Op een late zondagmiddag rukte de brandweer van Kern County uit nadat ze een oproep hadden ontvangen van een winkel op de Rosedale Highway in Bakersfield (Californië). De brandweerlieden ontdekten al snel dat een rij zonnepanelen op het dak vlam hadden gevat. Toen de ploeg arriveerde, stonden sommige panelen nog steeds onder stroom, dus moesten ze extra voorzorgsmaatregelen nemen totdat de elektrische stroom kon worden uitgeschakeld.
Grondbeginselen voor de installatie van zonnepaneelsystemen
In de meest eenvoudige vorm bestaat een installatie voor het opwekken van zonne-energie uit fotovoltaïsche (PV) panelen die zonlicht opvangen. De PV-reeks levert gelijkspanning (DC) aan een omvormer die de gelijkspanning omzet in wisselstroom (AC). Sommige installaties maken gebruik van accu’s, automatische omschakeleenheden, bewakings- en meetapparatuur en apparaten waarmee elektriciteit aan het net teruggeleverd kan worden.
Gelukkig kon de brandweer de brand snel blussen voordat deze door de metalen dakbedekking kon doordringen. Functionarissen verklaarden de winkel veilig, waarna deze ongeveer vier uur na de melding weer open ging. De les die we uit dit voorbeeld moeten trekken is niet dat zonne-energie onveilig of gevaarlijk is, maar dat we het veiligheidsbewustzijn bij het werken met zonnepaneelsystemen moeten verhogen. Terwijl brandweerlieden en eerstehulpverleners moeten weten hoe ze de elektriciteit veilig kunnen uitschakelen om de veiligheid van de hulpverleners te garanderen en evacuatie mogelijk te maken, moeten onderhoudstechnici van faciliteiten weten hoe ze de elektriciteit veilig en betrouwbaar kunnen laten stromen.
Inzicht in configuraties van zonnepaneelsystemen
Een typische commerciële fotovoltaïsche cel met een oppervlakte van 160 cm2 produceert onder optimale omstandigheden (piekzon) ongeveer 2 watt vermogen. Als de intensiteit van het zonlicht 40 procent van de piek is, produceert de cel dus ongeveer 0,8 watt. Om bruikbaar te zijn als elektrische energiebron, moeten PV-cellen in serie of parallel worden geschakeld om hogere spanning en stroom te produceren. Bedradingsmodules in serie verhogen de spanning en installaties in parallel verhogen de stroom. Een opstelling van 30 modules kan 4 kilowatt produceren.
Fabrikanten combineren PV-celcircuits in verzegelde, milieuvriendelijke laminaten om PV-modules te vervaardigen, die de fundamentele bouwstenen van PV-generatiesystemen vormen. PV-panelen bestaan uit verschillende PV-modules die geassembleerd en vooraf van bedrading voorzien zijn, zodat ze op locatie geïnstalleerd kunnen worden. Een PV-reeks is een complete stroomopwekkende eenheid die uit een willekeurig aantal PV-modules en panelen kan bestaan.
De rol van zonnepaneelsystemen in energieopwekking
Zonnepaneelsystemen kunnen extra stroom leveren aan huizen, bedrijven, gemeenten, militaire installaties en aan iedereen die daarin wil investeren. PV kan de primaire stroombron zijn voor afgelegen systemen, bijvoorbeeld in industriële processen met pijpleidingen en in tijdelijke situaties in het veld. Hoewel de meeste informatie in dit artikel van toepassing is op zowel residentiële als commerciële PV-installaties, ligt de nadruk hier op commerciële installaties. Normaal gesproken zijn residentiële systemen alleen verschillend qua grootte. De werkingsprincipes en configuraties lijken echter sterk op elkaar. Commerciële systemen zijn meestal complexer, maar dit is niet altijd het geval.
Plaatsing en werking van PV-reeksen
PV-reeksen kunnen op het dak van een faciliteit worden geplaatst, zoals bij de winkel in Bakersfield, of op een stuk land dat aan de faciliteit grenst. Normaal gesproken hebben PV-reeksen ongeveer drie tot vijf hectare per megawatt nodig. PV-reeksen die op daken en gebouwen worden gemonteerd, optimaliseren de totale beschikbare ruimte voor het opvangen van zonlicht op een locatie. Er moet echter wel rekening worden gehouden met de mogelijkheden voor dakpenetraties en -belasting en de gevolgen daarvan.
