(Dit artikel is ook verkrijgbaar als handig e-book. U kunt het boek hier downloaden)
Zonnepanelen zijn de laatste jaren snel in prijs gedaald. Zo sterk zelfs, dat inmiddels veel mensen niet alleen op hun huis maar ook andere locaties één of meerdere panelen hebben geplaatst.
Een kleine greep van de locaties waar we mobiele zonnesystemen tegenkomen: op de boot, camper, tuinhuis, langs de snelweg (meetsysteem), vijver (pomp), klein paneel tijdens fietsreis fiets voor telefoon.
In combinatie met een accu maakt u zo onderweg uw eigen energiecentrale: de zonnepanelen leveren de energie aan een accusysteem. Vervolgens haalt u de energie er op afroep uit, in de vorm van gelijkstroom of zelfs 230 volt wisselstroom.
Mobiele zonne-energie kan bijna overal interessant zijn. In dit document behandelen we alles dat u nodig heeft om zelf een mobiel zonnesysteem samen te stellen. We ontkomen er niet aan om wat (Electro-)technische termen door te nemen, maar proberen het zo eenvoudig mogelijk te houden.
U kunt snel naar het onderwerp van uw keuze gaan door op een volgend hoofdstuk te klikken:
Alleen interessant in Zuid-Europa?
Samenstelling zonnepanelen
Opbouw mobiel zonnesysteem
Waarom een laadregelaar?
Accu: 12 of 24 volt?
Stroom en spanning
Praktijkvoorbeelden, rekenvoorbeelden
Installatie
Is een mobiel zonnesysteem wel geschikt voor Noord-Europa? Tot slot zijn wij hier gemiddeld genomen minder gezegend met veel zonneschijn. Dat valt reuze mee. In onderstaand plaatje ziet u de opbrengst van zonnepanelen in Europa, gemeten in energie per jaar per vierkante meter.
Figuur 1: Zonne-energie per jaar in Europa
Bron: https://www.minhacasa.nl/wp-content/uploads/2010/01/Karte-Solar-Strahung-Europa.jpg
U ziet, hoe zuidelijker u komt des te meer uren zon per jaar. Bekijk dit wel in het juiste perspectief. Noord-Italië bijvoorbeeld heeft bijvoorbeeld maar ongeveer 20% meer opbrengst per jaar.
Mobiele zonne-energie kan dus bijna overal interessant zijn.
Cellen
Een zonnepaneel bestaat uit losse cellen die aan elkaar zijn gesoldeerd en gezamenlijk één groot paneel vormen. Moderne commerciële zonnepanelen zijn vrijwel alle samengesteld uit zogenaamde monokristallijne silicium cellen. Silicium wordt gewonnen uit zand en ook gebruikt in veel elektronische componenten ('halfgeleiders'), waaronder chips, diodes en transistoren.
Figuur 2: Een monokristallijne zonnecel
Zonnecellen zijn herkenbaar door de egale, donkere (zwarte of blauwe) kleur, vaak in de vorm van een vierkant met eventueel afgeschuinde hoeken. De cel is donker gekleurd vanwege de antireflectieve eigenschappen die nodig zijn. Dit wordt bereikt met een donkere coating, meestal zwart of blauw. Kristal is namelijk van nature spiegelend. Zonder coating zou de cel werken als een spiegel en vrijwel geen zonne-energie kunnen vangen.
Een typische cel levert bij voldoende licht ongeveer 0,5 volt. Om een 18 watt zonnepaneel te maken moeten daarom 36 cellen in serie worden gezet. Iedere cel beschikt over twee aansluitpunten (een + en een -) die aan de volgende cel wordt gesoldeerd. Door deze serieschakeling mogen we de spanning van alle cellen samen optellen. De soldeerstrips lopen meestal over de cellen heen en vormen glimmende dunne banden.
Figuur 3: Zonnepaneel van dichtbij: de cellen zijn onderling serieel verbonden
Junctie box en -diodes
Het kan gebeuren dat een aantal cellen van een zonnepaneel in de schaduw komen te liggen. Om ervoor te zorgen dat de overige cellen hierdoor niet negatief worden beïnvloed worden in grotere zonnepanelen vaan diodes opgenomen. Een diode laat stroom maar naar één kant door. Deze zorgen er in een zonnepaneel voor dat de in schaduw liggende cellen even worden 'overgeslagen' (bypass) en er to stroom van de in zon liggende cellen door het paneel kan vloeien. De junctie diodes worden vaak gemonteerd in de zwarte junctie box van het paneel.
