Basiskennis Installaties: Zonnepanelen

Referentienummers

• Zonnepanelen
• (61) Elektrotechnische voorzieningen
• 70.00 elektrotechnische installaties
• Fotovoltaïsche zonnepanelen, Fotovoltaïsche panelen, PV panelen

Samenstelling

Systeemopbouw van zonnepanelen

De huidige generatie zonnecellen bestaat voornamelijk uit de volgende 3 groepen.

Fotovoltaïsche cellen

In 1961 is de eerste theorie om energie uit zonlicht te halen opgezet door de onderzoekers Shockley en Queisser. Vanuit deze theorie zijn praktisch functionerende zonnepanelen op de markt gekomen. Deze zonnepanelen worden ook wel photovoltaïsche, fotovoltaïsche of PV panelen genoemd en bestaan uit zogenoemde zonnecellen. Zonnecellen zijn doorgaans opgebouwd uit een 0,3 tot 0,4 millimeter dikke plak kristallijn silicium waarin door dottering fosfor en borium zijn aangebracht.  Als die plak silicium in de zonnecel wordt bloot gesteld aan licht, electromagnetische straling, gebeurt het volgende:

• Elektronen bevinden zich altijd liever in een atoomschil dan daarbuiten, voor hen is dat het oneindige. Om die positie in de schil te waarborgen is de potentiële energie van een elektron altijd negatief geladen;
• Licht bestaat uit een stroom lichtdeeltjes, die ook wel fotonen worden genoemd;
• Elk foton bevat een zeer kleine hoeveelheid energie, de foton-energie. Een foton is dus een klein energiepakketje ;
• Als een siliciumelektron aan licht wordt blootgesteld krijgt het elektron extra energie waardoor het loskomt uit de atoomschil. Het elektron komt door deze extra energie in de zogenoemde geleidingsband en bevindt het zich in een energetisch hogere toestand. Dit heet het fotovoltaisch effect waardoor een elektronenbron ontstaat;
• Dit heeft als gevolg dat er in de schil een gat ontstaat dat niets anders is dan een plaats waar een siliciumelektron ontbreekt, niet meer negatief geladen meer is en daardoor voor de nog aanwezige elektronen dus positief geladen is. Naburige siliciumelektronen zullen dan ook altijd deze gaten vullen, het gat verplaatst zich dan in tegengestelde richting van het verdwenen elektron;
• Vanwege de tegengestelde lading van siliciumelektronen en siliciumgaten is het dus belangrijk dat ze in de zonnecel van elkaar worden gescheiden. Dit gebeurt door een elektrisch veld aan te leggen;
• Een halfgeleider is een stof die elektrische stroom maar in één richting doorlaat. Alleen in halfgeleiders kan een elektrisch veld worden aangebracht door een positieve halfgeleider in contact te brengen met een negatieve halfgeleider, waardoor in een gebied rond de grens van deze materialen een elektrisch veld ontstaat;
• De halfgeleiders die in veel zonnepanelen worden toegepast zijn dunne plakjes siliciumkristallen waarin fosfor- en boriumatomen zijn ingebouwd. Zowel fosfor als borium hebben vier elektronen nodig om een chemische binding met silicium te maken. Het fosforatoom heeft echter vijf elektronen in de aanbieding, borium maar drie. Borium pikt dan een elektron van fosfor af om er ook vier te hebben. Als het fosfor allemaal in de bovenste helft van het kristal zit en het borium in de onderste, dan loopt er heel even een stroompje elektronen van boven naar beneden totdat alle boriumatomen voorzien zijn;
• Deze positief/negatief-overgang voorkomt met zijn blokkerende werking dat de siliciumelektronen en de siliciumgaten elkaar neutraliseren;
• Zo kunnen de vrije siliciumelektronen hun extra energie blijven vasthouden en kan deze extra energie via de eerder genoemde elektrische contacten worden afgetapt en gebruikt worden in de vorm van elektrische stroom.

Monokristallijn en polykristallijn

Fotovoltaïsche zonnecellen worden monokristallijn en polykristallijn in zonnepanelen toegepast:

• Monokristallijne zonnepanelen zien er egaal uit qua kleur, omdat de afkoeling van de silicium heel geleidelijk verloopt waardoor alle kristallijnen in dezelfde richting liggen;
• Polykristallijne zonnepanelen ogen qua kleur onrustiger, omdat daarbij de silicium niet gecontroleerd is afgekoeld, waardoor de kristallijnen allemaal een eigen richting aannemen.

