Offerte opvragen Bereken wat je bespaart

Waar ben je naar opzoek?

Search
Generic filters
Exact matches only
Filter by Custom Post Type

Invloed van schaduw op opbrengst zonnepanelen

Zonnepanelen en schaduw gaan niet goed samen. Hoe krijg je toch het beste rendement als je last van schaduw hebt op je dak? Op internet raak je gauw de draad kwijt door alle verschillende zonnepanelen, omvormers, micro-omvormers en optimizers. Wil je zelf graag weten hoe het precies werkt?

Met het lezen van dit artikel leer je:

  • wat de invloed van schaduw is op verschillende types zonnepanelen. Dit kan namelijk erg verschillen per paneel.
  • hoe omvormers omgaan met schaduw op de zonnepanelen. Er wordt uitgelegd hoe string-omvormers, micro-omvormers, en optimizers de invloed van schaduw proberen te minimaliseren.
  • op welke manieren je de invloed van schaduw kunt bepalen zodat je kunt inschatten hoeveel opbrengst je met je zonnepanelen gaat krijgen.

Heb je al genoeg aan je hoofd en geen zin in een ingewikkeld verhaal? Neem dan contact met ons op en je ontvangt gratis een opbrengstberekening bij een offerte.

Deel 1: Invloed van schaduw op verschillende types zonnepanelen

In dit deel bekijken we hoe de volgende zonnepanelen omgaan met schaduw:

  • standaard zonnepanelen met 60, 72 of 96 cellen en drie diodes,
  • QCells DUO zonnepanelen met 120 cellen
  • Sunpower performance zonnepanelen
  • Dunnefilm zonnepanelen
1.1 Standaard zonnepanelen
1.1.1 Eerst een korte uitleg over hoe een zonnepaneel is opgebouwd

Opbouw zonnepaneel, schaduw, bypass diode

Als je goed kijkt naar een zonnepaneel zie je dat er een heleboel vierkante cellen in zitten. Iedere cel levert ongeveer 0,5 tot 0,6 volt als er licht op valt. Dit voltage is veel te laag om te gebruiken en daarom worden alle cellen met elkaar verbonden door metalen strippen of draadjes. Ze staan in serie en daardoor gaat het voltage omhoog. Je kunt de voltages van alle cellen bij elkaar optellen. Het overgrote deel van de zonnepanelen bestaan uit 60 cellen (6×10) die in serie staan. Je komt dan op een voltage tussen de 30 en 40 volt per paneel.

1.1.2 Wat gebeurt er als een standaard zonnepaneel schaduw krijgt op een enkele cel?

Schaduw op een zonnepaneel, vogelpoep, schaduw op celWat gebeurt en nu als er op één van die 60 cellen schaduw valt? Als dit gebeurt neemt de weerstand in de cel met schaduw toe en kan de stroom niet meer goed lopen. Omdat alle andere cellen wel in de zon liggen wordt alle stroom door deze cel geperst en wordt deze cel heet. Na verloop van tijd kan hij dan stuk gaan. Zo’n hete cel wordt een hot spot genoemd. Hot spots kunnen ook ontstaan door kleine breuken in een cel. Dit is een groot probleem want binnen no-time zouden je zonnepanelen stuk zijn.

Gelukkig bestaat de bypass diode. Als de bypass diode merkt dat er teveel weerstand is in een cel schakelt hij die uit. De stroom loopt dan door de bypass diode in plaats van door de cel. Zo blijft de cel heel. Het is onpraktisch en duur om iedere cel een bypass diode te geven. In een 60 cel zonnepaneel zitten er drie. Eén per 20 cellen. Deze 20 cellen noemen we een substring. Als er een blaadje op één cel ligt betekent dit dat 20 cellen niet meer meedoen. Dat is 33 procent verlies. Sommige fabrikanten zoals Panasonic gebruiken 96 cellen (8×12) in hun zonnepanelen. Deze panelen hebben vier diodes, één per 24 cellen. Als 1 cel in de schaduw ligt doet 25 procent van het paneel niet meer.

 

1.1.3 Wat gebeurt er als een strook schaduw op de korte kant van een standaard zonnepaneel valt?

Schaduw zonnepanelen, strook schaduw zonnepaneelHier moet je goed opletten! Er zit namelijk verschil tussen één zonnepaneel of meerdere zonnepanelen in serie.

