InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Zonnepanelen zelfbouw en installatie

Zonnepanelen zelfbouw en installatie

Zonnepanelen zelfbouw en installatie Energie leveren met zonnepanelen zit in de lift, de markt voor zonnecellen –ook wel photovoltaic systems of PV-systemen genoemd– maakt een flinke groei door. Tegenwoordig is het mogelijk om tegen een redelijke prijs een PV-installatie aan te leggen voor uw huishouden. Afhankelijk van uw wensen, budget, en stroomverbruik, kunt kiezen voor verschillende systemen. Zelf knutselen met zonnecellen is ook mogelijk. Achtergrondinformatie, ontwerptips, en een voorbeeldontwerp.
veiligheid
  • In het bouwbesluit wordt de norm NEN 1010 voor laagspanningsinstallatie's aangehaald. Werk veilig; zorg voor spanningsloosheid als u 230V moet aansluiten, isoleer spanningvoerende bedrading. Als u twijfelt, laat een erkende vakman uw installatie controleren.
  • Zorg ervoor dat alle onderdelen en componenten goed vastzitten. Door mechanische belasting, veroudering, en slijtage kunnen onderdelen losraken en een gevaar vormen.
  • Controleer uw installatie op brandgevaar.

Zonnecellen

-fig 1- / Bron: Tronic-fig 1- / Bron: Tronic
Een zonnecel is de motor van een PV-installatie. De meeste cellen leveren een gelijkspanning van ongeveer 0,5 Volt. Een zonnecel bestaat uit 2 typen gedoteerd silicium (= silicium geïnjecteerd met boron- of fosfor-atomen) , die bovenop elkaar geplaatst zijn. De bovenkant gemaakt van N-type silicium heeft een overschot aan elektronen, de onderkant, het P-type, heeft een tekort.

Wanneer licht (fotonen) op een cel valt, zal er een spanningsverschil ontstaan tussen boven- en onderkant. Elektronen, min-ladingen, worden naar boven geduwd worden en gaten (plus-ladingen), naar beneden (zie figuur 1). Bij heel erg weinig licht werkt de cel als weerstand. We maken een batterij door meerdere cellen in serie met elkaar te verbinden.

Cellen in serie zetten betekent dat de min- en pluspolen van opeenvolgende cellen met elkaar verbonden moeten worden. De pluspool van een zonnecel zit aan de onderkant, hier zijn soldeerbare verbindingen geplaatst, de minpool is een soldeerbare verbinding aan de bovenkant van de cel.

-fig 2-<BR>
klik = vergroting / Bron: Tronic-fig 2-
klik = vergroting / Bron: Tronic
Met speciale bedrading, cell wire, kan de bovenkant van een cel met de onderkant van de volgende cel verbonden worden (zie ifguur 2). Des te meer wires parallel, des te beter, we willen een zo laag mogelijke weerstand in de batterij.

benodigde onderdelen voor zelfbouw PV-systemen

De verschillende benodigde onderdelen en materialen voor zelfbouw zijn verkrijgbaar op eBay. Vaak worden do it yourself – DIY – pakketten aangeboden tegen een goede prijs, te koop zijn o.a. zonnecellen, diodes, de benodigde bedrading en soldeermiddelen, panelen, en omvormers.
U kunt natuurlijk ook bij in Nederland gevestigde installateurs terecht.

Zonnepanelen

Een zonnepaneel is een batterij aan zonnecellen in een weerbestendige behuizing. Om de efficiëntie van een paneel te bepalen is het handig om te rekenen met vermogen per m². Stel u heeft zonnecellen van 6" x 6" (15 x 15 cm) met een piekvermogen van 3 Watt per cel (voor U = 0,5 Volt betekent dit een piekstroom van 6 Ampere). Omrekenen naar 1 m² zonnepaneel betekent dat u ongeveer 40 cellen kwijt kunt, met een totaal piekvermogen van 40 * 3 W = 120 Watt.

diodes

Aan de serieschakeling van meerdere zonnecellen moeten nog diodes worden toegevoegd. Een diode is een eenrichtingsweg voor elektrische stroom. Een zogenaamde blocking-diode beschermt de PV-installatie tegen ongewilde stroomconsumptie; door de diode tussen de batterij en de rest van de installatie te plaatsen voorkomt u dat de energierichting de verkeerde kant opgaat.