Dunne film zonnecellen

Een andere vorm van fotovoltaïsche zonnepanelen maakt gebruik van amorf silicium en de dunne film technologie. Dit soort elementen hebben wel een lager rendement maar daar staat tegenover dat ze ook aanzienlijk goedkoper zijn in de aanschaf.

Dunne film zonnecellen worden 'gedeponeerd' vanuit het gas silaan, waarvan de moleculen uit een siliciumatoom bestaan dat door 4 waterstofatomen wordt omringd. Hoogfrequente straling breekt de silaanmoleculen in stukken waarna het silicium neerdaalt op een drager. Het aangroeiende silicium krijgt een microkristallijne structuur als het silaan voldoende verdund wordt met waterstof. De truc zit hem erin dat zoveel mogelijk fotonen een elektron oplevert. Hierin is nog altijd winst te halen en zal onderwerp van wetenschappelijk onderzoek blijven.

Elementopbouw van zonnepanelen

Omvormers

De gelijkstroom die de zonnepanelen leveren worden door een omvormer omgezet tot wisselstroom die we kunnen gebruiken. De stroom die is opgewekt maar niet wordt gebruikt, kan bij een gekoppeld systeem worden afgegeven aan het elektriciteitsnet, de energieleverancier koopt dan de elektriciteit over. Wanneer er een tekort aan elektriciteit ontstaat, draaien die rollen van leverancier en afnemer weer om (deze salderingsregeling geldt nog tot 2023, u kunt u zelf aanmelden bij uw netbeheerder)

Netwerk of accu

De elektriciteit die de zonnepanelen opwekken kan ook worden opgeslagen in accu’s. Bij de opslag in accu’s moet er rekening gehouden worden met voldoende capaciteit om ook de donkere winterdagen te kunnen overbruggen. Vanaf 2023 wordt de salderingsregeling in stappen afgebouwd.

De Rijksoverheid geeft aan dat voor het geleidelijk afbouwen van salderen tussen 2023 en 2031 het voor de Belastingdienst noodzakelijk is dat huishoudens en bedrijven beschikken over een meter die levering en teruglevering afzonderlijk kan meten, oftewel een meter met minimaal een dubbel telwerk. Dat kan bijvoorbeeld een slimme meter zijn. Vanaf 1 januari 2023 is het verplicht om zo’n meter met een dubbel telwerk in huis te hebben. De meters zullen voor die datum worden aangeboden door de netbeheerders. Vanaf 2023 kan dan de geleidelijke afbouw van de salderingsregeling starten. Dan kan het ook interessant worden om het teveel aan opgewekte elektriciteit in een eigen accu op te slaan.

Vorm en afmeting

Afmetingen van zonnepanelen

Gemiddeld zijn zonnepanelen ongeveer 1,5 m² groot.

Prestaties

Opbrengst van zonnepanelen

Als maat voor 1 uur volle zon wordt 1.000 Wattuur per m² aangehouden: 1 kWh/m². Dit is ook de waarde voor de instraling waarbij het zogenaamde piekvermogen van een paneel bepaald wordt. Het begrip ‘uren volle zon’ maakt het makkelijk de opbrengst van een PV-paneel te berekenen. Het totale jaarlijks zonaanbod in Nederland bedraagt ongeveer 1.000 uren volle zon. Daarmee bedraagt dus de gemiddelde jaarlijkse zoninstraling circa 1.000 kWh/m².  Op dit gemiddelde zijn variaties van 25% mogelijk. Het verticale vlak blijft ten opzichte van het horizontale vlak ongeveer 150 uren volle zon achter en op een vlak van 45° is het verlies zelfs 325 volle uren zon.

Invloed hellingshoek

De zoninstraling zoals hierboven vermeld is wordt bepaald op het horizontaal platte vlak. Wanneer de zonne-energie gebruikt moet worden voor de omzetting in elektriciteit kan het zonaanbod beter worden benut door het vlak op de zon te richten. In Nederland  behaalt men het grootste rendement door het platte vlak onder een hoek op het zuiden te richten. Zet men bijvoorbeeld een vlak onder een hoek van 45° dan levert dat jaarlijks 180 uur volle zon extra op. Gaat het echter om een zo hoog mogelijke instraling, dan is een hoek van 30° te verkiezen. Wil men daarentegen het meest uit de winterzon halen dan is een hoek van 60 tot 70° beter. Toepassing in een gevel, hellingshoek 90°, is in de zomer ongunstig maar in de winter juist gunstig.