De conceptuele basis voor bijna elke bruikbare installatie voor zonne-energie begint met de PV-panelen die het zonlicht opvangen. De PV-reeks levert DC-spanning aan een omvormer, die de DC omzet in 60 Hz AC. De AC van de omvormer levert energie aan de faciliteit of het huis.
Uiteraard ontbreken er enkele belangrijke elementen om dit voorbeeldsysteem nuttig en veilig te maken. Afhankelijk van de vereisten van de faciliteit kan een systeem ook een willekeurig aantal DC schakel- en beveiligingsapparaten bevatten, zoals DC combinerboxen, stroomonderbrekers, scheidings- en magneetschakelaars. Omvormers zijn verkrijgbaar in vele configuraties en vermogensbereiken. (Een combinerbox is een aansluitdoos die wordt gebruikt als het parallelle aansluitpunt voor twee of meer circuits.) Sommige grote installaties gebruiken verschillende omvormers. Een goed systeem is ook voorzien van AC schakel- en beveiligingsapparatuur, zoals AC-verdelers en -panelen, scheidingsschakelaars, stroomonderbrekers, laag- en middenspanningsschakelaars en laag- en middenspanningstransformatoren. Sommige installaties maken ook gebruik van accu’s, automatische omschakeleenheden, bewakings- en meetapparatuur en apparaten waarmee elektriciteit aan het net teruggeleverd kan worden. Functionele en operationele vereisten, configuraties van componenten en de manier waarop de apparatuur is aangesloten op andere stroombronnen en elektrische belastingen bepalen de classificaties van PV-voedingssystemen. De twee belangrijkste classificaties zijn systemen die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten (en interactief zijn met nutsbedrijven) en autonome systemen.
Op het elektriciteitsnet aangesloten systemen werken terwijl ze onderling verbonden zijn met het elektriciteitsnet. Naast de PV-reeks zelf is de omvormer het belangrijkste onderdeel van een systeem dat op het elektriciteitsnet is aangesloten. Het PV-systeem, met name de omvormer, werkt bidirectioneel samen met het elektriciteitsnet, meestal met een verdeelpaneel of service-ingang op de locatie.
Zelfstandige PV-systemen werken onafhankelijk van het elektriciteitsnet. Faciliteiten die een standalone PV-systeem gebruiken, maken meestal gebruik van batterijen om energie op te slaan. Batterijen slaan overdag de energie van de PV-reeksen op en leveren ’s nachts of op bewolkte dagen energie aan de elektrische belastingen. Batterijen helpen ook om de systeemspanning te stabiliseren en leveren indien nodig piekstroom aan elektrische belastingen. Normaal gesproken beschermen batterij-controllers de batterijen tegen overladen en te veel ontladen.
Het verschil tussen zonnepaneelsystemen en door netvoeding geleverde belangrijkste elektriciteitscomponenten van fotovoltaïsche elektrische systemen
Het evidente verschil tussen fotovoltaïsche elektrische systemen en door het elektriciteitsnet geleverde elektriciteit is dat PV-reeksen DC genereren. De opgewekte elektriciteit wordt pas AC als deze door de omvormer is verwerkt. Een deel van een PV-installatie is noodzakelijkerwijs DC, waarvoor andere soorten componenten nodig zijn dan voor AC-installaties. Componenten in PV-systemen die niet voorkomen in AC-systemen zijn onder andere combinerboxen en DC scheidingsschakelaars.
