1. INLEIDING: autonome systemen - netgekoppelde systemen
Stroom opwekken voor mobilhome, boot, buitenverblijf, woning, bedrijf, … kan met o.a. zonnepanelen, windmolens en watermolens gebeuren. Wij gaan het voornamelijk hebben over zonnepanelen en windmolens. Zonnepanelen en windmolens kunnen aan het distributienet gekoppeld worden. De opgewekte energie kan op een later moment gebruikt worden. De terugkoppeling naar het distributienet gebeurt met een netkoppelaar. Autonome energiesystemen zijn energiesystemen die onafhankelijk werken zonder electriciteitsnet. De opwekking gebeurt d.m.v. zonnepanelen, windmolens en waterturbines. Het meest voorkomende zijn zonnepanelen en windmolens. In dit artikel worden verschillende technische aspecten besproken. Dit artikel is een levend artikel. Alle toegekregen informatie, toepassingen, zeer specifieke toepassingen en technieken, opmerkingen zijn welkom. De informatie die wij van u ontvangen zal in deze en andere rubrieken verwerkt worden. Hiertoe kan u ons mailen: janalternatief@skynet.be. Ook foto’s zijn welkom.
Wij leggen de nadruk dat Alternative Eco Solutions BVBA niet verantwoordelijk gesteld kan worden of vervolgd kan worden door gebruik van materialen, foto’s, teksten, niet limiterende lijst op deze website. Wij kunnen niet controleren of de geleverde materiaal eigendom zijn van andere personen en/of bedrijven. Bij klachten wordt het materiaal direct verwijderd van onze website zonder enige mogelijke vervolging en/of schadeclaim.
2. Zonnepanelen - autonoom
Zonne-energie wordt via een fotocel omgezet naar elektriciteit. De opgewekte elektriciteit wordt in batterijen opgeslagen en kan later gebruikt worden door verschillende verbruikers zoals verlichting, radio, TV, stofzuiger, …. Deze energie kan zowel overdag als s’ avonds gebruikt worden.
Panelen worden aangeboden in verschillende vermogens uitgedrukt in Wp – Watt piek. Panelen van 10Wp, 20Wp, 30Wp, 40Wp, 60Wp, 70Wp, 85Wp, 90Wp, 95Wp, 120Wp, 150Wp, 170Wp voor 12V systemen worden door ons aangeboden. Voor 24V systemen is het vermogen vanaf 190Wp. Panelen van 12V systemen kunnen gecombineerd. De toepassingen worden meestal gebruikt voor campers, caravans, boten, chalets, buitenverblijven (binnen- en buitenland), vijvers, … . Verbruikers (LED-verlichting, spaarlampen, koelkast, DVB-T en satelliet ontvanger,…) van 12V bvb. kunnen rechtstreeks aangesloten aan de batterijcapaciteit. De batterijspanning van 12V of 24V of 48V kan omgezet worden naar 230V. Dit is mogelijk door gebruik te maken van een spanningsomvormer. Omvormers worden aangeboden van 200W, 400W, 500W, 600W, 800W, 1000W, 1400W, 1500W, 2000W, 3000W, … .
2.1 Welke componenten heeft men nodig voor een autonome energie toepassing?
Er is een onderscheid tussen kleine (camper, tuinhuisjes, boten, …) en zeer grote autonome systemen qua opbouw. AES BVBA heeft zeer veel ervaring met beide. Kleine en grote projecten zijn ons dagdagelijkse bezigheid. Zowel inlandse als buitenlandse projecten zijn ons niet vreemd.
In een kleine installatie vinden we de volgende onderdelen terug:
- 1 of meerdere zonnepanelen
- laadregelaar(s) of controller(s)
- accu('s)/batterij(en)
- bekabeling tussen zonnepanelen, laadregelaar(s) en accu's
- gelijkspanningsnetwerk voor verbruikers
- en/of een omvormer om de 12V, 24V of 48V batterij gelijkspanning naar 230V wisselspanning om te zetten.
2.1.1. Zonnepanelen
In grote lijnen zijn 3 soorten zonnepanelen:
- Mono-kristallijne zonnecellen, dit zijn de beste, maar tevens duurste cellen die verkrijgbaar zijn. Het rendement van deze cellen bedraagt 17 - 19 %.