De beste hellingshoek van een vast zonnepaneel kan voor alle toepassingen en voor alle plaatsen op het aardoppervlak met behulp van digitale modellen worden bepaald.

In onderstaande tabel wordt het gemiddelde dagaanbod van zonne-energie in Nederland onder verschillende hellingshoeken gegeven, bij een oriëntatie op het zuiden:

Andere oriëntaties

• Oriëntatie op het ZZW of ZZO geeft een verlies van 5%;
• Oriëntatie op het ZW of ZO geeft een verlies van 10%.

Nominale opbrengst

Op de markt zijn zonnepanelen beschikbaar met een nominale opbrengst tussen 250 tot 615 Wp (Wattpiek). 1 Wp ≈ 0,85 kWh.

Hoe hoger de Wp-waarde, hoe meer elektriciteit omgevormd kan worden en hoe hoger de prijs per paneel.

Toepassing

Functionele bruikbaarheid van zonnepanelen

Zonnepanelen kunnen op elke schaal worden ingezet om stroom op basis van zonne-energie te genereren, van een zonnepanelenpark op regionaal niveau tot zonnepanelen op een dak van een eengezinswoning, of zelfs op het dak van een camper voor de avondverlichting en de radio.

Economische bruikbaarheid van zonnepanelen

Gebaseerd op de gegevens uit de tabel onder 'Prijzen' is de terugverdientijd ongeveer 9-10 jaar, waarbinnen de gemaakte kosten worden terugverdiend. Dit wordt onder andere mogelijk gemaakt door de salderingsregeling. Deze regeling verrekent de stroom die u levert aan het energienet met de stroom die u verbruikt. In 2020 of 2021 wordt deze salderingsregeling echter vervangen door de terugleversubsidie. Minister Wiebes geeft aan dat daarmee de aanschaf voor zonnepanelen in 7 jaar kan worden terugverdiend.

Momenteel is geen landelijke subsidieregeling voor de aanschaf van zonnepanelen. Lokale overheden daarentegen bieden nog wel mogelijkheden. Er zijn een aantal gemeentes die nog een subsidie geven op de aanschaf van zonnepanelen. Deze subsidie variëren van een percentage op de aanschaf tot een vaste vergoeding op de investering. Op Energiesubsidiewijzer kun je nagaan of er in jouw woonplaats ook een lokale subsidieregeling geldt.

BTW teruggave voor zonnepanelen

Er bestaat de mogelijkheid voor particulieren om de volledige BTW op de aanschaf op zonnepanelen terug te ontvangen. Dat houdt in dat je 21% BTW op zowel de materialen als de gehele installatie terug kan vorderen. Omdat een particulier stroom levert aan het energienet, kan deze worden beschouwd als ondernemer. Je meldt je aan bij de Belastingdienst als ondernemer, maar je hoeft je niet te registreren bij de Kamer van Koophandel.

Voorschriften voor zonnepanelen

De aanleg van zonnepanelen is in principe vergunningvrij, mits aan de volgende voorwaarde wordt voldaan:

1. De zonnepanelen moeten op een dak worden geplaatst;
2. Het zonnepaneel moet een geheel vormen met de installatie voor het opwekken van elektriciteit. Als dat niet het geval is, dan moet die installatie binnen in het betreffende gebouw worden geplaatst;
3. Komt het zonnepaneel op een schuin dak, dan geldt dat:

• het zonnepaneel niet mag uitsteken en dus aan alle kanten binnen het vlak van het dak moet blijven;
• het zonnepaneel in of direct op het dakvlak moet worden geplaatst,
• de hellingshoek van het zonnepaneel hetzelfde moet zijn als die van het dakvlak waarop het staat;

4. Komt het zonnepaneel op een plat dak, dan geldt dat het paneel ten minste net zo ver verwijderd moet blijven van de dakrand als het paneel hoog is. Is het hoogste punt van het zonnepaneel bijvoorbeeld 50 centimeter, dan moet de afstand tot de dakrand(en) ook minimaal 50 centimeter zijn.

Voldoe je niet aan alle bovenstaande voorwaarden, dan krijg je te maken met het bestemmingsplan. In dat geval geldt dat je in principe een omgevingsvergunning moet aanvragen (uitzondering daargelaten, raadpleeg de publicatie Zonnecollectoren en zonnepanelen).