Figuur 4: Junctie diode
Opbouw frame frame
De cellen worden vervolgens vastgezet op een kunststof en metalen drager. Hier omheen gaat een lijst van aluminium en aan de bovenkant voorzien van een glazen plaat. Deze constructie moet bescherming bieden tegen allerhande weersinvloeden, Denk ook bijvoorbeeld aan grote hagelstenen. Gehard glas, liefst veiligheidsglas, is daarom gewenst.
Figuur 5: Doorsnede zonnepaneel
Bovenstaand zonnepaneel is aan de bovenkant voorzien van gehard glas en een beschermlaag die het glas bij onverhoopte breuk bijeen houdt.
Aan de achterkant van het zonnepaneel wordt tot slot een lasdoosje bevestigd (junctie box) .
Figuur 6: Junctie box. Hier zijn ook de diodes te zien
Uit deze box komen een plus en een mindraad. Deze draden worden tegenwoordig meestal afgemonteerd met standaard stekkers van het type MC-4
Figuur 7: MC4 stekker systeem
Het MC-4 systeem is een waterdicht klik-en-klaar stekkersysteem en biedt een snelle manier om panelen (onderling) te koppelen.
Er is inmiddels nog een variant van het monokristallijne zonnepaneel in een flexibele behuizing. De achterkant is gemaakt van dun aluminium en de cellen zijn ingegoten in transparant kunststof. Deze panelen kunnen worden vastgelijmd op bolle of holle oppervlakken.
Een mobiel zonnesysteem bestaat uit de volgende onderdelen:
- Zonnepaneel of meerdere panelen
- Laadregelaar
- 12 of 24 volt accu's
- Tot slot meestal nog een 12 of 24 naar 230 volt omvormer
Een zonnepaneel vangt de zonne-energie en zet deze om in een elektrische spanning en stroom. Deze energie stroomt via de laadregelaar in de accu. De accu spaart de energie op om deze later, op uw commando, weer af te staan.
Een zorgvuldig opgebouwd zonnesysteem is zelfvoorzienend en onderhoudsarm. Zodra de accu leeg raakt, zorgt het zonnepaneel ervoor dat er weer energie in de accu stroomt. Vanzelfsprekend is het wel zo dat de energie die uit de accu haalt groter is dan de energie die uit het zonnepaneel komt, de accu steeds meer wordt uitgeput. Een goede afstemming tussen de componenten van het zonnesysteem (dimensionering) is daarom heel belangrijk. We gaan hier verderop op in met wat rekenvoorbeelden.
Meerdere panelen
U kunt meerdere panelen met elkaar verbinden om het totale paneelvermogen op te krikken. Hiervoor zijn twee mogelijkheden: parallelle of seriële verbinding.
Parallelle verbinding van zonnepanelen
Parallelle verbinding gebruikt u om de paneelspanning gelijk te houden en het paneelvermogen te verhogen. Hiervoor verbindt u de plus van het ene paneel met de plus van de andere(n), en de min aansluitingen verbindt u ook met elkaar.
Figuur 8: zonnepanelen parallel geschakeld
In bovenstaand plaatje is de spanning uit de twee panelen gelijk aan de spanning uit één paneel. De stroom die vloeit is wel twee maal zo hoog zodat het vermogen twee maal zo hoog zal zijn.
Parallelle verbinding doet u om uw accusysteem niet te hoeven aanpassen bij uitbreiding van het aantal panelen. Wel moet u rekening houden met de maximale stroom die uw laadregelaar aan kan, omdat de stromen van alle panelen opgeteld door de laadregelaar heen gaan.
Seriële verbinding van zonnepanelen
Figuur 9: zonnepanelen serieel geschakeld
Met seriële verbinding wordt de plus van het ene paneel verbonden met de min van het andere paneel. De overblijvende min en plus van beiden panelen worden op de laadregelaar aangesloten. In bovenstaand plaatje is de stroom die door beide panelen vloeit gelijk aan de stroom door één paneel. De totale spanning is wel twee maal zo hoog zodat het vermogen twee maal zo hoog zal zijn.