- Multi- of polykristallijne zonnepanelen zijn eenvoudiger en goedkoper te maken, maar hebben ook een lagere opbrengst: ongeveer 12 - 17%.
- Amorfe zonnepanelen, zijn goedkoop en in massaproductie te maken. Het rendement is vrij laag: 4 à 7%. Voor eenzelfde vermogen te kunnen leveren als mono- en polykristallijne panelen is er een groot oppervlak nodig.
- Hybride zonnepanelen: dit zijn panelen met monokristallijne cellen die men dunner maakt en een laagje amorf op dampt. Op deze wijze spaart men Si uit. Voordeel: goedkopere productie waarbij men het vermogen tijdelijk verhoogd. Nadeel: deze panelen kennen een hogere graad van degradatie. Na 10 jaar merkt men een hoge degradatie.
De meest gebruikte cellen zijn de polykristallijne cellen wegens kostprijs. Deze typen cellen zijn blauw en vertonen vlekken (breuklijnen). De monokristallijne panelen zijn zeer diep blauw of donkergrijs gekleurd. Amorfe panelen zijn bruin of hebben een donkere tint.
Door de hogere opbrengst en langere levensduur maken wij meestal gebruik van monokristallijne panelen. Vooral in het verleden (nog steeds aanwezig bij bepaalde merken) was er veel “ongebruikte” celruimte tussen de verschillende cellen. Hierdoor zegt men dat de polykristallijne panelen meer opbrengen bij diffuus licht dan monokristallijne panelen. Dit argument (vaak aangehaald als verkoopsargument om goedkopere polykristallijne panelen te kunnen aanbieden) is niet meer van toepassing. Integendeel: monokristallijne cellen wekken meer energie op dan polykristallijne panelen bij diffuus licht en lagere lichtintensiteit. De cellen van monokristallijne panelen zijn immers zuiverder en vertonen geen contactbreuken.
2.1.2. De laadregelaar of controller
De laadregelaar regelt de laadstroom en –spanning van uw batterij. Laadregelaars hebben vaak verschillende instelbare functies. De laadregelaar zorgt ervoor dat de batterij niet overladen wordt. Indien een batterij overladen wordt of overspanning krijgt kan deze beginnen te koken, scheuren en in het slechtste geval ontploffen. Het ontploffen van een batterij komt vaker voor dan men denkt. Jaarlijks zijn er verschillende klanten die dit meemaken met alle narigheid tot gevolg. De laadregelaar bewaakt de batterij en bepaalt of de batterij bijgeladen dient te worden. Ook zorgt de laadregelaar ervoor dat de batterij niet te diep ontladen wordt. Dit is mogelijk gemaakt via de afzonderlijke spanningsuitgang waar rechtstreeks verbruikers aangesloten kunnen worden. De laadregelaar zorgt ervoor dat de batterij, ’s nachts, zijn lading niet terugstuurt naar het zonnepaneel.
2.1.3. De Batterij
De batterij of accu slaat, de omgezette zonne-energie naar elektrische energie door zonnepanelen, op. Deze opgeslagen elektrische energie kan direct en/of op een later tijdstip verbruikt worden. De batterijcapaciteit dient zodanig bepaalt te worden dat deze voldoende energie kan leveren om de verbruikers, vooral ’s avonds, te voeden. Vaak wordt er extra capaciteit voorzien om 1 of meer dagen te kunnen overbruggen. In de winterperiode is er overdag minder licht aanwezig: kortere dagen, minder intens licht, meer bewolking. Hiertoe is de energie opbrengst lager of wisselvalliger dan bij periodes met volle zonneschijn. Indien dan de batterijcapaciteit voldoende groot genomen is kan men deze schommelingen van overschot en tekort opvangen. De grootte van de batterijcapaciteit dient berekend te worden. Berekeningen worden gemaakt voor de hele installatie.
Op de markt zijn veel soorten batterijen. Er zijn zogenaamde woonaccu's die specifiek geschikt zijn voor het gebruik met zonnepanelen – PV-installatie. Een startbatterij kan wel gebruikt worden voor een PV-installatie, maar mag minder diep ontladen worden, dan een woonbatterij of het type batterij dat gebruikt wordt voor elektrische voertuigen: tractie-batterij. Bovendien heeft een startbatterij een veel kortere levensduur. Meer informatie bespreken wij in een ander rubriek over batterijen.
