Opbrengstvariabelen voor zonnepanelen

Opbrengst maximalisatie

Bij de planning van een zonne-energie installatie wordt gekeken hoe de opbrengst, in kilowattuur (kWh), kan worden gemaximaliseerd. Een hogere opbrengst betekent eveneens dat de rentabiliteit van het geinvesteerde vermogen in de zonne-energie installatie verbeterd.

Hoe wordt deze opbrengst berekend? Welke factoren beinvloeden de opbrengst? En welke technieken zijn er beschikbaar op de opbrengst van een zonnestroom installatie te maximaliseren. Het antwoord op deze vragen is in drie onderdelen opgedeeld:

• Zonnepaneel rendementsfactoren. Hierbij wordt gekeken wat het technisch rendement van een PV zonnepaneel is onder invloed van zonnestraling.
• Zonnepaneel opstellingen. Hierbij wordt gekeken hoe de opbrengst kan worden beinvloed door voor verschillende zonnepaneel opstellingen te kiezen.
• De solar inverter. Hierbij wordt gekeken welke invloed de inverter en het type inverter kan hebben op de opbrengst van zonnepanelen. 

Wattpiek

Het vermogen van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in Watt. Het nominaal maximaal vermogen wordt aangeduid in Wattpiek (Wp).

Wp of nominaal maximaal vermogen is het maximaal vermogen dat een zonnepaneel onder testcondities kan leveren. De Wp waarde van een zonnepaneel, deze waarde is terug te vinden op het specificatieblad van een zonnepaneel, is in de regel vastgesteld onder STC condities. STC is een wereldwijde teststandaard voor zonnepanelen en staat voor Standard Test Conditions.

De Wp waarde is niet het maximale vermogen dat een zonnepaneel kan leveren. Dat kan onder gunstige omstandigheden hoger liggen.

Maximum Power Point (MPP)

In onderstaande grafiek zijn de belangrijkste electrische waarden van een zonnepaneel vermeld. 

• De maximale spanning in Volt dat een zonnepaneel kan leveren wordt aangeduid als Voc. Voc is de zogeheten nullastspanning.
• De stroom in Amperes benodigd om de nominale stroom te verkrijgen wordt aangeduid als Isc. Isc is de zogeheten kortsluitspanning.
• De nominale stroom wordt aangeduid als Imp.
• De nominale spanning als Vmp.
  • Het product van deze (nominale) waardes (Imp x Vmp) is gelijk aan de Wp waarde van het zonnepaneel.

   

De Wp waarde wordt in de grafiek ook aangeduid als Maximum Power Point (MPP). Het traceren van het MPP door de inverter onder verschillende omstandigheden, meer / minder zonnestraling of schaduw, komt uitgebreid aan bod bij de behandeling van de Solar inverter.

Zonnepaneel rendement

Zonnecellen zetten zonlicht om in elektriciteit.

• Het deel van de energie in het zonlicht dat kan worden omgezet in elektriciteit wordt het rendement genoemd. Het rendement van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in procenten (%).
• Het vermogen van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in Wp. Wp is het nominale maximaal vermogen van een zonnepaneel. Nominaal verwijst naar het feit dat het maximaal vermogen wordt vastgesteld in een test onder specifieke condities.  

Voor het bepalen van het rendement van een zonnepaneel worden verschillende test-standaarden gebruikt. De meest gebruikte wereldwijde standaard is STC. STC staat voor Standard Test Conditions. De STC test hanteert de volgende condities:

• Solar irradiance / zonnestraling: 1000 Watt / m2
• Solar cell temperature / zonnecel temperatuur: 25°C
• Air mass (AM) / luchtmassa druk: 1.5 m / s

De STC waarden, zowel de rendementswaarde als Wp waarde zijn te vinden in het specificatieblad van een zonnepaneel.

Wat is de relatie tussen Wp en rendement?

De relatie tussen rendement en Wp is als volgt:

Paneel specificaties (voorbeeld):

• Wp waarde van 260
• Paneelrendement van 16,16%
• Afmetingen paneel 1638 x 982 mm

Bij een paneelrendement van 16,16% is het geleverde vermogen volgens STC per 1 m2 paneel 161,16 Wp. Dit is het resultaat van 16,16% x 1000 Watt. 1000 Watt is de zonnestraling waarde waarmee volgens STC wordt gemeten. 

