9 Stringdimensionering

Een string is een reeks panelen in serie. De spanning van de string is de spanning van één paneel maal het aantal panelen in de reeks.

Meerdere strings kunnen parallel op één omvormer worden aangesloten, meestal via een of meer MPPT-ingangen. Een MPPT (maximum power point tracker) is het onderdeel in de omvormer dat de spanning zoekt waarbij de string het meeste vermogen levert. Zie MPPT.

De spanning van een paneel daalt boven 25 °C en stijgt eronder. Dat geldt voor twee waarden:

• Voc: de open-klemspanning, de spanning zonder belasting.
• Vmp: de spanning in het werkpunt met maximaal vermogen.

Het effect staat in de datasheet van het paneel als temperatuurcoëfficiënt, in % per °C of in V per °C. Het sluit aan op wat het Amerikaanse Department of Energy zegt: bij hogere temperaturen daalt de spanning van een zonnecel sterk, en daarmee het vermogen (zie Rendement, wattpiek en temperatuur).

Een omvormer heeft vier spanningsgrenzen: een minimale startspanning, een MPPT-bereik (onder- en bovengrens) en een absolute maximale ingangsspanning. Een cursus van Penn State beschrijft de vier controles:

1. De laagste Voc bij de hoogste gemiddelde temperatuur moet minstens gelijk zijn aan de startspanning.
2. De laagste Vmp bij de hoogste gemiddelde temperatuur moet minstens de onderkant van het MPPT-bereik halen.
3. De hoogste Voc bij de laagste temperatuur mag de absolute maximale ingangsspanning niet overschrijden.
4. De hoogste Vmp bij de laagste temperatuur mag de bovenkant van het MPPT-bereik niet overschrijden.

Controle 3 is de veiligheidsgrens. Wordt die overschreden, dan kan de omvormer beschadigd raken. De andere drie bepalen vooral of de installatie goed produceert.

De gangbare rekenmethode veronderstelt dat de koudste temperatuur samenvalt met een instraling van 1.000 W/m². Onderzoekers van het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory schrijven dat dit ongeveer 10 % voorzichtiger is dan nodig, waardoor strings zo'n 10 % korter uitvallen dan strikt nodig. Hun methode rekent Voc uit op basis van historische weergegevens. Welke rekenmethode een installateur in Nederland gebruikt, volgt uit de installatienorm NEN 1010 en de voorschriften van de fabrikant, niet uit dat model.

Over de verhouding tussen paneel- en omvormervermogen (de DC/AC-ratio) lees je meer in DC/AC-ratio en afkappen. Stedin raadt aan de omvormer iets kleiner te kiezen dan het paneelvermogen.

Aan de wisselstroomkant telt wat er door je aansluiting kan. Een vaste landelijke grens per fase vonden we in Nederland niet. Je hoofdzekering bepaalt de ruimte: bij 1x25A zo'n 5,75 kVA, bij 3x25A zo'n 17 kVA (onze rekensom, 230 V x stroom). Netbeheer Nederland en Stedin raden een driefase-omvormer aan voor installaties groter dan zo'n 4 kWp, omdat het vermogen dan over drie fasen verdeeld wordt en de spanning minder oploopt. Meer in Eenfase of driefase.

Een stringplan dat aan de gelijkstroomkant klopt, kan aan de wisselstroomkant dus nog altijd tegen de grenzen van je aansluiting lopen. Beide horen in de offerte.

Zo bepaalt een installateur hoeveel panelen er in een string kunnen, met een paneel van 435 Wp zoals in ons voorbeeldgezin (8 panelen, 3,48 kWp).

We gaan uit van deze waarden:

• Paneel van 435 Wp: Voc bij 25 °C = 39,6 V, Vmp = 32,6 V, Imp = 13,35 A, Isc = 14,0 A. Temperatuurcoëfficiënt van Voc −0,25 % per °C, van Vmp −0,30 % per °C. (Voorbeeldwaarden; elk paneel heeft eigen waarden op de datasheet.)
• Eenfase-omvormer van 3 kW: maximale ingangsspanning 600 V, MPPT-bereik 80 tot 550 V, startspanning 100 V, per tracker maximaal 16 A werkstroom en 20 A kortsluitstroom.
• Laagste celtemperatuur −10 °C, hoogste 65 °C. Dat zijn aannames, geen Nederlandse normwaarden.
• Spanning en temperatuur verlopen lineair (vereenvoudiging).

