Het effect van schaduw op zonnepanelen is misschien het eerste waar je als leek over leert. Deze kan theoretisch gesproken zeer negatieve gevolgen hebben voor de productie van het systeem. Tot op een paar jaar geleden was het voor veel mensen een reden om maar van zonnepanelen af te zien. Dat hoeft al lang niet meer.
Er zijn veel misconcepties over het gevolg van schaduw voor zonnepanelen. Primitievere installaties hadden er ook wel veel meer last van dan die van vandaag. Wij leggen in dit artikel graag uit hoe de techniek van zonnepanelen werkt m.b.t. schaduw. Als dat allemaal iets te technisch wordt, lees je alleen de slotopmerkingen. Dit artikel is echt voor mensen die geïnteresseerd zijn in de techniek en het “waarom?” willen begrijpen.
Er zijn met verbeteringen van omvormertechnieken genoeg mogelijkheden toch een passende oplossing te vinden voor de meeste daken. In dit artikel bespreken wij achtereenvolgens de werking van zonnepanelen, de werking van omvormers, de technische gevolgen van schaduw op zonnepanelen en de oplossingen die voorhanden zijn.
Op deze pagina bespreken we:
Schaduw op zonnepanelen en schakelingen
De belangrijkste reden waarom zonnepanelen ernstig kunnen lijden onder schaduw, heeft te maken met schakelen. Schakelingen vinden zich plaats op celniveau, paneel niveau en op string niveau. Een schakeling wil zeggen een keten van elektrische componenten die op een manier met elkaar in verbinding staan.
Een zonnepaneel is als een batterij
In feite kun je een zonnecel zeer goed vergelijken met een simpele batterij. Het is een batterij die als gevolg van een chemisch proces stroom gaat produceren. Je hebt in je huishoudelijke apparatuur vast wel eens meerdere batterijen aangesloten op één apparaat. De batterijen staan dan ook in serie. In batterijen bevindt zich ook een chemisch proces plaats waarbij er stroom gaat lopen tussen de plus- en de minpool. Dit noemen we gelijkstroom.
Bypass diodes
Zonnepanelen zijn ook gelijkstroom. De elektrische lading loopt in een goed werkend systeem van min naar plus. Op de panelen zit een junction box waar de draden van plus en min in kunnen van paneel tot paneel. In deze junction box bevinden zich bypassdiodes. Bypassdiodes knippen de cellen van het paneel op in groepjes die onafhankelijk werken van de andere groepen. Meestal zitten er vier bypassdiodes in een paneel.
Elektriciteit kiest altijd de weg van de minste weerstand. Als het ergens niet goed doorheen kan, zal het eromheen gaan als dat mogelijk is. Bypassdiodes geven elektrische lading een alternatieve route, voor als er ergens een blokkade tegen komen.
Een paneel heeft 4 bypass diodes
Binnen de groepen bypass diodes staan de cellen in serie geschakeld. Een zonnepaneel bestaat meestal uit zo’n 60 cellen. Een gemiddeld paneel heeft vier bypassdiodes. Er zitten dus 15 cellen per groepje, als het ware. De cellen staan met elkaar in contact met flinterdunne draadjes.
Wat theorie over schaduw op zonnepanelen
De werking van schaduw op zonnepanelen is geen lichte kost. We zullen ons best doen het zo logisch mogelijk uit te leggen.
Om te begrijpen waarom schaduw een negatief effect heeft op productie, moeten we even het principe van elektrische productie uitleggen. Daarvoor zijn twee formules nodig.
Watt = Ampère * Volt óf Vermogen = Stroom * Spanning
Volt = Ampère * Ohm óf Spanning = Stroom * Weerstand
Om te berekenen wat de opbrengst kan zijn van een systeem, kun je aan de hand van deze gegevens achterhalen wat je kernwaarden zijn. Wat deze formules ook illustreren, is hoe deze waarden met elkaar in verbinding staan.
Cellen die getroffen worden door schaduw
Stroom loopt altijd in de richting van de hoogste spanning naar de laagste spanning. Een zonnecel dat in de schaduw staat, zal een lagere spanning hebben dan een cel die wel in de zon ligt. Maar zo’n zonnecel zal als hij niet operatief is, ook moeite hebben stroom door te laten.
De getroffen cel heeft een lagere spanning, en zal dus uit het groepje van 15 cellen alle stroom naar zich toe trekken. De elektrische lading uit de andere cellen lopen naar de getroffen cel. De draadjes van en naar de cel worden zwaar overbelast. De weerstand van de cel stijgt enorm en er kan nauwelijks nog stroom doorheen. De cel wordt eerder een consument van de energie in plaats van een producent.