Combinerboxen voor zonne-energie verzamelen de DC van de PV-reeks en zijn voorzien van een beveiliging tegen overstroom volgens de vereisten van de National Electrical Code (NEC). Individuele ingangen worden aangesloten op zekeringhouders. De zijden voor de belasting van de zekeringhouders zijn met elkaar verbonden, zodat ze een gemeenschappelijke bus vormen, die verbonden is met de uitgangen. Combinerboxen zijn combiners van bronnen of combiners van reeksen. Combiners van bronnen bevinden zich dichter bij de PV-panelen. Combiners van reeksen (of hercombiners) voegen uitgangen van verschillende combiners van bronnen samen in één circuit en worden in grote installaties gebruikt. Combiners van reeksen hebben hogere ingangszekeringen en een hogere uitgangsstroom.
Gewoonlijk genereren PV-systemen een spanning in het bereik van 400 V DC tot 600 V DC, een veel hogere spanning dan in de meeste systemen in gebouwen. Door deze hogere spanning te combineren met het ontbreken van een sinusgolf met nuldoorgangen ontstaan er verschillende uitdagingen op het gebied van systeemontwerp, componenten en bedrading, met name bij het in- en uitschakelen van deze DC-circuits. Vergeleken met AC-systemen met een sinusgolf met nuldoorgangsstroom, is voor het onderbreken van DC-circuits met een hogere spanning een grotere luchtspleet nodig om de vlamboog veilig en snel te onderbreken. Door meerdere polen van een enkele schakelaar in serie te schakelen, wordt een grotere luchtspleet gecreëerd voor een veilige vlamboogonderbreking.
Aangezien DC-circuits uit twee draden bestaan, een positieve en een negatieve, moet in de meeste PV-systemen een van de draden als aarde dienen, zoals de nulleider in een AC-systeem. De fabrikant van het zonnepaneel specificeert welke van deze twee draden geaard is. Negatieve aarding is de meest voorkomende configuratie. Deze verbinding wordt meestal gemaakt bij de omvormer. Volgens de NEC mag alleen de stroomvoerende niet-geaarde geleider worden geschakeld.
Mogelijke problemen met zonnepaneelsystemen
De meeste zonnepaneelsystemen die door gekwalificeerde en gerenommeerde vakmensen worden geïnstalleerd, worden veilig en betrouwbaar uitgevoerd. Het installeren van een elektrisch PV-systeem door onopgeleide personen kan echter tot problemen leiden. Enkele van de veel voorkomende problemen in verband met het ontwerp, de installatie en de werking van PV-systemen zijn:
- Veel schaduw op de PV-reeks
- Onveilige structurele bevestiging aan daken en andere structuren
- Onvoldoende afdichting tegen weersinvloeden bij dak- en andere doorvoeren
- Onveilige bedrading
- Onveilige installatie, onderhoud of gebruik van batterijen
- Onvoldoende stroomcapaciteit en/of isolatietype van de geleider
- Gebruik van ongeregistreerde apparatuur
- Onjuist toepassen van geregistreerde of niet-geregistreerde apparatuur
- Onjuiste plaatsing van overstroombeveiliging en ontkoppelingsapparatuur
- Onjuiste aarding van het systeem
- Ontoereikende etikettering op belangrijke systeemcomponenten en ontkoppelingsapparatuur
- Ontoereikende documentatie over systeemontwerp en operationele en onderhoudsvereisten
- Onvoldoende omgevingsbescherming voor bepaalde systeemcomponenten
Onderhoud en oplossen van problemen aan zonnepaneelsystemen
Het belang van testen en het oplossen van problemen in zonnepaneelsystemen Elk ontwerppakket voor een zonnepaneelsysteem moet ondersteunende documentatie bevatten die, op zijn minst, systeemspecificaties, elektrische schema’s, mechanische tekeningen, een onderdelenlijst, een materialenlijst en een bronnenlijst moet bevatten. De documentatie moet tevens procedures voor installatie en controle bevatten, training voor gebruikers en bedieners, onderhoudsvereisten, handleidingen voor het oplossen van problemen, en gereedschappen en apparatuur vermelden die nodig zijn om deze taken uit te voeren.
