Maximaliseer de opbrengst van je zonnepanelen in de schaduw

Auteur: Ir. T.S. Doorn

Het effect van schaduw op de opbrengst van je zonnepanelen

Door schaduw hebben je zonnepanelen uiteraard een lagere opbrengst. Dakdoorvoeren, schoorstenen, andere huizen, bomen, lantaarnpalen enzovoorts kunnen allemaal schaduw geven op je zonnepanelen.

Het vervelende is dat een klein beetje schaduw al een groot effect kan hebben op de opbrengst van een zonnepaneel. Dat komt omdat de zonnepanelen zijn opgebouwd uit een serieschakeling van zonnecellen, een zogenaamde substring. Als op één van de cellen in zo’n substring schaduw komt, heeft dat ook effect op de opbrengst van de andere cellen in de substring. Hoe dat werkt, wordt uitgelegd in het volgende hoofdstuk.

Hier lees je overigens hoe je de zonnepanelen opbrengst bepaalt.

De opbouw en werking van een zonnepaneel

Zonnepanelen zijn opgebouwd uit serieschakelingen van zonnecellen. Enkele jaren geleden waren dat meestal 60 zonnecellen, zie Figuur 3A. Deze cellen zijn in een serieschakeling met elkaar verbonden, zoals weergegeven in Figuur 3B. Elke zonnecel wekt in zijn Maximum Power Point ongeveer 0,5V op. Dus met 60 zonnecellen in serie wekt een zonnepaneel ongeveer Vmpp~30V op. De open-klem spanning (zonnepaneel niet aangesloten) is ongeveer 0,7V per zonnecel, dus Voc~42V voor een zonnepaneel met 60 cellen.

De zonnecellen in dit voorbeeld wekken een stroom op van Impp=9A en Vmpp=30V. Het totale vermogen van het zonnepaneel is 270W.

Zonnecellen zijn stroombronnen en wekken een stroom op die evenredig is met de grootte van de zonnecel, zijn efficiëntie en de hoeveelheid licht die op de zonnecel valt. Een zonnecel met een 2x zo groot oppervlak zal dus een 2x zo grote stroom produceren. Een 10% efficiëntere zonnecel produceert 10% meer stroom. Tenslotte resulteert 2x zoveel licht in een 2x zo hoge stroom, temperatuureffecten daargelaten.

Omgekeerd betekent dit dat een zonnecel met 2x zo weinig licht door schaduw ook 2x zo weinig stroom opwekt. In een serieschakeling van zonnecellen bepaalt de cel met de laagste stroom welke stroom er in de hele keten (string) loopt. Dit is geïllustreerd in Figuur 3C. Eén zonnecel is door welgemikte vogelderrie voor de helft afgedekt en levert dus maar de helft van zijn stroom: I_mpp = 4,5A. Dat zou betekenen dat in het hele zonnepaneel nog maar 4,5A loopt en het vermogen inzakt naar 135W.

Bypass diodes

Om dit probleem te verkleinen worden bypass diodes toegevoegd aan elk zonnepaneel, zie Figuur 4A. Het paneel wordt hierdoor onderverdeeld in 3 substrings. Elke substring kan worden kortgesloten door de bypass diode. De omvormer bepaalt met de Maximum Power Point Tracker (MPPT) of het verstandig is of niet om de bypass diode te activeren voor een bepaalde substring.

Stel dat nu een cel in de middelste substring vervuild is (Figuur 4B) en de stroom van die cel wordt gehalveerd. De omvormer kan bypass diode 2 activeren en daarmee substring 2 uitschakelen. Hiermee valt 1/3 van het zonnepaneel uit. Maar dat is beter dan dat het hele zonnepaneel 50% verlies heeft.

Schaduw en zonnepaneel oriëntatie op platte daken

Bij plat dak systemen worden de zonnepanelen in rijen geplaatst. De hoek waaronder de panelen geplaatst worden en de afstand tussen de rijen bepaald hoeveel schaduw een rij zonnepanelen op de rij erachter geeft. Dit is geïllustreerd in Figuur 5.

Als zonnepanelen naar het zuiden zijn gericht en de rij-afstand is 2x de hoogte van de zonnepanelen in de voorgaande rij, dan is het verlies door de schaduw 10%. Worden de rijen op een afstand van 3x de hoogte geplaatst, dan is het verlies nog maar 5%.

Door de opbouw van een zonnepaneel maakt het voor de opbrengst uit hoe schaduw op het zonnepaneel valt. Zo maakt het voor een plat dak systeem uit of de zonnepanelen portrait (staand) of landscape (liggend) geplaatst worden. Figuur 6 laat zien hoe dat zit. Stel, door de schaduw van de rij ervoor valt 50% minder licht op de onderste cellen van de achtergelegen rij.

Voor het portrait zonnepaneel betekent dit dat een aantal cellen in alle 3 de substrings een lagere stroom van 4,5A opwekt. Er gaat geen substring in bypass en het hele zonnepaneel werkt nu op 4,5A. De opbrengst van dit zonnepaneel is gehalveerd, terwijl maar 6 van de 60 cellen half bedekt zijn.

Voor het landscape zonnepaneel hebben 10 van de 20 cellen in een substring een verminderde opbrengst van 4,5A. Het is in dit geval gunstiger de bypass diode van de onderste substring te activeren en deze substring uit te schakelen. Nu valt 1/3 van het zonnepaneel uit en het paneel levert 1/3 minder vermogen op. Dit is een hogere opbrengst dan met de portrait orientatie.

