Het energieaanbod van de zon

De hoeveelheid zonne-energie die de aarde bereikt is enorm. In een uur onderschept de aarde een energiestroom die overeenkomt me het jaarlijkse wereldenergieverbruik. Zelfs Nederland – hooggeïndustrialiseerd en dichtbevolkt – zou twee tot drie weken toekunnen met de energie die het in een uur op een heldere zomerdag ontvangt. In principe is al beetje (zon)licht bruikbaar voor omzetting in elektriciteit, ongeacht of het om directe of diffuse straling gaat (figuur 1).


Wisselend aanbod
De hoeveelheid zonne-energie die het aardoppervlak bereikt, varieert nogal. Om te beginnen schijnt de zon alleen overdag. Dan zijn er de seizoensinvloeden en natuurlijk beïnvloeden ook het klimaat en de lokale weersomstandigheden de aangeboden hoeveelheid zonne-energie. Deze invloeden leiden samen tot geografische instralingsverschillen.

In Nederland is de variatie in zonaanbod vrij groot. In juni ontvangt ons land gemiddeld tien keer zoveel zonne-energie als in december. Ook de lokale instralingsverschillen zijn behoorlijk. Onder invloed van het klimaat ontvangt Texel ongeveer 20% meer zonne-energie dan de Achterhoek (figuur 2).

Landen gelegen op een andere breedtegraad en met andere weersomstandigheden hebben een van Nederland afwijkend aanbodpatroon. Naarmate men dichter bij de evenaar komt, wordt het zonaanbod groter en de seizoensinvloed kleiner. Zo is de totale jaarlijkse instraling in Egypte daarentegen twee keer zo groot als in Nederland en de spreiding minder. In Noorwegen daarentegen is het totale jaaraanbod van zonne-energie Noorwegen kleiner dan in Nederland, en is de spreiding van dat aanbod over het gehele jaar groter.


Een maat voor de hoeveelheid instraling
De intensiteit van de zonnestraling verandert met het uur van de dag, de tijd van het jaar en de weersomstandigheden. Om toch gemakkelijk te kunnen rekenen met gegevens over de instraling, wordt de totale hoeveelheid zonne-energie vaak uitgedrukt in “uren volle zon per m2”.

Als maat voor een uur volle zon wordt 1000 Wh per vierkante meter aangehouden, anders gezegd: 1 kWh/m2. Het getal van 1 kWh/m2 is gekozen omdat bij deze instraling het piekvermogen van een zonnepaneel bepaald wordt (zie glossary). Het begrip ‘volle uren zon’ maakt het gemakkelijk de opbrengst van een zonnepaneel te berekenen. Een zonaanbod van een uur zon (dus 1 kWh/m2) komt ruwweg overeen met de zonne-energie die op een wolkenloze zomerdag op een op de zon gericht vlak valt.

In Nederland is er in juni ruim vijf uur volle zon per dag, in december een half uur (figuur 3). Dit zijn gemiddelden; op een heldere winterdag kan makkelijk sprake zijn van een paar uur volle zon en op een bewolkte zomerdag kan het zonaanbod daar onder blijven.

Het totale jaarlijkse zonaanbod in Nederland komt overeen met ongeveer duizend uur volle zon; de gemiddelde jaarlijkse zoninstraling is dus circa 1 000 kWh/m2/jaar. Het gaat hier om een gemiddelde berekend over een periode van 30 jaar. Uiteraard is dit aan variatie onderhevig, niet alleen lokaal, maar ook van jaar tot jaar. Natte zomers en heldere winters leiden tot variaties in de jaarlijkse instraling van circa 25% ten opzichte van het gemiddelde.


De invloed van de hellingshoek
Tot nu toe is steeds uitgegaan van de zoninstraling op een horizontaal plat vlak. Om zoveel mogelijk zonnestraling op te vangen, kunnen zonnepanelen beter op de zon worden gericht. In Nederland kan dat door de zonnepanelen onder een hoek op het zuiden te oriënteren.

Als we een zonnepaneel onder een hoek van 45 graden zetten, dan levert dat jaarlijks 180 uur volle zon extra op. Die ‘winst’ ontstaat vooral in de periode als de zon laag aan de hele staat, van september tot en met april.

Onder welke hoek zonne-energie het best kan worden ingevangen om een zo hoog mogelijke opbrengst te krijgen hangt dus af van de plek op aarde, seizoensgebonden weersomstandigheden en het lokale klimaat. Maar doorslaggevend voor een hellingshoek is het doel waarvoor zonne-energie wordt gebruikt. Sommige toepassingen vragen namelijk alleen elektriciteit in de zomer, andere toepassingen het gehele jaar door.

Denk bij de eerste aan een vakantiehuisje dat alleen in de zomer wordt gebruikt. In dat geval is een wat horizontaler opgesteld paneel – bijvoorbeeld onder een hoek van 30 graden – gunstiger dan een hoek van 45 graden. Kijken we naar een lichtbaken voor de scheepvaart, die het hele jaar elektriciteit vraagt, moet een andere keuze worden gemaakt. Omdat de lichtbaken de meeste elektriciteit vraag in de winter – omdat de nachten dan langer zijn – terwijl dan het zonaanbod het geringst is, kan het beste gekozen worden voor een ‘winterstand’, namelijk op een hoek van ongeveer 70 graden op het zuiden gericht.