10 Schaduw, bypassdiodes en optimizers

Een zonnepaneel is een serieschakeling van zonnecellen. In een serie loopt overal dezelfde stroom, en de zwakste cel bepaalt die stroom. Ligt er schaduw op één cel, dan remt die alle cellen in haar groep af. Er zijn vier soorten schaduw:

• Verre schaduw: gebouwen, bomen of een dijk op tientallen meters. Ze beschaduwen bij een lage zon het hele dak tegelijk.
• Nabije schaduw: schoorsteen, dakkapel, dakraam, antenne, takken of een naburig dakvlak. Ze treft enkele panelen of cellen.
• Eigen schaduw: rijen panelen op een plat dak die elkaar beschaduwen, zie Panelen op een plat dak.
• Vuil: een blad of vogelpoep werkt als kleine, scherpe schaduw, zie Reinigen en onderhoud.

Een zonatlas van je gemeente houdt meestal rekening met de schaduw van andere gebouwen, zie Is je dak geschikt?. Een schoorsteen of een boom in de tuin ziet hij vaak niet.

Een bypassdiode is een onderdeeltje dat de stroom om een groep cellen heen leidt. Een standaardpaneel heeft er meestal drie, elk voor 12 tot 18 cellen. Zo werkt het:

1. Wordt een cel door schaduw te zwaar belast, dan gaat de diode van die groep geleiden.
2. De stroom van de andere groepen loopt via de diode om de beschaduwde groep heen.
3. De rest van het paneel blijft werken, maar de spanning daalt met die van de groep: bij drie groepen met ongeveer een derde.

Zonder diode zou de beschaduwde cel opwarmen tot een hotspot. Maar ook met diode kan lokale schaduw warmte geven: volgens IEA PVPS tot 200 W op de meest beschaduwde cel. Komt er een defect in die cel bij, dan zijn schade of brand mogelijk. Zie ook Brandveiligheid en verzekering.

Het verlies is niet evenredig met het beschaduwde oppervlak. NREL, het Amerikaanse onderzoeksinstituut voor energie, mat het op een string van tien oudere panelen:

• Vanaf 25 tot 40 % schaduw op één cel daalt het vermogen van de groep van 18 cellen sterk. Bij meer dan 40 % valt de groep helemaal weg.
• In het ergste geval kan de schaduw van een halve cel het vermogen van alle 18 cellen in die groep wegnemen.
• Extra schaduw op dezelfde groep geeft daarna geen extra verlies.
• Bij weinig licht schakelt de diode minder snel in, dus het effect is groter bij zonnig weer.

Een dunne tak of een schoorsteenpijp die over een paar cellen strijkt, kan dus meer verlies geven dan een brede schaduw over een heel paneel. Het gaat wel om een proef met oudere panelen. Moderne panelen met halve cellen, meer celgroepen en parallelle takken reageren anders, dus er is geen vaste regel dat één beschaduwde cel altijd een derde van elk paneel uitschakelt.

De schaduw van een schoorsteen verplaatst zich ook met de zon, en in de winter is ze langer. Een foto op een zonnige zomermiddag geeft daarom geen volledig beeld. Vraag een beoordeling over het hele jaar en, waar nodig, per paneel.

In PVGIS kun je een horizon invoeren: de hoogte van de obstakels per richting, gezien vanaf je panelen. De tabel toont de theoretische opbrengst in kWh per kWp per jaar voor Utrecht volgens PVGIS (in de praktijk lager; de verliespercentages blijven bruikbaar), met gelijke obstakels over de aangegeven richtingen. Een oost-westopstelling is hier het gemiddelde van oost 30° en west 30°.

Een obstakel van 20° is bijvoorbeeld een gebouw of boom die 7,3 m hoger is dan je panelen, op 20 m afstand.

Wat je ziet: een obstakel in het zuiden treft een zuiddak veel harder, omdat het juist de beste uren wegneemt. Een obstakel in het oosten of westen treft vooral een oost-westopstelling. Een lage horizon van 10° kost maar zo'n 2 %.

Beperking: PVGIS behandelt obstakels als een verre horizon die het hele paneelveld tegelijk beschaduwt. Schaduw van een schoorsteen of tak op enkele cellen zit er niet in. Daarvoor is een schaduwstudie ter plaatse nodig.

Hoe lager de zon, hoe langer de schaduw. In Utrecht staat de zon op 21 juni om 12 uur zonnetijd 61° boven de horizon, op 21 maart en september 38° en op 21 december 14,5°. Een schoorsteen van 2 m werpt dan 1,1 m, 2,6 m en 7,8 m schaduw. Schaduw die je in de zomer niet opmerkt, kan in de winter een heel dakvlak raken.

