profielwerkstuk

Zonne-energie

Senna Snel & Emma van Westrhenen

6V1 7 februari 2014

1

Summary Solar energy is a form of alternative energy, also called green energy. There are two kinds of

solar energy, passive and active. Passive means that you use the energy of the sun without the intervention of devices, an example is building your house in a way that it catches as much

sunlight as possible. Active solar energy is using the sunlight with the use of devices. There are

concentrated solar power systems (solar dish, solar trough and solar tower), solar thermal

energy (solar collector) and photovoltaic cells.

A solar dish consists of many small mirrors that reflects light on a point. In the motor, which is in

the focus of the solardish, is the energy from the sunlight converted to heat. Then the heat is

converted to mechanical power, usually by a stirling motor, but sometimes by a Brayton motor.

Eventually, the mechanical power is transformed into electricity by an electric motor. The solar

dish has two tracking systems to capture the sunlight as good as possible, namely, the

azimuth–altitude dual axis tracker and the polar tracking system.

The parabolic trough is an elongated semi­circular tube. The sunlight is in the center of the

trough concentrated in a tube with fluid in it. The fluid transports the heat, caused by the

concentration of sunlight, to an heat exchanger. Here, the heat is converted in steam and

eventually in electricity. A parabolic trough has a tracking system and a thermal storage system

to store heated fluid for later use.

There are two types of solar towers. In a reflective solar tower sunlight is concentrated at the top

of the tower. The tower transmits heat to a fluid, this can be water or a combination of types of

salt. The greenhouse solar tower uses a field filled with horizontally situated glass. The sunlight

that falls on the glass, is strongly heated underneath it and causes a warm air stream. Hereby

wind turbines get turned on and at the end electricity is produced. This tower can also store

energy.

A solar collector captures sun rays and heats water with it. A solar collector a sort of box with a

black bottom, that absorbs the solar heat. Underneath is a layer of insulation to help retain the

heat and the box is covered with a glass plate. The water is heated in pipes. A solar collector is

a kind of greenhouse.

A photovoltaic cell consists of a n­doped layer (with extra electrons), a p­doped layer (with a

2

shortage of electrons) and a pn­band. When a sun ray strikes the solar cell, an electron from the

p­doped layer is released. This creates a charge difference causing an electric current to flow

through the cell and the resistance. Through the bottom side, the electron goes back into the

solar cell. A grätzel cell doesn’t use a pn­layer but an electrolyte.

For the practical part, we have built a grätzel solar cell. We did this by taking two conductive

glass plates. At plate 1, we applied TiO2 and dye (preferably blue). At plate 2 we applied

graphite. We put iodine solution in between and this causes electrons to run and we built a

working solar cell. The measurements were done with a multimeter.

After this experiment we have composed a few follow experiments and performed them. We

have looked at the effect of dye on the solar cell, how he reacts to different colors of light and

how many cells we had to put in series to let a little lamp of 1,5V work.

3

Inhoudsopgave Samenvatting 2 Inhoudsopgave 4 Voorwoord 6 Inleiding 7 Hoofdvraag en deelvragen 8 1. Theorie

1.1 De zon 9 1.1.1 De energie van de zon 9 1.1.2 De zon en de aarde 9 1.1.3 Zonne­energie in Nederland 10 1.2 Geschiedenis zonne­energie 11

1.3 Verschil actieve en passieve energie 12 1.4 Solaire concentratoren 13

1.4.1 Zonneschotel 13 1.4.2 Parabolische trog 18 1.4.3. Zonnetoren 21

1.5 Zonnecollectoren 25 1.6 Fotovoltaïsche cellen 29 1.7 Vergelijking zonne­energie met fossiele brandstoffen 38

2. Practicum: Het maken van een zonnecel

2.1 Inleiding 41 2.2 Hypothesen 41 2.3 Werkwijze 42

2.3.1 Materialen

2.3.2 Methode

2.4 Resultaten 46 2.5 Discussie/Evaluatie 49 2.6 Berekeningen 50 2.7 Conclusie 50

4

2.8 Mogelijke vervolgexperimenten 51

3. Vervolg practica 3.1 Effect van kleurstof op het rendement van de zonnecel 53

3.1.1 Inleiding 53 3.1.2 Hypothesen 53 3.1.3 Werkwijze 54 3.1.4 Resultaten 56 3.1.5 Discussie/Evaluatie 56 3.1.6 Berekeningen 57 3.1.7 Conclusie 58

3.2 Vermogen van zonnecellen bij verschillende kleuren licht 59 3.2.1 Inleiding 59 3.2.2 Hypothesen 59 3.2.3 Werkwijze 60

3.3 Serie schakelen van onze zonnecel 61 3.3.1 Inleiding 61 3.3.2 Hypothesen 61 3.3.3 Werkwijze 61

4. Conclusie 63 5. Literatuur lijst 65 6. Logboek 68

5

Voorwoord Wij zijn Senna Snel en Emma van Westrhenen, twee leerlingen van het Cartesius Lyceum, uit

6vwo. Wij schrijven ons profielwerkstuk over zonne­energie omdat wij denken dat dit de

toekomst is.

In juni 2013 moesten we het onderwerp van ons profielwerkstuk bepalen, wij vonden dit erg

moeilijk. Eerst wilden we een product ontwerpen, bijvoorbeeld een stoel, maar het leek ons erg

moeilijk om hier 80 uur mee vol te krijgen. Vervolgens hebben we besloten dat we het over

zonne­energie wilden doen. Het plan was nu om een site te maken waarin je heel makkelijk kon

berekenen onder welke hoek je je zonnepaneel moest plaatsen om het paneel zo optimaal

mogelijk te gebruiken. Dit bleek echter al op vele manieren te bestaan.

(http://www.zonatlas.nl/amsterdam/ontdek­de­zonatlas/). Uiteindelijk besloten we om zelf

zonnecellen te maken, omdat we niet alleen literatuuronderzoek wilden doen, maar ook iets

praktisch.

We zijn begonnen met het beschrijven van verschillende soorten zonne­energie systemen en

daarna hebben we een zonnecel gemaakt. Tijdens het maken van de zonnecel zijn we tot

vervolgexperimenten gekomen.

Wij willen een paar mensen bedanken die ons hebben geholpen tijdens het maken van dit

profielwerkstuk. Ten eerste willen we onze pws­begeleider, meneer Van Wijngaarden,

bedanken. Hij hielp ons als we vragen hadden en stelde deadlines. Ook willen we de TOA, mvr.

de Vroomen, bedanken. Ze heeft ons heeft geholpen met het klaarzetten van de spullen van het

praktische deel en hielp ons als we iets van de proefopzet niet snapten.

Ten slotte willen wij u veel plezier wensen bij het lezen van ons profielwerkstuk.

6

Inleiding De zon geeft in één uur meer energie af dan de hele wereld in een jaar verbruikt. De energie die

hiervan benut wordt, is maar een paar procent van het geheel aan energie dat de aarde

verbruikt! Toch neemt het gebruik van zonne­energie wereldwijd sterk toe. Jaarlijks neemt de

capaciteit van zonne­energie toe met wel 30% doordat er continu innovaties plaatsvinden en

nieuwe ontdekkingen worden gedaan. Oftewel over het optimaal benutten van zonne­energie

valt nog veel te ontdekken en te leren . 1

Wij schrijven ons profielwerkstuk over zonne­energie omdat we hier allebei erg in

geïnteresseerd zijn. Het bouwen van een eigen zonnecel leek ons erg leuk omdat we graag iets

wilden doen met duurzame energie maar ons niet alleen maar bezig wilden houden met de

theorie. Het theoretische deel is dan ook geschreven om het bouwen en de werking van de

zonnecel beter te kunnen begrijpen. Ook staan er in dit werkstuk meerdere practica, die we

hebben uitgevoerd en beschreven om de werking van onze zelfgemaakte zonnecel

verduidelijken.

1 DeGunther, R. (2009). Alternative energy: For dummies. Verenigde Staten: Wiley.

7

Hoofdvraag en deelvragen Omdat het hoofdonderwerp het maken van een zonnecel is, hopen wij in ons profielwerkstuk duidelijk antwoord te kunnen geven op de volgende hoofdvraag: Hoe maken we een werkende zonnecel met een zo hoog mogelijk rendement? Het maken van een zonnecel is zeker niet makkelijk. De werking van een zonnecel is niet eenvoudig, maar we gaan het wel zo duidelijk mogelijk uitleggen door de volgende deelvragen te beantwoorden: 1. Wat is zonne­energie?

2. Wat voor soort zonne­energie systemen zijn er?

3. Hoe werken deze systemen?

4. Hoe werkt een zonnecel?

5. Hoe maken we zelf een zonnecel?

6. Heeft de kleurstof in de zonnecel invloed op de prestatie?

7. Hoeveel van onze zonnecellen zijn er nodig om een lampje te laten branden?

8

1. Theorie 1.1 De zon 1.1.1 De energie van de zon

Het licht en de warmte van de zon vormen samen de energie die de aarde bereikt. Deze

energie wordt geproduceerd in haar centrum. Het centrum van de zon kent een hoge dichtheid

van ongeveer 150 g/cm3 en een temperatuur van rond de 16 miljoen graden. Onder deze

omstandigheden vindt kernfusie plaats. Bij de zon gaat het om waterstoffusie. Simpel uitgelegd

is dit dat er bij iedere reactie vier waterstofatomen worden gefuseerd tot één heliumatoom (zie

figuur 1).

Figuur 1: Waterstoffusie (http://hemel.waarnemen.com/FAQ/Zon/011.html) 1.1.2 De zon en de aarde De zon produceert ongeveer 3,8∙1026 watt stralingsvermogen. Daarvan bereikt slechts een

fractie de aarde, namelijk 1,7∙1017 watt. Dat is nog altijd meer dan tienduizend maal het huidige

wereldenergiegebruik! Vanaf de zon lijkt de aardbol een platte schijf, met een straal van zeven

miljoen meter. Delen we de hoeveelheid zonnestraling door het oppervlak van de aardschijf,

dan blijkt dat iedere vierkante meter van die schijf per seconde een hoeveelheid energie van

1366 joule ontvangt. Dit vermogen, 1366 W/m2, noemt men de zonneconstante. Dit is de

intensiteit waarmee de straling van de zon de aarde bereikt. Deze kan een beetje afwijken door

verschillende factoren: de dikte van de tussenliggende laag lucht, de hoek waaronder de zon de

aarde treft, de afstand tussen de aarde en de zon die met de seizoenen iets verandert, en

vooral ook of er veel wolken zijn. Van deze straling wordt rond de 69% geabsorbeerd (19% door

waterdamp en door ozon in de ozonlaag, 4% door wolken en 46% door het aardoppervlak). De

overige 31% wordt weerkaatst (8% door Rayleighverstrooiing, 17% door wolken en 6% door het

aardoppervlak). Dit weerkaatsingsvermogen wordt het albedo effect genoemd. Op het

aardoppervlak bestaat de zonnestraling hoofdzakelijk nog uit zichtbaar licht en een gedeelte

dichtbij infrarood en ultraviolet licht. De rest van de energie, de kortgolvige ultraviolette straling

en de langgolvige infraroodstraling, worden door de atmosfeer geabsorbeerd. Dezelfde

9

hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd, wordt door de aarde en de atmosfeer weer

uitgestraald naar de ruimte als infrarode aardse straling.

Al kan de energie die in het binnenste van de aarde vrijkomt bij radioactief verval continenten

verplaatsen en vulkanen laten ontstaan, per vierkante meter aardoppervlak bedraagt die nog

geen duizendste van de hoeveelheid invallende energie van de zon! 2

1.1.3 Zonne energie in Nederland Het totale jaarlijkse zon aanbod in Nederland is ongeveer 1000 uur volle zon. Met andere

woorden: de gemiddelde jaarlijkse straling van de zon in ons land is ongeveer 1000 kWh/m². In

Nederland is het daggemiddelde 2,7 uur volle zon (2,7 kWh/m²).

Om het volledige elektriciteitsverbruik in Nederland (113.000 miljoen kWh 2009) met de huidige

kwaliteit huishoudelijke zonnepanelen (113 kWh/m² per jaar) op te wekken is 1.000.000.000 m²

effectief oppervlak nodig. Oftewel 1.000 km² op een landoppervlak van 33.883 km² en dat is

ongeveer 3%. Zonder rekening te houden met installatie en onderhoudsruimte is dit ongeveer

de oppervlakte van het IJsselmeer. 3

2 http://hemel.waarnemen.com/FAQ/Zon/011.html 3 http://www.solarwijzer.nl/zonne­energie

10

1.2 Geschiedenis zonne­energie Al zolang de mensheid bestaat is de zon erg belangrijk voor mensen. De Egyptenaren en

Grieken vernoemde zelfs een paar goden naar de zon, zo had je de Egyptische god Ra en de

Griekse goden Apollo en Helios. Deze drie goden waren erg belangrijk en werden het meest

vereerd.

De oude Grieken wisten al vroeg wat passieve zonne­energie was, het gebruik van de energie

uit zonlicht zonder de tussenkomst van apparaten, en hoe je het moest gebruiken. Socrates

beschreef in één van zijn werken hoe je je huis moest bouwen om de zon optimaal te benutten.

Greenpassivesolar.com: 4

Now in houses with a south aspect, the sun’s rays penetrate into the porticos in winter,

but in the summer the path of the sun is right over our heads and above the roof, so that

there is shade. If, then, this is the best arrangement, we should build the south side

loftier to get the winter sun and the north side lower to keep out the winter winds.

Verder werd er van de zon gebruik gemaakt voor het opwarmen van water. In badhuizen

werden zwarte tegels gebruikt voor op de muren en grond, deze werden zo geplaatst dat ze

door de zon werden beschenen. Het water dat naar de baden liep, stroomde over de tegels en werd zo verwarmd.

In de ruïnes van Nineveh in het oude Assyrië zijn ook aanwijzingen gevonden voor het gebruik

van zonne­energie, er zijn daar brandglazen gevonden die het zonlicht op één punt

concentreren waardoor er vuur ontstaat. 5

4 http://greenpassivesolar.com/2010/04/socrates­and­passive­solar­in­greece/ 5 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale.

11

1.3 Passieve en actieve energie Passieve energie Bij passieve zonne­energie wordt de zon zonder tussenkomst van installaties, direct of indirect

benut. Een gebouw wordt zo ontworpen dat zonlicht en zonnewarmte optimaal worden

ingevangen, opgeslagen en getransporteerd. Hierbij spelen oriëntatie, de grootte van ramen,

indeling van het gebouw, optimale isolatie en bouwmassa een rol. Een voorbeeld van passieve

zonne­energie is een serre. Hierin wordt ventilatielucht door de zon voorverwarmd, terwijl

afkoeling via de gevel wordt beperkt. Passieve zonne­energie is dus licht en warmte die je

zonder de tussenkomst van apparaten benut.

