorkomende afmeting circa 113 cm breed en 176 cm hoog. Er zijn echter veel andere maten beschikbaar waarbij speciale extra grote panelen van circa 1,3 x 2,4 meter speciaal bedoeld zijn voor grote installaties.
Soorten siliciumcellen De wijze waarop silicium is verwerkt bepaalt de kwaliteit van het paneel. Er zijn drie soorten, te weten: monokristallijn, polykristallijn en amorf (zoals hierboven al beschreven). Monokristallijn: De zonnecellen in een monokristallijn zonnepaneel bestaan uit één kristal. Het oppervlak van monokristallijne zonnecellen heeft geordende elektroden en is egaal zwart. Deze zonnepanelen hebben het hoogste rendement. Monokristallijne zonnepanelen hebben enkele procenten meer opbrengst dan polykristallijne. Deze panelen zijn duurder, maar hebben een hoger rendement per oppervlakte. De beste keuze voor het behalen van een maximale rendement en bij een beperkte ruimte. Polykristallijn: In een polykristallijn zonnepaneel bevinden zich zonnecellen die bestaan uit meerdere grove kristallen. Een polykristallijne zonnecel vertoont een soort gebroken schervenpatroon. De polykristallijne zonnepanelen zijn gunstig geprijsd en bieden een redelijk hoog rendement, hoewel minder rendement dan monokristallijne zonnepanelen. Wanneer er genoeg ruimte op een dak aanwezig is, is dit de beste keuze. Amorf: In een dunne-filmzonnepaneel wordt amorf silicium gebruikt. Amorfe zonnepanelen bevatten geen kristallen maar poeder. Hierdoor zijn ze zeer buigzaam. De amorfe zonnepanelen geven het minste rendement van de drie. De prijs ligt wel een stuk lager, maar deze zonnecellen zijn minder geschikt voor toepassing in zonnepanelen.
Verschijningsvormen De bekendste verschijningsvorm van zonnepanelen is in een metalen omlijsting. Daarnaast zijn er ook: flexibele panelen frameloze glas-glas zonnepanelen (toegepast op Station Utrecht Centraal) dunnefilmpanelen (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si, µc-Si) dakpannen met geïntegreerde PV-cellen. gekleurde panelen, gemaakt om beter te passen bij architectuur, bijvoorbeeld op monumenten. Deze hebben een lager rendement.
Toepassing Verschillende toepassingen voor zonnepanelen zijn: Off-grid of autonome toepassing Ruimtevaart Direct verbruik Netgekoppelde zonnestroomsystemen Zonneparken
Off-grid of autonome toepassing
Men vindt zonnecellen vaak op plaatsen waar het te duur of onmogelijk is om gebruik te maken van het lichtnet, hoogspanningsnet of van een aggregaat. Toepassingen zijn bijvoorbeeld op zeiljachten, lichtboeien op het water, lantaarnpalen op afgelegen kruispunten of het gehele dorp zoals Rema in Ethiopië. Ook draagbare voorwerpen zoals rekenmachines en zaklampen worden voorzien van zonnepanelen. Om de stroom op te kunnen slaan is er een accusysteem nodig.
Ruimtevaart Een gebied waar zonnepanelen op grote schaal zeer succesvol worden toegepast is de ruimtevaart. Ruimtevaartuigen in een baan om de Aarde en met bestemmingen in het binnenste deel van het zonnestelsel worden veelal uitgerust met zonnepanelen. De bekendste in een baan om de aarde is het Internationaal ruimtestation ISS. Het grootste deel van dit ruimtestation bestaat uit een centraal geraamte waaraan zestien enorme zonnepanelen zijn bevestigd. Voor bestemmingen verder dan Mars is het licht te zwak voor een efficiente toepassing van zonnepanelen.
Direct verbruik Er is de mogelijkheid dat een zonnepaneel direct een verbruikend toestel aandrijft. In de zuiverste vorm heeft dit enkel toepassing als "desk gadgets", denk daarbij aan een ventilator die het doet wanneer er voldoende licht op het bijbehorende PV-paneel valt.
In huisinstallaties met een PV-installatie wordt ook over direct verbruik gesproken wanneer de kWh-meter van de netbeheerder 0 watt aangeeft op het inkoop telwerk en er wel verbruikers zijn in de woning. In dit geval wordt de gegenereerde zonne-energie direct verbruikt door de huisinstallatie.
Netgekoppeld zonnestroomsysteem
In Nederland en België worden de meeste zonnepanelen via een omvormer (inverter) aan het elektriciteitsnet gekoppeld. Overtollige energie kan dan via het net worden verdeeld. Via de energieleverancier wordt hiervoor een vergoeding per kilowatt gegeven.
Zonneparken Steeds meer wordt zonne-energie collectief opgewekt in zonneparken, ook wel zonneweiden genoemd. Deze bestaan uit een groot aantal zonnepanelen. Meestal zijn ze gekoppeld aan het elektriciteitsnet.
