Zonne-Energie

Inleiding

Dit werkstuk gaat over zonne-energie. Zonne-energie is een vorm van duurzame energie, duurzame energie is energie die nooit opraakt. Bijna alle energie komt trouwens van de zon, misschien niet direct maar wel indirect. In dit werkstuk vindt je informatie over zonne-energie. We behandelen zonnecellen, zonnecollectoren, iets algemeens over zonne-energie en een stukje onderzoek over zonne-energie. In de verschillende hoofdstukken zullen we met behulp van plaatjes proberen het onderwerp zo duidelijk mogelijk te beschrijven. Aan het einde van dit werkstuk zal je een lijst aantreffen met de bronnen die we bij het schrijven gebruikt hebben. We vermelden ook een lijst met internetadressen waar je eventueel meer informatie over zonne-energie kan vinden.

Nog een belangrijk verschil: Een zonnecollector zet zonlicht om in warmte en een zonnepaneel zet zonlicht om in elektriciteit.


Hoe en wat: Zonne-energie

In de inleiding staat al dat we niet zonder zonne-energie kunnen. Bijna al onze energie wordt geleverd door de zon. Is het niet direct dan is het wel indirect. Wij hebben tegenwoordig fossiele brandstoffen (opgeslagen zonne-energie in plantenresten) omdat een hele tijd geleden de zon ook scheen. Windenergie komt ook door de zonne-energie: De zon verwarmt de luchtlagen en daarom beweegt de lucht. Waterkracht ontstaat doordat de zon het zeewater verdampt. Dat water valt weer neer op aarde en dat stroomt dus kan je energie opwekken. Er is zover wij weten één soort van energie die niet (in)-directe zonne-energie is: geothermische energie, hierbij wordt energie gehaald uit het binnenste van de aarde. Zonne-energie ontstaat door een heleboel atoomreacties (er zijn al 70 verschillende chemische stoffen in de zon ontdekt) in het binnenste van de zon. Door deze atoomreacties krijgt het zonnegas een andere samenstelling. Bij die reacties komt zonne-energie vrij die van het binnenste van de zon naar het oppervlak wordt gestuurd. Dit vervoer van de kern naar het oppervlak kan overigens meer dan een miljoen jaar duren. Wij ontvangen op aarde nu dus zonnestralen van meer dan een miljoen jaar geleden. Als de energie eenmaal aan het oppervlak van de zon is gekomen wordt het de ruimte in geslingerd, een heel klein deel (hier weer bijna 40% van wordt weer teruggekaatst) van deze energie komt op aarde terecht. Die zonne-energie bestaat uit zonlicht, maar ook warmtestraling en UV-straling (Ultra Violette-straling). De warmtestraling voel je gewoon en de UV-straling zorgt er voor dat je bruin wordt. UV-straling kan ook schadelijk zijn. Volgens wetenschappers en sterrenkundigen kunnen we nog lang gebruik maken van zonne-energie. Ten eerste ligt er nog zonne-energie opgeslagen in de fossiele brandstoffen. Er wordt ook zonne-energie opgeslagen in de atmosfeer. Het is niet duidelijk of daar ook gebruik van gemaakt kan worden. Ten tweede brandt de zon al zo ongeveer 4900 miljoen jaar en volgens sterrenkundigen kan de zon nog wel 2 keer zo oud worden. Een heel groot voordeel van het gebruik van zonne-energie is dat het goed is voor het milieu. Bij zonne-energie heb je niet al die milieuvervuilende stinkgassen. Een ander voordeel is dat zonne-energie eigenlijk oneindig is. Er komt geen einde aan (na meer dan 1 miljard jaar misschien). Toch wordt er nog niet zoveel directe zonne-energie gebruikt op aarde. Zonne-energie wordt momenteel slechts minder dan 1% van alle energie in de wereld gebruikt. De verwachtingen zijn dat dit percentage steeds meer toeneemt, omdat de fossiele brandstoffen opraken, maar ook omdat de mensen steeds milieubewuster worden. We gebruiken zonne-energie vooral in zonnecollectoren en zonnecellen. Deze zonnecellen en zonnecollectoren vangen de energie op en verwerken die tot een andere vorm van energie, zodat we die nuttig kunnen gebruiken. Hierover valt meer te lezen in de volgende hoofdstukken. Apparaten die op zonne-energie werken zijn meestal duurder dan ander apparaten, maar meestal gaan deze langer mee en heb je de kosten er zo weer uit omdat je geen elektriciteitskosten voor dit apparaat hoeft te betalen. En daarnaast ben je ook nog goed voor het milieu.