Situatie 1: één zonnepaneel is aangesloten op een omvormer en er valt schaduw schaduw op de korte kant van het paneel. De cellen aan de onderkant van het zonnepaneel hebben hierdoor maar 30 procent zon. Er zit nu dus geen verschil tussen de substrings. De diodes doen dus niets. Het zonnepaneel zal dan 30 procent van zijn vermogen leveren.

Situatie 2: meerdere zonnepanelen zijn aangesloten op een omvormer en er valt schaduw op de korte kant van één zonnepaneel. De cellen aan de onderkant van het zonnepaneel met schaduw hebben hierdoor maar 30 procent zon. De andere zonnepanelen hebben 100 procent zon. De zonnepanelen die in de zon liggen proberen stroom door het zonnepaneel met schaduw te duwen. Alle diodes schakelen in en het zonnepaneel in de schaduw doet niks meer, nul procent.

 

1.1.4 Wat gebeurt er als een strook schaduw op de lange kant van een standaard zonnepaneel valt?

Schaduw zonnepaneel strook, landscape zonnepaneel, plat dakNu hebben twee substrings volle zon. De derde substring heeft in dit voorbeeld 50 procent schaduw op de onderste tien cellen. De bypass diode zal inschakelen en 33 procent van het paneel valt uit.

Je ziet dat een zonnepaneel anders reageert bij schaduw op de lange en op de korte kant van een zonnepaneel. De lange kant is beter. Daarom liggen zonnepanelen op platte daken meestal in landscape. Schaduw van het voorliggende paneel geeft maar 33 procent verlies terwijl dit bij portret 100 procent zou zijn. Dit geldt bij een string-omvormer. Bij optimizers of micro-omvormers wordt dit verlies beperkt maar dat is voor hoofdstuk 2.

 

1.1.5 Hoe werkt een bypass diode in een zonnepaneel?

Een standaard zonnepaneel is opgebouwd uit 3 substrings van 20 cellen. Parallel aan de sub string van 20 cellen is een bypass diode geplaatst. Aan de ingang van de diode is het voltage -10V ten opzichte van de uitgang. De diode zal geen stroom doorlaten. Een diode laat alleen stroom door naar één kant, als een keerklep. Op het moment dat er schaduw op een cel valt zal de weerstand toenemen. De sub string is nu een stroomverbruiker geworden i.p.v. een leverancier. Het voltage van de sub string wordt omgekeerd en de stroom zal door de diode gaan lopen. De substring wordt nu overgeslagen. Bij de meeste zonnepanelen zal de diode inschakelen vanaf zo’n 20 procent vermogensverlies in een cel.1

 

1.2 QCells DUO

De QCells DUO zonnepanelen hebben 120 halve zonnecellen. Het paneel is in twee delen van 60 cellen verdeeld, de onderste en bovenste helft. Deze twee delen staan parallel. Bij een strook schaduw over de korte kant van het zonnepaneel blijft de helft werken. Een standaard paneel doet dan niets. Tenminste, als er meerdere zonnepanelen in serie staan (zie 1.1.3). Dit is een verbetering van 50 procent.

 

1.3 Sunpower performance zonnepanelen

Sunpower performance, schaduw zonnepaneelDe Sunpower performance zonnepanelen hebben in plaats van 3 zones met een diode maar liefst 18 zones2. Het paneel is totaal anders opgebouwd dan de standaard zonnepanelen. Ze maken gebruik van hele kleine cellen die als shingles over elkaar heen liggen. Soldeer verbindingen zijn nu overbodig. Het paneel bevat zes rijen van deze cellen. Deze staan parallel. In het voorbeeld van een strook schaduw over de korte kant van het paneel verliest het SunPower paneel 33 procent van zijn vermogen, terwijl een standaard paneel onder deze omstandigheden niets meer produceert bij meerdere panelen in serie (zie 1.1.3). Bij schaduw over de lange kant van het paneel verliest het SunPower paneel slechts 8 procent bij schaduw van een halve cel over de hele lengte en 16 procent bij een strook schaduw over de hele rij cellen. Dit is veel beter dan de 33 procent bij een standaard paneel.