Seriële verbinding gebruikt u bijvoorbeeld om twee 12 volt zonnepanelen aan te kunnen sluiten op een 24 volt accusysteem.
Een zonnepaneel kan bijna nooit direct op een accu worden aangesloten. Dat komt omdat een zonnepaneel niet een vaste spanning genereert maar een variabele spanning. De laadregelaar zorgt ervoor dat de spanning van het zonnepaneel afgestemd wordt op de spanning van de accu.
Figuur 10: eenvoudige laadregelaar
Daarbij heeft een laadregelaar nog een aantal andere functies, afhankelijk van het model, waaronder:
- Bescherming van de accu bij te hoge spanning uit het paneel
- Bescherming van de accu bij onderspanning, door direct op de laadregelaar aangesloten 12/24 volt apparatuur af te schakelen
- Meting van opgewekt vermogen
- Meting van de resterende accucapaciteit
Figuur 11: uitgebreidere laadregelaar met display
De meeste laadregelaars werken met zowel 12 als 24 volt accusystemen en detecteren automatisch om wat voor een systeem het gaat.
Op de accu kunnen direct 12 of 24 volt verbruikers zoals licht, waterpompje en koelbox, worden aangesloten. Heeft u apparatuur aan boord die op 230 volt werkt dan heeft u een 12/24 naar 230 volt omvormer nodig. Bijvoorbeeld koelkastje, LCD TV, Espresso machine, boormachine.
Een accu moet worden opgeladen met een spanning die hoger ligt dan zijn eigen spanning. Een 12 volt accu wordt optimaal geladen met ongeveer 14 volt laadspanning. Een 24 volt accu met ongeveer 28 volt laadspanning.
Het is belangrijk dat de laadspanning uit uw zonnepaneel liefst wat hoger maar niet te hoog, ligt bij de accuspanning. Om die reden wordt soms bij zonnepanelen opgegeven of deze geschikt zijn voor 12 of 24 volt systemen. Een zonnepaneel voor een 12 volt accu levert gewoonlijk een spanning van 17 à 19 volt, een zonnepaneel voor een 24 volt accu het dubbele.
Een voordeel van een 24 volt accusysteem is dat de stromen de helft lager zijn in vergelijking met een 12 volt systeem. De bekabeling kan dus eenvoudiger (dunner) worden uitgevoerd. Nadeel is dat een 24 volt systeem gewoonlijk met 2 accu's wordt gemaakt (2 stuks 12 volt accu in serie), en daarom vaak kostbaarder is. Verder komt eindapparatuur die werkt op 24 volt minder vaak voor dan 12 volt apparatuur. Denk aan koelboxen, verlichting, (auto-)radio. Deze apparatuur werkt meestal alleen op 12 volt en is dus duurder of niet beschikbaar in 24 volt uitvoering.
Het maximale vermogen: watt-piek (Wp)
Bij het vermogen van zonnepanelen ziet u meestal staan: Wp. Dit betekent watt-piek en is het maximale vermogen dat het paneel kan leveren. Dit vermogen kan meestal alleen worden bereikt onder specifieke ‘lab’omstandigheden waardoor het maximale vermogen in de praktijk meestal iets lager is. Hoeveel lager, hangt onder andere af van de oriëntatie van de panelen, de luchttemperatuur en de lichtintensiteit. In Nederland bijvoorbeeld, levert een 100 Wp paneel gemiddeld ongeveer 85 Watt vermogen onder de juiste omstandigheden.
Energie opbrengst: watt-uur (Wh)
Watt is de eenheid van vermogen, dit is gelijk aan de energie (in Joules) per seconde. Als je wilt weten hoeveel energie een zonnepaneel in een uur oplevert, moet je voortdurend het vermogen meten en uitmiddelen over het uur. Het vermogen is dan het (gemiddelde) vermogen in Watt-uur (Wh).
Een 100 zonnepaneel dat gedurende een uur lang gemiddeld 85 watt levert, levert in dat uur een totale energie van 85 Wh op. Dit is gelijk aan 0,085 kilo-Watt-uur (kWh).
De energie die via de laadregelaar in de accu komt zal iets lager zijn dan 85 Wh. Dit komt door verliezen in de bekabeling, laadregelaar en de chemische processen in de accu zelf. Deze verliezen komen vrij in de vorm van warmte.
