Meten aan fotovoltaïsche installaties

Het opwekken van elektrische energie met fotovoltaïsche cellen blijft populair. De stijgende prijzen van energie uit fossiele bronnen, zoals olie en gas maken het gebruik van zonne-energie nog steeds interessant voor een steeds groter publiek. Steeds meer installatiebedrijven houden zich bezig met het aanbrengen en onderhouden van deze installaties. Het is belangrijk dat het installatiebedrijf beschikt over voldoende kennis en het juiste (meet)gereedschap om de fotovoltaïsche installaties optimaal te laten renderen.

Verschillende types, verschillend rendement

Producenten van zonnepanelen hanteren een aantal kwaliteitscategorieën. Na productie wordt elk paneel getest met kunstmatig licht bij een bepaalde temperatuur (Standard Test Conditions) en wordt er bepaald binnen welke categorie het betreffende product valt. Aan de hand van de productspecificaties die bij deze categorie horen, kan de installateur berekenen wat het rendement van de installatie zal worden en of deze voldoet aan de verwachtingen van de klant. Eens de installatie is geplaatst zal de installateur vaak alleen de inverter uitlezen om te bepalen of het geproduceerde (schijnbare) vermogen ongeveer overeenkomt met de berekeningen en opgegeven specificaties.

Metingen aan PV-installaties gaat verder dan stroom en spanning meten

Bij metingen aan zonnepanelen moet rekening gehouden worden met verschillende factoren die invloed hebben op de prestatie van de fotovoltaïsche cellen. Naast de fysieke eigenschappen die zijn bepaald in het productieproces, zijn er andere belangrijke factoren, zoals de temperatuur van de cellen en de hoeveelheid zonnestraling die door de panelen wordt opgevangen. De geografische plaatsing, richting en de hoek waaronder de panelen zijn geplaatst hebben uiteraard ook een grote invloed. Atmosferische vervuiling en/of reflectie van het oppervlak spelen ook een rol op de hoeveelheid zonnestraling die doordringt tot de cellen. Tenslotte treedt er ook verlies op door het verouderen van de zonnepanelen met rendementsverlies tot gevolg.

Om ondanks al deze variabele condities toch een goede meting te kunnen verrichten en conclusies te kunnen verbinden aan de resultaten, dienen de meetresultaten te worden verrekend naar de STC (Standaard Test Condities). Deze STC waarden staan vermeld bij de technische eigenschappen van een zonnepaneel. Bij het vaststellen van de STC waarden, dienen de panelen beschenen te worden met exact 1.000 Watt licht per m² bij een temperatuur van 25 °C. Er worden bij STC ook specifieke eisen gesteld aan het spectrum van het licht. Het verrichten van metingen aan PV-installaties gaat dus veel verder dan het meten van spanning en stroom. De hoeveelheid en hoek van de lichtinval (inclinatie), evenals de temperatuur van de panelen spelen ook een grote rol en dienen nauwkeurig te worden gemeten. Hiervoor wordt vaak een aparte accessoire (gekalibreerde referentiecel) gebruikt dat onder dezelfde hoek wordt geplaatst als het paneel.

Een typische meetopstelling bij fotovoltaïsche installaties is schematisch weergegeven (figuur 1) waarbij gebruik wordt gemaakt van een hoofdinstrument dat de stroom- en spanningsmetingen verricht, terwijl een apart instrument de andere parameters bij de panelen registreert. Alle meetresultaten worden vervolgens met een gesynchroniseerde tijdcode samengevoegd. Deze meetmethode maakt het gebruik van zeer lange meetsnoeren overbodig, wat veel gemak en tijdwinst voor de inspecteur oplevert.