Actieve energie Actieve zonne­energie is dat we de energie van de zon opvangen en benutten door middel van

apparaten en installaties, zoals zonneboilers en zonnepanelen. Actieve energie is onder te

verdelen in twee groepen:

1. Actieve thermische zonne­energie: hier komt een apparaat bij kijken zoals bijvoorbeeld

een zonneboiler voor warm water tijdens het douchen of vloerverwarming. De

zonnecollector vangt het zonlicht op en zet dit via de zonneboiler om in warm water.

2. Actieve fotovoltaïsche zonne­energie, ook wel zonPV of zonnestroom genoemd: hierbij

wordt in één stap het zonlicht omgezet in elektrische energie. Deze zonne­energie

systemen zijn redelijk makkelijk zelf aan te leggen en kun je bovendien overal gebruiken,

zoals in huis, op de caravan of boot. Voor elektriciteit ben je niet meer afhankelijk van

een energieleverancier. Hierin zijn ook 2 soorten: netgekoppelde en zelfstandige

(autonome) systemen. De netgekoppelde systemen leveren wisselstroom op wat terug

geleverd kan worden aan het elektriciteitsnet en is dus handig voor thuis. De

zelfstandige systemen leveren elektriciteit aan een accu of direct aan het apparaat wat

erop aangesloten is, wat dus voor een caravan of boot zeer geschikt is. 6

We gaan in het volgende hoofdstuk dieper op actieve energie in.

6 DeGunther, R. (2009). Alternative energy: For dummies. Verenigde Staten: Wiley.

12

1.4 Geconcentreerde zonne­energie Een geconcentreerd zonne­energie systeem maakt gebruik van de zon om energie op te

wekken. De stralen van de zon worden op één punt geconcentreerd. Dit zorgt voor warmte die

gebruikt kan worden om een vloeistof te verhitten. Vervolgens drijft de stoom, die bij de

verhitting van een vloeistof ontstaat, een turbine aan die een generator aan het werk zet. Deze

generator produceert uiteindelijk elektriciteit.

Geconcentreerde zonne­energie systemen komen voornamelijk op plekken voor waar het erg

warm is, bijvoorbeeld de Sahara. En op plekken waar veel ruimte is, omdat je als het systeem

echt productief wil laten zijn, je veel modules nodig hebt. De meest bekende systemen zijn de

zonneschotel, parabolische trog en de zonnetoren, daar gaan we het in dit hoofdstuk over

hebben.

1.4.1 Zonneschotel

Mouchout was een Franse wiskunde leraar die zich in zijn vrije tijd bezig hield met

zonne­energie. Zijn experimenten waren zo succesvol dat hij door de Franse regering werd

gevraagd hier onderzoek naar te doen, waarbij de regering hem financieel ondersteunde. Rond

1860 ontwierp Auguste Mouchout een systeem dat zonnestralen omzetten in stoom. Het

systeem bestond uit een ketel gevuld met water. De ketel was omgeven met een schotel van

glanzend metaal die de zonnestralen concentreerde op de ketel. Hierdoor werd het water in de

ketel stoom, en die stoom zorgde voor de aandrijving van een motor. Dit ontwerp presenteerde

hij op de Exposition Universelle in Parijs, hij won hiermee een gouden medaille doordat hij ijs

wist te produceren met gebruik van geconcentreerde zonne­energie. Maar doordat de prijs van

kolen in de jaren daarna flink zakte was er geen behoefte meer aan zonne­energie en werd de

financiering door de Franse regering stopgezet. De daaropvolgende twintig jaar bleef Mouchout

zijn ontwerp verbeteren, dit deed hij omdat hij er van overtuigd was dat de mens te veel

afhankelijk was van kolen en andere fossiele brandstoffen. 7

7 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale.

13

figuur 2: schets van zonneschotel (http://solarenergy.com/renewable­energy/solor­history)

Hoe werkt het

Een zonneschotel is opgebouwd uit een bollende schijf van plastic of glas, waar reflecterend

materiaal op is aangebracht, zoals aluminium of zilver. De duurzaamste schotels hebben als

reflecterend materiaal spiegels van aluminium of glas, die je ook thuis gebruikt. De spiegels

moeten dun en klein zijn zodat de krommingen goed gevolgd kunnen worden.

In het brandpunt van de zonneschotel zit een ontvanger die in de motor is bevestigd, deze

absorbeert het gereflecteerde zonlicht en is bedekt met een spectraal­selectieve laag om zo min

mogelijk straling te verliezen. De ontvanger transporteert de energie uit het zonlicht naar een

motor, die de energie omzet in warmte. De warmte wordt vervolgens omgezet in mechanisch

vermogen. Dit gebeurt door het samenpersen van het werkfluïdum als het koud is, vervolgens

deze te verwarmen waardoor het uitzet en door een turbine wordt omgevormd tot mechanisch

vermogen. Als er mechanisch vermogen is geproduceerd, verandert een elektrische generator

het naar elektriciteit. Er worden twee soorten motors gebruikt voor de productie van mechanisch

vermogen.

De stirling motor is een cilindervormige buis met een warm uiteinde en een koud uiteinde. In de

cilinder zit verder nog een zuiger, een vliegwiel en het gas wat er in zit bestaat uit waterstof of

helium. Het werkt als volgt: het gas in de cilinder wordt aan één kant door de warmte van de

zon verhit, het warme uiteinde, het gas zet hierdoor uit en drukt de zuiger weg. De cilinder wordt

een kwartslag gedraaid en daardoor verplaatst de warme lucht zich naar het koude gedeelte,

het warme gas zal afkoelen en inkrimpen, hierdoor zuigt hij de zuiger als het ware naar zich toe.

De cilinder zal weer een kwartslag draaien door het vliegwiel en het gas zal weer opwarmen,

waarmee het proces opnieuw begint. Stiling motors zijn zeer geschikt voor zonneschotels

omdat ze erg efficiënt zijn en omdat ze van buiten af verwarmd worden zijn ze goed bruikbaar

voor geconcentreerde zonne­energie die is omgezet in warmte.

14

Stirling motor (http://peswiki.com/index.php/Image:Stirling_engine_diagram.gif)

De Brayton motor verbrandt op gecontroleerde wijze brandstof, in dit geval is de brandstof

vervangen door zonne­energie. Lucht wordt gecomprimeerd, er wordt zonne­energie

toegevoegd en het mengsel wordt verbrand. Het hete gas dat hierbij ontstaat zet uit en wordt

gebruikt om een turbine of dynamo te laten draaien. Deze motor is net als de stirling motor erg

efficiënt.

Een zonneschotel levert natuurlijk het meest op als het zoveel mogelijk zonlicht opvangt.

Daarom is een zonneschotel vaak op een volgsysteem gemonteerd, dit kan op twee manieren:

het azimuth­hoogte volgsysteem en het polaire volgsysteem.

Bij azimuth­hoogte volging roteert de schotel parallel aan de aarde en loodrecht op de aarde.

Dit systeem wordt vooral bij grote schotels gebruikt.

Bij de polaire volging methode draait de ontvanger om een as die gelijk is aan de as

waaromheen de aarde draait. De ontvanger draait met een constante snelheid. De andere as

staat loodrecht op de polaire as en draait met een langzamere snelheid dan de andere as. Dit

systeem wordt vaker gebruikt bij kleine schotels. 8

Cijfers

Een gemiddelde schotel produceert ongeveer 25 kW en ongeveer 109,6 megawattuur. Het

zonlicht wordt met een factor van 1000 tot 3000 geconcentreerd en de temperatuur in de motor

kan oplopen van 500 tot 1000 °C. Het rendement van een zonneschotel is ongeveer 20­25%. 9

8 http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_dish.pdf 9 Goodall, C. (2008). Tien technologieën voor energie en klimaat. Engeland, Londen: GreenProfile.

15

Voor­ en nadelen

Voordelen:

1. Een zonneschotel is erg efficiënt, als je meerdere schotels aan elkaar koppelt is het de meest

productieve manier om zonne­energie op te wekken.

2. Het is erg milieuvriendelijk omdat er geen gebruik wordt gemaakt van fossiele brandstoffen.

3. Als de technologie wat verder ontwikkeld is zal het een goedkope bron van elektriciteit

kunnen zijn.

Nadelen:

1. Het kost erg veel ruimte om genoeg schotels te plaatsen zodat ze rendabel zijn.

2. De zonneschotels vergen in vergelijking tot andere zonne­energie systemen veel onderhoud.

Er zitten een paar bewegende onderdelen aan, zoals de motor en het volgsysteem, die

makkelijk kapot kunnen gaan.

3. Schotels kunnen geen energie opslaan, waardoor er ‘s nachts en ‘s winters weinig elektriciteit

is.

4. Op kleine schaal zijn ze relatief duur, omdat de losse onderdelen best prijzig zijn.

Ontwikkelingen

Ripasso Energy, een Zweeds zonne­energie bedrijf, heeft begin 2013 een nieuw record

gevestigd door een zonneschotel te ontwikkelen die een rendement van 30% heeft, hij zet dus

bijna één derde van het zonlicht dat er op valt om in energie. Deze schotels kunnen nu alleen

nog ingezet worden in gebieden waar het erg warm en droog is. Het bedrijf zegt dat deze

zonneschotels voor veel mensen interessant kunnen zijn omdat de prijs voor één kilowattuur

minder dan 10 eurocent zal zijn. 10

figuur 3: zonneschotel

10 http://www.ripassoenergy.com/images/pressrelease/Ripasso_Energy_Release_15Jan_2013.pdf

16

http://www.ivvd.nl/duurzaamheid­en­vastgoed/ibm­werkt­aan­revolutionaire­zonneschotel/

De zonneschotel van Ripasso Energy is nog niets in vergelijking met de schotel van IBM

(International Business Machines Corporation) die nu ontwikkeld wordt. Deze schotel is zo

bijzonder omdat hij de mogelijkheid heeft om de temperatuur in de motor te reguleren, in de

motor zitten tientallen kleine buisjes met een koelvloeistof die door de motor gepompt wordt,

waardoor handmatig de temperatuur geregeld kan worden. De warmte die hierdoor verloren

gaat wordt weer gebruikt voor andere toepassingen zoals het ontzilten van water. De

zonneschotel zal 80% van het opgevangen licht omzetten in energie.Ook zal de schotel

economisch rendabel zijn omdat de prijs rond de 10 eurocent per kilowattuur zal gaan liggen, dit

kan doordat de kosten zo laag mogelijk worden gehouden. Er wordt bijvoorbeeld gebruik

gemaakt van een betonnen volgsysteem in plaats van een metalen en de spiegels zullen van

een metaalachtig folie worden gemaakt en niet van glas, zoals de meeste schotels die nu op de

markt zijn. Verder heeft deze prijs vooral betrekking op gebieden, zoals de Sahara, waar het erg

warm is, want het kost ook weer geld om deze energie naar Nederland te krijgen. Als dat al

mogelijk is. Ook is in Nederland de straling minder sterk. 11 12

11 http://www.technologyreview.com/view/513986/ibm­solar­dish­does­double­duty/ 12 http://www.ivvd.nl/duurzaamheid­en­vastgoed/ibm­werkt­aan­revolutionaire­zonneschotel/

17

1.4.2 parabolische trog

Ericsson (1803­1889) was gefascineerd door het ontwerp van Mouchout, die de eerste

zonneschotel ontwierp. De laatste jaren van zijn leven besteedde hij aan het verbeteren van de

schotel. Eerst verving hij de schotel voor een combinatie van een schotel en een kegel. later

maakte hij er een parabolische trog van, die het licht in een rechte lijn naar het centrum van de

parabool reflecteerde. De parabolische trog werd een succes en wordt vandaag de dag nog

steeds gebruikt. 13

Hoe werkt het

Een parabolische trog heeft de vorm van een halve cirkel, de trog bestaat uit spiegels die het

zonlicht op een buis centreren. De buis loopt in het centrum van de parabolische trog en heeft

daarin een vloeistof, meestal olie, die door het geconcentreerde licht verwarmt wordt, de

temperaturen kunnen oplopen tot 400 graden Celsius.

De vloeistof vervoert de warmte naar een warmtewisselaar en daar wordt het onder hoge druk

omgezet in stoom. De stoom drijft een turbine aan, die vervolgens een generator aan het werk

zet die elektriciteit produceert.

Om zoveel mogelijk zonlicht om te kunnen omzetten in energie, heeft een parabolisch trog net

als een zonneschotel een volgsysteem, deze volgt de zon over de lengte­as van oost naar west

gedurende de dag. Dit zorgt ervoor dat er de hele dag zoveel mogelijk zonlicht kan worden

opgevangen door de spiegels en dat die straling kan worden omgezet in elektriciteit. 14

Een parabolische trog is commercieel gezien veel interessanter als het warmte kan opslaan om

later te gebruiken voor elektriciteit, je hebt namelijk niet heel veel aan een parabolische trog in

een woonwijk als hij alleen elektriciteit produceert als de zon schijnt of als hij een piekmoment

van elektriciteitsgebruik niet aankan. Om de verhitte vloeistof op te slaan heb je een thermisch

opslagsysteem nodig dat op zout werkt. Ook bestaat er een combinatie van een parabolische

trog en fossiele brandstoffen.

Bij de combinatie van een parabolische trog en fossiele brandstoffen wordt er op het moment

dat er geen elektriciteit meer geproduceerd kan worden uit het zonlicht overgeschakeld naar

fossiele brandstoffen, meestal aardgas, om toch in de energievraag te kunnen voorzien.

Ook heb je een thermisch opslagsysteem, dit bestaat uit twee opslagvaten, een warm en een

13 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale. 14 http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_trough.pdf

18

koud vat, hier zit zout in en een warmte wisselaar. Als er overdag voldoende zonlicht is, wordt

er elektriciteit geproduceerd en wordt het warme opslagvat gevuld, dit gebeurt doordat het zout

uit het koude opslagvat naar het warme vat wordt vervoerd, het komt hierbij langs een

warmtewisselaar waar de hete olie langs stroomt. De hete olie geeft warmte af aan het zout,

waardoor het opwarmt, en vervolgens wordt dit zout in het warme vat gepompt. Als er geen

direct zonlicht meer is, gaat het zout uit het warme opslagvat juist naar het koude opslagvat, het

zout komt hierbij weer langs de warmtewisselaar. Dit maal neemt hij geen warmte op maar geeft

hij juist warmte af aan de afgekoelde olie. Hierdoor blijft de olie warm genoeg om stoom te

produceren en dus ook elektriciteit te genereren. De opslagcapaciteit van het gemiddelde

thermische opslagsysteem ligt tussen de 4 à 6 uur. 15

figuur 4: Parabolische trog met zijn onderdelen (http://www.alternative­energy­tutorials.com/solar­hot­water/parabolic­trough­reflector.html) Cijfers

In 2009 is het eerste commerciële parabolische trog station in Europa geplaatst, de Andasol. Dit

station staat in Spanje, in de buurt van Granada. Door de hoogte en het semi­aride klimaat is

deze locatie perfect om zon op te vangen. Al deze troggen nemen een ruimte van 51 hectare in.

