Om het maximale vermogen uit zonnepanelen te kunnen halen, moet de omvormer continue de optimale verhouding tussen spanning en stroom zoeken. Dit principe probeer ik in deze blogpost uit te leggen.

Wat(t) is vermogen!?

Zonnepanelen leveren een spanning zodra er licht op valt. Door de panelen in meer of mindere mate te belasten, verandert niet alleen de stroom, maar ook de spanning die de panelen leveren.  Wanneer (bij gelijk blijvende hoeveelheid licht) de stroom toeneemt, neemt de spanning af en omgekeerd.

Door de spanning (U, in Volt) en stroom (I, in Ampère) met elkaar te vermenigvuldigen krijg je het vermogen (P, in Watt). Dus P = U * I.

Het doel is om het maximale vermogen te krijgen, dus moet er een punt gevonden worden waarbij dit vermogen maximaal is. Dit noemen we het Maximum Power Point. (MPP)

De maximale stroom die een paneel kan leveren hangt sterk af van hoeveel licht er op een paneel valt, maar ook van de temperatuur van de cellen.

Doordat de maximale stroom steeds verandert, is een MPP-tracker continue bezig om het optimale punt te vinden.

Invloed van licht en temperatuur

Onderstaande grafieken zijn afkomstig van de datasheet van mijn panelen (JA-solar mono black 270 Wp).

Verhouding spanning en stroom (bij 20 graden C)

Verhouding spanning en vermogen (bij 20 graden C)

Verhouding spanning en stroom bij verschillende temperaturen

Zoals te zien, heeft zowel de temperatuur als de hoeveelheid licht behoorlijk invloed op het maximale vermogen wat uit de panelen getrokken kan worden.

De laatste grafiek laat goed zien dat hoe warmer de panelen, hoe lager het maximale vermogen zal zijn. Dus op een zonnig, maar koude dag in maart/april zou de set wel eens een stuk meer kunnen opbrengen dan hartje zomer. Het gebeurt ook wel eens dat vlak nadat een wolk voor de zon is weggetrokken, dat de opbrengst een stuk hoger is dan enkele minuten later, terwijl dezelfde hoeveelheid licht erop valt. Dat komt dan doordat de panelen af konden koelen toen de wolken voor de zon zaten, maar weer snel opwarmen als de zon weer volop op de panelen schijnt.

Voor mijn panelen staat in de datasheet:   Temperatuurcoëfficiënt van Pmax (yPmp) -0.410%/°C , wat wil zeggen dat per °C temperatuurstijging het maximum vermogen met 0.41% afneemt. Dus tussen een ijskoude voorjaarsdag (0 °C) en in de zon bakkende panelen in de zomer (+65°C) zit ruim 25% verschil in maximum opbrengst en kan het dus maar zo zijn dat je in april dagopbrengsten haalt die je op een zomerse dag wel kunt vergeten.

Probeer bij de aanschaf van panelen er op te letten dat de temperatuurcoëfficiënt beter is dan -0,5% / °C.

De middelste grafiek illustreert mooi dat het maximale vermogen verkregen wordt wanneer de spanning net iets boven de 30V zal liggen.

Dat komt ook precies overeen met de waarden die op de stickers staan, die achterop de panelen zit geplakt:

• Peak Power (Pmax) 270W
• Open circuit Voltage (Voc) 38.71V
• Max. Power voltage (Vmp) 31.08V
• Short circuit current (Isc) 9.21A
• Max power current (Imp) 8.69A

Interpreteren Datasheet

DC-ingang Sunny Boy 3600TL-21

Een omvormer of optimizer heeft een aantal parameters die bepalen hoe een set panelen het beste kan worden aangesloten.

De belangrijkste zijn:

• MPP-spanningsbereik
• Minimale ingangsspanning
• Maximale ingangsspanning
• Start-ingangsspanning
• Maximale ingangsstroom

Het is belangrijk om te bedenken dat bij panelen in 1 string de spanning van alle panelen bij elkaar opgeteld moet worden. De stroom door alle panelen in 1 string is gelijk.

Als je 2 strings op 1 tracker aansluit, dan moet de spanning van beide strings nagenoeg gelijk zijn.  De totale maximale stroom van beide strings bij elkaar opgeteld mag dan niet groter zijn dan de maximale ingangsstroom. Anders zal de omvormer niet het maximale uit de panelen kunnen halen.

