Schakelen van zonnecellen en zonnepanelen

Honours college, Juli 2013
F.S. Nobels
Schakelen van zonnecellen en zonnepanelen
Folkert Nobels1 *
Abstract
In dit artikel zal behandeld worden hoe de onderdelen van een zonnepaneel systeem met elkaar zijn verbonden. Er zal
aandacht besteed worden aan de zonnecel zelf, hoe de bedrading over de zonnecel zelf loopt en hoe de zonnecellen in een
zonnepaneel zijn verbonden. Ook zullen er verschillende manieren van het verbinden van zonnepanelen behandeld worden,
er zal gekeken worden naar systemen in serie, parallele systemen en manieren om zonnepaneel systemen galvanisch te
scheiden. Daarna zal er stil worden gestaan bij de bedrading van het gehele systeem zelf.
Keywords
Zonnepaneel, Zonnecel, Zonnepanelen schakelen, Zonnecellen schakelen, galvanisch scheiden, vermogens verlies in kabels,
pn-junctions en bedrading, Zonnepanelen parallel schakelen, Zonnepanelen in serie schakelen
1 Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen, Rijksuniversiteit Groningen, Groningen, Nederland
*Betrefende auteur: [email protected]
Contents
Inleiding
1
1
Bedrading over de pn-junctions
1
2
Zonnecellen Schakelen
1
3
Zonnepanelen Schakelen
2
3.1 Zonnepanelen Parallel Schakelen . . . . . . . . . . . . . 2
3.2 Zonnepanelen strings Galvanisch Scheiden . . . . . . . 2
3.3 Zonnepanelen 100% Galvanische Scheiden . . . . . . . 3
4
Verliezen in Kabels
3
4.1 verlies aan vermogen in kabels . . . . . . . . . . . . . . . 3
References
4
Inleiding
In een zonnepaneelsysteem zijn zonnepanelen aangesloten
aan een omvormer zodat er elektriciteit geleverd kan worden aan de apparatuur in de woning. Maar hoe worden de
zonnepanelen verbonden en hoe zijn de zonnecellen in de
zonnepanelen verbonden?
1. Bedrading over de pn-junctions
De reden dat een zonnepaneel stroom kan leveren heeft er
mee te maken dat in de zonnecellen een zogenaamde pnjunction zit. Als op een pn-junction licht komt gaat er in
de zonnecellen stroom lopen. Deze stroom wordt via de
bedrading op de zonnecel zie figuur 1 naar de rest van de
installatie getransporteerd. Zoals te zien is in figuur 1, zijn de
bedradingen op de zonnecel zelf parallel. Dit zorgt er voor dat
in de zonnecel de gewenste stroomsterkte bereikt kan worden
[1].
Figure 1. zonnecel [2]
2. Zonnecellen Schakelen
Een zonnepaneel bestaat uit een verzameling zonnecellen die
met elkaar verbonden zijn. Hoe worden zonnecellen met
elkaar verbonden? Zonnecellen worden via een combinatie
van seriële en parallele schakelingen aan elkaar verbonden.
Parallele schakelingen worden gebruikt om een bepaalde
stroomsterkte te bereiken en seriële schakelingen om een
bepaalde spanning te bereiken. Zonnecellen worden in het
zonnepaneel in serie geschakeld, dit betekent dat je in een zonnepaneel rond de 60 zonnecellen van 0,62 Volt hebt wat een totale spanning van 37 volt oplevert. De redenen waarom er voor
wordt gekozen om zonnepanelen in serie te zetten is als volgt.
Reden 1 is dat volgens formule 5 het vermogen dat verloren
Schakelen van zonnecellen en zonnepanelen — 2/4
gaat in de bedrading, kwadratisch toeneemt met de stroomsterkte. Reden 2 is dat een hogere stroomsterkte gevaarlijker
is dan een hogere spanning. Bij een hogere stroomsterkte
wordt de kans op kortsluiting groter omdat de kabels meer
opwarmen.[1, 3].