Een parabolische trog genereert 50 megawatt en ongeveer 165 megawattuur per jaar, dit is

voldoende voor 50.000 Europese huishoudens. Het thermische opslagvat bestaat uit 40%

sodium nitraat en 60% kalium nitraat. Deze vaten hebben 1010 megawattuur aan warmte en

15 http://www.solarmillennium­invest.de/cms/upload/Flash/andasol_blue_engl.swf

19

kunnen als er geen zonlicht meer beschikbaar is nog voor 7 à 8 uur elektriciteit produceren. 16

Voor­ en nadelen

Voordelen:

­ De troggen zijn vrijwel onderhoudsvrij, behalve de generator.

­ De prijs van de elektriciteit die opgewekt wordt, komt in de buurt van de prijs van fossiele

brandstoffen.

­ Het systeem kan na zonsondergang of tijdens piekmomenten nog een paar uur elektriciteit

produceren.

­ De parabolische troggen zijn relatief eenvoudig en gaan lang mee.

­ Voor de bouw van een trog heb je geen zeldzame of dure metalen nodig, wat bij kristallijne

zonnepanelen wel het geval is.

Nadelen:

­ Om zonlicht om te kunnen zetten in elektriciteit heb je direct zonlicht nodig. De troggen zullen

dan ook niet snel in Nederland worden toegepast, aangezien 50 à 60 procent van ons

binnenvallende licht diffuus is.

­ Om het systeem relevant te maken voor commercieel gebruik heb je erg veel troggen nodig en

dit neemt veel ruimte in beslag.

­ Het kost ongeveer 80.000 ton metaal om een centrale te bouwen, hier komt 160.000 ton CO2

bij vrij.

Ontwikkelingen

De laatste jaren zijn er niet veel nieuwe parabolische troggen met bijzondere aspecten op de

markt gekomen. Dit kan liggen aan de potentie van andere systemen die gebruik maken van

zonne­energie, of er zijn simpelweg niet genoeg onderdelen meer aan de troggen die nog

verbeterd kunnen worden.

16 http://en.wikipedia.org/wiki/Andasol_Solar_Power_Station

20

1.4.3 Zonnetoren

Niet alleen Ericsson hield zich bezig met de zonneschotel die door Mouchout was ontworpen,

ook William Adams, een Engelse wetenschapper, bouwde op zijn idee voort. Hij plaatste

verschillende spiegels in een halve cirkel rond een een ketel, deze spiegels stonden op een een

rails zodat ze met de zon mee bewogen. Door het licht dat op de spiegels viel en op de ketel

reflecteerde, lukte het Adams om een motor te laten werken op stoom. Dit werd de basis voor

de zonnetoren. 17

Hoe werkt het

Je hebt twee soorten zonnetorens, de een maakt gebruik van reflecterend zonlicht en de ander

van een soort broeikas.

Bij de reflecterende zonnetoren zijn er vele spiegels rond een toren geplaatst, de ontvanger. De

spiegels zijn plat en hebben een systeem waardoor ze zo kunnen draaien dat het zonlicht altijd

op het focuspunt van de toren reflecteert. In het focuspunt kunnen de temperaturen wel oplopen

van 550 tot 1500 graden Celsius. De taak van de toren is om het opgevangen zonlicht over te

brengen naar een vloeistof, dit kan water of een combinatie van zouten zijn. Als de

transportvloeistof water is, wordt dat opgewarmd in het focuspunt van de toren en wordt het

omgezet in stoom. Deze stoom kan een turbine aandrijven die vervolgens weer een generator

laat werken die elektriciteit produceert.

Als de transportvloeistof een combinatie van zouten is, meestal 60% sodium nitraat en 40%

kalium nitraat, kan er energie uit het zonlicht worden opgeslagen, die dan op een ander moment

gebruikt kan worden om elektriciteit te produceren. De werking van dit thermische

opslagsysteem is vergelijkbaar met dat van de parabolische trog. Het werkt zo: Vanuit het

koude opslagvat wordt zout met een lage temperatuur van 280 Celsius naar de top van de toren

vervoerd. Hier is de temperatuur erg hoog doordat het zonlicht door de spiegels op dit punt

wordt geconcentreerd. Het koude zout neemt de warmte op en gaat verder naar het warme

opslagvat. Hier wordt de energie direct naar de stoomturbine vervoerd of wordt het opgeslagen

voor later gebruik. 18 19

17 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale. 18 http://www.solarthermalpowerplant.com/index.php/central­receiver­plants­tower 19 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale.

21

figuur 5: Onderdelen en transportrichting van een zonnetorencentrale (http://lisas.de/projects/alt_energy/sol_thermal/powertower.html) De andere zonnetoren die gebruik maakt van een broeikas wordt op dit moment ontworpen en

gebouwd door EnviroMission en zal in 2015 klaar zijn. Bij deze techniek wordt er geen gebruik

gemaakt van reflecterende spiegels maar van een groot veld bedekt met glazen platen die de

bodem bedekken en een broeikas vormen. Het glas laat het zonlicht door dat er op valt,

waardoor de temperatuur daaronder sterk stijgt. Het vormt een soort broeikas waar zelfs

gewassen kunnen worden gekweekt, deze moeten wel tegen een temperatuur van 90 graden

Celsius kunnen. De toren in het centrum van de broeikas is 790 meter lang en heeft een

zuigende werking. Doordat warme lucht lichter is dan koude lucht zal de lucht opstijgen. De

warme lucht veroorzaakt een warme luchtstroom in de toren, ook wel het schoorsteeneffect, die

windturbines aandrijft. Deze windturbines kunnen weer generatoren aandrijven die elektriciteit

produceren. Dit systeem heeft net als de reflecterende zonnetoren een mogelijkheid om energie

op te slaan, op de grond liggen zwarte zakken gevuld met water die overdag warmte opnemen

en ‘s nachts warmte afstaan. 20 21

Deze broeikastoren is dus eigenlijk niet een geconcentreerd zonne­energie systeem, aangezien

hij het zonlicht niet op één punt concentreert. Toch is hij wel de moeite waard om te vermelden,

er wordt namelijk verwacht dat deze toren een grote rol in de toekomst van zonne­energie kan

gaan spelen.

20 http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=836546 21 http://www.geek.com/geek­pick/solar­tower­in­arizona­to­power­150000­homes­for­80­years­1406459/

22

figuur 6: EnviroMission zonnetoren (http://www.drroyspencer.com/2009/08/my­favorite­renewable­energy­concept­the­solar­updraft­tower/)

Cijfers

In Spanje staat de Gemasolar zonnetoren, deze bestaat uit 2650 spiegels en een 140 meter

hoge toren. De centrale heeft een vermogen van 19,9 megawatt en kan per jaar rond de 110

gigawattuur produceren. Dit staat gelijk aan het energiegebruik van 25000 huishoudens. En de

CO2 uitstoot kan hierdoor met 30000 ton per jaar verminderd worden. 22

Voor­ en nadelen

Voordelen reflecterende zonnetoren:

­ Doordat de reflecterende zonnetoren een thermisch opslagsysteem heeft kan hij bijna

constant elektriciteit leveren.

­ Deze manier van energie opwekken is goed voor het milieu.

Nadelen reflecterende zonnetoren:

­ Op het moment is dit systeem nog erg duur.

­ Een zonnetoren systeem is niet erg efficiënt, ongeveer één procent van het zonlicht wordt

omgezet in elektriciteit.

­ Doordat de toren erg hoog moet zijn voor optimaal resultaat, is het moeilijk een geschikte plek

te vinden. ­ De zonnetoren heeft directe straling nodig om te kunnen functioneren.

Voordelen broeikas zonnetoren:

­ De zonnetoren kan energie opslaan door het gebruik van een thermisch opslagsysteem.

­ er kunnen in de ‘kas’ gewassen worden gekweekt.

­ Er komen bij deze manier van energie opwekken geen schadelijke stoffen vrij en is dus goed

voor het milieu.

22 http://www.nuzakelijk.nl/duurzaam/2568074/spaanse­zonnetoren­werkt­24­uur­per­dag.html

23

­ Het systeem kan ook energie opwekken uit diffuse straling, hij is dus ook bruikbaar op

bewolkte dagen.

Nadelen broeikas zonnetoren:

­ Het is een nieuw systeem en het is niet duidelijk of het ooit commercieel inzetbaar zal zijn.

­ een kas en zijn toren nemen veel ruimte in beslag.

Ontwikkelingen

In het zuiden van Californië zal een reflecterende zonnetoren gebouwd worden door Abengoa

en Brightsource Energy, het zal de grootste zonnetoren ter wereld worden. Eind 2013 zullen ze

gaan bouwen en dit zal aan 2000 mensen werk geven, in 2016 zou hij klaar moeten zijn. De

elektriciteit die hier wordt geproduceerd zal aan 200.000 huishoudens energie moeten leveren

en er wordt verwacht dat de uitstoot van CO2 met 17 miljoen ton vermindert zal worden. 23

23 http://inhabitat.com/worlds­largest­solar­tower­facility­to­be­built­in­california/

24

1.5 Zonnecollectoren Geschiedenis

Rond 1760 werd het begin van wat later de zonnecollector zou zijn ontdekt. Horace­Bendict de

Saussure was een natuurkundige die zich bezig hield met de atmosfeer en het weer. Hij wist dat

een ruimte verwarmde als er zonlicht door de ramen naar binnen viel. Om te bepalen in

hoeverre dit gold bouwde hij een houten doos, die hij aan de binnenkant isoleerde en aan de

buitenkant met glas bedekte. Als er zonlicht op het glas viel, werd de doos tot 109 graden

Celsius verwarmd. De Saussure kon echter niet verklaren waarom de zon de doos opwarmde,

hiervoor was het wachten op de Franse ingenieur Carles Tellier.

De zonnecollector die hij ontwierp bestond uit ijzeren platen die bij elkaar gehouden werden

door buizen die met ammoniak gevuld waren. Als er zonlicht op zijn zonnecollector viel zorgde

samengeperst ammoniakgas dat er een waterpomp aan het werk werd gezet. Later werd er

verder gebouwd aan Telliers uitvinding, onder andere door de Amerikaanse wetenschappers

Henry Wilsie en Frank Shuman. 24

Gebruik

De energie uit de warmte van de zon kan worden omgezet met behulp van: zonnecollectoren,

zonneboilers, stirlingmotoren, zonnetorens en zonthermische krachtcentrales. Zonthermische

krachtcentrales zijn met name toepasbaar in zuidelijk gelegen gebieden zoals Spanje en Noord

Afrika, aangezien direct zonlicht nodig is. Diffuus licht, zoals bij lichte bewolking, is niet

bruikbaar. De opgewekte energie kan wel naar ons land getransporteerd worden. Wij gaan het

nu vooral hebben over de zonneboilers. 25

Materiaal

24 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale. 25 http://www.danielssmartenergy.nl/zonnecollectoren

25

Er zijn zonnecollectoren van verschillende merken maar ze bestaan meestal uit de volgende

onderdelen (zie figuur 7): 26

1: Collector

2: Pomp

3: Terugslagklep

4: Flowregelaar

5: Drukmeter

6: Overstortventiel

7: Expansievat

8: Vulkraan collector

9: TCU­regeling

10: Sensor collector

11: Sensor boiler

12: 110 liter boiler

13: Automatische ontluchter

14: Thermostatisch mengventiel

15: Inlaatcombinatie

16: Nefit/Bosch combi­ketel

figuur 7: onderdelen van de zonnecollector (http://www.olino.org/articles/2010/06/07/ervaringen­met­de­zonnecollector)

Hoe werkt het

De eenvoudigste manier om zonne­energie op te vangen is met een zonnecollector.

Zonnecollectoren verwarmen water dat gebruikt kan worden voor de centrale verwarming of

warm tapwater. Een zonnecollector vangt het zonlicht op en verwarmt daar water mee. In feite

is een zonnecollector een soort doos met een zwarte bodem die de zonnewarmte absorbeert.

Daaronder zit nog een isolatielaag om te helpen de warmte vast te houden. Deze doos wordt

afgedekt met een glazen plaat die de warmte in de doos houdt. In die doos zitten pijpen

waardoor het water stroomt. Er stroomt koud water in die pijpen en er komt door de zon

verwarmd water uit. Een zonnecollector is eigenlijk een doelbewust broeikaseffect: de glazen

plaat laat de zonnestralen door, maar zorgt dat de warmte niet kan ontsnappen. Zo blijft het

water in de collector warm. Dat water wordt met een pomp naar de centrale verwarming

26 http://www.olino.org/articles/2010/06/07/ervaringen­met­de­zonnecollector

26

gepompt om het huis te verwarmen. (zie figuur 8) 27

figuur 8: schematische weergave van de werking van een solar hot water system (http://www.west­norfolk.gov.uk/default.aspx?page=22430) Een platte zonnecollector haalt niet zoveel energie uit zonlicht. Met andere soorten

zonne­energie systemen is de opbrengst veel groter. Zo zijn er parabolische spiegels. Door de

gebogen vorm weerkaatsen de spiegels het zonlicht naar een buis met een vloeistof (in dit

geval geen water, omdat de vloeistof in deze buis 300 graden Celsius kan worden) in het

midden. Een motor zorgt er voor dat de hete vloeistof wordt omgezet in elektriciteit. Deze

spiegel kan ook draaien zodat hij altijd op de zon gericht staat. Het nadeel van een parabolische

trog is dat hij niet snel in Nederland zal kunnen worden gebruikt. 28

Voor­ en nadelen

Voordelen: 29

­ Het gebruik van een zonnecollector is goed voor het milieu. Bij de productie van

zonne­energie komen geen schadelijke stoffen in de atmosfeer; bij het verbranden van aardgas

of steenkool gebeurt dat wel. ­

Zonnecollectoren hebben in verhouding een erg hoog rendement. Het zijn vacuüm buizen met

meerdere lagen coatings die zorgen voor een hogere absorptie en een lager verlies door het

uitstralen van warmte, waardoor er hogere thermische opbrengsten bereikt worden.

27 http://www.rivusol.com/particulier­zonneboiler/producten/hoe­werkt­een­zonneboiler 28 https://www.energymatters.com.au/renewable­energy/solar­power/solar­hot­water/solar­hot­water­works.php 29 http://www.energysavingtrust.org.uk/Generating­energy/Choosing­a­renewable­technology/Solar­water­heating

27

­ De zon is een onuitputtelijke bron.