Zonnecollectoren

De eenvoudigste manier om zonne-energie op te vangen doe je 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 vast houdt (absorbeert). Daaronder zit nog een isolatielaag om te helpen de warmte vast te houden. Die 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 weer uit. Een zonnecollector is eigenlijk een doelbewust broeikaseffect: De glazen plaat laat de zonnestralen door maar zorgt dat de zonnestralen (warmte) niet meer kunnen ontsnappen Zo blijft het water warm in de collector. De simpelste zonnecollector is een vlakke-plaat-collector. Die zie op de daken van huizen. Je kan ze alleen 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. Maar op zonnige dagen is het een mooie besparing. De zonnestralen die op de collector vallen verwarmen dus het water in de pijpen. Dat water wordt met een pomp naar de centrale verwarming gepompt om het huis te verwarmen. Een platte zonnecollector haalt niet zoveel energie uit zonlicht. Maar met andere soorten is de opbrengst veel groter. Zo zijn er parabolische (een parabool is een lijn met de vorm van een boog) 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 pomp pompt de warme vloeistof in huis. Deze spiegel kan ook draaien zodat hij altijd op de zon gericht staat. In Frankrijk staat een hele grote parabolische zonneschotel die door zijn grote niet draaibaar is. Duizenden kleine spiegels voor de schotel zorgen er voor dat het zonlicht in de spiegels van de schotel komt. Die kaatst de stralen weer in het brandpunt, hier kan het wel 3000 graden worden. Met deze hoge temperatuur kan stoom gemaakt worden, waarmee elektriciteit kan worden opgewekt.

Zonne-Collectoren

Parabolische Spiegel: De zonne-stralen worden via-via op één punt gericht, eerst op gewone spiegels en die schijnen ze weer in een ronde spiegel en die weerkaatst ze naar één punt.

Zonnecellen

De beste toekomst in de zonne-energie zijn de zonnecellen. Zonnecellen zetten zonlicht direct om in elektrische energie. Bij zonnecollectoren kan je ook elektrische energie opwekken, maar dan moet je van het water stoom maken die een turbine aandrijft. Een zonnecel zet in een keer de straling van de zon om in elektrische energie. Er wordt verwacht dat er in de toekomst veel zonnecellen worden verbruikt. Als er zonlicht op een zonnecel valt wordt dat omgezet in elektrische energie. Dat gebeurt in de draadjes in de cel die tevens de elektrische stroom vervoeren. Zonnecellen worden gemaakt van siliciumkristallen. Silicium is heel goedkoop, maar de zonnecellen worden zo duur omdat silicium zuiveren veel kost. Een zonnecel maakt uit zonlicht rechtstreeks elektriciteit. Niet al het zonlicht wordt gebruikt Ongeveer 85 % van het licht wordt teruggekaatst of omgezet in warmte. Slechts 15 % wordt omgezet. Een groot voordeel van de zonnecel is dat constant zonlicht niet nodig is. Ook op bewolkte dagen werkt een zonnecel. De energie die een zonnecel opvangt kan ook opgeslagen worden in accu’s. Een nadeel van de zonnecel is dat hij nu nog duur is. Dit komt voornamelijk door de zuivering van silicium. Zonnecellen zouden goedkoper gemaakt kunnen worden als ze uit amorf silicium gemaakt worden. Amorf silicium zijn geen kristallen waardoor het goedkoper wordt. Gemiddeld levert een zonnecel 1 kWh per dm² per jaar. Als je bijvoorbeeld een gemiddeld jaarverbruik aan energie van 5500 kWh/jaar hebt, heb je 55 m² aan zonnecellen op je dak nodig om al je energie door zonne-energie te laten voorzien. Zonnecellen worden nu al gebruikt in onder andere rekenmachines, waterpompen van boeren, in zomerhuisjes en boeien in zee (voor de verlichting en geluidssignalen).