1.4 Dunnefilm zonnepanelen

Schaduw dunnefilm zonnepaneelDunnefilm zonnepanelen worden niet veel meer gebruikt in 2019. Toch zijn dunnefilm zonnepanelen interessant omdat ze heel anders reageren op schaduw. Een dunnefilm zonnepaneel is opgebouwd uit parallel lopende langwerpige cellen. Deze lopen van onder tot boven over het paneel. Meestal zijn er in dunnefilm zonnepanelen geen diodes nodig om het paneel te beschermen. Dit komt door het grote oppervlak van de cellen en de lage stroomsterktes.3 Omdat het paneel geen diodes heeft worden alleen de cellen die in de schaduw liggen beïnvloed door schaduw. Bij een standaard paneel valt een deel van het paneel weg door een beetje schaduw. Als een dunnefilm zonnepaneel over de lange zijde schaduw heeft, werken de cellen in de schaduw niet meer mee en daalt het voltage van het paneel. Als het paneel over de korte zijde schaduw heeft hebben alle parallelle cellen gedeeltelijk schaduw en zakt de stroomsterkte van het paneel. Schaduw heeft dus minder invloed op dunne film zonnepanelen. Desondanks kan het zeker nuttig zijn om gebruik te maken van optimizers (zie Deel 2.2).

Deel 2 Hoe omvormers omgaan met schaduw op een zonnepaneel

Hiermee komen we bij het volgende deel van het artikel waarin wordt uitgelegd hoe omvormers omgaan met schaduw op zonnepanelen. Tot nu toe keken we naar de invloed van schaduw op een enkel paneel maar in de praktijk worden meestal meerdere panelen in serie aangesloten op een omvormer. Dit maakt het geheel een stukje ingewikkelder. Eerst wordt de meest eenvoudige omvormer besproken, een string omvormer. Daarna komen de micro-omvormers en verschillende optimizers aan bod.

2.1 String omvormers

Er bestaan string omvormers van heel veel verschillende merken. Allemaal hebben ze gemeen dat er meerdere zonnepanelen in serie aangesloten worden op de omvormer. In deel 1 hebben we geleerd wat er gebeurt als een deel van een zonnepaneel in de schaduw komt te liggen. Maar wat gebeurt er dan met de rest van de string?

De taak van een omvormer is om het maximale vermogen uit de zonnepanelen te halen en het om te vormen van gelijkstroom naar wisselstroom om het aan het net te kunnen leveren. De omvormer zoekt het maximale vermogen van de string door de stroomsterkte en het voltage aan te passen. Dit heet Maximum Power Point Tracking (MPPT). Hieronder staan wat eenvoudige voorbeelden waar een omvormer mee te maken krijgt.

2.1.1 Wat gebeurt er als er één cel van één paneel beschaduwd is?
schaduw zonnepaneel blad string omvormer
Schaduw van een blad op een zonnepaneel in een string van tien panelen

Als voorbeeld nemen we een systeem van 10 zonnepanelen die in serie aangesloten zijn op de omvormer (zie tekening hierboven). In dit voorbeeld ligt er vogelpoep op één cel van één van de tien panelen waardoor deze 20 procent minder licht krijgt. De omvormer krijgt nu de taak om het meeste vermogen uit de set zonnepanelen te halen. Hij begint met het aanhouden van de stroomsterkte van de goede panelen. Laten we zeggen 10 ampère. Omdat alle panelen in serie zijn aangesloten loopt er overal dezelfde stroom. Ook door het paneel die schaduw heeft. In deel 1.1.3 hebben we geleerd dat de diode dan zal inschakelen. Hierdoor zal een derde van het beschaduwde paneel niet meer werken. Omdat de rest van alle panelen nog wel maximaal werken is het totale vermogen 96,7 procent van het maximum. De omvormer heeft nog een tweede mogelijkheid. Hij kan de stroomsterkte van alle panelen verlagen naar 80 procent. Dan schakelt de diode niet in. Het beschaduwde paneel verliest dan maar 20 procent in plaats van 33 procent. Alle andere panelen doen dan alleen ook maar 80 procent. Het paneel in de schaduw doet het beter, maar de hele set slechter. De omvormer zal de beste optie van de twee kiezen maar het is een compromis. Het lukt niet om het maximale vermogen uit ieder paneel te halen.

 

2.1.2 Strook schaduw over één paneel
Strook schaduw over de korte kant van een zonnepaneel in een string van tien panelen
Strook schaduw over de korte kant van een zonnepaneel in een string van tien panelen

In dit voorbeeld krijgt één van de tien panelen een strook schaduw over de onderste cellen van het paneel (korte kant). Dertig procent van de onderste zes cellen zijn beschaduwd. Wat gaat de omvormer nu doen. Als hij de stroomsterkte aanhoudt van de panelen die in de volle zon liggen zullen de drie diodes in het schaduw paneel het paneel uitschakelen. De set levert nu maar 90 procent. Als hij de stroomsterkte van het schaduw paneel aanhoudt doen alle panelen maar 70 procent. De eerste optie is het best, maar weer een compromis. Als alle zonnepanelen op hun maximum zouden werken was het vermogen 97 procent van het maximum.

