Globale straling en zonnepanelen.

Al gedurende een jaar doe ik op WeerstationHuizen ook metingen met betrekking tot de Globale Straling op mijn Station. Ik heb daarvoor een Stralingsmeter van Davis aangeschaft. De stralingsmeter zit in mijn windmast. 

In het voorjaar van 2021 hoop ik over te gaan tot de aanschaf van zonnepanelen op mijn huis. Ik wil in eerste instantie proberen met de waarnemingen van mijn globale stralingsmeter te berekenen hoeveel vermogen het zonnepaneel systeem zou kunnen opwekken. Omdat de ligging van de zonnepanelen niet optimaal zal zijn heb ik gekozen voor een systeem dat gebruik maakt van een optimizer bij elk zonnepaneel. Met een optimizer wordt voorkomen dat een paneel dat gedurende de dag gedeeltelijk in de schaduw zit alle andere panelen beïnvloedt. Even wat achtergrond informatie. Er zijn in grote lijnen twee type systemen voor zonnecel opstellingen:

Het string systeem.

De eerste generatie systemen maakte gebruik van zogenaamde strings van panelen. Dit houdt in dat de panelen in een string (in serie) staan. Het probleem van zo'n soort opstelling is dat als er 1 paneel in de string in de schaduw valt, de hele string een stuk minder vermogen gaat leveren. Dat kan tot 25% oplopen. Het is eigenlijk hetzelfde als bij batterijen die in serie staan. Als er 1 batterij slecht is zal het te leveren vermogen van deze reeks batterijen ook flink afnemen. Ook al zijn er b.v. van de 5 batterijen er 4 nieuw. In dit zonnepaneel systeem werd dat deels opgevangen door gebruik te maken van meerdere strings van panelen. Maar ook dat geeft niet de echte oplossing. 

Een bijkomend punt is dat de spanning over de string best wel hoog kan oplopen. Ook dat is weer hetzelfde als bij batterijen. Een string van 6 panelen heeft al een nominale klemspanning van rond de 240 V dc. ( 40 V per paneel * 6) Daar wil je niet met je vingers aankomen aangezien de energie capaciteit best wel hoog is. Een ander punt is dat een eenmaal aangesloten systeem niet makkelijk meer van de spanning is te krijgen. Nog een belangrijk (min) punt is dat als in een string systeem er een slechte verbinding op één van de panelen zit (b.v. een schroef die niet goed is aangedraaid) ontstaat er een overgangsweerstand waar uiteindelijk, omdat de spanning in zo'n string hoog is, er een vlamboog kan ontstaat met een grote kans op brand.

Het systeem met optimizers. (SolarEdge)

Tegenwoordig zie je dat de meeste zonnepanelen systemen zijn uitgevoerd met voor elk paneel een eigen optimizer. Bij het bovenstaande string system staan alle panelen in serie. Een zonnepaneel kan je zien als een batterij die een spanningsbron vertegenwoordigd. Als je nu een Zonnepaneel met daarbij een optimizer bij elk paneel bekijkt dan wordt deze combinatie paneel/optimizer een stroombron. Even de elektronica erbij halen, Spanningsbronnen kun je alleen in serie schakelen, schakel je ze parallel dan gaat het flink fout. Stroombronnen kunnen juist wel parallel geschakeld worden. Dat is ook wat er gebeurd bij zonnepaneel systemen met individuele optimizer per paneel. Alle panelen staat parallel. Eigenlijk beter gezegd, alle uitgangen van de optimizers staan parallel. Wat een optimizer ook doet is de DC-spanning van een paneel, wat in de regel nominaal rond de 40 Vdc ligt, te verhogen naar een DC spanning van max. 80 volt. (SolarEdge systeem)  Als nu één van de panelen door b.v. schaduw op het paneel slechter presteert, dus de spanning van het paneel is lager dan de nominale spanning. Dan brengt de optimizer deze spanning omhoog naar de gemiddelde spanning van alle andere optimizers. Het gevolg is wel dat deze ene optimizer bij die spanning minder stroom zal leveren. Voor het hele systeem maakt dat dan niet zo veel uit omdat elke optimizer zijn maximale stroom levert bij de gegeven paneelspanning. De spanning van alle optimizers wordt weer aangesloten op een omvormer. Deze omvormer maakt van de DC spanning (van de optimizers) een wisselspanning van 230V 50Hz. Deze spanning wordt rechtstreeks in je meterkast op het net aangesloten via een aardlek schakelaar. Wat de omvormer ook doet en dat is zeer belangrijk, hij zorgt dat de fase van de sinus die hij opwekt precies in de pas loopt van de fase van het elektriciteitsnet. Zou dat niet gebeuren dan ontstaat er over de fasefout een kortsluiting die in het geval dat de twee sinusvormen in tegenfase zijn een complete kortsluiting geeft met alle grote gevolgen van dien. 

Een ander voordeel is dat de spanningen in het hele systeem nooit zo hoog oplopen (max. 80Vdc bij het SolarEdge systeem) als bij een systeem waarbij de panelen in serie staat. Daar kunnen de spanningen honderden volts zijn. Omdat de spanningen lager zijn is de kans op brand bij een slechte verbinding ook kleiner. Dat vinden de verzekeringmaatschappijen ook erg leuk. Optimizers beveiligen ook de panelen door deze uit te schakelen als de temperatuur te hoog wordt of als er beschadigingen zijn aan de bekabeling. Bovendien kunnen de optimizers via de omvormer uitgeschakeld worden zodat er veilig aan het systeem gewerkt kan worden door installateurs.

