Schaduw

Het effect van schaduw

Schaduw is een probleem voor zonnepanelen. Zoals we weten bestaan de meeste zonnepanelen uit 60 cellen die in serie geschakeld zijn. Over 20 cellen staat een bypass-diode geschakeld. Totaal zitten er dus 3 diodes in een zonnepaneel. Men kan ook zeggen dat een zonnepaneel bestaat uit drie secties. Als in die sectie een enkele zonnecel helemaal beschaduwd is doet heel die sectie helemaal niets. Een enkele zonnecel kan dus het vermogen van een sectie reduceren tot nul. Schaduw wordt meestal veroorzaakt door bomen, omliggende gebouwen, schoorstenen, pijpjes op een dak of stof op het zonnepaneel. Het vermogen van het zonnepaneel neemt evenredig af met de hoeveelheid schaduw.

1. Schaduw op een enkele cel

Als voorbeeld nemen we een enkele zonnecel. We kijken wat er gebeurt met de stroom (I), de spanning (Voc) en het vermogen (P), als een deel van deze cel beschaduwd wordt:

Beweeg met de muis het doekje over de zonnecel en zie wat er gebeurd met de spanning en de stroom. We zien dat indien er schaduw op de cel valt, bijvoorbeeld door de bladeren van een boom, een schoorsteenpijp of vervuiling door stof of vogelpoep, de stroom naar verhouding afneemt met het beschaduwde vlak.
We zien dat de stroom afneemt naarmate er meer schaduw op de zonnecel valt. We zien ook dat bij totale beschaduwing de cel geen stroom meer levert en geen spanning meer op de klemmen heeft.

2. Schaduw op een sectie van een zonnepaneel

Men vergelijkt een string zonnecellen vaak met een tuinslang waar water doorheen stroomt. Als men met een voet op de slang gaat staan dan vermindert de waterstroom door de gehele slang. Het water is hier de stroom die door de zonnecellen stroomt. De voet op de slang is de schaduw. Schaduw op een enkele cel kan het vermogen van een hele streng tot nul brengen. Het vermogen dat de cellen die niet in de schaduw liggen opwekken wordt gedissipeerd door de beschaduwde cel, waardoor die erg warm wordt (dit noemen we een hotspot). Door een diode over de beschaduwde cel te plaatsen wordt de stroom via de diode om die cel heen geleid waardoor de rest van de streng weer elektriciteit kan produceren, en de beschaduwde cel niet zo warm word.

3. Schaduw op een zonnepaneel

Omdat alle zonnecellen in serie staan in een zonnepaneel, en er meestal maar drie diodes in een zonnepaneel zitten, zakt de stroom in een sectie naar het niveau van de slechts presterende cel.
In het plaatje zien we het effect van de bypassdiodes in een zonnepaneel. Het eerste plaatje (fig. 1) laat een zonnepaneel zien, bestaande uit 60 in serie geschakelde zonnecellen. We nemen aan dat iedere zonnecel 0,5V/8A kan leveren. En we gaan er van uit dat het zonnepaneel volledig belast is, dus 100% van zijn vermogen kan leveren. Dat betekend dat dit zonnepaneel nu 60 x 0.5 x 8 = 240 Watt levert.
In figuur 2 zien we dat 1 cel 100% schaduw heeft. Het zonnepaneel heeft geen diodes. Dat betekend dat dit paneel geen enkel vermogen kan leveren. Het vermogen dat de 59 niet in de schaduw liggende zonnecellen opwekken wordt opgenomen door de beschaduwde cel. Deze zal daardoor loeiheet worden, en op den duur zullen zelfs solderingen smelten of zal de glasplaat barsten door de hitte.
In figuur 3 zien dat er drie diodes zijn toegevoegd aan het zonnepaneel. Hierdoor wordt de eerste streng van 20 cellen, waar de beschaduwde cel in zit, overbrugd door diode 1, waardoor de overige 40 cellen in staat zijn om hun stroom te leveren. Het geleverde vermogen zal ongeveer 2/3 van het totaal zijn, dus ca. 160 Watt (we verwaarlozen hier de minimale tegenspanning van de diode).