Figure 3. Blauw de zonnepanelen, geel de omvormers
Figure 2. Blauw de zonnepanelen, geel de omvormers
3. Zonnepanelen Schakelen
In het algemeen worden zonnepanelen in serie geschakeld,
zie figuur 2. Het schakelen van panelen in serie levert zogenaamde zonnepanelen strings op. Het schakelen van zonnepanelen in serie heeft als nadeel: dat wanneer 1 paneel onder presteert de rest van de panelen ook minder zullen gaan
presteren. Bijvoorbeeld stel je hebt 8 panelen in serie die
300 watt leveren aan spanning, als 1 paneel door een defect
of schaduw nu 200 Watt gaat leveren, dan gaan alle panelen
200 Watt leveren waardoor in plaats van (7 ∗ 300 + 200)W =
2300W er maar 8 ∗ 200W = 1600W geleverd wordt. De zwakste schakel is bepalend, dit betekent dat als één paneel in de
schaduw ligt of om een andere reden niet goed functioneerd
de gehele installatie minder zal presteren [4, 5, 6, 7, 8, 9].
3.1 Zonnepanelen Parallel Schakelen
De mogelijkheid bestaat om strings zonnepanelen parallel
te schakelen, zie figuur 2. Dit wordt in de praktijk soms
gedaan zoals in figuur 2 is weergeven. Parallel schakelen van
2 zonnepanelen stringen heeft geen nadelen als beide strings
zonnepanelen goed functioneren, echter als 1 zonnepaneel
van de strings onder presteert zullen allebei de zonnepanelen
strings minder gaan presteren, dit heeft te maken met het feit
dat bij een minder presterend zonnepaneel de stroomsterkte
daalt. Doordat de stroomsterkte daalt gaat er meer spanning
verloren in panelen waardoor beide strings een andere uitgangsspanning krijgen hierdoor vind er terug voeding plaats
naar de string met de verstoring. Waardoor de opbrengst lager
uitvalt. Deze terug voeding is echter niet eenvoudig te verhelpen met bijvoorbeeld diodes, hiervoor is een galvanisch
gescheiden systeem noodzakelijk. [8, 9, 11].
3.2 Zonnepanelen strings Galvanisch Scheiden
Om afzonderlijke strings zonnepanelen op een zo’n hoog mogelijk rendement te laten werken kan gebruik gemaakt worden
van zonnepaneel strings die Galvanisch gescheiden zijn, zie
figuur 3. Zoals in figuur 3 te zien is, kan dit gedaan worden door de verschillende strings zonnepanelen aan te sluiten
Schakelen van zonnecellen en zonnepanelen — 3/4
Figure 4. installatie van zonnepanelen[10]
op het lichtnet met een aparte omvormer, waardoor de verschillende strings zonnepanelen elkaar niet negatief kunnen
beı̈nvloeden zodat de individuele strings zonnepanelen hun
maximale rendement kunnen halen. Galvanisch scheiden kan
ook bereikt worden door een zogenaamde MPP tracker. Een
MPP tracker is een onderdeel in een omvormer dat er dus voor
zorgt dat voor de afzonderlijke strings zonnepanelen het hoogste rendement wordt bereikt. Deze manier van schakelen heeft
als grootste voordeel dat een paneel dat minder functioneerd
minder effect heeft op de totale opbrengst [12, 13, 14, 15].
3.3 Zonnepanelen 100% Galvanische Scheiden
Om een nog hogere opbrengst te behalen kunnen alle zonnepanelen Galvanisch gescheiden worden. In de praktijk
betekent dit dat elk afzonderlijk paneel via een eigen omvormer
in verbinding staat met het lichtnet, zie figuur 3, hiervoor zijn
speciale omvormers die achter het paneel gemonteerd worden.
Deze omvormers hebben een langere levensduur dan grotere
omvormers.[15, 16].