Meestal worden lood-zwavelzuur accu's gebruikt in PV-installaties maar gel– of AGM batterijen zijn beter geschikt voor vaak laden en ontladen. De batterijcapaciteit moet in de juiste verhouding staan met de capaciteit van de zonnepanelen en de te verwachten energieverbruikers. Kiezen we een, in verhouding, een te kleine batterijcapaciteit dan zal de batterij met een te grote stroom geladen worden. Hierdoor wordt de levensduur van de batterij beperkter. Kiezen we de batterijcapaciteit te groot, dan kan het zijn dat deze batterijcapaciteit misschien nooit vol geladen wordt, waardoor sulfatatie van de accu optreedt en deze aan capaciteit verliest en zelfs defect kan geraken.
2.1.4. Bekabeling tussen zonnepaneel, laadregelaar, batterij en omvormer
Het zonnepaneel wordt via een laadregelaar aangesloten op een batterji. De sektie van de kabels dient zwaar genoeg genomen te worden zodanig dat deze de laadstroom kan verdragen. Hou rekening dat bij parallelschakeling van lichtpanelen de stroom hoog kan oplopen. De kabels tussen batterij en omvormer dienen meestal veel zwaarder in sektie genomen te worden daar de ontlaadstroom vaak veel hoger ligt.
Hou ook de kabels zo kort mogelijk om verliezen te beperken.
2.1.5. Bekabeling batterij naar laagspanningsverbruikers.
Als we exact weten welke verbruikers er op welke plaats staan dan kunnen wij de sectie van de kabels berekenen. Neem steeds de veiligheid in uw gedachte bij het trekken van deze kabels. Zeker hiertoe iedere kabel af. Indien er een kortsluiting ontstaat dan springt de zekering en brandt uw kabel niet door. Voorkom dus het ergste.
2.1.5. De omvorming naar 230V
Wenst men verbruikers op 230V te gebruiken dan dient men de 12V of 24V of 48V om te zetten naar 230V wisselspanning. Dit wordt mogelijk gemaakt door een spanningsomvormer die de gelijkspanning omzet naar 230V wisselspanning. Hiertoe dient een afzonderlijk 230V spanningsnet aangelegd te worden met de daartoe behorende veiligheden (zekeringen, differentieel, overspanningsbeveiliging, aarding, …) net zoals bij een woning.
2.2. Hoe een installatie opbouwen?
Hieronder ziet u hoe de verschillende onderdelen van een autonome PV-installatie met elkaar verbonden zijn.
Waar komt wat? Het zonnepaneel wordt het best geplaatst op een plek waar het meeste zonlicht opgevangen kan worden. Vaak zal dat op een dak, structuur, ... zijn. Vermijd schaduw door bebouwing en/of beplanting. De batterijcapaciteit en de laadregelaar worden het best zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst om spanningsval te vermijden en een zelfde omgevingstemperatuur te hebben. Batterijen moeten op een goed geventileerde plaats staan. De laadregelaar heeft koeling nodig en proberen we dus op een koele plek te monteren waar ook vrije luchtcirculatie mogelijk is.
2.2.1. Plaatsing van de zonnepanelen
Voor België verwachten wij de hoogste opbrengst als we het paneel naar het zuiden richten en dit onder een hoek van 36 graden. Als we streven naar een zo hoog mogelijke opbrengst in de winter daar in deze periode de opbrengst zeer laag is: vaak zeer belangrijk bij autonome systemen, dan kan het nuttig zijn om het paneel onder een grotere hoek op te stellen. De totale jaaropbrengst zal dan wel iets dalen, maar dit gaat ten gunste van een hogere opbrengst in de winter als de zon lager staat. Eventueel kan de opstelling scharnierend gemaakt worden. Als we de zonnepanelen op een schuin dak plaatsen, dan zitten we min of meer vast aan de hellingshoek van het dak en de noord-zuid oriëntatie van het dak. Op een plat dak of op de grond zullen we doorgaans gebruik maken van een op maat gemaakte opstelling om de panelen onder de optimale hoek op te stellen.