-fig 3- / Bron: Tronic-fig 3- / Bron: Tronic
Bypass-diodes (zie figuur 3) zijn nodig om te voorkomen dat zonnecellen –die ongewild in de schaduw komen te liggen– geen stroom gaan consumeren. Dit zou energieverlies betekenen, de bypass-diode maakt in dat geval een kortsluiting over de cellen waarmee hij parallel staat.
Wanneer u zelf een paneel maakt, moet u een keuze maken waar de bypass-diodes komen te liggen. Het is bewerkelijk om veel diodes aan te leggen, meestal kiest men een bypass-diode per groep cellen of zelfs per paneel.

ontwerp

Een goed ontwerp houdt rekening met:
-fig 4- / Bron: Tronic-fig 4- / Bron: Tronic
  • het benodigde oppervlak (en het benodigde aantal cellen)
  • de plaats en ruimte van de verbindingen en aansluitpunt
  • schaduwwerking
  • de te gebruiken materialen
  • te verwachten weersomstandigheden
  • mechanische sterkte en trekkrachten op de bedrading
  • warmteafvoer

Zorg dus voor bouwtekeningen en uitgewerkte ideeën, zodat u een 'one time right' zonnepaneel maakt. Figuur 4 laat een summiere bouwtekening zien:

  1. we gaan ervan uit dat het paneel een stevige ondergrond zal krijgen (liefst licht materiaal)
  2. een batterij aan cellen met bypass diode(s), twee aansluitpunten met een – eventueel – blocking diode
  3. daar bovenop een bedekkende glasplaat of plaat van plexiglas. de lichtdoorlatendheid van het glas of plexiglas is voldoende, maar ook een kwestie van experimenteren (transparante laag tussen de cellen en glasplaat uit siliconen is ook mogelijk).
  4. vanwege weersomstandigheden zoals regen is het belangrijk dat het ontwerp waterdicht gemaakt kan worden; u kunt kit gebruiken voor het waterdicht afsluiten van glasplaat met ondergrond.
  5. de zijkanten van een paneel moeten voldoende stevig zijn; aluminium strips of soortgelijk materiaal is een prima oplossing voor de zijkanten.

- fig 5- / Bron: Tronic- fig 5- / Bron: Tronic
solderen
Wanneer u een ontwerp klaar heeft (voldoende uitgewerkt tot op het niveau van maten en materiaalkeus), kunt u beginnen met het solderen van de verbindingen. Voor het solderen heeft u nodig:
  • een goed soldeerstation
  • vaste vlakke ondergrond
  • cell wire, bus wire, diodes
  • soldeerflux

Een goed soldeerstation is een soldeerstation met voldoende vermogen en regelbare temperatuur. De soldeertemperatuur van de cell wire (het draad dat de verbindingen maakt) is rond de 400 °C; door soldeerflux te gebruiken maakt u een betere verbinding en reduceert u de kans op een slechte las. Goede stations zijn bijvoorbeeld van het merk Weller of Velleman; u kunt het ook met een gewone soldeerbout proberen, maar goede gereedschappen zorgen natuurlijk voor het beste resultaat.

  • LET OP: zonnecellen zijn extreem dun (200 μm) en erg breekbaar. Soldeer voorzichtig op een vaste vlakke ondergrond.

-fig 6- / Bron: Tronic-fig 6- / Bron: Tronic
Zonnecellen liggen altijd rijgewijs in een paneel. Voor de verbinding tussen de onderlinge rijen en de aansluitingen van het paneel gebruikt u iets breder draad – bus wire –; dit draad is voldoende breed om te zorgen voor verliesvrije verbindingen.

In figuur 6 is een testpaneel te zien, bestaande uit 4 rijen van 9 cellen. De gebruikte cellen zijn van het type 3BB 3 W. 3BB slaat op het aantal busbars, er lopen 3 parallelle draden over een rij cellen; het piekvermogen per cel is 3 W. Dit paneel levert 108 Watt piekvermogen.
Gebruik voor de verbindingen tussen de panelen onderling installatiedraad of koperdraad van voldoende dikte. Voor het spanningsverlies kunt u deze berekening aanhouden:

  • weerstand koperdraad R = 17 mΩ * (lengte / doorsnee oppervlak); spanningsverlies = R * I

Het aantal serieel geschakelde panelen bepaalt de totale DC-spanning, die als input van omvormer fungeert. Houdt rekening met de nominale inputspanning van de omvormer die u wilt gaan gebruiken. Panelen parallel zetten verhoogt de geleverde stroom, maar de DC-spanning blijft gelijk; bij serieel schakelen moet u de DC-spanningen optellen.