Cellen raken beschadigd
Je kunt het een beetje vergelijken met een tuinslang waar iemand op gaat staan. Het is ook gevaarlijk voor het paneel, want op het punt waar de schaduw zich bevindt, kan een hotspot ontstaan. Hierdoor verhit de cel extreem en kan hij ernstig beschadigd raken. Om de metafoor door te trekken: de tuinslang scheurt op het punt waar de schaduw valt.
Zo’n scheur gebeurt niet direct. Er moet lange tijd precies op één punt schaduw komen voordat het product beschadigd raakt.
De functies van bypass diodes
Een string zonnepanelen is niet anders dan wat er binnen een zonnepaneel gebeurd. Het verschil is dat er bypass diodes in een paneel zitten. Deze voorkomen dat een heel paneel of een deel van een paneel 1* kapot gaan. Als de stroom van de andere panelen niet door het paneel heen kan, gaat het via de bypass diode er wel omheen.
De bypass diodes zijn dus de grote helden van het verhaal. Het is daardoor volstrekt acceptabel om voor serieel geschakeld systeem te kiezen als je weinig last hebt van schaduw op zonnepanelen of alleen als die schaduw zich op bepaalde delen van de dag voordoet. Het is niet per se nodig om voor optimizers of micro-omvormers te kiezen.
MPP trackers en schaduw op zonnepanelen
Bypass diodes hebben een mooie rol in het verhaal. Daarmee is echter niet het hele verhaal nog verteld. Een belangrijke factor in het bepalen van de opbrengst als je kijkt naar schaduw op zonnepanelen, is de MPP tracker.
Er zijn heel veel soorten Mpp tracker technieken. Ze hebben allemaal als doel om te zorgen dat het maximumvermogen uit de zonnepanelen wordt gehaald.
Een I/V - curve
Hierboven heb ik twee formules genoteerd. Een zeer belangrijke is die van vermogen. Dat is de eerstgenoemde. Elk zonnepaneel heeft een zogenaamde I/V – curve. Deze is van cruciaal belang. Het bepaalt onder meer de productie van het systeem bij verschillende temperatuur. Dat heet ook wel het temperatuur coëfficiënt. Het is ook van belang bij schaduw op zonnepanelen.
Op zo’n I/V – curve kunnen we de opbrengst van een zonnepaneel plotten. Op de y as zetten we ampère. Op de x as zetten we voltage. Ampère is afhankelijk van instraling van de zon. De voltage is afhankelijk van de temperatuur. De lijn van de curve maakt op gegeven moment een dramatische val. De voltage mag dus niet eindeloos blijven stijgen, anders stopt het met werken.
In dezelfde grafiek kunnen we een tweede lijn plotten. Die lijn is van de maximale opbrengst bij de verschillende waarden van voltage en ampère. Deze lijkt anders dan de normale curve van de zonnepanelen, maar is eigenlijk dezelfde informatie omgezet in productie.
MPP trackers regelen voltage
De MPP tracker meet continue wat de ideale stroom of voltage is om het maximale vermogen uit het paneel te halen. Hij doet dat doormiddel van een algoritme. Dit algoritme is continue aan het rekenen. De MPP tracker kan de voltage omhoog en omlaag brengen, naar gelang dat nodig is om het maximale vermogen uit de panelen te halen.
Als het heel heet is, dan zal het voltage van het systeem snel afnemen terwijl de stroom nauwelijks stijgt. De omvormer kan de voltage kunstmatig omhoog stuwen om er meer opbrengst uit te halen. Er zijn grenzen, want als de voltage te hoog is, stopt de cel helemaal met produceren.
Als er op een van de cellen of een van de panelen schaduw komt, dan weten we dat een bypass diode wordt ingeschakeld om te voorkomen dat de stroom daar niet langs hoeft. Een MPP tracker zal dit paneel echter nog wel zien. De voltage in het getroffen paneel en de stroom zal heel erg dalen. Dit zou de omvormer van de leg moeten brengen. Waarom?
We weten dat de MPP tracker de panelen in de string doormeet om de ideale voltage vast te stellen. Met deze informatie wordt het maximale vermogen uit het systeem getrokken. Als er ergens cellen zijn die een heel lage spanning geven, terwijl de instraling zorgt voor een hoge stroom in andere panelen, zal de omvormer ook van die panelen de spanning verhogen. Die panelen gaan dus opereren voorbij hun ideale spanning.
Met andere woorden: zo zou in theorie één paneel (of een groepje cellen) de totale productie van het systeem kunnen beïnvloeden en ontregelen.
Een MPP tracker herstelt zich mooi
De MPP tracker wordt echter een handje geholpen. Weer werpt de bypass diode zich daarvoor op. In een test-opstelling zul je iets moois zien gebeuren op je grafiek en in de waarden bij een beschaduwd paneel.