2.2.2 Bepaling van de bedrading tussen de verschillende onderdelen
Als oefening kunnen wij aan de hand van volgend voorbeeld de kabelverliezen bepalen.
- Lichtpaneel van 120Wp met een laadstroom van 7,12A voor een 12V systeem.
- Afstand tussen lichtpaneel en laadregelaar = 10m
- Sektie van de kabel = 4mm²
- De weerstand van een koperdraad = 0,0175 ohm bij een dikte van 1mm² en per 1m lengte
Weerstand van de gebruikte kabel = 0,0175 ohm/1mm2/1m/4mm²x10m = 0,0438 ohm
Uitwerking:
U = R x I = 0,0438 ohm x 7,12A = 0,31V
Het spanningsverlies/val is dus belangrijk voor uw laadsysteem. Wij zien dus duidelijk dat het zeer belangrijk is om uw laadregelaar zo dicht mogelijk bij de batterij te plaatsen.
Hetzelfde kan men berekenen voor uw verbruikers die men op gelijkspanning wenst aan te sluiten.
2.2.3. De laadregelaar
De laadregelaar heeft als belangrijkste functie om ervoor te zorgen dat de laadspanning en –stroom niet te hoog wordt. Plaats de laadregelaar zo dicht mogelijk bij de batterij om spanningsval te vermijden. Ook de gelijke omgevingstemperatuur speelt een rol. Laadregelaars kunnen verschillende instelfuncties hebben. Hier gaan wij voorlopig niet op in.
2.2.4. Capaciteitsberekening
We hebben nu een globaal overzicht van de verschillende componenten van een PV-installatie. Een heel belangrijke vraag is nu: welke capaciteit moet onze installatie hebben?
Voordat we dat kunnen bepalen en berekenen, moeten we een groot aantal keuzes maken en rekening houden met een aantal randvoorwaarden.
1.Welke stroomverbruikers willen we met de PV-installatie voeden?
2. Hoeveel energie verbruiken deze verbruikers?
3. Hoeveel uur per dag staan deze verbruikers gemiddeld per dag aan?
4. Hoe groot is het gevraagde piekvermogen?
5. Wat is de verbruiksperiodiciteit (aantal dagen per week bvb.)?
6. Hebben we een 230 Volt omvormer nodig, of kunnen alle verbruikers op laagspanning werken?
7. Hoeveel zonne-energie mogen we verwachten?
8. Hoeveel dagen zonder zon wenst men te kunnen overbruggen?
Enige realiteitszin is geboden als we de eerste vraag gaan beantwoorden. Wilt u het complete huishouden op zonne-energie laten werken, dan zult u waarschijnlijk heel diep in de buidel moeten tasten? Men moet een zeer energiezuinige huishouding voeren om dit te verwezenlijken. Verlichting, de audio installatie, micro-golf oven, een TV- toestel en een kleine koelkast zijn meer realistische keuzes. Gaan we vervolgens naar het energieverbruik kijken, dan zal men al snel beseffen dat een hoop gangbare apparatuur in ons huis aanzienlijk meer energie verbruikt dan we misschien in eerste instantie gedacht hadden. Een koelkast is daarvan een goed voorbeeld. Met een gemiddeld verbruik van 1000 Watt uur, of meer, per dag behoort de koelkast al snel tot de 'grootverbruikers' binnen ons huishouden! Zelfs een wasmachine met een verwarmingselement van 2,4kW tot 3kW zal niet zo snel tot een dergelijk dagverbruik komen aangezien het enorme verbruik van het verwarmingselement maar gedurende zo'n 15 minuten per wasbeurt zal optreden.
En zo zijn we bij het belang van vraag drie gekomen. Het stroomverbruik alleen zegt niet genoeg. Hoe lang treedt dit verbruik op? Het product van energieverbruik en tijd geeft aan hoeveel vermogen de installatie over de gehele dag moet kunnen leveren. Uiteraard mogen we dit gemiddelde vermogen niet gebruiken om de capaciteit van onze installatie mee te berekenen. We zullen zeker ook rekening moeten houden met de grootste pieken die we in de energievraag kunnen verwachten. De accucapaciteit en de dikte van de bedrading moet geschikt zijn om de piekstromen te kunnen verwerken. De verbruiksperiodiciteit speelt een zeer grote rol. Hoe meer dagen er tussen 2 verbruiksperiodes zijn hoe minder capaciteit aan zonnepanelen er nodig is.