Ontwerpeisen en theoretische achtergrond

Bij het ontwerp van een PV-installatie komen een aantal zaken kijken. Natuurlijk willen we graag een efficiënt systeem, dat niet teveel kost, en genoeg energie levert. De te leveren energie kunt uw afstemmen op uw eigen energieverbruik en budget. U kunt denken aan een aansluiting op het lichtnet – een grid-tied aansluiting – of een losstaande aansluiting op stroomverbruikende apparaten.

Als hoofdeisen aan onze installatie stellen we:
  • hoeveelheid vermogen dat geleverd moet worden
  • grid tied aansluiting of losstaand (off-grid)
  • er mag zo min mogelijk energieverlies in de installatie plaatsvinden
  • de geleverde energie moet van voldoende kwaliteit zijn
  • budget

Natuurlijk moet een installatie veilig zijn; hiervoor geldt de laagspanningsnorm NEN1010. De speciale zonne-energie norm NEN 7250 is een richtlijn die in de maak is. De toepassingen van een PV-systeem zijn zeer divers. Door dingen uit te proberen, komt u wellicht op nieuwe ideeën. Voor het antwoord op de vraag waar panelen precies geplaatst moeten worden en in welke richting, kunt u terecht op websites die dat onderwerp behandelen.

  • controle: om te controleren dat u iets gemaakt heeft dat aan uw eisen voldoet, is het verstandig om goede meetapparatuur te gebruiken.
  • uitwerking: zorg dat u van tevoren zoveel mogelijk details en praktijksituatie's in het ontwerp verwerkt hebt. Situatie's uittekenen en berekenen is heel belangrijk; dit voorkomt dat u midden in het proces vastloopt.

vermogen

De vraag hoeveel vermogen nodig is, hangt natuurlijk samen met meerdere zaken. U kunt bijvoorbeeld alleen een grote stroomverbruiker willen aansluiten zonder een verbinding te maken met het lichtnet. Voor de opslag van energie is een accusysteem nodig.
Een aansluiting van de zonnepanelen-installatie op het lichtnet noemt men 'grid tied'. Wanneer u uw huishouden volledig van stroom wilt voorzien met grid tied aansluiting, moet u een inschatting maken van uw jaarverbruik.
Stel het verbruik is 3000 kWh per jaar, dan deelt u dit getal door 365 dagen, levert 8,2 kWh per dag. Wanneer we schatten dat dit getal geleverd wordt in een piek van 2,5 zonne-uren per 24 uur dan heeft u een vermogen nodig van:

  • P = 8, 2 kWh / 2,5 uur ≈ 3 kWatt

Dit is een voorzichtige schatting; dit getal hangt samen met de grootte van uw huishouden, aantal gezinsleden, aanwezige apparatuur, en het rendement van zonnepaneleninstallatie.

energiekwaliteit

Voor de omzetting naar 230 V wisselspanning zijn de zogenaamde omvormers – of inverters – op de markt, die afhankelijk van wat u nodig heeft voor een prima prijs verkrijgbaar zijn. U kunt ook besluiten een omvormer zelf te bouwen.

Apparatuur die een 230 V wisselspanning nodig heeft, kan kapot gaan of niet goed functioneren wanneer de geleverde spanning onvoldoende kwaliteit heeft. Als output willen we graag een zuivere 230 V sinus met een frequentie van 50 Hz.
Voor een grid-tied aansluiting geldt dit natuurlijk eveneens; bovendien moet de geleverde spanning precies in de pas lopen met de wisselspanning van het lichtnet, anders veroorzaken we netvervuiling. De fase van de signalen moet gelijk zijn. Door het gebruik van schakelende onderdelen in de elektronica kunnen ook zogenaamde harmonischen ontstaan; deze signaalcomponenten moeten zoveel mogelijk beperkt worden.

verliezen

Verliezen in een energieleverend systeem zijn onvermijdelijk. Vanwege de wet van Ohm (U = I R) zullen interne weerstanden in bedrading en elektronische circuits spanningsverlies betekenen; zorg daarom voor voldoende dikke bedrading en goede soldeerverbindingen. Wanneer u een accusysteem wilt gebruiken, moet u rekenen op extra energieverlies; hoe meer energie-omzettingen (panelen-accu-apparatuur) er plaatsvinden, des te meer verliezen er zullen optreden in de vorm van warmteontwikkeling (dissipatie). Zonnecellen leveren minder vermogen wanneer ze erg warm worden; voor dit verschijnsel kan gecompenseerd worden door voldoende warmteafvoer.