IV-curve

Zonnepanelen leveren bij hoge en lage lichtsterkte vrijwel dezelfde spanning, als er geen sprake is van elektrische belasting (open klemspanning). De hoeveelheid stroom is echter afhankelijk van de intensiteit van de zonnestraling en niet zozeer van de omgevingstemperatuur zoals veel mensen vaak onterecht denken. Als er een spanningsmeting wordt uitgevoerd aan een zonnepaneel, vertelt dat weinig tot niets over de kwaliteit van het product. Om het vermogen van een paneel te bepalen dient het elektrisch belast te worden, waardoor er een stroom gaat lopen. Door de weerstand van de belasting geleidelijk te verlagen zal de stroom toenemen, totdat de spanning plotseling in elkaar zakt. Dit punt wordt het Maximum Power Point (MPP) genoemd. Het resultaat van bovengenoemde meting is een zogenaamde IV-curve. Dit is een grafische weergave, waarbij op de horizontale x-as de spanning en op de verticale y-as de stroom wordt weergeven. Een goed functionerend paneel geeft een curve (figuur 2). De spanning blijft hier vrijwel constant, waarna deze bij het MPP stijl afneemt. Bij een paneel dat niet (meer) goed functioneert wordt vaak een andere vorm waargenomen, waarbij de spanning 2 of meer afnames laat zien (figuur 3).

Figuur 2

Figuur 3

Figuur 2 Figuur 3

Zoals hierboven beschreven dient bij de bepaling van de IV-curve tevens de hoeveelheid zonnestraling en de temperatuur gemeten te worden, zodat de meetresultaten kunnen worden verrekend naar de Standaard Test Condities (STC). Voor een correcte bepaling van de IV-curve van een zonnepaneel schrijft de IEC/EN60891 voor dat het rendement op dat moment minimaal 700 W/m2 bedraagt. Dit betekent dat de meting onder redelijk zonnige omstandigheden en binnen een bepaalde tijdsinterval van de dag dient te gebeuren. Een meting die te vroeg of te laat op de dag wordt gedaan kan tot gevolg hebben dat de hoek waaronder het zonlicht invalt te groot is en daardoor de voorgeschreven 700 W/m2 niet wordt gehaald. Met een simpele inclinometer (een soort zonnewijzer) kan de invalshoek op eenvoudige wijze worden bepaald.

Onderhoud aan fotovoltaïsche installaties

Een goed aangelegde PV-installatie kan lange tijd meegaan. De zonnecellen daarentegen zijn wel onderhevig aan veroudering en dus zal het noodzakelijk zijn om de panelen ooit te vervangen. Naast de normale slijtage, zijn er factoren die een negatieve invloed hebben op de prestatie en levensduur van de installatie. Uiteraard zijn er externe factoren die voor fysieke schade kunnen zorgen, zoals storm of hagel. De effecten hiervan zijn meestal duidelijk zichtbaar en direct merkbaar. Maar de gemonteerde panelen kunnen ook last krijgen van plaatselijke schaduwvorming door het geleidelijk vervuilen. Stof of bijvoorbeeld vogelpoep hebben tot gevolg dat op bepaalde plaatsen op het paneel de zonnecellen onvoldoende licht krijgen. De temperatuurverschillen die hieruit voorkomen kunnen gemakkelijk zichtbaar worden gemaakt met een thermografische camera. Als de temperatuurverdeling over een zonnepaneel niet homogeen is neemt het rendement af.

Een andere oorzaak van storingen is een koud klimaat. Als de temperatuur daalt werken zonnecellen minder goed. Bij een temperatuur onder het vriespunt kunnen sneeuw en ijs de panelen beschadigen. De laatste factor is regenwater. Een fotovoltaïsche installatie is met een grote hoeveelheid connectoren en bekabeling altijd blootgesteld aan de elementen. Dit kan gemakkelijk corrosie tot gevolg hebben, wat op zijn beurt weer zorgt voor storingen.

Als laatste is er een inverter welke minder lang mee gaat dan de zonnepanelen en minstens een keer vervangen dient te worden gedurende de levensduur van zonnepanelen. Dit komt omdat de inverter elektronica componenten bevat welke verouderen en een keer ophouden met juist functioneren. Het vervangen van de inverter is dan in veel gevallen een betere optie dan het laten repareren er van.

Periodiek onderhoud aan fotovoltaïsche installaties is dus uiterst belangrijk om rendementsverlies in kaart te brengen en mogelijke problemen in een vroeg stadium te identificeren.