­ Ze zijn onderhoudsvrij en duurzaam. De condensor is verchroomd (het vreet niet vast op

koperen manifold), zodat pas na jaren een defecte buis hoeft worden te vervangen. Ze gaan wel

25 tot 30 jaar mee.

Nadelen:

­ Je kan zonnecolletoren niet als enige energiebron voor verwarming gebruiken, omdat ze

alleen goed verwarmd worden als de zon hoog aan de hemel staat. Op bewolkte dagen heb je

dus gas nodig.

­ Om een goed rendement te behalen, moet er een behoorlijke oppervlakte in beslag genomen

worden.

­ Er is maar 48 uur warmte op voorraad voor degelijk gebruik.

­ Het proces om water rond te pompen kost veel energie.

Ontwikkeling

Aan de Universiteit van Delft is een roterende zonneboiler ontworpen. Deze van plastic

gemaakte boiler heeft geen last van convectie. Bij normale platte collectoren stijgt lucht op van

de warme, zwarte laag die vervolgens afkoelt door het koude glas dat de collector afdekt. Door

de boiler te laten roteren, zorgt de centrifugaalkracht ervoor dat er geen convectie optreedt. 30

30http://tudelft.nl/nl/actueel/laatste­nieuws/artikel/detail/afstudeerder­tu­delft­verbetert­hybride­zonnecollector­en­brengt­zonnesimulator­op­de­markt/

28

1.6 Fotovoltaïsche cellen Fotovoltaïsche cellen worden vaak zonnepanelen of PV­cellen (photovoltaic) genoemd. Dit

systeem kan op een betrekkelijk makkelijke manier elektriciteit generen uit zonlicht.

Geschiedenis

Becquerel ontdekte in 1839 het fotovoltaïsche effect, dit is de eigenschap van sommige

materialen die zonlicht kunnen absorberen en omzetten in energie. Andere wetenschappers

gingen verder experimenteren met dit concept. In 1837 ontdekte Wilbourgh Smith dat selenium

geschikt was voor elektronengeleiding en een paar jaar later kwamen R. E. Day en William G.

Adams er achter dat selenium in zijn vaste vorm het beste geschikt was voor het fotovoltaïsche

effect. Zij maakten de eerste zonnecel, maar deze had een heel erg laag rendement. Het

duurde tot 1950 tot de eerste bruikbare zonnecel uitgevonden was. Deze is door Calvin Fuller,

Daryl Chapin en Gerald Person ontworpen. Hij was zo bijzonder omdat hij in plaats van vast

selenium gebruik maakte van kristallijn silicium, die veel meer zonlicht in energie kon omzetten.

In 1957 ging deze zonnecel als ’Solar Energy Converting Apparatus’ de markt op. 31

.

Hoe werkt het

Het meest gebruikte atoom in een zonnecel is silicium, om de werking van een zonnecel uit te

leggen, moeten we eerst de bouw van een silicium atoom toelichten. Silicium heeft een

covalentie van 14, dit betekent dat er in de eerste schil rond de kern van het atoom twee

elektronen zitten, in de tweede schil zitten er acht. Dit zorgt ervoor

dat er in de buitenste schil nog vier elektronen zitten, de valentie

elektronen. Deze elektronen kunnen bindingen vormen met

andere silicium atomen of een ander atoom. Er wordt een

kristalstructuur gevormd doordat twee elektronen uit verschillende

atomen een elektronenpaar vormen, zoals te zien is in de

afbeelding.

figuur 9: kristalstructuur silicium atomen (http://members.home.nl/robinvandenberg/elektro/halfgeleider.html)

31 Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale.

29

Met alleen silicum atomen is het niet mogelijk om een elektrische stroom te krijgen, hiervoor

moet je de atomen eerst samenvoegen met andere atomen.

De bovenste laag van je zonnecel wordt een n­gedoopte laag, deze is gemaakt van silicium met

fosfor. Fosfor heeft vijf valentie elektronen, vier daarvan zullen elektronenparen vormen met

silicium en er zal een los elektron over blijven, deze wordt op zijn plaats gehouden door een

proton die in de kern van het atoom zit. Door dit extra elektron wordt deze laag negatief

geladen, ‘n’ staat voor negative. Dit is de reductor, die een elektron kan afstaan.

De onderste laag bestaat uit een combinatie van silicium en borium. Borium heeft een elektron

minder dan silicium, borium heeft namelijk maar drie valentie elektronen. Dit zorgt er voor dat er

een 'gat' ontstaat op de plek waar het laatste elektron met silicium had moeten binden. Deze

laag wordt de p­gedoopte laag genoemd, omdat het positief geladen is door het gebrek aan een

elektron, ook wel de oxidator genoemd en deze laag neemt een elektron op.

Als je de n­gedoopte laag en de p­gedoopte laag samenvoegt, willen de extra elektronen van

fosfor heel graag de gaten van het borium opvullen, hierdoor ontstaan er op de scheidingslijn

van de twee stoffen elektron­gat paren. Dit heet de pn­overgang en zorgt ervoor dat er in de

rest van de cel geen elektronen en gaten met elkaar kunnen reageren. Door deze pn­overgang

ontstaat er een elektrisch veld dat als een diode werkt, hij laat alleen de elektronen van de

p­layer (oxidator) naar de n­layer (reductor) door.

figuur 10: pn­overgang (http://specmat.com/Overview%20of%20Solar%20Cells.html)

Op het moment dat er een foton uit het zonlicht met de

juiste energie op een zonnecel valt, zal deze

geabsorbeerd worden door een elektron­gat paar

waardoor het elektron losschiet en vrij door de cel gaat

bewegen. Als dit in de invloedssfeer van het elektrisch

veld bij de pn­overgang gebeurt wordt het elektron naar

de n­laag vervoerd en het gat naar de p­laag, dit zorgt

voor een vergroting van het ladingsverschil. Het elektron wil zich met het gat herenigen, dit kan

doordat er aan de boven­ en onderkant van de cel een metalen plaat is bevestigd die met elkaar

verbonden zijn door een weerstand, bijvoorbeeld een lamp of en ander elektronisch apparaat.

De bovenste contactlaag heeft vaak de vorm van een horizontale televisie antenne en beslaat

niet de gehele bovenzijde, anders zou er geen licht meer kunnen worden doorgelaten. De vrije

elektronen in de n­laag bewegen zich naar de bovenste contactlaag en naar de weerstand, hier

30

ontstaat een stroom die een apparaat kan laten werken, de elektronen komen weer via de

onderste contactlaag de cel binnen, waar ze zich kunnen herenigen met hun gaten.

Een zonnecel bestaat dus uit een n­laag, een p­laag, een pn­overgang en 2 contactlagen die

kunnen worden aangesloten op een weerstand. Tot slotte wordt er op de cel een niet

reflecterende laag geplaatst, zodat de fotonen die op de zonnecel vallen niet terugkaatsen, en

een glasplaat die voor bescherming tegen bijvoorbeeld vuil en regen zorgt. 32 33 34

Er bestaan verschillende soorten zonnepanelen, je hebt de monokristallijne, de polykristallijne

en de amorfe zonnepanelen.

De monokristallijne zonnepanelen hebben een zwarte kleur en hebben vaak afgezwakte

hoeken. Ze worden tijdens het productieproces laagje voor laagje opgebouwd waardoor de

polarisatie wordt beïnvloedt, hierdoor liggen de kristallen allemaal in dezelfde richting.

Bij polykristallijne zonnepanelen wordt het stollingsproces niet beïnvloed, waardoor er meerdere

kristallen ontstaan. Deze panelen zijn blauw gevlekt.

Monokristallijne zonnepanelen hebben door de polarisatie een hoger rendement dan

polykristallijne panelen, respectievelijk 17 en 15 procent. Maar door het ingewikkeldere

productieproces zijn ze ook duurder en zijn ze minder milieuvriendelijk dan polykristallijne

panelen. Monokristallijne panelen hebben op langere termijn een beter vermogen, zo hebben

monokristallijne panelen na 25 jaar nog 82% van hun oorspronkelijke vermogen en

polykristallijne panelen nog 80%, ze hebben wel allebei een levensduur van 30 jaar.

Amorfe zonnepanelen worden ook wel dunne film panelen genoemd, de naam zegt het al, ze

zijn erg dun en worden voornamelijk gebruikt voor toepassingen als rekenmachientjes. Ze zijn

minder geschikt voor PV systemen doordat ze een erg laag rendement van 5% hebben. De

amorfe panelen zijn erg buigzaam doordat ze niet uit kristallen bestaan. Een voordeel van deze

panelen is dat hij beter diffuus licht kan opvangen dan monokristallijne en polykristallijne

zonnepanelen. De levensduur is echter de helft van de kristallijne panelen, namelijk 15 jaar. 35

Grätzel cel

Wij gaan in het praktische deel een grätzel zonnecel maken, deze werkt iets anders dan een

zonnecel op basis van silicium.

32 http://documentatie.leefmilieubrussel.be/documents/Mod3_Fonction_technologies_NL.PDF 33 https://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/zon/docs/psp00068.pdf 34 http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=687503 35 http://www.zonne­energiegids.nl/soorten­zonnepanelen/

31

De grätzel cel bestaat uit geleidend glas, titaandioxide, kleurstof, jodium oplossing en grafiet.

Het ene plaatje bestaat uit geleidend glas met een titaandioxide laag. Deze laag is erg poreus

waardoor er een groter oppervlakte ontstaat waar de kleurstofmoleculen zich aan de

titaandioxide kunnen binden. Het andere plaatje bestaat uit geleidend glas met daarop een

laagje grafiet. Tussen de glasplaatjes wordt een elektrolytvloeistof aangebracht, meestal jodium

oplossing. De elektrolytvloeistof bestaat uit een redoxkoppel. Op de zonnecel kan een

weerstand worden aangesloten door middel van bedrading.

figuur 11: Oppervlak TiO2 (http://students.chem.tue.nl/ifp18/zelfdoen.htm)

Als er op de zonnecel een lichtstraal valt, wordt de energie van het licht overgedragen naar een

elektron in een kleurstofmolecuul, het elektron krijgt hierdoor een hogere energie en raakt in aangeslagen toestand. Het elektron kan zich nu door de titaandioxide bewegen, door het

geleidende glas en ten slotte naar de weerstand. Hier raakt het elektron zijn energie kwijt en

vervolgens wordt het elektron weer naar de zonnecel vervoerd. Via het geleidende glas gaat het

elektron naar de elektrolytvloeistof, in deze vloeistof zwerven ionen rond die door elektronen

opgeladen worden. Als de opgeladen ionen een kleurstofmolecuul tegenkomen dat een elektron

te weinig heeft, staat het ion zijn elektron af. Dit elektron kan vervolgens weer in aangeslagen

toestand raken als er licht op valt en de cyclus weer doorlopen. 36

Cijfers

Het vermogen dat een zonnepaneel kan leveren hangt af van waar in Nederland (of in de

wereld) het paneel geplaatst is, de ene plaats ontvangt per jaar meer zonlicht dan de andere.

Ook is het van belang welke kant de zonnepanelen op wijzen, het noorden, oosten, zuiden of

westen en onder welke hoek ze staan. Mede door deze drie aspecten is het moeilijk om te

bepalen wat het vermogen van een zonnepaneel zal zijn.

Om toch een idee te geven van de opbrengst van een zonnepaneel zullen we hier een

voorbeeld schetsen.

36 http://www.mansolar.nl/technology

32

We hebben een dak in Amsterdam. Op het dak liggen kristallijne zonnepanelen met een

piekvermogen van 1 kWp. De panelen hebben een optimale helling van 37 graden.

Er wordt verwacht dat we 8% elektriciteit zullen verliezen door de temperatuur en een lage

hoeveelheid straling. We zullen 3% verliezen door reflecterend zonlicht. Tenslotte zullen

we 14% kwijtraken door weerstanden in het systeem, zoals kabels en de omvormer.

PVGIS estimates of solar electricity generation 37

Fixed system: inclination=37°,

orientation=­1° (optimum)

Month Ed (kWh) Em (kWh) Hd (kWh/m2) Hm (kWh/m2)

Jan 1.07 33.0 1.28 39.6

Feb 1.59 44.5 1.95 54.6

Mar 2.65 82.1 3.32 103

Apr 3.99 120 5.18 155

May 4.01 124 5.34 166

Jun 4.01 120 5.40 162

Jul 3.76 116 5.10 158

Aug 3.43 106 4.62 143

Sep 2.84 85.2 3.74 112

Oct 1.97 61.0 2.50 77.5

Nov 1.11 33.3 1.37 41.1

Dec 0.84 26.2 1.01 31.3

37 http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

33

Yearly average 2.61 79.4 3.41 104

Total for year 952 1240

tabel 1: PVGIS schattingen van elektrische zonne­opwekking

Ed: Average daily electricity production from the given system (kWh)

Gemiddelde dagelijkse elektriciteitsproductie van het gegeven systeem. (kWh)

Em: Average monthly electricity production from the given system (kWh)

Gemiddelde maandelijkse elektriciteitsproductie van het gegeven systeem. (kWh)

Hd: Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of

the given system (kWh/m2)

Gemiddelde dagelijkse som van globale instraling per vierkante meter van de

modules van het gegeven systeem. (kWh/m2)

Hm: Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the

given system (kWh/m2)

Gemiddelde som van globale instraling per vierkante meter van de modules van het

gegeven systeem. (kWh/m2)

Voor­ en nadelen

Voordelen:

­ PV­systemen kunnen ook gebruikt worden in minder zonrijke gebieden, zoals Nederland,

doordat ze niet alleen gebruik maken van direct licht, maar ook van diffuus licht.

34

­ Ze gaan lang mee, rond de 30 jaar.

­ De grootte van PV­cellen kan zelf worden bepaalt.

­ Zonnepanelen hebben weinig onderhoud nodig.

­ Zonnepanelen maken geen geluid.

­ Zonnepanelen zorgen voor elektriciteit in ontwikkelingsgebieden waar eerst nog geen

elektriciteit was.

Nadelen:

­ PV­systemen, kunnen niet in hun eentje een huishouden van elektriciteit voorzien doordat ze

‘s nachts geen elektriciteit produceren.

­ De prijzen zijn nu nog hoog, maar naarmate er meer kennis is zullen de kosten dalen.

­ Het kost veel energie om ze te maken en er komen giftige afvalgassen vrij bij het

productieproces. Dit is beide slecht voor het milieu.

Top 10 zonnepanelen fabrikanten 2012 38

1. Yingli (China)

2. First Solar (USA)

3. Suntech (China)

4. Trina Solar (China)

5. Canadian Solar (meeste productie in China)

6. Sharp (Japan – conglomeraat)

7. Jinko Solar (China)

8. JA Solar (China)

9. Sunpower (USA)

10. Hanwa SolarOne (China)

Ontwikkelingen

Momenteel wordt er veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van het rendement en het

vermogen en het verminderen van de kosten van zonnepanelen. Dit wordt onder andere

gedaan door te spelen met vorm en materiaal.