In dit voorbeeld zijn 3 tot 13 panelen in een string mogelijk. Onze 8 panelen geven op de koudste dag 8 x 43,07 = 345 V en op de warmste 8 x 28,69 = 230 V, ruim binnen de grenzen.

Eén string van 8 panelen levert zo'n 13,35 A werkstroom en 14,0 A kortsluitstroom. Twee gelijke strings parallel op één tracker tellen hun stromen op: zo'n 26,7 A en 28,0 A. Dat is meer dan de 16 A en 20 A van de tracker in dit voorbeeld, ook al is de spanning in orde. De oplossing is een tweede tracker, geen andere spanning. Daarom is een aansluiting meer niet hetzelfde als een tracker meer, zie MPPT. Moderne panelen met een hoge stroom bereiken die grens sneller dan oudere.

Een gezin hoeft dit niet zelf uit te rekenen. In de offerte hoort wel te staan bij welke temperaturen is gerekend, welke Voc en Vmp zijn gebruikt, wat de maximale en minimale spanning van de string is en wat de stroom per tracker wordt. Die gegevens maken het verschil tussen een installatie die tien jaar of langer zonder zorgen draait en een die op een koude ochtend in maart haar grens raakt. Hoe het bij jouw dak en panelen zit, is elke keer anders, en een installateur ter plaatse kijkt ook naar kabellengtes en dakvlakken. De MYNRG Check zet de opbrengst naast je verbruik. Doe de MYNRG Check.

Een minimum van 3 panelen geldt alleen voor dit voorbeeld: een ander toestel heeft andere grenzen.

• De gevaarlijkste spanning is die van een koude, heldere dag. Voc stijgt bij kou, en de maximale ingangsspanning van de omvormer bepaalt hoeveel panelen er in een string mogen.
• Een te korte string kan juist op zonnige zomerdagen problemen geven. Op warme dagen zakt de spanning. Komt ze onder de startspanning of onder het MPPT-bereik, dan start de omvormer niet of levert hij minder.
• De standaardmethode kan strings zo'n 10 % korter maken dan nodig. Een offerte met een korte string is dus niet fout, maar mogelijk niet optimaal.
• Een batterij voegt aan de wisselstroomkant vermogen toe. Wie later een batterij wil, laat het stringplan en de aansluiting samen bekijken.

• Formules. Maximum aantal panelen per string: N_max = ⌊V_max,omvormer / Voc(T_laag)⌋, met Voc(T) = Voc,25 + β x (T − 25 °C) en β de temperatuurcoëfficiënt in V/°C (negatief). Minimum voor de start: N_min = ⌈V_start / Voc(T_hoog)⌉. Dezelfde logica geldt voor Vmp en de grenzen van het MPPT-bereik.
• Rekenen op uurbasis. Het open rekenmodel berekent Voc voor elk uur van een jaar met gegevens uit een zonne-instralingsdatabase en een thermisch model. Het is een voorbeeld van een methode, geen Nederlands voorschrift.
• Gelijkstroomzijde. Een hoge Voc bij kou staat aan zolang er licht is, ook als de omvormer is uitgeschakeld. Brandveiligheid en DC-schakelaars staan in Brandveiligheid en verzekering.
• Schaduw en optimizers. Optimizers en micro-omvormers veranderen de stringlogica: zie Optimizers en Micro-omvormers.

• Penn State, e-learningcursus AE 868, Stringing PV inverter
• Documentatie van een open rekenmodel voor maximale Voc en stringlengte (Lawrence Berkeley National Laboratory)
• Stedin, tips voor installateurs
• Netbeheer Nederland, factsheet spanningsproblemen door zonnepanelen
• US Department of Energy, Solar Photovoltaic Cell Basics