Vinden de werkzaamheden plaats aan een monument of in een door het Rijk aangewezen beschermd stads- of dorpsgezicht dan kun je in een aantal gevallen toch vergunningvrij bouwen. Neem hiervoor contact op met uw gemeente of doe de vergunningcheck op www.omgevingsloket.nl

Alleen als voldaan wordt aan alle genoemde voorwaarden mag je zonnepanelen zonder vergunning plaatsen. Deze voorwaarden gelden ook als je vergunningvrij iets wilt veranderen aan de zonnepanelen. Je mag altijd meerdere zonnepanelen vergunningvrij plaatsen, zolang er maar wordt voldaan aan de genoemde voorwaarden.

_{Bron: Zonnecollectoren en zonnepanelen – Rijksoverheid}

Het Bouwbesluit moet ook bij vergunningvrije werken in acht worden genomen en het is je eigen verantwoordelijkheid om daar kennis van te nemen en om te (laten) zetten in de praktijk. In het artikel Omlaag met het energieverbruik, omhoog met dat zonnepaneel! kun je er meer over nalezen.

Alternatieve toepassingen van zonnepanelen

Met de huidig beschikbare techniek zijn heel veel bouwproducten ontwikkeld waarin zonnepanelen zijn verwerkt, of die het mogelijk maken zonnepanelen breder toe te passen. Hieronder vindt u, naast de bekende zonnepaneelopstelling op daken, een greep uit het aanbod:

Dakbanen met geïntegreerde zonnepanelen

Waterdichte baanvormige dakbedekking met geintegreerde soepele amorfe fotovoltaïsche cellen. Deze PV-cellen zetten zonne-energie om in bruikbare elektriciteit. Als ondergrond wordt witte polymeerbitumen dakbaan gebruikt.

Fotovoltaïsche panelen en montagesysteem voor platdak

De combinatie van PV fotovoltaïsche elementen met montagesysteem is de optimale oplossing voor platte daken. Zonder een extra ballastlaag zijn de fotovoltaische elementen met slecht vijf verschillende onderdelen te monteren. Met de onder een hoek van 10° onderling verspringende oriëntatie op oost en west kan 90% van het dakoppervlak optimaal benut worden.

Zonnepaneeldakbanen voor felsdaken

Door het verlijmen van het volledige vlak op het felsdak van aluminium functioneren de modules als een tweede huid. Architectonische oplossing die bestaat uit voltaire modules, opgebouwd uit silicium halfgeleider laagjes, die onderling opgebouwd zijn. De eerste laag absorbeert het blauwe licht, de tweede het groene/gele licht en de derde het rode licht.

Zonnepanelen voor felsdaken

Frameloze zonnepanelen die op de bestaande dubbele staande fels worden gemonteerd.

Zonnepanelen voor schubvormig dakpanpatroon

Deze zonnepanelen zijn volledig te integreren in het schubvormige patroon van een dak. De panelen zijn leverbaar voor meerdere modellen dakpannen.

Kozijnmodules en gevelmodules met zonnepanelen

Voor duurzame architectuur zijn kozijn- en gevelmodules met geïntegreerde zonnepanelen ontwikkeld  die op maat kunnen worden geleverd en die geschikt zijn voor woning-, utiliteitsbouw, industrie en de zorgsector.

Zonwering van zonnepanelen

Gevels staan steeds meer in dienst van allerhande functionaliteiten. Klimaatbeheersing bijvoorbeeld, of energiewinning middels een fotovoltaïsch systeem, gebruikmakend van zonnepanelen. De ontwikkelde systemen kunnen op gevels of in vliesgevels en puien geplaatst worden, of geïntegreerd worden in glas.

Aluminium profielplaten met geïntegreerde zonnepanelen

Een aluminium dakbedekkingssysteem met een amorfe silicium solarfolie, een innovatieve en zeer duurzame combinatie die nieuwe mogelijkheden biedt voor de winning van zonne-energie.

Verwerking en montage

Voor de bevestiging van zonnepanelen op schuine pannendaken wordt vaak gebruik gemaakt van rails die met haken worden aan de gordingen worden bevestigd. Na het aanbrengen van de haken worden de pannen weer teruggeplaatst en worden de zonnepanelen met een kliksysteem in de rails geklemd.

Op platte daken wordt met een montagesysteem een helling gecreëerd. Voor een montagesystemen die los op het plat dek zijn te leggen, worden de liggers verzwaard met betonblokken. De zonnepanelen kunnen in de rails worden geschoven of geklemd. Het is ook mogelijk om montagesystemen voor zonnepanelen op platte daken door middel van schroeven te bevestigen.