In november 2019 werd een proef gestart met drijvende panelen op de Noordzee. Ook in Indonesië en Vietnam staan (stand 2020) projecten op stapel voor zonnevelden op water, hierbij gaat het om meren.Winterstormen krijgen de zonnepanelen op de Noordzee niet kopje onder. Trouw, 11 maart 2020
Opbrengst thumb|Een elektriciteitsnet met een hoog percentage aan hernieuwbare energiebronnen heeft over het algemeen een flexibelere opwekking nodig in plaats van basislastcentrales De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van een aantal factoren: De effectieve lichtinval: bij schuin invallend licht is de opbrengst kleiner. Het seizoen: er is langer zonlicht in de zomer, de zon staat hoger aan de hemel en er is minder bewolking. Rendement; het percentage van de energie in het op het zonnepaneel vallende zonlicht dat wordt omgezet in elektriciteit. Het rendement verschilt onder meer afhankelijk van het type zonnecel en de ouderdom. Temperatuur; bij hoge temperaturen wordt minder vermogen opgewekt dan bij lage temperaturen. Dit heeft te maken met de hogere diodedoorlaatspanning (temperatuurcoëfficiënt −2 mV/°C) bij lagere temperatuur. Op een nominale PV-celspanning in het maximumvermogenspunt van 400 mV betekent dit ongeveer 5% daling van het geleverde vermogen voor elke 10 °C temperatuurstijging.
Om het vermogen van zonnepanelen te kunnen vergelijken, zijn er standaardcondities opgesteld: een instraling van 1000 W/m², waarvan het spectrum overeenkomt met het spectrum van zonlicht bij een luchtmassa van 1,5 (dit betekent dat het zonlicht een afstand door de atmosfeer heeft afgelegd die gelijk is aan anderhalfmaal de gemiddelde dikte van de atmosfeer) en een celtemperatuur van 25 °C. Het maximale elektrische vermogen van een zonnepaneel onder deze condities wordt het piekvermogen genoemd en wordt geschreven als Wp (wattpiek).
Optimale opstelling De optimale opstelling van zonnepanelen wordt door een complex aan factoren bepaald. Wanneer (zonne)licht loodrecht op een paneel valt, wordt de meeste stroom geproduceerd, al wordt dit minder naarmate het paneel warmer wordt. Uit economische en technische overwegingen worden panelen veelal vast gemonteerd. Daarbij wordt meestal een richting gekozen die, over het jaar gemiddeld, de meeste stroom oplevert. De meeste stroom wordt dan dagelijks rond de middag geproduceerd. Aangezien niet alle stroom op dat moment verbruikt wordt, kan voor een andere positie worden gekozen, bijvoorbeeld richting oosten en westen. Het verlies aan opbrengst is daarbij beperkt. Het stroomnet kan rond de middag overbelast raken, de panelen worden dan automatisch uitgeschakeld volgens de voorschriften van de netbeheerder.Spanningsproblemen met zonnepanelen voorkomen. Netbeheer Nederland, 2021. via
Installatie De opbrengst van de zonnepanelen is mede afhankelijk van het toegepaste PV-systeem. Van belang is de plaatsing van de panelen, de keuze van de omvormer en de toepassing van optimizers en eventuele opslagsystemen.
De gelijkstroom van zonnepanelen wordt doorgaans omgezet in wisselstroom. Doordat de omvormer verliezen veroorzaakt is de capaciteit van de omvormer mede bepalend voor de effectieve opbrengst. In de praktijk wordt deze veelal zo gekozen, dat de maximale productie van de panelen niet benut wordt, ten gunste van een beter rendement bij een lagere productie van de panelen.
Montage Op daken versus op de grond Zonnepanelen kunnen geplaatst worden op daken of er kan gekozen worden om een gedeelte van de schaarse ruimte op te offeren voor de plaatsing van zonnepanelen. De plaatsing van zonnepanelen op daartoe geschikte daken (wat betreft hellingshoek en positie richting de evenaar) leidt tot een betere benutting van de schaarse ruimte. Dit wordt versterkt door het feit dat er bij panelen op de grond er nog ruimte tussen de panelen moet zijn om schaduw te voorkomen en om er bij te kunnen komen voor onderhoud. Volgens een studie van hoogleraar Wim Sinke voldoet voor de opwekking van de hoeveelheid energie die nu wordt gebruikt in Nederland, naast een paar vierkante kilometer voor accu's, één zonnepark van 35 bij 35 kilometer. Als er alleen zonnepanelen op daken worden gelegd, in optimale richting, 25 bij 25 kilometer.Zonnepark zo groot als provincie Utrecht kan Nederland voorzien van stroom, Algemeen Dagblad, 17 juli 2017
Indak versus opdak zonnepanelen Er zijn hoofdzakelijk twee verschillende soorten systemen om zonnepanelen op het dak te plaatsen. Het indaksysteem en het meer bekende opdaksysteem.
Liggende plaatsing versus staande plaatsing Qua rendement zijn er geen verschillen om de zonnepanelen liggend (landscape) of staand (portrait) te plaatsen. De afweging is veelal afhankelijk van:
Kosten voor het montagemateriaal Ruimte op het dak (portrait is meer tussenruimte nodig) Afmetingen van het dak (bij optimale benutting van het dak kan soms portrait en soms landscape de beste keuze zijn)