Zonnecel
Onderzoek: Energie uit de ruimte

Hieronder volgt een uitleg naar aanleiding van een krante-artikel over energie in de ruimte uit het NRC Handelsblad van 16 september 1993 (Niet erg actueel dus).


Een op Zonne-energie werkende satelliet in de ruimte.
Het stuk schrijft dat duurzame energiebronnen in de toekomst een steeds grotere rol gaan spelen. Dit is mede doordat de fossiele brandstoffen opraken en vervuilend zijn. Er wordt door het WEC (World Energy Council) verwacht dat in ongeveer 2020 duurzame energiebronnen minstens 20% van de gehele energievoorziening bijdragen. Een andere instituut zegt zelfs dat 2050 60% van de energie door zon, wind of biomassa zal komen. Maar het zou wel eens zo kunnen zijn dat men zich hierin vergist omdat er ook bronnen zijn die zeggen dat er veel meer aan duurzame energie wordt geleverd dan verwacht.
Want wat men denkt is dat de toekomstige energiecentrale zich niet op de aarde bevindt, maar op 36000 kilometer van de aarde: Namelijk in het heelal. In de ruimte zouden enorme zonnecellen de energie van de zon opvangen en die met behulp van microstralen naar de aarde sturen. Een voordeel hiervan is dat een bewolkte lucht niet in de weg zit om de energie op te vangen, zoals dat op de aarde het geval is. Dit zorgt ervoor dat het rendement van de zonnecellen hoger is dan op aarde. De zon schijnt er altijd en nog sterker ook. Dit idee is niet geheel nieuw: In 1968 kwam de Amerikaan P. Glaser als eerste op het idee om winning van energie door middel van ruimtestations met zonnecellen. Inmiddels zijn er verschillende ruimtevaartinstituten in de Verenigde Staten, de voormalige Sovjetunie en Japan die hiernaar onderzoek doen. Volgens P. Glaser (zegt hij in 1993)bestaan er geen technische, economische, ecologische of maatschappelijke problemen. Volgens hem is het niet meer de vraag of de mens energievoorziening uit de ruimte gaat gebruiken, maar het is alleen nog maar de vraag wie het eerste die stap durft te ondernemen (waarschijnlijk zijn ze te bang op mislukking). Het boek Solar Power Satellites schrijft dat waarschijnlijk tussen 1995 en 2000 de eerste kleine zonne-energiecentrales de ruimte in gaan. Tussen 2010 en 2020 zou er dan geëxperimenteerd kunnen worden met energiecentrales op 150 tot 900 kilometer van de aarde met een minimale energievoorziening van 1000 MW (dit is ongeveer gelijk aan een kerncentrale). Zoals je waarschijnlijk wel hebt begrepen zal deze centrale zonlicht omzetten in elektriciteit door middel van zonnecellen. Er zouden hiervoor verschillende zonnecellen gebruikt kunnen worden. De opgewekte elektriciteit kan op 2 manieren naar de aarde worden overgebracht: met behulp van microstralen of met laserstralen. Bij microgolven gaat in de ruimte geen energie verloren, maar binnen de dampkring gaat ongeveer 50% van de energie verloren. Als de zonne-energiecentrale een vermogen heeft van 5000 MW moet de zendantenne 1 kilometer lang zijn en de ontvangstantenne op aarde zou een ellipsvormige antenne worden van circa 10 bij 13 kilometer groot zijn.
Hoe het transport met laserstralen verloopt staat niet in het artikel vermeld.
De energie die uit de ruimte komt zou dan duurzame energie heten, maar hierbij wordt vergeten dat de energiecentrale ook de ruimte in moet. Daar is een grote hoeveelheid fossiele brandstoffen voor nodig. Glaser zegt dat de lanceringen enige zure regen veroorzaken en dat de concentratie aan zwaveldioxide toeneemt, maar dit zal niet schadelijk zijn, zegt hij. Hij zegt niets over de hoeveelheid lanceringen die nodig zijn voordat 1 centrale van 1000MW in werking kan gaan. Dit is niet het enige milieuprobleem die de zonne-energiecentrale met zich meebrengt. Ook het transport met microgolven zorgt voor problemen zowel in het milieu als bij de volksgezondheid. Microgolven verwarmen lage delen van de atmosfeer, dit zorgt niet alleen voor klimatologische problemen, maar ook voor schadelijke effecten in de telecommunicatie.Het zal als een stoorzender voor andere satellieten kunnen werken. Wat het effect is op de gezondheid van mensen en dieren is grotendeels onbekend. Ook is het nog onbekend hoe deze centrales moeten worden beveiligd en hoe de gemiddelde mens op dit idee zal reageren.