38 http://blog.comparemysolar.nl/325/beste­zonnepanelen­top­10­fabrikanten­van­zonnepanelen­wereldwijd­update­2013/

35

Figuur 12: Harmonica zonnepaneel

(http://web.mit.edu/newsoffice/2012/three­dimensional­solar­energy­0327.html)

Dit harmonica zonnepaneel is ontwikkeld door Massachusetts Institute Of Technology.

Een zonnepaneel heeft een laag rendement, dit komt onder andere doordat een cel niet goed

het licht kan opvangen als het er niet loodrecht op valt, dus in de ochtend, avond en winter. Om

dit probleem aan te pakken bedachten studenten een toren met zonnecellen in een hoek ten

opzichte van elkaar, zodat het licht zo optimaal opgevangen kan worden. Uit experimenten met

prototypes bleek dat de elektriciteit die geproduceerd kon worden van het dubbele tot het

twintigvoudige was ten opzichte van de huidige, platte zonnepanelen. Jeffrey Grossman, een

professor op het MIT, die meehielp met het ontwikkelen verwacht dat deze techniek een grote

rol gaat spelen in fotovoltaïsche cellen van de toekomst. 39

figuur 13: V3 Solar zonnepaneel

(http://www.wattisduurzaam.nl/v3­solar­wisselstroom­uit­roterende­zonnecellen/)

Een andere ontwikkeling is het kegelvormige zonnepaneel, deze bestaat uit twee lagen, het

zonnepaneel zelf en de beschermende glaslaag. Deze laag bestaat uit duizenden lenzen om

het licht zo goed mogelijk te concentreren. Het zonnepaneel draait continue rond waardoor er

39 http://web.mit.edu/newsoffice/2012/three­dimensional­solar­energy­0327.html

36

zoveel mogelijk zonlicht wordt opgevangen. Ook werkt het als zijn eigen koelsysteem, doordat

hij door het draaien wat wind opvangt. Het oppervlak van de zonnecellen is niet plat maar

bestaat uit talloze inkepingen die er voor zorgen dat de cellen het licht nog beter kunnen

opvangen. Deze zonnepanelen zouden volgens de makers, het bedrijf V3 Solar, 20% meer

elektriciteit moeten produceren dan de conventionele zonnepanelen. 40

Professoren Paul van Loosdrecht en Kees Hummelen doen op de Rijksuniversiteit Groningen

onderzoek naar plastic zonnecellen. Ze hebben theoretisch een plastic zonnecel ontwikkeld die

het rendement van een silicium zonnepaneel kan halen. De zonnecellen zouden bestaan uit

buckyballen en een polymeer dat in staat is om stroom te geleiden. Het polymeer staat een

elektron af aan de buckyballen als er licht op valt, dit zorgt ervoor dat er elektriciteit wordt

geproduceerd. Er wordt veel onderzoek gedaan naar plastic zonnecellen want ze zijn

goedkoper dan silicium zonnecellen omdat de materialen waar ze van gemaakt zijn minder duur

zijn. Ook zijn ze lichter en flexibeler, hierdoor is het makkelijker om ze op geplooide

oppervlaktes te plaatsen, zoals dakpannen of kleding. 41

1.7 Vergelijking zonne­energie met fossiele brandstoffen Wat zijn fossiele brandstoffen?

Fossiele brandstoffen zijn brandstoffen die zijn ontstaan uit resten van organisch materiaal door

40 http://v3solar.com/spin­cell/ 41 http://stratingh.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/2005/IngenieurFransen/2005DeIngenieurFransen.pdf

37

het samendrukken van de aardkorst in het verre verleden. Deze brandstoffen zijn niet

hernieuwbaar doordat de mens ze veel sneller gebruikt dan dat ze gevormd worden. De

belangrijkste brandstoffen zijn steenkool, aardolie en aardgas. We zullen kort uitleggen hoe

deze drie zijn ontstaan, wat de toepassingen zijn en wat de voor­ en nadelen er van zijn.

Steenkool: Als er dood plantenmateriaal in stilstaand water zit, kan het niet goed worden

afgebroken en wordt het veen. Als de waterspiegel stijgt, worden er lagen zand en klei op het

veen afgezet, deze lagen drukken de plantenresten samen. Het gevolg is dat de druk en

temperatuur stijgen door de massa van bovenliggende lagen en het veen wordt omgevormd in

bruinkool en vervolgens in steenkool. Steenkool wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken in

elektriciteitscentrales. Een voordeel van steenkool is dat goedkoop is, ook is er op dit moment

nog genoeg van. Nadelen zijn dat er bij het verbruik veel CO2 vrijkomt en de voorraad is eindig.

42

Aardolie: In de zee leeft plankton, als die sterft zakt het naar de bodem. Er sedimenteren lagen

klei en zand op, waardoor de druk en temperatuur stijgen. Hierdoor wordt het plankton omgezet

in aardolie. De aardolie wil naar boven, maar wordt tegengehouden door een ondoordringbare

laag. Om de aardolie te winnen wordt er gebruik gemaakt van hoogrendementspompen of

gasliften. Aardolie wordt voornamelijk voor vervoer gebruikt, zoals auto’s en vliegtuigen, maar 43

kan ook als grondstof voor plastic dienen. De voor­ en nadelen zijn hetzelfde als bij steenkool

maar het heeft als extra nadelige gevolgen dat ze ervoor zorgen dat Nederland afhankelijk

wordt van andere landen voor aardolie en ongelukken met schepen met olie aan boord kunnen

grote gevolgen hebben voor het milieu. 44

Aardgas: Aardgas ontstaat doordat er bij de vorming van steenkool en aardolie gassen

vrijkomen. Het kan alleen gewonnen worden als er gasbellen ontstaan. Aardgas wordt voor vele

toepassingen gebruikt, zoals het opwekken van elektriciteit, verwarming en de petrochemische

industrie. Een voordeel is dat de CO2 uitstoot een stuk minder is dan bij steenkool en aardolie.

Ook is het is een goedkope brandstof en Nederland heeft gasbellen, waardoor we niet

afhankelijk zijn van andere landen. Een nadeel is dat de voorraad binnen 100 jaar op zal zijn als

we op deze manier doorgaan met het gebruiken ervan. 45

42 http://www.natuurinformatie.nl/asp/page.asp?alias=nnm.dossiers&id=i000203&view=natuurdatabase.nl 43 http://www.nam.nl/nl/about­nam/oil.html 44 http://www.milieucentraal.nl/themas/bronnen­van­energie/fossiele­brandstoffen 45http://www.schooltv.nl/eigenwijzer/project/1919273/geoclips/2157310/aardrijkskunde/item/2533192/fossiele­brandstoffen/

38

Energieverbruik in Nederland

Figuur 14: Verbruik in Nederland (http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0052­Energieverbruik­per­sector.html?i=6­40) In dit figuur is het energieverbruik in Nederland per energiesector over de afgelopen twaalf jaar

weergegeven. Bij elke sector is wel een stijgende lijn te zien, behalve bij de energiesector, die

min of meer gelijk blijft. In de industrie wordt de meeste energie verbruikt, in 1990 was het 964

PJ (10 tot de 15e joule), in 2012 1212 PJ. Wat doet de overheid?

Nederland wil in 2050 CO2 arm zijn. Dit moet onder andere gebeuren door middel van

emissiehandel, dit houdt in dat dat je alleen schadelijke gassen, waaronder CO2, mag uitstoten

als je emissierechten hebt. Als je weinig rechten hebt, is het dus duur om schadelijke gassen uit

te stoten, maar als je minder uitstoot dan waar je recht op hebt, kan je de rechten doorverkopen

aan andere landen. Het probleem bij emissiehandel is dat er een maximum van toegestane

uitstoot zou moeten zijn dat steeds wordt verlaagt. In de praktijk gebeurt dit echter niet en

vermindert de uitstoot dus ook niet.

De overheid wil de CO2­uitstoot in het verkeer verminderen door de aanschaf van zuinigere

auto’s te bevorderen.

Ten slotte wil zij CO2 op gaan slaan onder de grond. Op deze manier kan de koolstofdioxide niet

39

bijdragen aan versterking van het broeikaseffect. 46

Het volledige energierapport van 2011 is te lezen op:

http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/energie/documenten­en­publicaties/rapporten/2011/06/

10/energierapport­2011.html.

Vergelijking fossiele brandstoffen met zonne­energie

De grootste voordelen van fossiele brandstoffen en zonne­energie zijn duidelijk, fossiele

brandstoffen zijn op dit moment nog goedkoper, maar zonne­energie is milieu vriendelijker.

Doordat Nederland vanwege de crisis moet bezuinigen, is er geen geld beschikbaar om

onderzoek te doen naar alternatieve brandstoffen. Toch moet Nederland zich net als de andere

landen van de Europese Unie zich aan het Kyoto­protocol houden, een verdrag dat voor de

vermindering van de uitstoot van broeikasgassen moet zorgen. Dus er moet wel geïnvesteerd

worden in alternatieve brandstoffen, waaronder zonne­energie. Een groot nadeel van fossiele

brandstoffen is dat ze op raken. Greenpeace en de European Renewable Energy Council

(EREC) verwachten dat de voorraad rond 2090 op is.

Het is natuurlijk beter voor het milieu om meer gebruik te maken van zonne­energie. Maar

Nederland staat niet bekend als het land van de zon, dus het is de vraag of het mogelijk is om

zoveel zonne­energie te produceren als nodig is om de Nederlandse bevolking van energie te

voorzien. Ook kost het veel ruimte om al die zonne­energie systemen te plaatsen. Het zou

echter wel een groot voordeel zijn als Nederland volledig zelfvoorzienend zou kunnen zijn in

alternatieve brandstoffen, want dat maakt ons minder afhankelijk van andere landen als het op

energie aankomt. Dit zou misschien gerealiseerd kunnen worden door de combinatie van

alternatieve energiebronnen, waaronder waterkracht, windkracht en biomassa energie.

2. Practicum: Het maken van een zonnecel Uitgevoerd op donderdag 30 Januari 2014 2.1 Inleiding In dit deel van het profielwerkstuk gaan we een eigen zonnecel bouwen. Dit is het

46 http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/energie/een­evenwichtige­energiemix

40

hoofdonderwerp van ons werkstuk en we zijn dus zeer benieuwd naar wat het resultaat zal zijn.

Om ons op dit experiment voor te bereiden hebben we veel verschillende methodes op internet

en boeken doorgelezen en zijn zo tot onze eigen methode gekomen. We hopen met dit

experiment de werking van de zonnecel beter te begrijpen en we hopen op vraagstukken te

stuiten die we kunnen onderzoeken in een vervolg experiment. Als het is gelukt om werkende

zonnecel te maken, hopen we significante verschillen te zien bij licht en in het donker. Met het

bouwen van onze zonnecel hopen we antwoord te kunnen geven op de volgende

onderzoeksvraag:

Wat is het rendement van onze zelfgemaakte zonnecel?

2.2 Hypothesen Wij verwachten, doordat we verschillende methodes hebben gecombineerd, het volgende

resultaat te behalen:

Spanning:

Wij verwachten een spanning ongeveer 0,43 V is omdat dat ongeveer het resultaat zou moeten

zijn nog volgens de werkwijze van Sol Ideas. 47

Stroomsterkte:

Wij verwachten een stroomsterkte van rond de 1 mA omdat dat er ongeveer uit zou moeten

komen volgens de werkwijze van Sol Ideas.

Weerstand:

Wij kunnen verwachte weerstand berekenen aan de hand van de bovenstaande gegevens.

Hiervoor gebruiken van de formule uit de Binas.U = I * R

, 3 VU = 0 4 ­3 AmA 0I = 1 = 1 * 1

­3 = U / I , 3 / 1 0R = = 0 4 * 1 30 Ω4

Dus wij verwachten dat de weerstand rond de 430 zal zijn.Ω

2.3 Werkwijze 2.3.1 Materiaal

­ 1 met titaandioxide gecoate geleidende glas­elektrode, foto­elektrodes (plaatje 1)

47 http://www.solideas.com/solrcell/dutch.html

41

­ 1 geleidend glas­elektrodes, tegenelektrodes (plaatje 2)

­ Alcohol

­ Multimeters

­ Kleurstof

­ Grafiet (zwart spul in een potlood)

­ knijpers

­ Krokodillen knijpers (spanningsmeter)

­ Demi water

­ Pipetten

­ Jodium oplossing

Foto 1: Proefopstelling met de benodigdheden

2.3.2 Methode

Om het experiment overzichtelijk te houden hebben we het in drie delen verdeeld: Het

klaarmaken van de glasplaatjes, het in elkaar zetten van de cel en het activeren en testen van

de cel. Achter elke stap hebben we een tijdsindicatie gezet om een zo duidelijk mogelijk beeld

te schetsen van hoe het practicum is verlopen. Er zijn bij sommige stappen afbeeldingen

toegevoegd.

42

Deel 1: De glasplaatjes klaarmaken

1. We maken allebei de glasplaatjes goed schoon met de alcohol. (+/­ 2 min.)

2. Daarna hebben we de plaatjes getest op geleidbaarheid. Dit hebben we gedaan door beide

kanten van de plaatjes te testen met de multimeter. Nadat we hadden vastgesteld welke kant

geleidt, hebben we ze naast elkaar gelegd. Beide met de geleidende kant naar boven. (je weet

dat een kant geleidend is als de multimeter op weerstand staat en hij dan geen 0 aangeeft). (+/­

4 min)

3. We deden 2 druppels rode kleurstof op de titaandioxide laag van plaatje 1, waarbij we ervoor

zorgden dat de kleurstof goed over het oppervlakte werd verdeeld . We hebben de kleurstof 10

minuten laten intrekken. (+/­ 12 min.)

Foto 2: Het kleuren van de

cel

4. Ondertussen hebben we plaatje 2 nog een keer schoon gemaakt met alcohol. (+/­ 1 min.)

5. Hierna hebben we dit plaatje voor de zekerheid opnieuw getest op de geleidende kant en

hebben we de niet geleidende kant gemarkeerd met een “+”. (+/­ 1 min.)

6. Toen brachten we op de geleidende kant van plaatje 2 een dun laagje grafiet aan. Dit deden

we door er zachtjes met een potlood overheen te gaan tot er een licht grijs laagje op het

glasplaatje te zien was. (+/­ 2 min.)

43

Foto 3: Plaatje 1 en plaatje 2 na het aanbrengen van de kleurstof en grafiet

7. Daarna gingen we weer verder met plaatje 1. Nadat de kleurstof goed was ingetrokken

hebben we het nog twee keer gereinigd. Eerst met demi­water en toen nog een keer met

alcohol. Om snel verder te kunnen hebben we het plaatje voorzichtig droog gedept met een

tissue. Er bleef nu een rood/paarse laag over. (+/­ 5 min.)