Stroom en spanning uit een paneel
Het elektrische vermogen dat een paneel levert bestaat uit twee elektrische componenten, spanning en stroom. Precies gezegd,
Vermogen = Spanning maal Stroom
De eenheid van spanning is Volt (V), die van stroom is Ampère (A).
Bij de specificaties van een zonnepaneel vindt u naast het maximale vermogen (Wp) ook gegevens over stroom en spanning. Laten we eens een zonnepaneel nemen van 100 Wp. Daar staat:
- Maximaal vermogen (Pmax): 100 watt (+/-3%)
- Optimale werkspanning (Vmp): 18,04 volt. Bij deze spanning levert het paneel zijn maximale vermogen.
- Optimale werkstroom (Imp): 5,54 ampère. Bij de optimale werkspanning hoort ook een werkstroom. Vermenigvuldigen wij deze met elkaar dan krijgen we een vermogen van 18,04 maal 5,54 = 99,94 Watt. Dit komt overeen met het gespecificeerde paneelvermogen.
- Open circuit spanning (Voc): 21,8 volt. Als er niets op het paneel wordt aangesloten en er schijnt volle zon, dan levert het paneel deze spanning. Er zal dan uiteraard ook geen stroom lopen, zodat het geleverde vermogen 0 Watt is.
- Kortsluitstroom (Isc): 5,68 ampère. Als we de Plus en Min kabels van het paneel tegen elkaar houden dan stroomt deze stroom maximaal. De spanning tussen de kabels zal 0 volt zijn. Ook in dit geval wordt er 0 Watt vermogen geleverd
Zoals gezegd is er dus een optimale werkspanning waarbij het paneel zijn maximale vermogen kwijt kan via de laadregelaar aan de accu. Is de spanning hoger of lager, dan werkt het paneel suboptimaal. Hier komen we op het belang uit van een goede laadregelaar. Een ideale regelaar zorgt ervoor dat het paneel de optimale werkspanning genereert zodat het maximale vermogen kan worden afgenomen. Laadregelaars die dit (in theorie) het beste kunnen zijn zogenaamde MPPT regelaars. Dit staat voor Maximum Power Tracking Technology.
Invloed van positionering van de panelen op het vermogen
Een zonnepaneel werkt optimaal als de zon loodrecht op het paneel staat. Omdat de zon bij ons nooit helemaal bovenaan de hemel staat, moet een paneel idealiter onder een hoek worden geplaatst. Op vaste activa zoals woonhuizen en schuren worden de panelen maar eenmaal, bij installatie, zo optimaal mogelijk gericht.
Op mobiele objecten zoals campers en boten variëren de omstandigheden voortdurend en is schuin opstellen tijdens het reizen en zelfs bij stilstand meestal niet mogelijk. Daarom, ook om esthetische redenen, worden mobiele panelen vaak plat neergelegd. Dit heeft uiteraard effect op het paneelvermogen. Om die reden wordt vaak een groter paneelvermogen geïnstalleerd dan nodig zou zijn in vergelijking met een optimaal gepositioneerd systeem op een vast object.
Om een zelfstandig werkend (autonoom) zonnesysteem te bepalen moet er gestructureerd worden nagedacht.
Stap 1: beantwoord de hamvraag: welke elektrische verbruikers wilt u gebruiken?
Om te bepalen hoeveel zonnepanelen u nodig heeft en hoe groot de accu, laadregelaar en de omvormer moeten zijn grijpen we naar de hamvraag die we altijd stellen:
"Welke apparatuur wilt u gebruiken, en hoeveel uur per dag wordt deze apparatuur gebruikt?"
Als deze vraag nog niet kan worden beantwoord, denk daar dan toch eens goed over na. Anders kan geen goede berekening worden gedaan. U krijgt dan een goed gevoel bij de haalbaarheid van uw project. Doe dit indien mogelijk met uw partner(s) zodat iedereen weet wat hij zou kunnen verwachten
Praktijkvoorbeeld:
U heeft een huisje in de bossen en wilt daar elektrische apparatuur gebruiken:
- 3 spaarlampen van 10 watt per stuk = 30 watt totaal. U wilt ze 3 uur per dag laten branden
- Een koffie apparaat van 1000 watt, per dag wilt u deze 10 minuten gebruiken.