• Het totale oppervlakte van dit zonnepaneel bedraagt 1,61 m2 (1638 x 982 mm).
• Het vermenigvuldigen van de oppervlaktewaarde x de rendementswaarde levert de Wp waarde op.
• De totale oppervlakte in m2 * Wp vermogen per m2 is gelijk aan 1,61 m2 * 161,16 Wp = 260Wp.
• 260 Wp is de Wp specificatie van dit zonnepaneel.

Notabene: Zonnepanelen kunnen afhankelijk van de weersomstandigheden minder goed maar ook beter presteren dan de vermelde STC specificaties.

• Stel bijvoorbeeld dat de lucht onbewolkt is in hartje zomer maar er staat eveneens een frisse stevige wind. Door de wind wordt het zonnepaneel maximaal gekoeld terwijl de zonnestralingwaarde ruim boven de 1000 Watt per m2 ligt. De opbrengst van het zonnepaneel kan in een dergelijke situatie hoger zijn dan de vermelde maximale STC waardes.

Wat zegt het rendement van een zonnepaneel?

Een paneel met een rendement van 10% en een vermogen van 100 Wp is twee maal zo groot als een paneel met een rendement van 20% en hetzelfde vermogen.

De prijs van een zonnestroom installatie wordt vaak weergegeven in Euro per Wp. Panelen met een lager rendement zijn in de regel goedkoper dan panelen met een hoger rendement. Het rendement heeft daarom op de prijs maar een beperkte invloed.

Notabene: Bij de realisatie van een compleet zonnestroom systeem is een deel van de kosten gerelateerd aan de oppervlakte cq het aantal zonnepanelen. Denk hierbij aan de kosten voor de draagconstructies en de bekabeling. Die kosten zijn dus wat hoger wanneer het rendement van de panelen lager en het te beleggen oppervlakte groter is. 

Notabene: het rendement is geen maatstaf voor de kwaliteit of betrouwbaarheid van zonnepanelen. Het zegt wel wat over het innovatie-vermogen (materiaaltoepassing) en de visie (streven) van de betreffende fabrikant.

Wat zijn de belangrijkste opbrengst variabelen?

Naast de keuze voor de componenten, zoals type zonnepaneel, mate van transparantie, fabrikant, technologie, uitstraling, lange termijn garanties en de reputatie van de leverancier / installateur, is de opbrengst van een zonnepaneel installatie van een tweetal andere zaken afhankelijk:

• De hoeveelheid zonnestraling op de panelen.
• Omzettingsverliezen in de zonnepaneel installatie.

De jaarlijkse zonnestraling wordt uitgedrukt in kWh / m2 (kilowattuur per vierkante meter).

• In Nederland bedraagt de instraling op jaarbasis op een horizontaal vlak op de grond gemiddeld 1020 kWh / m2. 

De instraling is afhankelijk van de orientatie (windrichting) en de hellingshoek. Door obstructies zal de instraling op de panelen verminderen. Denk bij obstructie aan omringende bebouwing, schaduw van bomen, schoorstenen, afvoer- en ontluchtingspijpen, (openstaande) dakramen, dakkappellen, dakuitbouwen, maar ook bevuiling en vogelpoep geven ongewenste schaduw en dus vermogensverlies.

Bij de plaatsing van zonnepanelen op een vlakke oppervlakte is het natuurlijk ook van belang dat de panelen niet in elkaars schaduw komen te staan.

Met behulp van onderstaande afbeelding kan het instralingsrendement (in %) worden bepaald.

• Kies daarvoor een punt gebaseerd op de hellingshoek van de zonnepanelen. Dit is een punt op of tussen de witte circels.
• Kies daarna de positie van de zonnepanelen ten opzichte van de zon.
  • Het magnetische zuiden op een kompas wijkt een klein beetje af van het zon-zuiden. In Nederland is de afwijking 2 graden. 

 

Het percentage dat uit deze oefening volgt kan gebruikt worden om te berekenen hoeveel zonnestraling er op de installatie valt. Deze zonnestraling wordt door de installatie omgezet in electriciteit. 

Notabene: Zoals uit het circeldiagram blijkt is het verschil in opbrengst van een tussen zuid-oost en zuid-west georienteerde installatie en een hellingshoek van de zonnepanelen tussen 20 en 60 graden niet groter dan ongeveer 10%. Zelfs op een geheel verticale zuidgevel wordt nog 75% van het maximum haalbare geoogst.