Deel 2: De zonnecel in elkaar zetten

1. Nadat we allebei de glasplaatjes hadden klaargemaakt, hebben we ze weer, met de

geleidende kant naar boven, naast elkaar gelegd. (+/­ 1 min.)

2. Vervolgens deden we 2 druppels van de jodium oplossing op plaatje 1 en drukte we plaatje 2

met de geleidende kant naar beneden daarop. Ze moesten niet precies op elkaar, maar aan de

uiteindes een uitstekend stuk van 5 mm. We gebruikte knijpers om de plaatjes op hun plek te

houden. (+/­ 5 min.)

3. Nadat de jodium oplossing goed tussen de plaatjes zat, hebben we de rest er voorzichtig

afgeveegd met een tissue. (+/­ 1 min.)

*De jodium oplossing werkt als elektrolyt. Deze stof zorgt ervoor dat de elektronen niet

van de titanium dioxide kant naar de grafiet kant kunnen stromen als de cel wordt blootgesteld

aan een lichtbron.

44

Deel 3: De zonnecel activeren en testen

1. Hierna deden we de krokodillenknijpers van de multimeter op de uit stekende stukken van de

cel. (+/­ 1 min.)

2. Daarna verbonden we de zwarte draad van de multimeter met de krokodillenknijper die

verbonden is met de titanium dioxide kant van de cel. Dit is nu de negatieve elektrode van de

cel, oftewel de kathode. (+/­ 1 min.)

3. Vervolgens verbonden we de rode draad van de multimeter met de krokdillenknijper die

verbonden is met het grafietplaatje. Dit is nu de positieve elektrode van de plaat, oftewel de

anode. Om dit duidelijk aan te geven hadden we dit plaatje in een eerdere stap al met een plus

gemarkeerd op de niet geleidende kant. (+/­ 1 min.)

4. Onze cel is klaar! We konden hem nu gaan testen onder een lichtbron. Dit hebben we

gedaan door de cel met de kathode kant naar de bron te laten wijzen. (+/­ 5 min.)

5. Onze laatste stap was het meten van de stroomsterkte en spanning, te meten met de

multimeter. Dit hebben we gedaan door hem bloot te stellen aan een felle lamp en door er een

doos overheen te zetten. (+/­ 15 min.)

Foto 4: Opstelling metingen

2.4 Waarnemingen en resultaten

45

Waarnemingen

De belangrijkste waarneming die we tijdens dit practicum hebben gedaan was dat de

hoeveelheid jodium oplossing tussen de twee glasplaatjes zeer veel invloed heeft op de

stroomsterkte van de cel. Hoe meer jodium oplossing, hoe hoger de stroomsterkte. Hier zijn we

mede achtergekomen doordat na een paar minuten de jodium oplossing tussen de 2 plaatjes uit

is gelekt en hierdoor de stroomsterkte sterk afneemt en de plaatjes dan een beetje aan elkaar

plakken.

Ook hebben we waargenomen dat de titanium dioxide laag en het grafietlaagje op de

glasplaatjes zeer aantastbaar zijn. Zelfs als deze laagjes helemaal zijn opgedroogd, gaat er nog

veel vanaf bij het schoonmaken met alcohol.

Resultaten

Tijdens dit experiment is het ons gelukt om een werkende cel te bouwen, maar de resultaten

waren anders dan we hadden verwacht. In de onderstaande tabel staan de metingen die we

hebben gedaan met de multimeter.

Weerstand 3, 0 kΩ 5, 0 0 5 1 = 1 * 1

Spanning Licht ­3 V0, mV 50, 0 5 3 = 3 * 1

Donker ­3 V4, mV 34, 0 3 5 = 5 * 1

Stroomsterkte Licht ­3 A, 19 mA 0, 19 0 0 0 = 0 * 1

Donker ­3 A, 17 mA 0, 17 0 0 0 = 0 * 1

tabel 2: Resultaten zelfgebouwde cel

46

Foto 5: Voorbeeld meting (deze gegevens waren nog niet

correct)

De weerstand verandert niet in het donker of licht omdat dat een constante factor is. De

weerstand is een stuk hoger geworden dan de 430 Ohm die we hadden berekend, namelijk

5,10 kilo Ohm. Als we de formule nog eens bekijken zien we dat dit ook I RU = *

samenhangt met de overige resultaten die ook zo afwijken van onze voorspellingen en moet de

weerstand ook hoger zijn, maar de weerstand is wel erg hoog. De spanning die we hadden

beredeneerd in onze hypothese was 43 V. Uit onze metingen bleek dat de spanning van onze

cel maar 50,3 mV was met licht erop en 34,5 mV was zonder licht. Verder is de stroomsterkte

dus een stuk lager dan de 1 mA die we hadden verwacht. Aangezien de stroomsterkte en de

spanning evenredig aan elkaar zijn, is het logisch dat onze stroomsterkte ook veel lager is

uitgevallen dan de bedoeling was.

Omdat we graag een hogere stroomsterkte wilde, hebben we meer jodium oplossing tussen de

plaatjes gedaan. Nadat we nogmaals twee druppels hadden toegevoegd, hebben we de stroom

opnieuw gemeten. De resultaten van deze meting hebben we verwerkt in de onderstaande

tabel. In deze tabel hebben we de stroomsterkte van de eerste meting naast de resultaten die

we kregen na het toevoegen van de extra druppels.

47

1e meting 2e meting

Licht , 19 mA 0 0 , 86 mA 0 0

donker , 17 mA 0 0 , 74 mA 0 0

tabel 3: verschil stroomsterkte na 1e en 2e meting Na de tweede meting was er wel degelijk een hogere stroomsterkte, zowel in het licht als in het

donker. Door deze meting hebben wij geconcludeerd dat een grotere hoeveelheid jodium

oplossing een positieve invloed heeft op de stroomsterkte, omdat de reacties in cel hierdoor

beter kunnen plaatsvinden. Toch is er nog steeds geen groot verschil te zien in het licht en in

het donker. We zijn er vrijwel zeker van dat dit komt doordat de weerstand veel te hoog is. Hoe

dit heeft kunnen gebeuren hebben we in dit experiment niet kunnen achterhalen, maar we

hopen in een vervolg onderzoek de weerstand omlaag te krijgen.

Voor de berekeningen hadden we ook de hoeveelheid Lux van de bureaulamp nodig die we

hebben gebruikt. Deze hebben we bepaald door middel van Coachlab en de laptop. De

resultaten van deze meting staan in de volgende tabel:

Lux 1 meter afstand 3 2, 10 0 7 * umen/m L

Lux afstand tot onze zonnecel 3 20, 0 1 5 * 1 umen/m L

tabel 4: Lux van de bureaulamp

48

foto 6: Meting Lux van de

bureaulamp 2.5 Discussie/Evaluatie Het practicum is niet perfect verlopen. De eerste keer dat we het wilde doen kregen we onnodig

stormvrij en de tweede keer waren alle spullen opgeruimd terwijl we wel een afspraak hadden

gemaakt met de TOA. Ook stond er nergens in de werkwijzes op internet vermeld wat de

verhoudingen tussen de jodium oplossing en de titanium dioxide moesten zijn. Toen we dat

hadden uitgevonden, bleek dat we de glasplaatjes niet zelf geleidend konden maken omdat dit

te gevaarlijk was, we zouden met giftige stoffen en hoge temperaturen moeten werken.

Ondertussen was dit al onze derde poging tot het doen van het practicum. Voor geleidende

glasplaatjes, zoals wij ze nodig hadden, moesten we bij een winkel in Petten zijn. Het bestellen

en verzenden duurde wel anderhalve week terwijl we al tijd te kort kwamen! Ook waren de

glasplaatjes een stuk duurder dan we hadden gedacht. We konden alleen bestellen vanaf de

site bij een bestelling van boven de 50 euro. Na al deze tegenslagen hebben we snel en gericht

moeten handelen. Gelukkig kregen we uitstel waardoor we toch nog alles hebben kunnen doen

wat we wilden doen. Bij onze vierde poging om het practicum te doen was het dan eindelijk

gelukt. We hadden hier drie lesuren voor uitgetrokken en het is binnen de tijd gelukt. We

hebben zelfs nog een beetje kunnen experimenteren met de zonnecel. Het was wel jammer dat

ze resultaten niet zo waren als we hadden gehoopt. Dit kan verschillende redenen hebben,

zoals dat de kleurstof niet goed genoeg was ingetrokken of dat de glaasjes ondanks het vele

49

schoonmaken toch nog vies zijn geworden.

2.6 Berekeningen

Formules (Binas)

Ohm U = I ∙ R

Vermogen elektrische stroom / R / TP = U ∙ I = I 2 ∙ R = U 2 = E

Energie elektrische stroom E = P ∙ t

Rendement nuttig in 00% η = P ÷ P × 1

We gaan het rendement van onze zonnecel bereken. Pnuttig is het vermogen dat de zonnecel

levert en Pin is het vermogen dat de lamp die we tijdens ons experiment hebben gebruikt levert.

Pnuttig kunnen we berekenen door de formule P = U * I

50,3*10­3 * 0,086*10­3 = 4,326*10­6 W

Pin berekenen we door de formule P = lux * A * 1/683.

De lux staat hierboven in een tabel, we gebruiken degene van de afstand tot de zonnecel, dit is

10,5*103 lumen/m2

Het oppervlakte van de zonnecel is 10 cm2, dit is 0,10 m2.

1 watt is gelijk aan 683 lumen.

10,5*103 * 0,10 * 1/683 = 1,537 W

We kunnen nu het rendement berekenen door Pnuttig door Pin te delen en dit met 100 te

vermenigvuldigen.

4,326*10­6 / 1,537 = 0,000281%

2.7 Conclusie Wat is het rendement van onze zelfgemaakte zonnecel? Het rendement van onze zelfgemaakte zonnecel is 0,000281%. Dit is minder dan we hadden

verwacht, we hadden in onze hypothese een hogere spanning en stroomsterkte verwacht. Dit

zorgt er automatisch voor dat ons rendement lager uitvalt dan als we wel de verwachte

spanning en stroomsterkte hadden gekregen.

50

foto 7: Onze

zonnecel 2.8 Mogelijke vervolgexperimenten Tijdens dit practicum zijn we aantal vragen tegengekomen die beantwoord zouden kunnen

worden in een mogelijk vervolg experiment:

1. Welk effect heeft de rode kleurstof op de stroomsterkte van de zonnecel?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden zouden we nog een aantal cellen kunnen bouwen,

maar dan met verschillende kleuren kleurstof. Ook zouden we er één kunnen maken zonder

kleurstof en vervolgens zouden we kijken of er dan nog stroom kan lopen. Uit deze metingen

zouden we kunnen bepalen bij welke kleur de zonnecel een optimaal rendement heeft.

2. Bij hoeveel jodium oplossing is de stroomsterkte maximaal?

Met deze vraag hebben we in dit practicum al een beetje geëxperimenteerd, maar we zouden

dit graag nog verder willen onderzoeken. Dit zouden we bijvoorbeeld kunnen doen door na elke

druppel jodium oplossing de stroomsterkte te meten. Door het aantal druppels uit te zetten

tegen het aantal Ampère in een grafiek zouden we op duidelijke resultaten moeten komen.

3. Hoe reageert onze zonnecel op verschillende kleuren licht?

Omdat het weer zo slecht was, hebben we onze cel alleen kunnen testen onder een

bureaulamp. Hierdoor zijn we benieuwd geworden naar hoe onze zonnecel reageert als hij geen

“geel” licht krijgt, zoals van een bureaulamp, maar bijvoorbeeld groen. Dit zouden we simpelweg

51

kunnen testen door gekleurd papier voor de lamp te houden en vervolgens de stroomsterkte en

spanning te meten met de multimeter. Als we dit dan netjes verwerken in een tabel, zouden we

zo de kleur kunnen vinden waarmee onze zonnecel optimaal presteert.

4. Hoe maken we de “perfecte” zonnecel?

Met de perfecte zonnecel bedoelen we een zonnecel die de optimale stroomsterkte en spanning

heeft. Als we de 3 bovenstaande experimenten uitvoeren en de resultaten combineren, zouden

we de meest optimaal werkende zonnecel moeten hebben gebouwd. Dan hoeven we nog

alleen maar alles opnieuw te meten en nagaan hoe we het precies hebben gedaan en dan

weten we hoe we de “perfecte” zonnecel moeten bouwen.

5. Hoeveel zelfgemaakte zonnecellen moeten we in serie schakelen om een lampje te

laten branden?

Om dit uit te zoeken hoeven we alleen maar uit te zoeken bij hoeveel Volt het simpelste lampje

brandt, en hier vervolgens een paar berekeningen op los te laten. Als hier een getal uit komt wat

klein genoeg om het zelf te kunnen proberen, zouden we dat kunnen doen als test. Hiermee

zouden we dan ook meteen hebben bewezen dat er apparaten kunnen werken op onze

zonnecellen.

52

3. Vervolg practica In dit hoofdstuk gaan we een aantal van de in het vorige hoofdstuk genoemde vervolg

experimenten uitwerken. We hebben gekozen om het volgende experiment uit te voeren:

Het effect van kleurstof op het rendement van de zonnecel

Dit leek ons een interessant en zeer leerzaam vervolg experiment waaraan we ook weer veel

berekeningen kunnen doen.

Toch zijn we nog nieuwsgierig naar de andere experimenten en daarom hebben we besloten

om de volgende 2 experimenten ook uit te werken.

1. Vermogen van onze zonnecellen bij verschillende kleuren licht

2. Onze zonnecel serie schakelen

Wegens tijdgebrek kunnen we deze helaas niet uitvoeren maar we willen er wel graag dieper op

ingaan. We hopen zo de werking van de zonnecellen nog beter te begrijpen en dat zo de

werking in de praktijk duidelijker wordt.

3.1 Het effect van kleurstof op het rendement van de zonnecel Uitgevoerd op donderdag 30 januari en maandag 3 februari 2014 3.1.1 Inleiding

In elke werkwijze voor het maken van een zonnecel wordt expliciet gezegd dat er gebruik

gemaakt moet worden van rode kleurstof. De kleurstof draagt bij in de redoxreactie die plaats

vindt in de cel, wij zijn benieuwd waar deze bijdrage tot uiting komt. In deze proef willen we dus

gaan onderzoeken welk effect de kleurstof op de zonnecel heeft. Dit gaan we doen door nog 4

zonnecellen bouwen, 1 met blauwe kleurstof, 1 met groene kleurstof, 1 met gele kleurstof en 1

zonder kleurstof. Van deze zonnecellen gaan we vervolgens het rendement vergelijken met die

van de zonnecel die we hebben gebouwd tijdens het eerste practicum. Op deze manier hopen

wij de volgende hoofdvraag te kunnen beantwoorden:

Welk effect heeft de kleurstof op het rendement van een zonnecel ?