In het voorbeeld van mijn omvormer, de SB3600TL-21, zou ik dus mijn panelen (max. stroom van 8.69 Ampère) elk op een andere MPP-tracker aan moeten sluiten voor maximale efficiëntie, als ik 2 strings zou maken, aangezien 2x 8.69A meer is dan de maximale 15A.

Dat was sowieso nodig geweest omdat ik een oneven aantal panelen heb (15 stuks) en als dat verdeeld is in 2 strings heb je een verschillende spanning per string van resp. 7 x 31 V en 8 x 31V.

MPP-spanningsbereik

Om te bepalen of een string van panelen binnen het bereik van de MPP-tracker valt, moet de Max Power Voltage (Vmp) van elk paneel bij elkaar opgeteld worden.

Dus in mijn voorbeeld is dat 15 x 31.08V = 466.2 V.

Mijn omvormer heeft een MPP-spanningsbereik van 175-500 V.

Rekening houdend met 10% hogere spanning bij erg koude dagen, zit ik dus net binnen het bereik van de MPP-tracker. Iets beter zou zijn met 14 panelen, maar het aantal dagen per jaar waarop je dan niet het optimale uit de panelen haalt is waarschijnlijk op 1 hand te tellen. In elk geval zit een string met 15 panelen van deze panelen ook op dagen met zeer strenge vorst nog ruim onder de maximale ingangsspanning.

Een praktisch minimale string van deze panelen bestaat uit 175 V / 31.08 V = 5,6 panelen, oftewel 6 panelen.

Minimale en Start ingangsspanning

Mijn omvormer heeft een minimale ingangsspanning van 125 V en start pas bij een spanning van 150 V.

Dat wil dus zeggen dat overdag, door bijvoorbeeld schaduw, of bewolking, de spanning van een string wel mag zakken onder de 150 V, maar dat het weer een tijd kan duren voordat de omvormer weer start als de spanning verder gezakt is. Sowieso zit de spanning dan al buiten het MPP-tracker bereik, dus de opbrengst is al sub-optimaal.

In dit soort situaties kan het zijn dat de omvormer op donkere dagen helemaal niet aan springt en de dagopbrengst dus 0 is.

N.B. in geval van schaduw kan de spanning per paneel nog een stuk lager worden, doordat de by-pass diodes ingrijpen.

Kortom, het beste is om een string zodanig te dimensioneren dat de string-spanning ongeveer in het midden van het bereik van de MPP-tracker valt. Dan zijn er geen problemen bij strenge vorst en is er ook nog enige opbrengst op donkere dagen.

Werking Optimizer

Een optimizer zorgt ervoor dat het aangesloten paneel optimaal presteert in de string, door de uitgangsspanning te variëren zodat de stroom gelijk is aan wat de andere panelen in de string kunnen leveren.

Dus een optimizer heeft in elk geval een eigen MPP-tracker aan boord, maar ook het omgekeerde van een MPP-tracker.

Een optimizer zal proberen de stroom van de andere optimizers (of gewone panelen) in de string bij te houden.

Effect van schaduw op panelen zonder optimizers

Effect van schaduw met optimizers

Zoals te zien, zal een optimizer proberen om het opgewekte vermogen van een beschaduwd paneel zo goed mogelijk mee te laten komen met de anderen in de string.

Bij gebruik zonder optimizer zal de hele keten de stroom van de meest beschaduwde paneel leveren. Meestal zal het verschil niet zo dramatisch zijn als hier geschetst, omdat de by-pass diodes zullen ingrijpen. Echter in situaties met complexe schaduwen, zoals met deels diffuse schaduw van bomen, dan zal een optimizer een significante verbetering geven tov. de situatie zonder optimizers.

De totale spanning van de string kan door het gebruik van optimizers wel meer fluctueren.  In een optimizer kan echter een aantal parameters ingesteld worden om die fluctuatie in spanning binnen de perken te houden, zodat de MPP-tracker van de omvormer nog wel z’n werk kan doen.

Bijkomend voordeel is ook dat de optimizers per stuk gemonitord kunnen worden, dus het is per paneel te zien wat de opbrengst is en het is dus eenvoudiger om defecte panelen of optimizers te lokaliseren.

N.B. Als 1 paneel in de string voorzien wordt van een optimizer, dan moeten alle panelen in dezelfde string via optimizers werken.