Voor de bevestiging van zonnepanelen aan de gevel kan gekozen worden voor een verticale bevestiging of voor bevestiging onder een hoek waardoor er een soort afdak ontstaat. Een opstelling van zonnepanelen op de grond wordt opgelost door een montagesysteem dat in de grond wordt verankerd.

Montagesystemen voor zonnepanelen zijn doorgaans van aluminium of van rvs gemaakt.

In Nederland kunnen erkende installateurs u helpen bij de installatie van zonnepanelen. Nationaal erkende installateurs zijn in het kwaliteitsregister van Zonnekeur te vinden, voor België zijn die te vinden op de website van Rescert.

Onderhoud

Zonnepanelen hebben relatief weinig onderhoud nodig. Het verdient aanbeveling om om de paar jaar de panelen te laten reinigen.

Meestal kunt u een abonnement op periodiek onderhoud afsluiten bij de aanschaf van zonnepanelen. Een erkend monteur kijkt de zonnepanelen en de omvormingsinstallatie na. Het verdient aanbeveling dat u let op de voorwaarden van het onderhoudscontract als het gaat om storingen die optreden. Als die te hoog zijn, is het vaak rendabeler om een servicecontract af te sluiten.

Kwaliteit en garantie

Kwaliteit van zonnepanelen

Voor zonnepanelen worden de volgende keurmerken gehanteerd:

• CE Keurmerk: dit is geen speciaal keurmerk voor zonnepanelen, maar geldt voor alle producten. Het wil zeggen dat ze voldoen aan de Europese regelgeving. Zonder een CE keurmerk mag een product niet op de Nederlandse markt verkocht worden;
• IEC: IEC (International Electrotechnical Commission, Zwitserland) ontwikkelt algemene internationale normen voor de veiligheid van elektrische componenten en apparatuur. Zonnepanelen met dit keurmerk worden geproduceerd conform industriestandaard IEC 61215;
• RoHS: de afkorting staat voor ’Restriction of Hazardous Substances’, oftewel Beperking van Gevaarlijke Stoffen. Iedere lidstaat van de EG moet een eigen wet aannemen om deze richtlijn in te voeren. De richtlijn geldt ook voor zonnepanelen. De volgende stoffen vallen onder de richtlijn: cadmium, chroom (zeswaardig), lood, kwik, PBB en PBDE;
• TÜV: keurmerk in Duitsland, wordt wereldwijd aanvaard als een van de meest betrouwbare keurmerken. TÜV zorgt voor een periodieke inspectie van de productie. Als de zonnepanelenfabrikant voldoet aan de eisen, ontvangt hij een TÜV-ID certificaat. Een TÜV-ID fabrikant heeft ook een IEC 61215 kwalificatie.

Garantie op zonnepanelen

Op hoge kwaliteit zonnepanelen (met een Wp hoger dan 300) wordt vaak 15, 20 of zelfs 25 jaar productgarantie gegeven.

Economische factoren

Prijzen van zonnepanelen

_{* met 250 Wp per paneel}

_{** voor de panelen, incl. omvormer en installatie}

Leveringsvoorwaarden op zonnepanelen

Raadpleeg de voorwaarden van uw leverancier.

Milieu en gezondheid

Duurzaamheid van zonnepanelen

Voor de levensduur van zonnepanelen kun je denken aan ongeveer 25 jaar. Hoewel dit van veel factoren afhankelijk is, is de kwaliteit van het systeem doorslaggevend. Houdt er in die tijd wel rekening mee dat de omvormer wel een keer vervangen moet worden, want daarvan ligt de levensduur ongeveer op 12 jaar.

Referenties

Geraadpleegde en andere ter zake doende literatuur

Productinformatie van leveranciers

RVO Subsidieregelingen

MilieuCentraal.nl

Jellema 6A elektrotechnisch en sanitair, 2^e en 3^e druk - ThiemeMeulenhoff

Handboek Zonne-energie, Bouwkundige- en installatietechnische richtlijnen voor zonne-energiesystemen – ISSO

Europese Richtlijn Energieprestatie van gebouwen (EPBD)

Ecodesign - Europese Commissie

KNMI Handboek H07, Straling

KNMI Handboek H08, Zonneschijn

Normen, nationale praktijkrichtlijnen en beoordelingsrichtlijnen