- Een laptop van 80 watt, 2 uur per dag gebruikt
- Een kleine LED TV van 40 watt, 2 uur per dag
- Alle apparaten werken op 230 volt
Stap 2: Berekening benodigde 12 naar 230 volt omvormer
Het totale vermogen als de apparatuur op enig moment gelijktijdig werkt is 1150 watt. U heeft daarom een 12 naar 230 volt omvormer nodig van zeker 1200 watt, wij bevelen een iets hoger vermogen aan van 1500 watt. Dan heeft u nog wat ruimte voor extra apparatuur.
Dan komt nu een iets lastiger deel van de berekening, namelijk de capaciteit van de accu. Deze wordt altijd opgegeven in Ah = Ampère-uren. Met andere woorden, hoeveel uur kan de accu een bepaalde stroom leveren. Bijvoorbeeld, een 100Ah accu kan theoretisch 100 uur lang 1 ampère stroom leveren. Of 10 ampère gedurende 10 uur (want, 10 ampère maal 10 uur is weer 100 Ah). Ampère-uren kun je ook omrekenen naar watt-uren. Dit komt omdat spanning maal stroom het vermogen (watt) is. 1 ampère bij 12 volt is 12 watt. Ofwel, de ideale 100Ah accu 1200Wh leveren. Dat is gedurende 100 uur 12 watt. Of 120 watt gedurende 10 uur. Of 1200 watt gedurende 1 uur. En dan is hij helemaal leeg.
Stap 3: Berekening benodigde accu
- 3 spaarlampen gedurende 3 uur = 3 stuks x 10 watt x 3 uur = 90Wh
- Koffie apparaat: 1000 watt x 0,1666 uur = 166Wh
- Laptop: 80 watt x 2 uur = 160Wh
- TV: 40 watt x 2 uur = 80Wh
- Totaal Wh per dag: 496 Wh
Omdat vermogen (watt) = spanning (V) maal stroom (A), heeft u per dag met een 12 volt accu dus 496/12 = 41,3 Ah nodig.
Dan komt de volgende vraag: "Hoeveel dagen wilt u overbruggen zonder dat de accu door de zonnepanelen wordt bijgeladen?"
Een heel realistische vraag! Op regenachtige dagen moet u zich niet veel voorstellen van de door de panelen aangeleverde energie. En dan draait de accu vrijwel helemaal op de opgeslagen energie uit de accu. Is er weer zon, dan wordt de accu weer bijgevuld.
Stel, u wilt twee dagen overbruggen. U heeft dan een 12 volt accu van tenminste 2 maal 41,3 = 83 Ah nodig. Omdat een loodaccu nooit helemaal mag worden ontladen, maar tot gemiddeld maximaal 50%, heeft u zeker een accu nodig van 160Ah. Dit kunnen ook 2 parallel geschakelde accu's van 80Ah zijn.
Stap 4: Berekening benodigde zonnepanelen
Als er na 2 dagen weer 4 uur (vollicht) zon is, dan moet de accu gedurende deze 4 uur weer helemaal worden bijgevuld om de volgende twee zonloze dagen te kunnen overbruggen. Per twee dagen gebruiken we 2 maal 496 = 992 Wh, dus de capaciteit van het zonnepaneel moet 992 Wh / 4 uur = 248 Watt zijn. Omdat het vermogen van panelen altijd wordt opgegeven op basis van het theoretisch haalbare vermogen, kiezen we zonnepanelen met wat meer vermogen, bijvoorbeeld 2 panelen van 150 watt.
Tot slot de laadregelaar: deze moet een vermogen aankunnen van 300 watt vanuit de panelen. Op een 12 volt accu betekent dit een laadregelaar met een stroomcapaciteit van tenminste 300/12 = 25 ampère. We kiezen iets ruimer, 30 ampère.
Eindresultaat
Als we onze apparatuur willen gebruiken gedurende 2 dagen zonder zon, waarbij er (gemiddeld) na 2 dagen weer 4 uur volle zon is, dan hebben we nodig:
- Twee zonnepanelen van 150 watt (3 van 100 kan uiteraard ook)
- Een 12 volt accu van 160Ah (eventueel kleinere accu's parallel geschakeld, bv, 2 maal 80Ah)
- Een 12/24 volt laadregelaar van 30 ampère
- Een 1500 watt omvormer
Kunt u de montage zelf doen?