Aan de ene kant zul je zien dat een MPP tracker die de voltage regelt, eerst een poosje moet zoeken: hoeveel stroom krijg ik binnen? Hoe moet ik de voltage verlagen om te zorgen dat ik bij mijn absolute hoogtepunt kom qua productie? Dan zie je de activering van de bypass diode. Er komt een gek sprongetje in de I/V – curve. De MPP tracker negeert dankzij de bypass diode het getroffen paneel. Hij gaat gewoon verder met zijn werk, alsof er niets aan de hand is.
Oplossingen voor schaduw
Om maar met de deur in huis te vallen: beperkte schaduw zal de productie van je systeem nauwelijks ernstig beïnvloeden. Grote fabrikanten van parallel geschakelde omvormer systemen ontlenen hun bestaansrecht aan deze misconceptie. Iedereen praat elkaar na, terwijl de bypass diode een simpele elektrotechnische oplossing biedt.
Wij baseren eigenlijk al de kennis die we hebben over een onderzoek van dit moment. We zijn simpelweg opzoek gegaan naar wetenschappelijke verklaringen voor zaken die we in het veld al tegenkwamen.
Lange tijd hebben we alleen maar parallel verkocht. Daar vroeg de markt ook om. Op gegeven moment werden we toch verleid om weer naar serieel te kijken. Het had zoveel voordelen: 1) minder duur; 2) minder service; 3) makkelijker installeren. We hebben er spijt van hier niet eerder verder mee te zijn gegaan.
Dit alles hebbende gezegd, zijn er wel redenen waarom je toch zou kunnen kiezen voor een parallel geschakeld systeem.
Gebruik van parallel toch omstreden
We komen weer terug bij de bypass diode. Als een zonnepaneel in de schaduw ligt, geheel of gedeeltelijk, zal hij dus stroom van de andere panelen simpelweg laten passeren langs het getroffen gebied. De getroffen cellen, zullen dus helemaal niets opleveren. Dit heeft te maken met het fenomeen MPP-tracking.
Interessant onderzoek
Er zijn wel mogelijkheden om uit de getroffen panelen toch productie te krijgen. Hier is onderzoek naar gedaan. Een zeer interessant artikel verscheen in Renewable Energy Volume 139 uit augustus 2019.
Het artikel bespreekt een experiment waarbij opbrengstverschillen werden vergeleken tussen een optimizer systeem en string-omvormer systeem.
De auteurs schreven dat één van de nadelen van het maximum power point tracker algoritme het onvermogen is om de energie uit gedeeltelijk beschaduwde zonnepanelen te halen. Dit komt doordat de bypass-diode het paneel kortsluit. Er kan daarna geen stroom aan worden onttrokken. Het is echter mogelijk om de energie van het beschaduwde paneel te winnen met behulp van een power optimizer met daarin een onafhankelijke MPPT. Je kunt het artikel bezoeken.
De veldgegevens van een 1,25 kWp-systeem suggereren dat de cumulatieve energiewinst van power optimizers (vergeleken met alleen systemen met bypass-diodes) toeneemt van 2,8 tot 6,4%. Dit is wel afhankelijk van het type schaduwpatroon dat op de panelen valt. Verder onderzoekt het artikel de prestaties van optimizers voor de panelen die niet in de schaduw liggen, maar vindt geen noemenswaardig opbrengst verschil.
Onderzoek vindt geen bewijs voor succes bypass diodes
Met andere woorden: het effect van schaduw op zonnepanelen waren al mooie oplossingen voor. Het gebruiken van een parallel geschakeld systeem is daar niet voor nodig. Het is duur en heeft nauwelijks extra opbrengst.
Er zijn andere oplossingen voor schaduw die misschien meer voor de hand liggen maar vaak worden vergeten. Je hoeft niet alle panelen op het zuiden te leggen als daar bijvoorbeeld schaduw is. Je kunt ook naar het oosten of het westen kijken. Bomen en heggen kunnen gesnoeid of gekapt worden. Pijpjes kunnen worden afgezaagd. Ook als het niet op je terrein staat, kun je mogelijk iets regelen met de buurt.
Slotopmerkingen over dit onderwerp
Zoals blijkt uit dit artikel zijn we enigszins sceptisch over het gebruik van parallel geschakelde omvormers bij een schaduwrijke situatie. Wij denken eerlijk gezegd dat het wel zinvol is om parallele systemen te plaatsen als er sprake is van heel veel schaduw. Een MPP tracker kan niet continue aan het werk blijven om de spanning continue perfect af te stellen. Wij denken echter dat er spaarzaam gebruik gemaakt moet worden van parallele systemen.