Hoeveel kost schaduw je echt? De werkelijke cijfers

Schaduw werkt niet zoals je zou verwachten

De meeste mensen nemen aan dat als een schaduw een tiende van een zonnepaneel bedekt, je een tiende van het vermogen verliest. Dat is fout, en het gat tussen intuitie en werkelijkheid is het duurste misverstand in dakzonne-energie.

Onderzoekers van het Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP) zeggen het onomwonden. In extreme gevallen kan zelfs 5 procent beschaduwing van het moduleoppervlak tot een totaal verlies van de output van die module leiden. Een schaduw zo groot als de rand van een schoorsteen, of een enkele kale tak, kan een paneel van vol vermogen naar bijna niets brengen.

Om te zien waarom, moet je kijken hoe een paneel van binnen bedraad is.

Waarom een beschaduwde cel de hele string omlaag trekt

Een standaard zonnemodule is opgebouwd uit 60 of meer afzonderlijke cellen in serie geschakeld, als een rij mensen in ganzenpas die emmers doorgeven. De stroom die door de module loopt wordt begrensd door de zwakste cel in de keten. Zoals PVEducation uitlegt: omdat de cellen in serie staan, moet de stroom in elke cel hetzelfde zijn, dus het beschaduwen van een cel trekt de stroom van de hele string omlaag naar het niveau van die beschaduwde cel.

Beschaduw een cel volledig en je verliest niet het vermogen van een cel. Je knijpt de stroom voor allemaal af. De gezonde cellen staan nog in het licht, maar ze kunnen hun stroom niet voorbij het knelpunt duwen.

Het wordt erger. De beschaduwde cel krijgt nu de volle spanning van de andere cellen achterwaarts over zich heen geduwd. In plaats van vermogen te maken, verstookt ze vermogen als warmte. Dit is een hotspot, en Fraunhofer CSP merkt op dat ongunstige beschaduwing een deel van een module kan oververhitten, waardoor de inkapselingspolymeren verouderen en de levensduur van het paneel korter wordt. Een kleine schaduw is dus zowel een prestatieprobleem als een betrouwbaarheidsprobleem.

Wat een enkele boom je echt per jaar kost

De modulefysica verklaart de pieken. De jaaropbrengst hangt af van hoe vaak, en hoe lang, die fysica over het jaar wordt geactiveerd.

Branche-analyses van residentiele systemen leggen schaduwverliezen over een vloot doorgaans ergens tussen 5 en 25 procent van de jaarproductie, met afzonderlijke daken die veel breder uiteenlopen. Een enkele volgroeide boom of een naastgelegen gebouw aan de verkeerde kant wordt vaak aangehaald als kostend 20 tot 40 procent van de jaaropbrengst, en een slecht geplaatst obstakel pal op het zuiden kan erger zijn.

De richting telt zwaarder dan de grootte van de boom. Op het noordelijk halfrond brengt de zon de hele productieve dag door aan de zuidelijke hemel. Een object pal ten zuiden van je panelen blokkeert de sterkste middaguren. Een object naar het noorden is grotendeels irrelevant. Oost- en westobstakels knippen de ochtend- en avondranden eraf, wat minder kost maar niet niks is.

De eerlijke conclusie: als een grote conifeer ten zuiden van je staat en je hem niet kunt weghalen, is zonne-energie op dat dak misschien gewoon een slechte investering, en geen enkele slimme elektronica lost dat volledig op.

Harde schaduw en zachte schaduw zijn niet hetzelfde

Niet alle schaduwen gedragen zich gelijk, en het onderscheid verandert hoeveel ze kosten.

Zachte schaduw is diffuus. Denk aan een paneel onder het dunne, bewegende bladerdak van een verre boom, of de algehele verduistering vroeg in de ochtend. Er bereikt nog licht de cellen, gewoon minder, en het verlies is dichter bij proportioneel.

Harde schaduw is een scherpe, ondoorzichtige schaduw met een duidelijke rand: een schoorsteen, een ontluchtingspijp, een schotelantenne, een stroomdraad, een borstwering. Dit is het soort dat de zwakste-cel-instorting en de hotspot uitlokt. Zoals Clean Energy Reviews het beschrijft, is harde schaduw vaak klein en vast en valt ze dikwijls midden op de dag wanneer de instraling op haar piek is, wat precies is wanneer ze het meest pijn doet.

Een nuttige gewoonte bij het plannen van een opstelling: jaag eerst op bronnen van harde schaduw. Een ontluchtingspijp van 10 centimeter op de verkeerde plek kan meer kosten dan een wazige boom vijftig meter verderop.