Tot nu toe zijn we er vanuit gegaan dat de gekozen verbruikers geschikt zijn voor 12V of 24 Volt gelijkspanning of dat het apparatuur betreft die alleen op 230 Volt wisselspanning werkt. Het gros van de apparatuur in huis is uiteraard bedoeld voor het gewone lichtnet en kan niet gebruikt worden op de laagspanning. Wensen we lichtnet apparatuur te gebruiken, dan zullen we gebruik moeten maken van een omvormer die de 12V, 24V of 48V (Volt) gelijkspanning omzet in de gewenste 230 Volt wisselspanning.
Hebben we bovenstaande vragen beantwoord en de daarbij behorende berekeningen gedaan, dan hebben we een inzicht in de capaciteit van de zonnepanelen. Bij een permanent verbruik zullen de panelen gedurende een etmaal de verbruikte energie in maximaal een dag weer moeten kunnen aanvullen. Is er een tussenperiode dan kan men de aanvulling – energie opwekking – spreiden over meerdere etmalen waardoor minder er minder capaciteit aan zonnepanelen moeten zijn. De beantwoording van de laatste vraag (8) bepaalt voor een groot deel de totale batterijcapaciteit die we moeten gebruiken in onze installatie.
3. Veiligheid
3.1. Zekeringen
Alhoewel er niets mis is met een installatie zoals we die hierboven geschetst hebben, is het toch belangrijk om de nodige veiligheidsmaatregelen te nemen. We werken met laagspanning, dus het gevaar van elektrocutie is verwaarloosbaar, maar in geval van kortsluiting is er gevaar van brand mogelijk!
Batterijen kunnen zonder problemen honderden ampères leveren en we hadden onze bedrading zorgvuldig berekend op de maximaal te verwachten stroom van enkele ampères of hooguit enkele tientallen ampères! Daarom is het gebruik van zekeringen van groot belang. Net als in een gewone lichtnet installatie doen we er goed aan om elke afzonderlijke groep van stroomverbruikers af te zekeren met een zekering die zal springen als de maximaal te verwachten stroom met een factor 2 à 3 overschreden wordt.
3.2. Ventilatie
Een ander veiligheidsaspect betreft de ventilatie rondom de batterijen. Tijdens het laden van accu's worden waterstofgas en zuurstof gevormd. Het geproduceerde mengsel draagt de tot de verbeelding sprekende naam "knalgas: herinner je nog de lessen chemie". Dit explosieve mengsel moet zo snel mogelijk met de omringende lucht verdund en afgevoerd worden. Eén vonk van een schakelaar of het aanzetten van een of ander toestel kan fatale gevolgen hebben!
Het mengsel is reukloos en kleurloos. Denk dus aan een goede ventilatie. Veel beter is het om AGM batterijen te gebruiken die zo goed als geen gasvorming hebben.
4. In de praktijk
We weten de capaciteit van de panelen die we willen installeren en de daarbij behorende batterijcapaciteit. We hebben bepaald waar we de panelen, batterijcapaciteit en laadregelaar kunnen opstellen. Het laagspanningsnetwerk en de omvormer naar 230V hebben we meegenomen in ons plan. AES BVBA is gespecialiseerd en oogt op een jarenlange praktijk ervaring in de berekening van autonome systemen. Daar wij rechtstreeks in contact staan met “echte” Europese fabrikanten ontvangen wij zeer veel boeiende en correcte informatie die wij kunnen gebruiken bij de samenstelling van een werkend systeem. Vaak worden er oplossingen aangeboden die werken met haken en ogen en vaak op termijn problemen blijken te geven door de slechte conditionering tussen de verschillende elementen: denk aan de combinatie van de zonnepanelen – laadregelaar – batterijcapaciteit – omvormer.
5. Uitgewerkt voorbeeld
Wij volgen de te nemen stappen zoals beschreven in 2.2.4. Capaciteitsberekening
1.Welke stroomverbruikers willen we met de PV-installatie voeden?