Omzettingsverliezen

De opbrengst van een zonnepaneel-systeem (in kWh) kan berekend worden met de onderstaande formule:

Opbrengst in kWh = Instraling op het zonnepaneelvlak (kWh / m2) x Wp vermogen van de zonnepaneel installatie x De Performance Ratio (PR).

• De instraling is de globale instraling waarin de hellingshoek en de positie van de installatie ten opzichte van de zon zijn meegenomen.
• Het Wp vermogen is een optelsom van het aantal panelen vermenigvuldigd met het Wp vermogen van elk paneel.
• De Performance Ratio (PR) van een zonnepaneel installatie is een maat voor de systeemverliezen in het zonnestroom systeem.

De Performance Ratio van een zonnestroom systeem is afhankelijk van de kwaliteit van de gebruikte zonnepanelen en componenten als de inverter(s), kabels, management software maar ook de bevestigingsmaterialen, de ondergrond en de omgeving.

Bij gebruik van hoogwaardige componenten kan de PR (op jaarbasis) oplopen tot 0,93. De verliezen (1-PR) bestaan grofweg uit:

• Zonnepaneel instralingsverliezen 3% tot 7%
• Temperatuurverliezen 1% tot 3%
• Inverter- en kabelverliezen 3% tot 10%

Het praktisch vermogen

Aan de hand van voorgaande gegevens kan een voorbeeld opgesteld worden:

• Een lokatie heeft een gemiddelde jaarlijkse instraling van 1030 kWh per m2
• De zonnepaneel installatie ligt op een dak met een hellingshoek van 50º graden pal op het zuiden.
• Volgens het circeldiagram hoort hier een instralingswaarde waarde van 95% bij.
• De netto instraling bedraagt dus 1030 kWh x 95% = 978,5 kWh per m2
• Het Wp vermogen van de installatie bedraagt bijvoorbeeld 3500 Wp ofwel 3,5 kWp.
  Dit zijn bijvoorbeeld 14 panelen van 250 Wp elk.
• De performance ratio (PR) van het systeem bedraagt 0,9 ofwel de systeemverliezen bedragen 10%.

De jaarlijkse opbrengst van een systeem van 3500Wp is dan: 

978,6 kWh x 3,5 kWp x 0,9 = 3082 kWh per jaar (= 88% van 3500Wp).

 

Substrings en schaduwwerking

Een zonnepaneel bestaat uit een aantal series zonnecellen, zogeheten substrings. Wanneer er schaduw op één van de zonnecellen valt, zou in principe de prestatie van het gehele paneel degraderen. Dat is niet wenselijk. Moderne zonnepanelen hebben daarom de mogelijkheid beschaduwde cellen te bypassen. De zonnecellen in de substrings die geen hinder hebben van de schaduw blijven gewoon doorproduceren. Het zonnepaneel is hiertoe uitgerust met meerdere zogeheten bypass diodes (meestal 3 of meer). Deze diodes bevinden zich in de kabeldoos van het paneel.

Door de wijze waarop de zonnecellen zijn gerangschikt in een zonnepaneel kan het nog van belang zijn of de schaduw op de korte of lange zijde van een paneel valt. Hoewel schaduw in de regel niet als een vierkant op een zonnepaneel zal vallen, zoals in een van onderstaande voorbeelden, kan verticale (portrait) of horizontale (landscape) plaatsing van een paneel mogelijk een verschil maken wanneer schaduw in het spel is.

PV zonnepanelen parallel of in serie geschakeld

Een zonnepaneel levert gelijkspanning (DC). Om de gelijkspanning om te zetten in wisselspanning (AC) worden inverters ingezet. Inverters zijn er in verschillende formaten.

• Inverters die geschikt zijn voor het koppelen van 1-2 zonnepanelen worden micro-inverters genoemd. Een micro inverter mag in de regel op een regulier stopcontact worden aangesloten. Er is wel een restrictie. De invoeding (teruglevering) mag maximaal 2,25 Ampere per groep bedragen. Ofwel zo'n 500 Watt (2,25 Ampere x 230 Volt).
• Een 2e categorie zijn inverters die geschikt zijn voor het koppelen van meerdere zonnepanelen. Deze centrale cq string inverters leveren hun stroom aan het stroomcircuit via één of meerdere (nieuw te realiseren) separate groepenkasten.  