 

2.1.3 Meerdere parallelle strings
Strook schaduw over de korte kant van één paneel bij twee parallelle strings van 10 panelen
Strook schaduw over de korte kant van één paneel bij twee parallelle strings van 10 panelen

Bij grotere systemen worden meerdere strings parallel aangesloten op een string omvormer. De parallelle strings moeten hetzelfde voltage hebben om stroom te kunnen leveren. In dit voorbeeld nemen we twee parallelle strings van 10 panelen. Eén van de strings heeft een paneel met een strook schaduw over de onderkant van de cellen waardoor het paneel 30 procent vermogensverlies heeft. Wat gaat de omvormer nu doen? De voltages in beide strings moeten gelijk blijven. Omdat de diodes in de schaduw string niet kunnen inschakelen moet de stroom omlaag met 70 procent. De goede string doet dan wel 100 procent. Totaal komt dit op slechts 85 procent van het maximum omdat één paneel een strookje schaduw heeft. Als alle panelen optimaal zouden werken zouden 19 panelen 100 procent leveren en één 70 procent (totaal 98,5 procent).

Het is duidelijk dat een string omvormer kan zorgen voor veel meer verlies dan wanneer ieder paneel optimaal zou werken. De praktijk in Nederland is dat veel systemen gedurende de dag schaduw krijgen van bomen, ontluchtingspijpjes, schoorstenen, vogelpoep en wolken. En dan hebben we het nog niet eens over de verschillen die er altijd tussen panelen zijn en die met ouderdom alleen maar toenemen. Geen enkel paneel is identiek. Als je goed naar de datasheet van je zonnepanelen kijkt zie je dat er een paar procent verschil tussen kan zitten. Bij dunnefilm soms tot tien procent. De omvormer is de hele dag bezig het maximum power point aan te passen maar kan dit niet per paneel optimaal doen. In het volgende onderdeel lees je hoe dit wel kan.

2.2 Micro-omvormers

Micro-omvormers en optimizers hebben als overeenkomst dat ze per paneel het Maximum Power Point kunnen regelen. Als 1 paneel 20 procent verlies heeft door schaduw zal dit paneel op 80 procent van zijn maximum werken en de 9 andere panelen 100 procent. Micro-omvormers en optimizers zullen dus in veel gevallen zorgen voor meer opbrengst dan een string-omvormer. Alleen lettend op de opbrengst hebben deze systemen dus de voorkeur. Ze zijn meestal wel duurder in de aanschaf.

Micro-omvormers werken eigenlijk erg eenvoudig. In plaats van één string omvormer krijgt ieder paneel zijn eigen kleine omvormertje. Dat zorgt ervoor dat ieder paneel altijd op zijn Maximum Power Point werkt en dat de gelijkstroom van het zonnepaneel wordt omgevormd tot wisselstroom. Eigenlijk heb je tien kleine systeempjes die allemaal onafhankelijk van elkaar werken. Als er één stuk gaat werken alle anderen gewoon door. In huis komt er ook geen omvormer te hangen en er gaat alleen een kabel naar de meterkast. Een groot voordeel van micro-omvormers is dat de aardlekschakelaar in de meterkast het hele systeem beveiligd. Er wordt alleen wisselstroom gebruikt, net zoals in de rest van je huis. Dit is het veiligste systeem.

Wij werken met de micro-omvormers van Enphase. Kijk hier voor meer informatie.

2.3 Optimizers van SolarEdge

Bij SolarEdge heb je een centrale omvormer net als bij een string omvormer maar wordt het Maximum Power Point geregeld door een optimizer. Elk zonnepaneel wordt aangesloten op een optimizer. In een string zonnepanelen moet de stroomsterkte in iedere paneel gelijk zijn. Door het voltage en de stroomsterkte van ieder paneel aan te passen zorgen ze dat ieder paneel op zijn maximale vermogen werkt en de stroomsterkte in de string gelijk is (dit heet DC DC conversie). Dit voorkomt dat de diodes een deel van een zonnepaneel uitschakelen zoals bij een string omvormer (deel 2.1). Er is wel een nadeel aan optimizers vergeleken met micro-omvormers. De SolarEdge omvormer moet minimaal 370 volt kunnen krijgen van de optimizers om te kunnen werken. Bij de 3 fase omvormers is dit zelfs 750 volt. Je hebt dan een minimum aantal zonnepanelen nodig om de omvormer te laten werken. Bij de 1 fase omvormer zijn dit 8 zonnepanelen en bij de 3 fase omvormer 16 panelen. Als teveel zonnepanelen schaduw hebben lukt het misschien niet om de werkspanning van de omvormer te halen. Er zijn wel speciale optimizers van SolarEdge die een hoger uitgangsvoltage kunnen maken. Je kunt dan met respectievelijk 6 en 12 zonnepanelen uit de voeten voor de 1 en 3 fase omvormer.