Onderhoudsvereisten voor fotovoltaïsche installaties
Onderhoudsvereisten voor fotovoltaïsche installaties zijn afhankelijk van het type systeemontwerp en de gebruikte apparatuur. Sommige installaties vereisen zeer weinig aandacht, misschien alleen jaarlijkse inspecties. Andere systemen, vooral systemen die batterijen gebruiken, vereisen onderhoud met intervallen van vier tot zes maanden, of zelfs vervanging van onderdelen (meestal batterijen) gedurende de levensduur van het systeem. Onder typisch onderhoud dat voor PV-installaties nodig kan zijn, valt onder andere:
- Het inspecteren van aansluitingen en verbindingen van bedrading op loszitten en corrosie
- Het inspecteren van kabelbomen om ervoor te zorgen dat ze netjes gebundeld en beschermd zijn
- Het inspecteren van de PV-reeks op reinheid, afwezigheid van schade en structurele integriteit
- Het inspecteren van dakpenetraties en weerafdichting
- Het onderhouden van batterijen, waaronder schoonmaken, bijvullen met elektrolyt, egaliseren van de lading en indien nodig vervangen
Gereedschappen en procedures voor het installeren en onderhouden van een PV-systeem
Ongeacht of u een PV-systeem installeert of onderhoudt, moet u het juiste gereedschap voor deze taken gebruiken. Over het algemeen kunt u de meeste taken waarbij de PV-modules en hun bijbehorende DC-circuits betrokken zijn, uitvoeren met een digitale multimeter (DMM) van hoge kwaliteit met een ampèretang of een stroomtang met mogelijkheden om spanning te meten.
Gebruik een digitale multimeter met een ampère- of een stroomtang om modules te testen wanneer ze worden geleverd en opnieuw na installatie. Gebruik een van deze instrumenten om de uitgangsspanning en -stroom van de reeks te controleren. Zorg er tijdens de installatie voor dat de juiste apparaten in serie worden aangesloten zodat de juiste spanning wordt geleverd. Zorg ervoor dat de secties van de reeks parallel zijn aangesloten zodat de juiste stroom wordt geleverd.
Gebruik een digitale multimeter en stroomtang om de juiste aansluitingen op de omvormer te controleren, evenals de ingangs- en uitgangsspanningen en -stroom van de omvormer. Dit gereedschap kan u ook helpen bij het oplossen van problemen met de rest van de installatie, net zoals u dat bij elk ander AC-voedingssysteem zou doen.
Opsporen en oplossen van problemen met omvormers in PV-systemen
Voor sommige problemen met omvormers is het gebruik van een oscilloscoop of scoopmeter vereist. U kunt bijvoorbeeld een oscilloscoop gebruiken om ruisproblemen in de wikkeling van het regelcircuit op te sporen en te identificeren of om te controleren of de bipolaire transistor met geïsoleerde poort (IGBT) goed werkt door hun golfvormen te observeren. U kunt een transistor met kortsluiting detecteren door met een scoop de transistor te meten. Een goede transistor heeft een golfvorm met een mooi gevormde blokgolf met scherpe randen, terwijl een slechte transistor een golfvorm heeft die op de top van de voorrand wordt afgerond. Zorg er ook voor dat de golfvorm bij de uitgang van de omvormer een sinusgolf benadert.
De impact van harmonischen op PV-systemen
Aangezien vrijwel elke PV-installatie omvormers gebruikt om DC van de PV-reeksen naar AC om te zetten, kan er op AC enige harmonische inhoud aanwezig zijn die afkomstig is van het PV-systeem. Frequentiegeregelde aandrijvingen (VFD’s) zijn grotendeels verantwoordelijk voor het genereren van harmonischen. De circuits die omvormers gebruiken om DC naar AC om te zetten, lijken veel op de VFD-circuits die verantwoordelijk zijn voor het genereren van harmonische stromen. Doorgaans moet het ontwerp van PV-systemen harmonischen minimaliseren. Als u echter problemen met harmonischen in uw installatie vermoedt, kunt u een Power Quality Analyzer gebruiken om het systeem te controleren.
Wanneer u zich bewust bent van mogelijke problemen en tests uitvoert en problemen oplost met hulpmiddelen die geschikt zijn voor de uit te voeren taak, kunt u een zonnepaneelsysteem veilig en betrouwbaar gebruiken en laten werken.
Ontdek welke tools PV-experts aanbevelen in de snelgroeiende sector voor zonne-energie