Wat bypassdiodes, optimizers en micro-omvormers echt doen

De eerste verdediging van de branche is de bypassdiode, en bijna elk modern paneel heeft ze ingebouwd. De meeste panelen splitsen hun cellen in drie groepen, elk met een bypassdiode eroverheen. Wanneer een groep genoeg beschaduwd is dat haar spanning verder dan ruwweg 0,7 volt omkeert, schakelt de diode in en laat de stroom om die groep heen omleiden. Het beschaduwde derde wordt opgeofferd, maar de andere twee derde blijven werken, en de gevaarlijke hotspot wordt verlicht.

Bypassdiodes beperken de schade. Ze herwinnen die niet. In het beste geval zet een diode de bijdrage van het beschaduwde deel op nul in plaats van het hele paneel, en de string, mee omlaag te trekken. Daarom herontwerpt het SegmentPV-project van Fraunhofer de modulelay-out en diodeplaatsing om verliezen en hotspotrisico verder te verkleinen.

De grotere hefboom is vermogenelektronica op moduleniveau (MLPE): DC-optimizers (bijvoorbeeld SolarEdge) en micro-omvormers (bijvoorbeeld Enphase). Een gewone string-omvormer beheert elk paneel als een keten, dus het slechtste paneel bepaalt het tempo voor allemaal. MLPE beheert elk paneel apart. Een beschaduwd paneel verliest nog steeds zijn eigen output, maar het knijpt zijn gezonde buren niet meer af. Over deels beschaduwde systemen herwint dit gewoonlijk een betekenisvol deel, vaak aangehaald rond 20 tot 30 procent, van de energie die een string-omvormer had opgegeven.

De volgorde van prioriteit is duidelijk. Eerst, vermijd de schaduw door de plek en de opstelling te kiezen. Ten tweede, als wat schaduw onvermijdelijk is, gebruik optimizers of micro-omvormers zodat ze beperkt blijft tot een paneel. Geen enkele elektronica maakt van een beschaduwd dak een onbeschaduwd dak.

De winter is wanneer schaduw het hardst toeslaat

Een schaduw die je panelen in juli vrijlaat, kan ze in december verzwelgen, omdat de zon veel lager aan de hemel staat.

In Berlijn (breedtegraad ongeveer 52,5 graden noord) bereikt de middagzon ruwweg 61 graden boven de horizon bij de zonnewende in juni, maar slechts rond de 14 graden bij de zonnewende in december. Op 14 graden werpt elke boom, elk hek en elk naastgelegen dak een schaduw die meerdere keren langer is dan in de zomer. Objecten die je installatie in juni nooit raakten, liggen nu pal over haar heen, precies in het seizoen waarin je de opbrengst het hardst nodig hebt.

Dit is ook waarom een enkele satellietmeting of een snelle zomerblik misleidend is. Wat je nodig hebt is het volledige profiel van obstakels helemaal om je heen, en hoe hoog elk daarvan de hemel in reikt.

Het getal dat je verliezen echt voorspelt

Het begrip dat dit alles samenbindt is de schaduwhorizon. Het is de omtrek, gemeten in graden hoogte bij elke kompasrichting, van alles wat je zicht op de open hemel blokkeert: de nokrand van het huis ernaast, de top van de eik in het zuidwesten, de verre bomenrij.

Kaart- en satelliettools zoals Google Project Sunroof, de regionale Solarkataster-registers en SunCalc zijn nuttig, maar ze delen een structurele blinde vlek. Ze modelleren het dak en het brede terrein, en ze missen geregeld de echte obstakels die op of nabij jouw plek staan, vooral bomen, balkonhekken en aangrenzende muren. Dat is precies waar de onevenredige verliezen vandaan komen.

De enige betrouwbare oplossing is de schaduwhorizon te meten vanaf de exacte plek waar de panelen komen. Dit is wat SunMeasure doet: je staat op het dak, balkon of stuk tuin, veegt met je telefoon langs de hemel, en het registreert de hoogte van elk obstakel, combineert dat vervolgens met instralingsdata voor de locatie uit bronnen zoals PVGIS van de EU om in te schatten hoeveel zon de plek over het jaar echt krijgt. Of je nu een app of een handmatige zonnebaankaart gebruikt, meet vanaf de plek. De prijs van verkeerd gokken is niet een paar procent. Zoals de fysica hierboven laat zien, kan het het grootste deel van een paneel zijn.