4. Schaduw op een veld met zonnepanelen

Op het dak ligt meestal niet één enkel zonnepaneel, maar meerdere. Ook zonnepanelen worden in serie geschakeld. Heeft men bijvoorbeeld 10 zonnepanelen op zijn dak liggen, en nemen we het zelfde zonnepaneel uit ons voorbeeld hierboven, dus 60 cellen, dan hebben we in totaal 10 x 60 = 600 cellen in serie staan. Dat betekend 600 x 0,5V = 300 V gelijkspanning in totaal. Stel je voor dat er geen diodes in die zonnepanelen zouden zitten, en er ligt een cel in de schaduw. Dan zou het hele veld van 10 panelen totaal geen vermogen meer leveren. Gelukkig bezitten moderne zonnepanelen diodes! Hoe dan ook, schaduw leidt tot opbrengstverlies. Om dit verlies zo klein mogelijk te houden, kan men de zonnepanelen slim groeperen in strengs. Dat houdt in om ze zodanig te plaatsen dat de schaduw op een enkele string effect heeft, en de andere strings ongehinderd vermogen kunnen leveren. Vanwege de vaste plaatsing van diodes in zonnepanelen kan het dus veel verschil maken of men ze in portrait of in landscape monteert. In situaties waar men zeker weet dat er op enig moment van de dag schaduw te verwachten is, moet men hier zeker rekening mee houden. Er zijn ook zonnepanelen te koop die geen drie, maar zes secties hebben. Dit zijn de zogenaamde half cut-zonnepanelen. Deze zijn iets duurder, maar in opstellingen met schaduw is dat zo terugverdiend. Als een enkele cel 100% in de schaduw ligt heeft een paneel met drie secties 33% vermogensverlies. Een paneel met zes secties heeft dan maar 16,7% vermogensverlies.

5. De effecten van schaduw minimaliseren

De omvormer speelt een belangrijke rol om de effecten van schaduw te minimaliseren. De MPP-tracker die in de omvormer zit moet iedere keer het optimale punt zoeken waarop de string met zonnepanelen het beste presteert. Het optimale punt is waar de combinatie van stroom en spanning het maximale vermogen levert. Dit betekend dat de MPP-tracker actief iedere keer moet scannen wat het optimale werkpunt is. Dit zoeken kost ook weer energie, waardoor in het verleden veel omvormers deze zoekactie vertraagd uitvoerden, gebaseerd op minimale wijzigingen werd iedere keer een beetje bijgestuurd. Tegenwoordig scannen bijna alle netomvormers heel snel. Dit betekend wel een hoger stroomverbruik van de omvormer, maar ook een hogere opbrengst zodra het optimale MPP-punt gevonden is. Het is een misverstand dat alleen met micro-omvormers per paneel het mogelijk is om het optimale werkpunt te vinden. Ook met grotere stringomvormers, zoals bijvoorbeeld de optitractechnologie van SMA, is het mogelijk om van een string zonnepanelen iedere keer opnieuw het ideale MPP-punt te berekenen en te profiteren van een maximale opbrengst.

Samengevat kunnen we concluderen dat schaduw vermijden de beste oplossing is. Laat u niks wijs maken door optimizerfabrikanten. Schaduw leidt altijd tot verliezen. De belangrijkste stap om die verliezen te beperken als schaduw niet voorkomen kan worden, is, om de zonnepanelen slim in strings op te delen zodat het totale effect minimaal gehouden wordt. Pas dan kan men gaan denken aan enkele micro-omvormers of het toepassen van optimizers. De truc is dat ieder zonnepaneel dan zijn eigen MPP-tracker krijgt, waardoor ieder paneel kan werken in het optimale punt waar het vermogen (U x I) maximaal is (het MPP-punt).

Oplossingen met micro-omvormers of optimizers bieden ook de mogelijkheid om per paneel te monitoren. Een bijkomend voordeel is dat men ook verschillende soorten zonnepanelen gewoon kan mengen, bijvoorbeeld een 250 Wp samen met een 330 Wp paneel. Ook als men allemaal dezelfde soort panelen heeft, zit er altijd een klein vermogenstolerantieverschil tussen de zonnepanelen. Indien deze op een traditionele stringomvormer aangesloten worden geld dat het slechtste paneel de opbrengst van de hele string bepaald. Bij optimalisatie presteert ieder zonnepaneel maximaal. Bij optimalisatie presteert ieder zonnepaneel maximaal. Alleen het paneel wat beschaduwd of vervuilt is levert minder energie. Voor platte daken kan men schaduw op achterliggende rijen voorkomen door de afstand tussen de rijen in acht te nemen. Er bestaan simulatieprogramma's, zoals PV-Sol van Valentin software, die de zonneloop simuleren op een bepaald dak, waardoor de schaduw gedurende een dag zichtbaar wordt. Natuurlijk kan men ook zelf op een zonnige dag op verschillende tijdstippen het dak beoordelen op schaduw.