Meerdere zonnepanelen kunnen zowel parallel als in serie als in een mix van parallel en serie aan een centrale inverter worden gekoppeld. Een serie zonnepanelen die aan elkaar worden gekoppeld en als zodanig aan de inverter wordt aangesloten wordt een string genoemd. Wanneer zonnepanelen aan elkaar worden gekoppeld geldt:

• Bij zonnepanelen die in serie worden gekoppeld, stijgt het voltage met het koppelen van elk volgend paneel. Het amperage blijft gelijk. 
• Bij zonnepanelen die parallel worden gekoppeld, stijgt het amperage met het koppelen van elk volgend paneel. Het voltage blijft gelijk. 

String regels

Meerdere zonnepanelen kunnen zowel parallel als in serie als in een mix van parallel en serie aan een inverter worden gekoppeld. Een serie zonnepanelen die aan elkaar worden gekoppeld en als zodanig aan de inverter wordt aangesloten wordt een string genoemd. Afhankelijk van de inverter kunnen één of meerdere strings worden gekoppeld.  

Hoeveel panelen er in een string worden gekoppeld is van een aantal zaken afhankelijk:

• Het vermogen dat de string kan leveren ten opzichte van de inverter specificaties. Dit moet binnen de (optimale) prestatiegrenzen van de inverter liggen.  
• Schaduwval; panelen die niet onderhevig zijn aan schaduwval worden vaak middels een string gescheiden van panelen die dat wel zijn. Modere inverters beschikken over schaduwmanagement systemen. Deze kunnen een of meerdere zonnepanelen in een string bypassen wanneer een zonnepaneel niet langer negatief bijdraagt aan het geleverde vermogen van gehele string. Voor een uitgebreide toelichting klik hier (kies schaduwmanagement) of ga naar De solar inverter onder het menu Zonne-energie.  
• Een behoefte aan visuele rangschikking. Het kan als prettig ervaren worden, eventueel met het oog op onderhoud, de visuele rangschakking van panelen gelijk te maken met een opdeling in strings.

Notabene: Wanneer er gebruik gemaakt wordt van micro-inverters heeft elk paneel een eigen omvomer en optimalisatie mogelijkheid.

Het mixen van PV zonnepanelen

Het mixen van zonnepanelen, zoals verschillende merken, waardes en leeftijden in string van zonnepanelen is mogelijk maar aan regels gebonden. Wanneer een vreemd model zonnepaneel aan een bestaande string gekoppeld wordt is een vermindering van de prestaties van de string zonnepanelen echter veelal onvermijdelijk.  

• Alleen zonnepanelen met een gelijk amperage mogen in serie worden gekoppeld. Wanneer een 7,5 Ampere zonnepaneel aan een 8 Ampere zonnepaneel wordt gekoppeld wordt het amperage (de stroom)  in het circuit verlaagd naar 7,5 Ampere. Dit leidt tot vermogensverlies.
• Alleen zonnepanelen met een gelijk voltage mogen parallel worden gekoppeld. Wanneer een 38 Volt paneel aan een 44 Volt paneel wordt gekoppeld wordt het voltage (de spanning) in het circuit verlaagd naar 38 Volt. Dit leidt tot vermogensverlies.
• Rekening houdend met een van bovenstaande regels is een afwijking in het Wp vermogen (Watts) niet van belang. Het Wp vermogen wordt opgeteld / doorgeteld. Echter, moderne inverters maken gebruik van Maximum Power Point Trackers (MPPT) en / of Global Maximum Power Point Trackers (GMPPT). Bij het mixen van zonnepanelen met verschillende Wattages werken deze functies niet meer naar behoren.
• De prestaties van zonnepanelen verminderen in de tijd. Het mixen van zonnepanelen van verschillende leeftijden lijdt dan ook onherroepelijk tot extra vermogensverlies.

Accu's laden en / of terugleveren aan het netwerk 

Zonnepanelen kunnen worden gekoppeld aan het publieke stroomnetwerk middels een inverter of aan een inverter met laadfunctie. Opbrengst optimalisatie ten aanzien van een accu systeem waarbij de accu's zo efficient mogelijk moeten worden geladen wijkt iets af van teruglevering van stroom aan het publieke netwerk.