Dat ligt een beetje aan uw eigen handigheid en eerdere ervaring met elektrotechnische installaties. Het hangt er ook vanaf welke elektrische installatie zich al bevindt op de locatie waar u een zonnesysteem wilt toevoegen. Maar over het algemeen geldt dat met wat doorzettingsvermogen en vooral nauwkeurig werken het meestal wel lukt.
De montage valt uiteen in twee gedeelten: de elektrotechnische installatie en de montage van de apparatuur zelf. Vooral het zonnepaneel kan nogal eens voor hoofdbrekens zorgen. Ga voor eventuele aanschaf van een zonnepaneel goed na of u deze goed op het beoogde oppervlak kan worden bevestigd. Een aantal criteria:
- Robuuste, veilige montage. Zo mag rijwind op een camper niet het paneel los kunnen maken.
- Waterdicht. Meestal wordt het paneel vastgezet met bouten die door het dragende oppervlak gaan. Kit de door u geboorde gaten goed af.
- Diefstalgevoeligheid. Ondanks de dalende prijzen zijn panelen nog wel eens doelwit van een passant die het paneel 'meer dan interessant' vindt.
Zonnepaneel
Het zonnepaneel heeft (meestal aan de achterzijde) de junction box waar twee kabels uitkomen. Een plus en een min kabel. Deze kabels zijn soms afgemonteerd met MC4 connectoren. Deze connectoren zijn waterdicht en kunnen snel en robuust in elkaar worden geklikt.
Een standaard zonnepaneel met frame is aan de achterzijde meestal voorzien van gaten ter bevestiging.
Figuur 12: zonnepaneel achterzijde
U ziet dat u het paneel zo kunt vastmaken dat men niet vanaf de bovenzijde bij de bevestigingsbouten kan. Het U-vormige aluminium frame zorgt immers voor afscherming aan de zijkant van de lijst.
Verbinding van paneel en kabels
Het eerder besproken MC4 stekkersysteem zorgt voor snelle en robuuste aansluiting van paneel en de plus en min kabel naar de laadregelaar.
Om panelen parallel aan elkaar te koppelen kunnen MC4 Y-connectoren worden gebruikt.
Figuur 13: met een MC4 Y-connector koppelt u kabels parallel
Kabels tussen zonnepaneel en laadregelaar. Hoe dik?
De dikte van de kabels tussen zonnepaneel en laadregelaar en tussen laadregelaar en accu hangt af van de maximale stroom die gaat lopen. In de regel is 10mm kwadraat kabel meer dan genoeg tot een ampère of 30. Neem wel UV-bestendige kabel voor buitengebruik.
Aansluiting op laadregelaar en accu
Zoals u op laadregelaars op de figuren 11 en 12 kunt zien, worden de kabels vanaf het zonnepaneel meestal in de regelaar vastgezet met schroefklemmen. Dit geldt ook voor de verbinding van de laadregelaar naar de accu.
Op de accu zelf worden de kabels meestal gemonteerd op zogenaamde accupolen
Figuur 14: accupolen
Tot slot nog een aantal tips bij het installeren
- Zorg voor zo kort mogelijke kabels tussen paneel en laadregelaar en accu
- Liever een te dikke draad dan een dunne
- Gebruik uiteraard geen binnendraad (‘lampensnoer’)
- In de kabels geen kroonsteentjes gebruiken, liever geen schakelaars etc.
- Moet u panelen parallel zetten, maak de parallelle verbinding (met Y connector) dan zo dicht mogelijk bij de panelen. Dan hoeft u vanaf daar maar twee draden te trekken naar de laadregelaar.
- Idem voor seriële verbinding van zonnepanelen
- Gebruik een multimeter zodat u precies weet hoeveel spanning er staat op ieder punt in uw installatie. U voorkomt dan ook fouten met verwisselde + en -. Meet eerst de spanning uit de panelen, dan de laadregelaar, accu etc.
- Ken uw installatie! Maak een tekening vooraf en achteraf. Heeft u een installatie van iemand overgenomen en u vertrouwt deze niet, verwijder in het ergste geval de hele boel en leg het opnieuw, eventueel met nieuwe materialen, aan.