Een systeem met optimizers geeft ook veel meer inzicht in het opgewekte vermogen. Met dit systeem kan elke optimizer (dus paneel) individueel worden uitgelezen. Hiermee krijg je een goed inzicht over de werking van het hele systeem. Aangezien de omvormer via een LAN-kabel aan een ethernet poort van een switch wordt aangesloten kan ook de installateur, mits het lokale netwerk ook een verbinding heeft met het internet, op afstand zien of er een storing is in het systeem. Een paneel wat niet goed presteert kan op die manier worden opgespoord. Uiteraard kan je zelf via een App. precies zien wat jouw systeem produceert.

Er is ook nog een systeem waarbij de optimizer die bij elk zonnepaneel zit direct een uitgangsspanning van 230V AC afgeeft. Voor mijn toepassing laat ik dit systeem verder buiten beschouwing.

Meting/berekeningen aan het eigen systeem.

In het voorjaar (2021) hoop ik dus een eigen zonnepaneel systeem te hebben. Voor zo lang het duurt heb ik een script gemaakt waarmee ik globaal het opgewekte vermogen kan berekenen van het systeem dat ik wil gaan gebruiken. Mijn systeem gaat bestaat uit 6 panelen die op een west dak geplaatst zijn en 5 panelen die op een zuid dak, waarvan een deel op een schuin dak en een deel op een plat dak zijn geplaatst. Voor het west dak heb ik gerekend met een opbrengst van 62% en voor het zuid dak met een opbrengst van 90%. Daarbij heb ik gerekend dat een zonnepaneel 20% rendement heeft ten opzichte van de gemeten waarde van de globale stralingsmeter.

De panelen die ik gekozen heb voor mijn systeem leveren een vermogen van 360 Wp per stuk. In theorie levert 1 Wp (wattpiek) per jaar 1 kWh aan energie. Hierbij is er vanuit gegaan dat de opgewekte energie = 1Wp * (factor = 1) = 1 kWh. In de praktijk is deze factor nooit 1.

Mijn systeem zal naar verwachting zo rond de 3100 kWh/jaar aan energie gaan opwekken. In theorie zou dat 360 * 11 * (factor=1) = 3960 kWh/jaar kunnen zijn. In de praktijk wordt er met een factor kleiner dan 1 gerekend. Liggen alle panelen op het zuiden en hebben ze de optimale hoek dan wordt voor deze factor 0,9 gebruikt. In mijn geval liggen een deel van de panelen op het westen en wordt deze factor 0,789. Dus 360 * 11 * 0,789 = 3128 kWh/jaar aan opgewekte energie.

In mei 2022 heb in mijn zonnepaneelsysteem 1 jaar. Volgens de bovenstaande berekening zou ik op 3128 kWh/jaar uit moeten komen. In de praktijk zit ik daar bijna boven op. Ik heb in het eerste jaar 3175 kWh/jaar opgewekt met mijn systeem. De correctie factor voor een niet ideale opstelling komt dan uit op 0,80

Aangezien de Globale stralingsmeter op mijn weerstation het vermogen dat op de sensor wordt ingestraald uitdrukt in W/m2, kan hier makkelijk mee worden gerekend. Op deze manier hoop ik een idee te krijgen van het uiteindelijke opgewekte vermogen van de Zonnepaneel opstelling. Op dit moment heb ik een script lopen op mijn server dat om de 5 minuten de globale straling opvraagt van de sensor in mijn windmast en aan de hand daarvan het opgewekte vermogen berekend. Het geheel wordt in een grafiek weergegeven.

• De rode lijn in de grafiek geeft de waarde van de Globale Stralingsmeter die in de windmast zit van mijn Weerstation. 
• De blauwe lijn in de grafiek geeft globaal aan wat het opgewekte vermogen is dat mijn systeem kan leveren op het sample moment. De berekening is nog vrij algemeen en er zal zeker verfijning moeten plaatsvinden.
• De groene lijn in de grafiek geeft het berekende gemiddelde vermogen weer over het interval van de voorliggend samples. De berekening vindt alleen plaats over het dagdeel dus wanneer het licht is. Dit wordt opgevraagd uit de MeteoBridge Server die ik gebruik. Over het dagdeel gezien zal het gemiddelde steeds nauwkeuriger worden als we richting het eind van het dagdeel gaan.

Het script registreert dus alleen data als het buiten licht is. Daarvoor wordt aan de MeteoBridge gevraagd of het een dagdeel of een nachtdeel is. De MeteoBridge berekend dit aan de hand van de tijd en de locatie.

Het is op zich nog een globale schatting en ik kan pas wat zeggen over het werkelijk opgewekte vermogen als het zonnepaneel systeem gaat draaien. Als mijn zonnepaneel systeem echt draait dan worden het opgewekte vermogen direct uit het systeem gehaald en zal ik dat ook gaan vergelijken met mijn huidige methode en dat weergeven.

 De grafiek hieronder geeft dus het te verwachte opgewekte vermogen weer op mijn weerstation.