- 2 x LED-lamp Philips
- 1 x TL-lamp
- TV
- waterpomp
- microgolf
2. Hoeveel energie verbruiken deze verbruikers?
- 2 x LED-lamp Philips: 2 x 7W
- 1 x TL-lamp: 16W
- TV: 60W
- waterpomp: 50W
- microgolf: 800W
3. Hoeveel uur per dag staan deze verbruikers gemiddeld per dag aan?
- 2 x LED-lamp Philips: 2 x 7W x 5 uur
- 1 x TL-lamp: 16W x 3 uur
- TV: 60W x 3 uur
- waterpomp: 50W x 1 uur
- microgolf: 800W x 1/4 uur
4. Hoe groot is het gevraagde piekvermogen?
In dit voorbeeld nemen wij het gezamenlijk vermogen: 940W
5. Wat is de verbruiksperiodiciteit (aantal dagen per week bvb.)?
- Het gebruik is 7 dagen per week. Men kan ook het voorbeeld uitwerken op verblijfbasis van 4 dagen per week.
6. Hebben we een 230 Volt omvormer nodig, of kunnen alle verbruikers op laagspanning werken?
- Alle verbruikers worden op 230V geschakeld.
7. Hoeveel zon(ne-energie) mogen we verwachten?
- 4 uur per dag vollicht
8. Hoeveel dagen zonder zon wenst men te kunnen overbruggen?
- 2 dagen
Wij berekenen nu het aantal Watt uur die wij nodig hebben als totaal verbruik. Hiertoe nemen wij de gegevens uit punt 2. over:
- 2 x LED-lamp Philips: 2 x 7W x 5 uur = 70 Watt uur of 70Wh
- 1 x TL-lamp: 16W x 3 uur = 48Wh
- TV: 60W x 3 uur = 180Wh
- waterpomp: 50W x 1 uur = 50Wh
- microgolf: 800W x 1/4 uur = 200Wh
In totaal hebben wij 548Wh nodig.
Anders gezegd: er dient 548Wh aan energie opgewekt te worden.
Vervolgens berekenen wij de nodige batterijcapaciteit (12V systeem):
548Wh gedeeld door 12V is ongeveer 46Ah. Wij wensen 2 dagen te overbruggen waardoor wij 92Ah aan energie nodig hebben. Uit een gel– of AGM batterij kan men maximaal ongeveer 75% energie uithalen. Dit betekent dat men een minimale batterijcapaciteit van 123Ah dient te kiezen. Verkiest men een halftractie batterij dan is de minimale batterijcapaciteit = 184Ah.
In de praktijk kiezen wij voor een 150Ah AGM batterij.
Vervolgens gaan wij de zonnepanelen bepalen:
- 548Wh/4h = 137Wp paneel.
- om verliezen op te vangen wordt dit getal vermenigvuldigd met 1,5 (minimaal 1,25) om verliezen op te vangen. Voor kritischere systemen kan men een factor x2 gebruiken.
Wij kiezen uiteindelijk voor een capaciteit van 206Wp. Uiteindelijk installeren wij een paneel van 2 x 120Wp. Bij een verblijfsperiode van 4 dagen per week delen wij de capaciteitswaarde van het zonnepaneel door 7*4 = 206Wp/7*4 = 118Wp. In dit geval installeren wij een paneel van 120Wp.
Voor het aansluiten van het lichtpaneel op de batterijcapaciteit hebben wij een laadregelaar nodig. Deze dienen wij voldoende zwaar te nemen om piekmomenten op te vangen. Bvb. laadregelaar van 12A. (Ter info: in de praktijk wordt de laadregelaar vaak te licht gekozen: op termijn brandt deze door).
Als omvormer van 12V naar 230V dienen wij minimaal een omvormer van 1000W te kiezen. Daar wij graag een reserve hebben nemen wij uiteindelijk een omvormer van 1.500W. Bij voorkeur een sinusomvormer.
Eindresultaat van het berekende autonome systeem:
· 150Ah/12V gelbatterij capaciteit of 200Ah halftractie batterijcapaciteit
· 2 x 120Wp voor permanent verblijf of 120Wp lichtpaneel (4 dagen per week, in dit laatste geval dient men de batterijcapaciteit te verdubbelen)
· Laadregelaar 20A (voldoende reserve capaciteit), bij gebruik van 1 x 120Wp lichtpaneel kan men een laadregelaar van 12A nemen.
· Sinusomvormer 1.500W
· Beveiligingen