Half-cell (half-cut) zonnepanelen

Moderne zonnepanelen zijn opgebouwd uit 120 (of 108, of 144) halve zonnecellen. In plaats van dat de aansluitingen van het zonnepanelen aan de bovenzijde van het paneel zitten, zitten ze nu in het midden. Dit heeft als voordeel dat de verliezen in de bedrading van het zonnepaneel met een factor 4 afnemen. Dat komt omdat het verliesvermogen P_verlies in bedrading kwadratisch schaalt met de stroom I: P_verlies=R x I².

Figuur 7 illustreert de opbouw van een half-cell zonnepaneel. Momenteel maken commercieel verkrijgbare panelen gebruik van zeer efficiënte 182mm zonnecellen, die maximaal ongeveer 13A leveren per hele zonnecel en dus 6,5A per halve zonnecel. Bij een MPP spanning van V_mpp=30V levert dit zonnepaneel maximaal P_mpp=390W op. Dit is weergegeven in Figuur 7A.

Stel nu dat de onderste rij zonnecellen van een portrait zonnepaneel last heeft van schaduw, zie Figuur 7B. Alle onderste substrings kunnen nu geen stroom leveren, omdat over de volledige paneelbreedte een zonnecel nauwelijks licht opvangt. Het opgewekte vermogen van dit zonnepaneel halveert naar P_mpp=185W.

Als echter de onderste rij zonnecellen maar voor de helft is afgedekt door schaduw, dan kunnen de cellen in de onderste helft van het paneel weer stroom bijdragen, zie Figuur 7C. Hier is de helft van de onderste rij cellen bedekt met schaduw en kunnen de cellen dus 3,25A opwekken. Dat betekent dat alle cellen in de onderste helft van het zonnepaneel 3,25A kunnen opwekken. Samen met de zonnecellen van de bovenste helft levert het zonnepaneel daardoor 9,75A in totaal.

Toepassing in de praktijk

Hoe pas je deze kennis toe op een zonnestroomsysteem?

Bij een plat dak systeem staan de zonnepanelen opgesteld in rijen. Deze rijen geven schaduw op achtergelegen rijen, wat de opbrengst verlaagd.

De eerste maatregel om de opbrengst te verhogen is om de rij-afstand voldoende groot te kiezen. Figuur 5 heeft al laten zien dat een rij-afstand van 2x de hoogte van het voorliggende zonnepaneel de opbrengst met 10% verlaagd.

Een tweede maatregel is het op een handige manier indelen van de strings, zie Figuur 8. Als de voorste rij voldoende panelen bevat om de minimale stringspanning van de omvormer op te wekken, dan deze rij in een eigen string worden geplaatst. Schaduw op achterliggende rijen heeft zo geen invloed op het optimale werkpunt van de voorste rij zonnepanelen.

In het algemeen kunnen zonnepanelen die op dezelfde manier schaduw hebben in dezelfde string geplaatst worden.

Op schuine daken is er soms schaduw van een dakkapel of dakdoorvoer op één of enkele zonnepanelen. Probeer deze zonnepanelen zo te plaatsen dat de schaduw zoveel mogelijk over de lange zijde van het zonnepaneel valt, zie Figuur 9. Er wordt dan afhankelijk van hoe ver de schaduw over het paneel reikt steeds één substring kortgesloten.

Als de schaduw over de korte kant van het paneel valt, dan is het toepassen van een optimizer zinvol. Dit is met name het geval bij half-cell zonnepanelen. Deze zonnepanelen kunnen m.b.v. de optimizer met de bovenste of onderste helft van het paneel zonder schaduw nog hun energie opwekken. Lees meer over het toepassing van optimizers in ons artikel “Optimizers in zonnestroomsystemen. Lees nu het echte verhaal!“.

Als een groot aantal zonnepanelen gedurende een groot deel van dag last heeft van schaduw, dan is het beter om alle zonnepanelen apart aan te sturen. Dit kan door het toepassen van micro-omvormers of optimizers op alle zonnepanelen. Hoe dat werkt is beschreven in het artikel “Zonnepanelen correct aansluiten: Serie of parallel? Een compleet overzicht.“.

Tot slot

Door rekening te houden met hoe een zonnepaneel is opgebouwd, maximaliseer je de opbrengst van je zonnepanelen in de schaduw.

Probeer zonnepanelen met gelijke schaduw in dezelfde string te plaatsen en plaats zonnepanelen zonder schaduw zo mogelijk in een eigen string.

Als één of enkele zonnepanelen schaduw hebben, dan helpt het gebruik van een optimizer om de opbrengst te verhogen. De optimizer zorgt ervoor dat het zonnepaneel in de schaduw nog de energie kan leveren die mogelijk is. Het alternatief is dat het zonnepaneel wordt kortgesloten door middel van de bypass diodes en helemaal geen energie meer opwekt.

Met name bij half-cell zonnepanelen waarbij schaduw over de korte zijde valt, verhoogt een optimizer de opbrengst. Dit komt omdat de bovenste helft van het zonnepaneel dat nog volledig in de zon ligt dan nog al zijn energie kan leveren. Het onderste deel van het zonnepaneel levert wat nog mogelijk is gezien de schaduw.

Als je geen optimizer wilt gebruiken, probeer het zonnepaneel dan zo te plaatsen dat de schaduw zoveel mogelijk over de lange zijde van het paneel valt.

Ben je al klaar om zelf zonnepanelen te plaatsen? Kijk dan snel bij onze zonnepanelen sets en klik eenvoudig een systeem bij elkaar!