3.1.2 Hypothesen

Door de vele werkplannen die we op internet hebben gelezen vermoeden we dat de zonnecel

met rode kleurstof voor de beste opbrengst zorgt. De kleurstof absorbeert het licht. Deze

kleurstof moet zeer zuiver zijn om goed te kunnen werken en de optimale opname verschilt per

53

kleur licht en per kleur kleurstof . We houden onze zonnecellen onder de bureaulamp, dit licht 48

kunnen we zien als geel. We weten niet hoe elke kleurstof op geel licht reageert en hebben hier

ook geen informatie over kunnen vinden, toch verwachten wij dat dit met het kleurenspectrum te

maken heeft. Dit zijn onze verwachtingen:

Blauwe kleurstof

Omdat blauw het verst van rood af ligt in het kleurenspectrum verwachten we dat hier de minste

opbrengst uit komt. Het zou kunnen dat deze opbrengst zo weinig is dat we het niet eens meer

kunnen meten omdat de opbrengst van de zonnecel met de rode vloeistof ook zeer laag was.

Groene kleurstof

Ook bij groen verwachten we geen hoge metingen. Allicht wel iets hoger dan bij de blauwe

kleurstof omdat groen iets dichter bij de kleur rood komt in het spectrum, maar nog steeds zeer

laag.

Gele kleurstof

Omdat geel en rood zeer dicht bij elkaar liggen in het spectrum verwachten we bij geel wel een

opbrengst die in de buurt komt van de opbrengst van de zonnecel met de rode kleurstof. Omdat

er bij rood waarschijnlijk een maximum is verwachten we niet al te veel maar wel al duidelijk

meer dan bij blauw en groen.

Geen kleurstof

We verwachten dat er bij deze zonnecel niks gebeurt. De kleurstof absorbeert het licht en die is

er niet dus verwachten we ook geen opbrengst bij deze cel. De weerstand zal er wel zijn, maar

dit komt door de glaasjes en de jodium oplossing die ertussen zit.

3.1.3 Werkwijze

We hanteren bij deze proef precies dezelfde werkwijze als bij het eerste experiment, dit doen

we omdat we op deze manier de zonnecellen het beste kunnen vergelijken en zo het beste

resultaat kunnen krijgen. Het enige wat we veranderen is dat we kleuren van de kleurstof

variëren of in zijn geheel weg laten. Dus voor de materialen en de methode, zie de werkwijze in

hoofdstuk 2.

48 http://www.ecn.nl/docs/library/report/2004/c04095.pdf

54

foto 8: het kleuren van de glaasjes

3.1.4 Resultaten

In dit experiment hebben we goed kunnen zien wat het effect is van de kleurstof op de cel, ook

al waren de resultaten weer anders dan we hadden voorspelt in de hypothese. In onderstaande

tabel staan de kleuren van de kleurstoffen die we hebben gebruikt vermeld, samen met de

resultaten die we toen bij de cel hebben gemeten. Ook hebben we de resultaten van de

zonnecel met de rode kleurstof ernaast gezet om het goed te kunnen vergelijken. Bij de

zonnecel met de rode kleurstof gebruiken we de gegevens die we hebben gemeten bij licht, ook

gebruiken we de gegevens van de tweede meting.

Rood Blauw Groen Geel Geen kleur

Weerstand , 0 kΩ 5 1 , 0 kΩ 3 8 4, Ω 9 8 3 Ω 9 53 Ω 2

Spanning 0, mV 5 3 3, mV 4 6 , mV 0 6 , mV 0 8 V 0

Stroomsterkte , 86 mA 0 0 , 16 mA 0 1 , 06 mA 0 0 , 08 mA 0 0 A 0

Tabel 5: resultaten kleurstof

In deze tabel is te zien dat de kleurstof dus essentieel is voor de werking van de zonnecel.

Verder wijken de resultaten nogal af van de verwachtte uitkomst omdat er uit deze metingen

55

komt dat blauw de hoogste stroomsterkte heeft terwijl in alle werkplannen rood wordt

aanbevolen. Omdat we dit een nogal vreemde uitkomst vonden hebben de zonnecellen met de

rode en blauwe kleurstof opnieuw gemaakt. Deze resultaten die hieruit zijn gekomen, worden

weergegeven in de volgende tabel.

Rood Blauw

Weerstand 6, Ω 8 5 5, Ω 6 6

Spanning , mV 0 1 , mV 0 1

Stroomsterkte , 1 mA 0 0 , 06 mA 0 1

Tabel 6: Controle rode en blauwe zonnecel

Omdat gegevens van de nieuwe zonnecellen met de rode en blauwe kleurstof meer in de buurt

komen van reële resultaten, gaan we er vanuit dat er bij de eerste zonnecellen iets mis is

gegaan. We werken dan ook vanaf nu dan ook verder met de gegevens van de tweede meting.

Ook uit deze meting blijkt dat de zonnecel met de blauwe vloeistof het beste werkt. Wat ook

opviel tijdens deze proef was dat de cellen daadwerkelijk op licht reageerde! Bij de eerste proef

was dit niet echt het geval en dat baarde ons zorgen.

Wat opvallend is dat bij de blauwe cel de weerstand een stuk lager is dan bij de andere

zonnecellen. Wij denken dat dit ook te maken heeft met de betere werking. Het zou ook kunnen

dat de blauwe kleurstof het licht van de bureaulamp beter absorbeert dan de andere kleuren.

Verder zijn er tussen de rode, groene en gele zonnecellen geen grote verschillen op te merken.

56

Foto 9: Cellen met blauwe, geen en rode kleurstof

3.1.5 Discussie/Evaluatie

De proef is goed verlopen. Het enige wat er mis is gegaan zijn de eerste rode zonnecel die we

hebben gemaakt en de zonnecel met de blauwe vloeistof die hierop volgde. Wat er bij de eerste

meting precies mis is gegaan weten we niet maar we vermoeden dat de kleurstof nog niet goed

genoeg was ingetrokken waardoor de cel niet goed werkt. Omdat we pas later met de

zonnecellen met de gele en groene kleurstof aan de gang gingen, hebben die langer de tijd

gehad om in te trekken. Wat waarschijnlijk ook invloed had op het verbeteren van de resultaten

is dat meneer Stobbelaar onze schakeling, die we gebruikte voor de meting, had verbetert na

de blauwe zonnecel. Volgens meneer Stobbelaar hadden we de multimeters eb zonnecel in

serie geschakeld maar het moest parallel geschakeld worden, terwijl we die informatie van de

TOA hadden gekregen! Maar gelukkig werkte de schakeling na deze verbetering een stuk beter

en kwamen er veel reëlere resultaten uit.

3.1.6 Berekeningen

Om er achter te komen welke kleur kleurstof voor het beste resultaat zorgt, zullen we net als in

voorgaande proef het rendement berekenen.

Hierbij is Pin (de lamp) steeds hetzelfde, namelijk 1,537 W

Pnuttig zullen we steeds gaan berekenen met de formule P = U * I

57

Rood:

Pnuttig: 0,1*10­3 * 0,01*10­3 = 1*10­9 W

Rendement: 1*10­9 / 1,537 * 100% = 6,5*10­8%

Blauw:

Pnuttig: 0,1*10­3 * 0,106*10­3 = 1,06*10­8 W

Rendement: 1,06*10­8 / 1,537 * 100% = 6,9*10­7%

Groen:

Pnuttig: 0,6*10­3 * 0,006*10­3 = 3,6*10­9 W

Rendement: 3,6*10­9 / 1,537 * 100% = 2,3*10­7%

Geel:

Pnuttig: 0,8*10­3 * 0,008*10­3 = 6,4*10­9 W

Rendement: 6,4*10­9 / 1,537 * 100% = 4,2*10­7%

Geen kleur:

Pnuttig: Spanning en stroomsterkte waren allebei 0, dit geeft een vermogen van 0W

Rendement: Het rendement is dus ook 0,0%

3.1.7 Conclusie

Welk effect heeft de kleurstof op het rendement van een zonnecel ?

Uit dit practicum blijkt dat de zonnecel met blauwe kleurstof het beste werkt.

De top 4 op volgorde van resultaten:

1. Blauwe zonnecel

2. Gele zonnecel

3. Groene zonnecel

4. Rode zonnecel

Dit is een opvallende uitkomst, omdat we, zoals al eerder gezegd, in elk werkplan zagen dat je

rode kleurstof moest gebruiken. Dat de blauwe zonnecel het beste werkt kan puur toeval zijn,

omdat de kleurstof het beste gehecht was aan de titaandioxide of omdat de grafietlaag dikker

was. Het kan echter ook aan de golflengte van de lamp liggen en dat blauwe kleurstof die

golflengte het beste absorbeert.

58

3.2 Vermogen van onze zonnecellen bij verschillende kleuren licht 3.2.1 Inleiding

Tijdens het schrijven van het theoretische deel zijn we erachter gekomen dat zonnecellen

energie halen uit de kleur van het licht. Bij natuurkunde hebben we geleerd dat kleuren van licht

te maken hebben met de golflengte en hierdoor verschillende energieniveau’s. Omdat we nu

onze zonnecellen hebben gemaakt zijn we toch wel benieuwd naar het effect dat de kleur van

het licht heeft op het vermogen van de zonnecel in verhouding tot het vermogen bij “geel” licht.

Wij hopen na dit experiment de volgende vraag te kunnen beantwoorden:

Welk effect heeft de kleur van licht op het vermogen van onze zelfgemaakte zonnecellen?

3.2.2 Hypothesen

Een zonnecel haalt zijn energie uit de golflengte van het licht. Deze golflengte is voor elke kleur

licht verschillend, zie onderstaande figuur. Omdat zonnecellen werken met licht van de zon, dit

is “geel” licht, verwachten wij dat onze cel het grootste vermogen heeft bij geel licht rond de 570

nm. Verder verwachten wij dat bij groen licht het vermogen minder wordt en bij blauw het

vermogen minimaal is. Ook denken wij dat bij rood licht er helemaal geen vermogen is omdat

de golflengte te groot is om te werken. Wij willen onze gegevens gaan weergeven in een grafiek

waarin we de golflengte in nm uitzetten tegen het vermogen. We verwachten en heel licht

stijgende lijn te zien tot de 550 nm en vanaf de 560 nm verwachten we een sterkte stijging. Ook

verwachten we dat deze grafiek vanaf 575 nm sterk zal dalen en bij 580 nm gedaald is tot 0.

59

figuur 15: Golflengtes van verschillende kleuren licht in het zichtbare lichtspectrum. ( http://www.chi­machine.eu/infrarood­infrared­fir/index.php) 3.2.3 Werkwijze

Materialen:

­ Zelf gemaakte zonnecellen

­ Bureaulamp

­ Crêpepapier in de kleuren blauw, groen en rood

­ Multimeter

­ Krokodillen knijpers

Methode:

1. We leggen de zonnecellen om de beurt onder bureaulamp. Dit doen we eerst als controle

zonder crêpepapier en we leggen de zonnecellen allemaal op dezelfde plek zodat de afstand

vanaf de bron ook hetzelfde is. We noteren van elke cel de resultaten die we aflezen van de

multimeter.

2. We herhalen stap 1, maar dan doen we blauw crêpepapier voor de bureaulamp.

3. We herhalen stap 1, maar dan doen we groen crêpepapier voor de bureaulamp.

4. We herhalen stap 1, maar dan doen we rood crêpepapier voor de bureaulamp.

We zullen nu per kleur licht het rendement van de zonnecel bepalen en eventueel onze

hypothese bijstellen.

60

3.3 Onze zonnecellen in serie schakelen 3.3.1 Inleiding

Nadat we het eerste practicum hadden gedaan, waren benieuwd naar wat we hadden bereikt

met onze cel. De stroomsterkte was zeer laag, maar de TOA drukte ons op het hart dat dat niet

hoefde te betekenen dat onze zonnecel nutteloos was. Samen met mevrouw Van der Mijden

kwamen we op het idee om onze zonnecellen in serie te schakelen. Hierdoor zouden het

vermogen en de stroomsterkte wel hoger moeten worden. We zijn zeer benieuwd naar hoeveel,

van de door ons gemaakte zonnecellen, er nodig zijn om een lampje te laten branden. We

hopen er door middel van berekening achter te komen hoe groot een zonnepaneel zou worden,

die gemaakt is van onze cellen, om dit lampje te branden. Onze onderzoeksvraag is:

Hoeveel zonnecellen van 0,0010 m2 hebben we nodig om een lampje te laten branden?

3.3.2 Hypothesen

Uit voorgaande proeven bleek dat de met blauwe kleurstof gekleurde zonnecel het beste

werkte, hier zullen we dus ook mee gaan werken als we zonnecellen in serie schakelen.

De blauwe zonnecel had een spanning van 0,1mV en een stroomsterkte van 0,106mA.

Het eenvoudigste lampje heeft een spanning van 1,5V nodig.

Eén zonnecel levert 0,1mV, we zouden dus 1,5 / 0,1*10­3 = 15000 zonnecellen nodig hebben

om een lampje te laten branden.

We kunnen hiervan een zonnepaneel maken van 75 bij 200 zonnecellen.

Eén zonnecel is 2,5 bij 4 cm.

5 00 cm , m 7 * 4 = 3 = 3 0

00 , 500 cm , m 2 * 2 5 = = 5 0

Het zonnepaneel zou dus 3 bij 5 meter zijn om één lampje te kunnen laten branden.

3.3.3 Werkwijze

Voor deze proef gebruiken we drie zonnecellen en niet de hoeveelheid die we nodig zouden

hebben, volgens onze hypothese, om een lampje te laten branden. Dit doen we omdat we niet

de tijd hebben om al die zonnecellen te bouwen en we hebben het geld niet om zoveel

geleidend glas te kopen. Het gaat erom dat we te weten komen of het mogelijk is om onze

cellen in serie te schakelen en of dit dan een hogere spanning oplevert.

61

1. Maak 3 zonnecellen met blauwe kleurstof.

2. Leg ze naast elkaar en doe op elke zonnecel twee krokodillenbekjes.

3. Sluit de zonnecellen met behulp van draden aan elkaar en voeg tenslotte een multimeter toe

om de stroomkring compleet te maken.

4. Noteer de resultaten.

Vervolgens zullen we gaan kijken of de spanning inderdaad is toegenomen en zo ja of dit

evenredig is en dat we 15000 zonnecellen nodig hebben voor een lampje van 1,5V.

Dit berekenen we door de 15000 door 3 te delen. vervolgens vermenigvuldigen we dit met de

verkregen spanning, als hier 1,5 uit komt, hebben we inderdaad 15000 cellen nodig.