Conclusie: Er zijn ver gevorderde ideeën voor zonne-energiecentrales in de ruimte, maar er kleven nog enkele nadelen en vraagtekens aan.

Een kameel draagt een koelkast met medicijnen, die gekoeld blijven door het zonnepaneel. Zonnepanelen zijn bij uitstek geschikt voor gebruik in verafgelegen gebieden.

Conclusie:

Zonne-energie is een onuitputtelijke vorm van energie. Zonne-energie is tevens milieuvriendelijk. Zonne-energie kan verbruikt worden in zonnecellen en zonnecollectoren.. Alle vormen van energie zijn (in)-direct zonne-energie behalve thermische energie. Een nadeel is dat zonne-energie niet overal kan worden opgevangen. Niet ‘s nachts of in donkere/regenachtige gebieden en het is nog te duur.

Bijlage: De Zon

In het binnenste van de zon (4) heerst een temperatuur van ongeveer vijftien miljoen graden. Bij deze temperatuur vinden er kernreacties plaats die de energie leveren om de zon te laten schijnen. Die energie komt op twee manieren aan de oppervlakte. In eerste instantie gaat de energie in de vorm van straling door de zogenaamde stralingszone (5). Vanaf van de bovenzijde van die zone gaat de energie ook verder door confectie: Heet gas stijgt op en neemt de warmte mee naar de oppervlakte. Dit gedeelte van de zon noemen we de confectiezone (6). Vanaf het oppervlakte van de zon, de atmosfeer (7), straalt de energie de ruimte in in vorm van licht, hitte en andere straling. Soms verschijnen er donkere zonnevlekken (3) op het oppervlakte van de zon. Zonnevlekken kunnen erg groot worden en worden soms omringd door heldere stukken die faculae worden genoemd (2). Vlak boven het heldere oppervlak is een dunne laag atmosfeer die we de chromosfeer noemen (8). Door deze laag spuiten fonteinen van heet gas omhoog als filamenten (1) of protuberansen (10). Verder naar buiten toe golft de buitenste atmosfeer de corona (9), de ruimte in.


Hier nu nog wat extra plaatjes over de World Solar Challenge: De wedstrijd voor auto’s op zonne-energie. De wedstrijd wordt elk jaar in Australië gehouden en ze moeten zo snel mogeljik van de ene kant van Australië naar de andere kant van Australië rijden. De plaatjes zijn van de Nederlandse auto die meedoet: Nuna
NUNA
Het hele team juicht na de overwinning van 2002. In de 2003 doen ze weer mee en hopen ze dat ze weer winnen.

Bronvermelding:

Energie-Atlas/ Zonne-Energie,
MacKie, Robin,
1989, De Ruiter

Milieu bewaren? Energie besparen!
EnergieNed (Arnhem)
1997, -

De verkenning van het heelal
Kerrod, Robin,
1991, Deltas

NRC/ Handelsblad
1993,-

Internet adressen voor meer informatie over Zonne-energie.

Http://www.solardome.com

http://www.solstice.crest.org/renewables