• Ontwerp en afstand. Hoe verder de panelen van een obstakel liggen, hoe minder schaduw.
• Stringindeling. Omdat in een serie dezelfde stroom loopt, zet je panelen met dezelfde schaduw en richting liefst samen op één string of MPPT-ingang. De MPPT is de regeling in de omvormer die het gunstigste werkpunt zoekt. Zie Stringdimensionering en MPPT.
• Schaduwtolerante panelen. Panelen met vier of meer bypassdiodes verliezen minder per beschaduwde groep en voorkomen hotspots beter.
• Elektronica per paneel. Probeer eerst een betere paneelpositie, een andere stringindeling of een andere verdeling over de MPPT-ingangen. Helpt dat niet genoeg, dan laten optimizers (een klein omvormertje per paneel, zie Optimizers) of micro-omvormers (een volledige omvormer per paneel, zie Micro-omvormers) elk paneel op zijn eigen werkpunt werken. Een beschaduwd paneel remt de rest dan niet af. Licht dat het paneel niet bereikt, halen ze niet terug.

NREL vergeleek twee identieke systemen van 8 kW naast elkaar, één met stringomvormer en één met micro-omvormers, onder kunstmatige schaduw:

De elektronica won telkens 40 tot 50 % van het schaduwverlies terug.

IEA PVPS Task 13 (2024) maakt onderscheid naar het aandeel beschaduwde panelen:

Volgens IEA PVPS tonen onafhankelijke metingen ongeveer 2 % extra verlies bij optimizers, terwijl fabrikanten 99 % rendement opgeven. Bij lichte tot matige schaduw liggen de verschillen in jaaropbrengst meestal onder 4 %, en bypassdiodes blijven volgens het rapport voor de meeste schaduwsituaties de meest robuuste oplossing. Elektronica op het dak is ook een extra onderdeel dat bij een storing vervangen moet worden.

Een gezin in Den Haag heeft 8 panelen van 435 Wp (3,48 kWp) op een zuiddak van 30° en een gebouw in het zuiden dat 20° boven de horizon uitkomt. We vergelijken met 9 panelen (3,92 kWp) op een oost- of westdak. Een oost-westopstelling reken je per dakvlak als oost- of westdak.

We gaan uit van ongeveer 855 kWh/kWp op zuid 30° en ongeveer 745 kWh/kWp op oost of west 30° (zoals de MYNRG Check), zonder andere schaduw en zonder vuil. Het procentuele verlies door het obstakel komt uit de PVGIS-berekening met horizonprofiel: −7,4 % op zuid, −2,7 % op een oost-westopstelling van 30°.

Zonder obstakel levert zuid ongeveer 60 kWh meer dan het oost- of westdak met één paneel meer. Met het obstakel draait dat om: het oost- of westdak levert dan ongeveer 80 kWh meer. Per kWp blijft zuid hoger (ongeveer 790 tegenover 725 kWh per kWp).

Staat er daarnaast een schoorsteen die op twee van de acht panelen valt (25 %), dan zit je in de middelste categorie van IEA PVPS. Elektronica per paneel is dan vaak beter, maar het verschil blijft beperkt. Wij zouden een schaduwberekening per paneel vragen, en een offerte met en zonder elektronica per paneel.

Waar de schaduw op jouw dak valt, in december en in juni, ziet alleen iemand die er staat. Een verkeerde omvormerkeuze draag je jaren mee. Laat je offerte gratis toetsen met de MYNRG Check.

• Een halve cel schaduw kan een derde van een paneel uitschakelen. Een dunne tak doet meer kwaad dan zijn breedte doet vermoeden.
• Bij weinig schaduw levert een optimizer vaak niets op. Een gewone omvormer geeft dan meestal evenveel of meer.
• Dezelfde horizon kost een zuiddak bijna drie keer zoveel als een oost-westopstelling (PVGIS). Bij 20° in het zuiden: −7,4 % tegenover −2,7 %.
• Een beschaduwde cel kan zelf warm worden. Bij plaatselijke schaduw tot 200 W op één cel.

• Stroom en spanning. Een groep die door de diode overbrugd wordt, verlaagt de stringspanning met de spanning van die groep.
• Tracking. NREL meldt dat een stringomvormer bij sommige schaduwpatronen extra verlies kan hebben, omdat hij het maximale vermogenspunt niet goed volgt. Zie MPPT.
• Horizon in PVGIS. De horizon is een lijst hoogtehoeken per richting, beginnend bij noord en met de klok mee. Hier zijn 36 punten (stappen van 10°) gebruikt.

• NREL, Deline, Partially Shaded Operation of a Grid-Tied PV System (2009)
• NREL, Partial Shade Evaluation of Distributed Power Electronics for Photovoltaic Systems (2012)
• IEA PVPS Task 13, Performance of Partial Shaded PV Generators Operated by Optimized Power Electronics (2024), Executive Summary
• PVGIS, PVcalc Utrecht met horizonprofiel 20° in het zuiden