Het kan ook zijn dat de spanning niet evenredig toeneemt. Om te berekenen hoeveel

zonnecellen we dan nodig hebben delen we de verkregen spanning door 3 (we hebben drie

zonnecellen aan elkaar gekoppeld). Vervolgens delen we 1,5 door de uitkomst van de

voorgaande som. Het aantal dat hier uitkomt, is de hoeveelheid zonnecellen die we nodig

hebben.

62

4. Conclusie Hoofdvraag: Hoe maken we een werkende zonnecel met een zo hoog mogelijk rendement?

We maken een werkende zonnecel met geleidend glas, titaan dioxide, kleurstof, grafiet en

jodium oplossing. Om een zo hoog mogelijk rendement te krijgen moeten we blauwe kleurstof

gebruiken. Ook zorgt de hoeveelheid jodium oplossing voor een hoger rendement, hoe meer

jodium oplossing je gebruikt, de hoger de stroomsterkte wordt.

Deelvragen:

1. Wat is zonne­energie?

Zonne­energie is energie van de zon in de vorm van warmte en licht. Deze energie, samen met

secundaire vormen zoals windenergie, getijdenenergie, waterkracht en biomassa vormt meer

dan 99,9% van alle hernieuwbare energie op aarde. Zonne­energie kan worden verdeeld in

passieve en actieve energie. (1.1 & 1.3)

2. Wat voor soort zonne­energie systemen zijn er?

Besproken voorbeelden van zonne­energie systemen zijn de zonneschotel, de parabolische

trog en de zonnetoren. Ook zijn er zonnecollectoren die energie opwekken. Ten slotte heb je de

fotovoltaïsche cellen. (1.4, 1.5 en 1.6)

3. Hoe werken deze systemen?

De zonneschotel, parabolische trog en zonnetoren concentreren het zonlicht op één specifiek

onderdeel van het systeem. Vervolgens wordt er onder hoge temperaturen elektriciteit wordt

geproduceerd. Zonnecollectoren werken als een soort broeikas om water te verwarmen. Bij

fotovoltaïsche cellen ontstaat er met behulp van elektronen elektriciteit.

4. Hoe werkt een zonnecel?

Een zonnecel zoals wij die hebben gebouwd werkt als volgt: De energie van het licht dat op de

zonnecel valt wordt overgedragen aan een elektron in een kleurstofmolecuul, het elektron raakt

in aangeslagen toestand. Het elektron gaat nu door de titaandioxide en het geleidende glas en

gaat naar de weerstand. Hier raakt het elektron zijn energie kwijt en vervolgens gaat het

elektron weer naar de zonnecel. Via het geleidende glas gaat het elektron naar de

63

elektrolytvloeistof, in deze vloeistof zitten ionen die door elektronen opgeladen worden. Als deze

ionen een kleurstofmolecuul tegenkomen dat een elektron te weinig heeft, staat het ion zijn

elektron af. Dit elektron kan vervolgens weer in aangeslagen toestand raken als er licht op valt

en de cyclus weer doorlopen. (1.6)

5. Hoe maken we zelf een zonnecel?

We maken zelf een zonnecel door 2 geleidende glasplaatjes te nemen. Op plaatje 1 doen we

TiO2 en kleurstof (bij voorkeur blauw) en op plaatje 2 doen we een beetje grafiet. Door hier

jodium oplossing tussen te doen gaan de elektronen lopen en hebben we een werkende

zonnecel gebouwd. De metingen hebben we gedaan door aan de uitstekende delen van de cel

een multimeter aan te sluiten. Voor een uitgebreide uitleg, zie hoofdstuk 2.

6. Heeft de kleurstof in de zonnecel invloed op de prestatie?

Uit de resultaten van het practicum ‘Het effect van kleurstof op het rendement van de zonnecel’

(3.1.7) is gebleken dat de zonnecel met de blauwe kleurstof het beste werkt. Uit de metingen

van de cellen met de andere kleuren kleurstof kwamen ook verschillende resultaten dus heeft

de kleurstof wel degelijk invloed op de prestatie van de zonnecel.

7. Hoeveel van onze zonnecellen zijn er nodig om een lampje te laten branden?

Bij het practicum ‘Onze zonnecellen in serie schakelen’ (3.3.2) hebben we het antwoord op

deze deelvraag berekend. Er is een zonnepaneel van 3 bij 5 meter nodig van onze zonnecellen

om een 1,5 V lampje te laten branden. Dit zijn 15000 van onze zelf gemaakte zonnecellen met

blauwe kleurstof.

64

5. Literatuurlijst Inleiding Korte uitleg: http://www.milieuloket.nl/9353000/1/j9vvhurbs7rzkq9/vhurdyxrjtyt

Achtergrond informatie: http://technologischdenken.webklik.nl/page/zonne­energie

Zonneschotel Hoe werkt het: http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_dish.pdf Ontwikkelingen:

http://www.ivvd.nl/duurzaamheid­en­vastgoed/ibm­werkt­aan­revolutionaire­zonneschotel/

Ontwikkelingen:

http://www.technologyreview.com/view/513986/ibm­solar­dish­does­double­duty/

Parabolische trog Hoe werkt het: http://nl.wikipedia.org/wiki/Thermische_zonne­energie

Hoe werkt het: http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_trough.pdf

Thermische opslag

http://www.solarmillennium­invest.de/cms/upload/Flash/andasol_blue_engl.swf

Thermische opslag: http://www.nrel.gov/csp/troughnet/thermal_energy_storage.html

(thermische opslag)

Andasol: http://en.wikipedia.org/wiki/Andasol_Solar_Power_Station

Zonnetoren Hoe werkt het: http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=836546

Hoe werkt het: http://www.solarthermalpowerplant.com/index.php/central­receiver­plants­tower

Hoe werkt het: http://lisas.de/projects/alt_energy/sol_thermal/powertower.html

Hoe werkt het:

http://reneweconomy.com.au/2013/how­it­works­solar­power­towers­with­integrated­storage­78

892

Hoe werkt het:

http://www.drroyspencer.com/2013/06/update­on­enviromissions­arizona­solar­tower­project/

Hoe werkt het:

http://www.geek.com/geek­pick/solar­tower­in­arizona­to­power­150000­homes­for­80­years­14

06459/

65

Hoe werkt het: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_updraft_tower

Hoe werkt het: http://students.chem.tue.nl/ifp27/bronnen/zonneenergie_zonnetoren.html Cijfers:

http://www.nuzakelijk.nl/duurzaam/2568074/spaanse­zonnetoren­werkt­24­uur­per­dag.html

Ontwikkelingen: http://inhabitat.com/worlds­largest­solar­tower­facility­to­be­built­in­california/

Ontwikkelingen:

http://cleantechnica.com/2013/03/15/worlds­largest­solar­tower­to­rise­in­california/

De zon Feiten: http://hemel.waarnemen.com/FAQ/Zon/011.html

Theorie: http://www.kennislink.nl/publicaties/stralingsrelatie­tussen­zon­en­aarde

Theorie: http://www.engineering­online.nl/?com=content&action=solar_energy

Geschiedenis: http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf

Zonnecollectoren Geschiedenis: http://thermospower.nl/geschiedenis­van­de­zonneboiler

Geschiedenis: http://www.planetseed.com/relatedarticle/alternative­energy­sources­solar­power

fotovoltaïsche cellen Hoe werkt het:

http://documentatie.leefmilieubrussel.be/documents/Mod3_Fonction_technologies_NL.PDF

Hoe werkt het: http://www.youtube.com/watch?v=1gta2ICarDw

Hoe werkt het: http://www.youtube.com/watch?v=u0hckM8TKY0

Hoe werkt het: https://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/zon/docs/psp00068.pdf

Hoe werkt het: http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar­cell5.htm

Hoe werkt het: http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=601712

Hoe werkt het: http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=687503

Kaarten: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm#Europe

Ontwikkelingen: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/three­dimensional­solar­energy­0327.html

Ontwikkelingen: http://v3solar.com/spin­cell/

Ontwikkelingen: http://www.rug.nl/search/?searchtext=plastic+zonnecellen

Grätzel cel: http://www.mansolar.nl/technology

66

Fossiele brandstoffen Steenkool:

http://www.natuurinformatie.nl/asp/page.asp?alias=nnm.dossiers&id=i000203&view=natuurdata

base.nl

Fossiele brandstoffen:

http://www.schooltv.nl/eigenwijzer/project/1919273/geoclips/2157310/aardrijkskunde/item/25331

92/fossiele­brandstoffen/

Fosiele brandstoffen:

http://www.milieucentraal.nl/themas/bronnen­van­energie/fossiele­brandstoffen

Aardolie:

http://www.natuurinformatie.nl/asp/page.asp?alias=nnm.dossiers&id=i000196&view=natuurdata

base.nl

Energieverbruik:

http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0052­Energieverbruik­per­sector.ht

ml?i=6­40

Beleid Nederland:

http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/energie/een­evenwichtige­energiemix

Experiment Werkplan: http://www.wikihow.com/Make­Solar­Cells

Verloop practicum: http://www.youtube.com/watch?v=MWp591v3jmA#t=67

Werkplan: http://www.solideas.com/solrcell/english.html

Berekeningen: http://www.betlem.info/2HV­Na/Antwoorden%20LB/3.5.htm

Berekeningen: http://www.energieleveranciers.nl/zonnepanelen/opbrengst­zonnepanelen

Werkplan:

http://www.fisme.science.uu.nl/bbp/bestanden/bbp_2L_10­1%20hndl%20zonnecellen.pdf

Werkplan: http://www.dewereldaanjevoeten.be/webquest/Zonnecel.pdf

Vervolg experimenten Reactie soorten licht: http://www.physlink.com/Education/AskExperts/ae409.cfm

Algemene informatie:http://students.chem.tue.nl/ifp18/zelfdoen.htm

http://www.teralab.co.uk/Experiments/Conductive_Glass/Conductive_Glass_Page1.htm

67

Werking kleurstoffen: http://www.ecn.nl/docs/library/report/2004/c04095.pdf

Gratzel cel http://telescript.denayer.wenk.be/2009­10/f6b/public_html/gratzel.shtml

http://teachers.usd497.org/agleue/Gratzel_solar_cell%20assets/instructions%20for%20making

%20the%20gratzel%20cell.htm

http://www.mansolar.nl/technology

http://www.youtube.com/watch?v=FrdUlPM4x0Y

http://www.ph.utexas.edu/~igert/Nanolab_Experiment.pdf

http://www.sciencegeekgirl.com//activities/Blackberry%20solar%20cell.pdf Boeken 1. DeGunther, R. (2009). Alternative energy: For dummies. Verenigde Staten: Wiley.

2. Goodall, C. (2008). Tien technologieën voor energie en klimaat. Engeland, Londen:

GreenProfile.

3. Scheer, H. (2002). The solar economy: Renewable energy for a sustainable global future.

Engeland, Londen: Earthscan.

4. Schlager, N., Weisblatt, J. (2006). Alternative energy. Verenigde Staten: Thomson Gale.

5. NVON­commissie (2008), Binas. Nederland, Groningen/Houten: Noordhoff Uitgevers.

68

6. Logboek

Datum Tijd Senna Emma Samen

27­06­13 300 min PWS dag

28­06­13 300 min PWS dag

4­10­13 45 min Gesprek met PWS­begeleider

6­10­13 120 min Tegenlicht en docu Here Comes The Sun + boeken opzoeken

9­10­13 90 min research internet + mogelijke inhoud

10­10­19 90 min inlezen en research internet mogelijke inhoud

12­10­13 85 min research internet

15­10­13 50 min research internet oplossing probleem

6 ­10 ­13 90 min research internet over mogelijke onderzoeken

10­10­13 60 min internet research + inhoud indelen

16­10­13 120 min onderzoeken opzoeken op internet voor praktisch deel

18­10­13 150 min inhoud indelen + uitvoerbare

69

projecten opzoeken

18­10­13 45 min Gesprek met PWS­begeleider

19­10­13 280 min naar bieb + literatuur lezen

24­10­13 60 min aanpak bespreken

24­10­13 230 min inlezen + schrijven geconcentreerde zonne­energie

27­10­13 120 min schrijven zonneschotel + geschiedenis

25­10­13 120 min inlezen

28­10­13 270 min inlezen + schrijven actieve en passieve energie, de zon en zonnecollectoren

28­10­13 186 min schrijven zonneschotel

29­10­13 90 min schrijven zonneschotel

1­11­13 45 min gesprek met PWS­begeleider

16­11­13 360 min PWS dag

13­11­13 215 min schrijven parabolische trog

17­11­13 200 min schrijven trog en zonnetoren

70

17­11­13 180 min Inlezen + schrijven de zon en zonnecollectoren

18­11­13 65 min schrijven toren

20­11­13 20 min geschiedenis fotovoltaïsche cellen

21­11­13 60 min inlezen fotovoltaïsche cellen

23­11­13 180 min research internet mogelijk practicum

24­11­13 235 min schrijven pv cellen

26­11­13 120 min schrijven cijfers, voordelen, ontwikkelingen

26­11­13 120 min research maken zonnecellen

27­11­13 180 min plan maken practicum zonnecel maken

28­11­13 210 min Oriënteren practicum + begin verslag schrijven

29­11­13 180 min schrijven practicum + ordenen opmaak

3­12­13 60 min ontwikkelingen PV cellen

5­12­13 120 min verbeteren tekst

71

7­12­13 360 min

opmaak + fossiele brandstoffen + andere delen afschrijven

8­12­13 240 min schrijven werkplan practicum + zoeken vervolg practicum

9­12­13 180 min Mogelijke vervolg practica zoeken

9­1­13 45 min Poging tot uitvoeren practicum #2

9­01­14 70 min Gratzel­cel opzoeken

29­01­14 240 min schrijven deel inleiding, bedenken en uitwerken vervolgpractica

30­01­14 135 min Practicum en deel vervolg practicum uitgevoerd

30­01­14 240 min uitwerken practicum en deel vervolg practica

31­01­14 120 min Voetnoten toevoegen

1­02­14 85 min Voetnoten toevoegen en tekst verbeteren

2­02­14 70 min rendement berekenen

72

3­02­14 120 min rendement berekenen

4­02­14 135 min Vervolg practica uitvoeren

4­02­14 120 min verbeteren tekst + grätzel cel

4­02­14 180 min Uitwerken vervolg experimenten en opmaak verbeteren

5­02­14 350 min rekenen + voorwoord + tekst verbeteren

5­02­14 240 min Verbeteren en aanvullen tekst

6­02­14 250 min Tekst verbeteren, pws afwerken en conclusie schrijven

6­02­14 250 min samenvatting + tekst verbeteren

7­02­14 45 min verbeteren experiment + inhoudsopgave

Minuten totaal: 5170 min (86 uur) 5046 min (84 uur)

73