Als u geïnteresseerd bent in SolarEdge omvormers kunt u hier meer lezen.

2.4 Tigo en SMA optimizers

TIGO en SMA optimizers zijn hetzelfde. SMA heeft een deel van TIGO overgenomen en produceert de optimizers nu onder eigen naam. Tigo optimizers werken anders dan SolarEdge optimizers. Ze hebben gemeen dat ze ieder paneel op hun maximum power point laten werken. De werking is als volgt. Als een paneel in een string een beetje schaduw krijgt neemt de weerstand in het paneel toe. De TIGO optimizers registreren gelijk dat het paneel meer weerstand heeft dan de rest van de string. Ze doen dit nog voordat de string-omvormer zijn MPPT gaat aanpassen. Ze laten dan parallel aan het zonnepaneel een beetje stroom lopen. Dit zorgt ervoor dat de diodes in het paneel niet inschakelen en ieder paneel optimaal werkt. Het grote voordeel van TIGO optimizers is dat je alleen bij de panelen die schaduw hebben een optimizer hoeft te plaatsen. Centrale regeling is niet nodig, behalve als je de opbrengst per paneel wilt uitlezen. Ook werken ze met vrijwel alle string-omvormers (niet met Victron).

Wij werken niet veel met Tigo. Alleen in bepaalde gevallen om een enkel paneel te optimaliseren in combinatie met een string omvormer. Kijk hier voor meer informatie.

Deel 3: Hoe bepaal je de invloed van schaduw op de opbrengst zonnepanelen

Tegenwoordig is er veel goede software beschikbaar om de invloed van schaduw te bepalen. Deze maken gebruik van gedetailleerde hoogtekaarten waarin bomen en gebouwen te zien zijn. Soms maken wij daar ook gebruik van om in te schatten of het zin heeft om zonnepanelen te plaatsen. Hieronder staat hoe je het zelf ook kunt inschatten.

3.1 zelf een inschatting maken van de invloed van schaduw op zonnepanelen
Schaduw zonnepanelen berekenen, opbrengst zonnepanelen, zonnebaan schaduw, tigo optimizers met scahduw
Schaduw ingetekend in de zonnebaan

In de bovenstaande figuur is de baan getekend die de zon maakt met de horizon gedurende het hele jaar. Je ziet dat de zon veel hoger staat in de zomer dan in de winter. Nu kun je, vanaf je dak of vanuit je dakraam, kijken welke obstakels je ziet en welke hoek deze maken met de horizon. Je kunt dat daarna intekenen in de zonnebaan zoals je ziet in de bovenstaande figuur. In dit voorbeeld is het een schuin dak dat op het zuiden gericht is en waar twee grote bomen, A en B, in de tuin staan. De tekening van de bomen is gemaakt door vanaf het dak stap voor stap vanaf oost naar west de hoek te meten die de bomen maken met de horizon. Daarna kan je inschatten welk percentage van het jaar de zonnepanelen schaduw hebben. Je kijkt dan hoe groot het oppervlak is onder de lijn van de horizon die je getekend hebt vergeleken met de totale zonnebaan. In dit geval is dat zo’n 30 procent.

Je kunt deze inschatting het beste met een korreltje zout nemen, maar het geeft je een globaal idee. Deze inschatting geldt alleen voor een systeem dat ieder paneel optimaal laat werken zoals micro-omvormers of optimizers. De schaduw van een boom trekt namelijk gedurende de dag van links naar rechts over het dak en de panelen hebben allemaal op een ander moment schaduw. Als je deel 2 hebt gelezen weet je dat een string omvormer dan geen goede optie is. Bij erg veel schaduw is het het beste om micro-omvormers te nemen zodat de opstartspanning van de omvormer geen probleem wordt (zie 2.3).

 

Bronnen:

1 se_technical_bypass_diode_effect_in_shading.pdf

2 https://businessfeed.sunpower.com/sunpower-news-nl/schaduw-is-een-feit

3 using_power_optimizers_with_thin_film_modules.pdf

 

Geplaatst op: 18 december 2019 Door: woutermol