Figure 5. Verduideling formule 1 [17]
4. Verliezen in Kabels
Waneer zonnecellen stroom opwekken wordt deze stroom
getransporteerd van de zonnecellen naar de omvormer, waar
deze omgezet wordt van gelijkspanning naar wisselspanning
om de apparatuur in de woning van stroom te voorzien. De
weg die de stroom aflegt heeft een weerstand. De weerstand
van het materiaal hangt af van het soort materiaal dat gebruikt
wordt. In zonnecellen wordt vaak zilver of koper gebruikt voor
de bekabeling, tussen de panelen wordt gebruik gemaakt van
kopere kabels omdat deze goedkoper zijn dan zilver. Hiervoor
is de constant ρ (soortelijke weerstand in ohm meter), deze
geeft aan hoe slecht een materiaal geleid, hoe hoger ρ hoe
lager de geleiding, zie tabel 1 voor de soortelijke weerstand
van veelgebruikte metalen. Verder geldt dat een ronde kopere
staaf van 2 meter een 2x zo hoge weerstand heeft als een een
ronde kopere staaf van 1 meter met de zelfde diameter. daarin
tegen zorgt een 2x zo groot oppervlak voor een 2x zo lage
weerstand, zie figuur 5. Dit levert vergelijking 1 op.
R=
ρl
A
(1)
4.1 verlies aan vermogen in kabels
Het verlies aan vermogen in kabels gaat volgens de bekende
formule voor vermogen, zie formule 2. Omdat kabels ohmse
weerstanden zijn bij gelijkspanning geld de wet van ohm,
vergelijking 3. Dit betekent dat vergelijking 3 in vergelijking
2 mag worden gesubstitueerd. Dit levert de wet van Joule op,
zie vergelijking 4.
Schakelen van zonnecellen en zonnepanelen — 4/4
Table 1. Tabel van Soortelijke Weerstand [18]
Naam
Soortelijke weerstand (T=293K)
zilver
koper
16 · 10−9 Ωm
17 · 10−9 Ωm
P = VI
(2)
V = IR
(3)
P = I2R
(4)
Uit vergelijking 4 volgt dat bij een grotere stroomsterkte
er meer vermogen verloren zal gaan en dat bij een hogere
weerstand er meer vermogen verloren zal gaan. substitueren
van vergelijking 1 in vergelijking 4 levert vergelijking 5 op.
vergelijking 5 is de algemene formule voor het berekenen van
vermogen verlies in kabels.
P=
I 2 ρl
A
(5)
References
[1]
Wikipedia. Solar cells. en.wikipedia.org, Juli 2013.
[2]
Wikipedia. Solar cell. wikimedia.org, Juli 2013.
[3]
Wikipedia. Solar panel. en.wikipedia.org, Juli 2013.
[4]
zonnepaneel info.
Principe pv/zonnepanelen.
www.zonnepaneel-info.nl/minafstand.php, Juli 2013.
[5]
Zonnepanelen Nieuws. Zonnepanelen serie of parallel.
www.zonnepanelen-nieuws.be, Juli 2013.
[6]
Leendert. Zonnepanelen aansluiten. annunaki.nl, September 2010.
[7]
Admin van my-eco projects.nl. Zonnepanelen maken
deel 1; schakelen van zonnecellen. my-eco-projects.nl,
December 2010.
[8]
solar facts. Wiring your panels. www.solar-facts.com,
Juli 2013.
[9]
Midsummer Energy. The effect of shading on solar panels.
midsummersolar.co.uk, Juli 2013.
[10]
TRIO Power Solutions Ltd. Trio power solutions, vancouver island, bc. www.triopowersolutions.ca/, Juli 2013.
[11]
iceng frollard, gruffalo child. Solar panels in parallel.
http://www.instructables.com, Juli 2013.
[12]
Thyser Energy bv. Mpp tracker omvormer zonnepanelen.
http://www.thyser.com/index.php?id=6006, Juli 2013.
[13]
Wikipedia. Galvanische scheiding. nl.wikipedia.org, Juli
2013.
[14]
Wikipedia. Galvanic isolation. en.wikipedia.org, Juli
2013.
[15]
A. Careaga. New method for connecting solar panels
may increase efficiency. news.mst.edu, February 2010.
[16]
Enecsys Micro Inverters. Enecsys single micro inverter.
www.enecsys.com/, Juli 2013.
[17]
Wikipedia. Resistivity geometry. wikimedia.org, Juli
2013.
[18]
NVON-commissie. BINAS hava/vwo. Noordhoff Uitgevers, Groningen/Houten, The Nederland, 5th edition,
2008.