• Accu systemen zijn gebaat bij een maximaal laadvermogen. Laadvermogen houdt de snelheid in waarmee een accu kan worden geladen. In dit geval door de combinatie van zonnepanelen en inverter / lader. Het laadvermogen wordt uitgedrukt in Amperes (stroom). De spanning van een accu wordt uitgedrukt in voltage. Het voltage van een accu-systeem is veelal gebaseerd op 12-, 24- of 48 Volt gelijkstroom (DC). Een enkel zonnepaneel kan al snel meer dan 12 Volt gelijkstroom (DC) leveren. Een zonnepaneel met 72 zonnecellen levert bij goede zon bijvoorbeeld al zo'n 36 Volt gelijkstroom (DC). Dat is een te hoge spanning voor het direct laden van een 12 Volt of zelf 24 Volt accu-systeem. Om het vermogen van het zonnepaneel of zonnepanelen maximaal om te zetten, zonder schade aan de accu toe te brengen, dienen de verhoudingen voltage:amperage door de inverter / lader te worden bijgesteld. Met andere woorden, voor het snel laden van een accu is een hoog amperage wenselijk, terwijl het voltage beperkt moet blijven. Om tot een maximale laadstroomte komen dient de inverter / lader te beschikken over Maximum Power Point Tracking of MPPT. Voor een uitgebreide uitleg in Engels over het laden van accu's klik hier. 
• Het electricteitsnetwerk kent net als een accu ook een Volt waarde, in Nederland 230 Volt AC (wisselspanning). De inverter zet de gelijkstroom (DC) van de panelen om in wisselstroom (AC) voor het netwerk. In dit geval hoeft er geen accu geladen te worden maar wordt er stroom teruggeleverd aan het stroomcircuit. De grenzen van teruglevering van stroom worden in dit geval dan ook bepaald door de capaciteit van de teruglevergroepen en de waarde van de hoofdzekering. Zie De zonnepaneel installatie onder het menu Zonne-energie voor meer details.

Om te komen tot een maximale opbrengst wordt dus zowel voor het laden van accu systemen als het leveren van stroom aan het stroomnetwerk gebruikt gemaakt van het principe van maximum power point tracking (MPPT)

De temperatuur coefficient

Het rendement van een zonnepaneel is niet constant. Het is voornamelijk afhankelijk van de hoeveelheid zonnestraling maar ook van de temperatuur van het zonnepaneel. De prestaties van een zonnepaneel worden onder testcondities vastgesteld. De Wp waarde van een zonnepaneel is meestal vastgesteld bij een temperatuur van 25º (STC test).

• Een deel van het spectrum van de zonnestraling wordt gebruikt voor het fotovoltaische proces. De omzetting van zonnestraling naar electriciteit. De 'ongebruikte' zonnestraling zal bij veel zon het zonnepaneel opwarmen. Wanneer de temperatuur van een zonnepaneel boven de 25º graden komt zal het zonnepaneel minder vermogen gaan leveren. Het zonnepaneel haalt zijn maximale Wp waarde, uitgedrukt in aantal Watt, dan niet meer. 
• Bij veel zonnestraling kan er meer zonnestraling zijn dan benodigd om het fotovoltaische proces te voeden. Het teveel aan zonnestraling wordt dan omgezet in warmte. Wanneer deze warmte niet voldoende kan worden afgevoerd, door bijvoorbeeld de wind, leidt dit ook tot extra opwarming van het paneel. En daarmee tot rendementsverlies. 

De mate waarin een zonnepaneel gevoelig is voor temperatuurverhogingen wordt in het specificatieblad van een zonnepaneel aangeduid als temperatuurcoefficient. De temperatuurcoefficient wordt op verschillende manieren aangeduid. Onder meer in Celcius, Kelvin en milliampere.

Een van de meestgebruikte temperatuurcoefficienten is het procentuele verlies aan Wp vermogen per 1º Celcius stijging van de temperatuur boven 25º Celcius. De meestvoorkomende waardes van deze temperatuurcoefficient liggen tussen de -0,3 en -0,45 (% Wp / 1 º C). 

Zonnepanelen kunnen vrij heet worden. In Nederland tot wel 60 graden. Aangezien het paneelrendement bij 25º Celcius bekend is (het STC rendement) is het rendementsverlies bij een paneeltemperatuur van 60 graden uit te rekenen.

60 Graden is 35 graden boven 25 graden. 35 x -0,44 (voorbeeld) = 15,4%. Een paneel met een Wp waarde van 275 zal bij een paneeltemperatuur van 60 graden 15,4% minder opleveren. Ofwel maximaal 233 Wp in plaats van 275Wp.

Er kan ook gekeken worden naar de impact op het rendement. Een paneel van 275 Wp heeft een rendement van 14,17% en een temperatuur coefficient van -0,44. Indien de instraling 1000 W / m2 is en de paneeltemperatuur 60 graden dan bedraagt het werkelijke paneelrendement (1 - 15,4%) x 14,17% = 12%.