Omvormers

Omvormers – of inverters – zorgen voor de DC-AC omzetting, zodat de energie geschikt is om op het lichtnet aan te sluiten. Deze apparaten zijn er in vele soorten en maten en prijsklassen, zelf een omvormer maken kan ook.
Omdat er een energie-omzetting in de omvormer plaatsvindt, zullen hier verliezen gaan optreden. Zorg dus voor een omvormer met hoge efficiency. Goede omvormers werken met MPP-tracking; dit is een technologie die automatisch de optimale energie levert afhankelijk van een variërende energie-ingang (MPP = het optimale product van spanning en stroom).

Bij aankoop moet u letten op:
  • nominaal ingangsvermogen (DC spanning en aangeleverde stroom)
  • MPP tracking
  • rendement en eventueel certificaat

werking

-fig 7- / Bron: Tronic-fig 7- / Bron: Tronic
Een omvormer – ook wel inverter genoemd – heeft een aantal functie's. Ten eerste moet de DC spanning omhooggetransformeerd worden naar 230 Volt AC spanning. Spanningstransformatoren kunnen spanningen omhoog transformeren; dit gaat gepaard met omlaagtransformeren van de stroom.

  • Pin = Pout → (U * I ) in = (U * I) out + verliezen

Wanneer de verliezen gelijk nul worden gesteld, geldt: Uo / Ui = Ii / Io. Om een nette 230 V sinus te krijgen wordt vaak een ringkerntransformator gebruikt (zie figuur 8).
De batterij zonnepanelen – DC in – wordt aan de middenaftakking van de laagspannings-kant gelegd. MMP tracking kan verzorgd worden door de FET's aan te sturen met een PWM (pulse width modulation) signaal.
Het kritieke punt in dit soort schakelingen is de nuldoorgang: daar waar de negatieve helft het overneemt van de positieve helft.

Tegenwoordig bevatten omvormers vermogenselektronica en hoogfrequent transformatoren (hf), die de energie omvormen. Deze hf transformatoren zijn klein, bevatten minder koper, en hebben daardoor een hoog rendement.
© 2014 - 2018 Tronic, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Zonnepanelen: kosten, baten & terugverdientijd zonnepanelenZonne-energie is sterk in opkomst als duurzame energiebron. Wat zijn de kosten (aanschafkosten) van zonnepanelen? En wat…
Zonnepanelen voor een plat dakZonnepanelen voor een plat dakZonnepanelen kunnen net zo gemakkelijk op een plat dak als op een schuin dak worden geïnstalleerd. Er zijn verschillende…
Subsidie zonnepanelen 2012 & 2013In het begrotingsakkoord zijn de partijen overeen gekomen dat er een subsidie voor zonnepanelen komt, met ingang van 2 j…
Zonnepanelen leasen is de oplossingZonnepanelen leasen is de oplossingWij worden steeds milieubewuster, de auto’s worden steeds kleiner en zuiniger en de nadruk komt steeds meer te liggen op…
Wat kosten zonnepanelen en zonnecollectoren?Wat kosten zonnepanelen en zonnecollectoren?Met zonnepanelen en zonnecollectoren kunt u energie opwekken. Er bestaat in Nederland een mogelijkheid om subsidie te kr…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: tronic
  • PVcoolbook.nl
  • PV education.org
  • Homemadecircuitsandschematics.blogspot.com
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic
  • Afbeelding bron 5: Tronic
  • Afbeelding bron 6: Tronic
  • Afbeelding bron 7: Tronic

Reageer op het artikel "Zonnepanelen zelfbouw en installatie"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Reactie

Tinus, 16-11-2015 15:08 #1
Zeer duidelijk uiteen gezet voor een leek goed te begrijpen behalve de formules.

mvg. tinus Reactie infoteur, 16-11-2015
Hallo Tinus,

Met welke formule heb je moeite?

mvg Tronic

Infoteur: Tronic
Laatste update: 12-02-2017
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 11
Reacties: 1
Schrijf mee!