10 Schaduw, bypassdiodes en optimizers

Een zonnepaneel is een rij zonnecellen in serie. In zo'n serie loopt overal dezelfde stroom, en de zwakste cel bepaalt hoeveel. Ligt één cel in de schaduw, dan remt ze alle cellen in haar groep af.

Schaduw komt van vier kanten. Verre schaduw komt van gebouwen, bomen of heuvels op tientallen meters, en valt bij een lage zon over het hele dak tegelijk. Nabije schaduw komt van een schouw, een dakkapel, een dakraam, een antenne, takken of een ander dakvlak, en treft enkele panelen of cellen. Op een plat dak kunnen de rijen panelen elkaar beschaduwen, uitgelegd in Panelen op een plat dak. En een blad of vogelpoep werkt als een kleine, scherpe schaduw. Daarover gaat Reinigen en onderhoud.

De Vlaamse overheid houdt het kort: schaduw van gebouwen, schouwen of bomen drukt de opbrengst. De Zonnekaart rekent de schaduw van andere gebouwen, bomen en schouwen mee.

Een bypassdiode is een klein onderdeel dat de stroom om een groep cellen heen leidt. Een standaardpaneel heeft er meestal drie, elk voor 12 tot 18 cellen.

Wordt een cel door schaduw te zwaar belast, dan begint de diode van haar groep te geleiden. De stroom van de andere groepen loopt dan via die diode om de beschaduwde groep heen. De rest van het paneel blijft werken, al zakt de spanning met die van de overbrugde groep: bij drie groepen met zo'n derde.

Zonder diode zou de beschaduwde cel opwarmen tot een hotspot. Ook met diode kan plaatselijke schaduw warmte geven: volgens het internationale onderzoeksprogramma IEA PVPS tot 200 W op de cel die het meest in de schaduw ligt. Komt daar een defect in die cel bij, dan zijn schade of brand mogelijk. Hoe je je daartegen indekt, lees je in Brandveiligheid en verzekering.

Het verlies groeit niet mee met de oppervlakte in de schaduw. Het Amerikaanse onderzoeksinstituut NREL mat het op een string van tien oudere panelen. Lag 25 tot 40 % van één cel in de schaduw, dan zakte het vermogen van haar groep van 18 cellen sterk. Boven 40 % viel de groep volledig weg. In het ergste geval nam de schaduw van een halve cel het vermogen van alle 18 cellen in die groep weg. Meer schaduw op dezelfde groep kostte daarna niets extra. En bij zwak licht schakelde de diode minder snel in, waardoor het effect groter was bij zonnig weer.

Een dunne tak of een schouwpijp die over enkele cellen strijkt, kan zo meer kosten dan een brede schaduw over een heel paneel. Het ging wel om een proef met oudere panelen. Moderne panelen met halve cellen, meer celgroepen en parallelle takken reageren anders, en een vaste regel dat één beschaduwde cel altijd een derde van elk paneel uitschakelt, bestaat niet.

De schaduw van een schouw wandelt ook mee met de zon, en in de winter wordt ze langer. Een foto op een zonnige zomermiddag vertelt daarom maar de helft. Vraag een beoordeling over het hele jaar, en waar nodig per paneel.

In PVGIS kan je een horizon invoeren: hoe hoog de obstakels per richting boven je panelen uitkomen. De tabel geeft de opbrengst in kWh per kWp per jaar voor Gent, met gelijke obstakels over de aangegeven richtingen. De oost-westopstelling is hier het gemiddelde van oost 30° en west 30°. Kijk vooral naar het procentuele verlies. Voor je eigen berekening reken je op een oost- of westdak met zowat 900 kWh per kWp.

Een obstakel van 20° is bijvoorbeeld een muur of een boom die 7,3 m boven je panelen uitkomt, op 20 m afstand.

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

PVGIS behandelt obstakels wel als een verre horizon die het hele paneelveld tegelijk beschaduwt. Een schouw of een tak die enkele cellen raakt, zit er niet in. Daarvoor is een schaduwstudie ter plaatse nodig.

Hoe lager de zon, hoe langer de schaduw. In Gent staat de zon om 12 uur zonnetijd op 21 juni 62° boven de horizon, op 21 maart en 21 september 39° en op 21 december 15,5°. Een schouw van 2 m werpt dan 1,0 m, 2,5 m en 7,2 m schaduw. Schaduw die je in de zomer niet opmerkt, kan in de winter een heel dakvlak raken.

Begin bij het ontwerp. Hoe verder de panelen van een obstakel liggen, hoe minder schaduw ze krijgen.

Dan de stringindeling. Omdat in een serie dezelfde stroom loopt, zet je panelen met dezelfde schaduw en richting best samen op één string of MPPT-ingang. De MPPT is de regeling in de omvormer die het gunstigste werkpunt zoekt. Meer daarover in Stringdimensionering en MPPT.

Panelen met vier of meer bypassdiodes verliezen minder per beschaduwde groep en houden hotspots beter tegen.

Helpen een betere plek, een andere stringindeling of een andere verdeling over de MPPT-ingangen niet genoeg, dan komt elektronica per paneel in beeld. Optimizers, een klein omvormertje per paneel, en micro-omvormers, een volledige omvormer per paneel, laten elk paneel op zijn eigen werkpunt draaien. Een beschaduwd paneel remt de rest dan niet meer af. Licht dat het paneel niet bereikt, halen ze ook niet terug. Hoe ze werken, lees je in Optimizers en Micro-omvormers.

NREL zette twee identieke systemen van 8 kW naast elkaar, één met een stringomvormer en één met micro-omvormers, en legde er kunstmatige schaduw op:

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

Het IEA PVPS kijkt naar het deel van de panelen dat in de schaduw ligt:

Volgens hetzelfde rapport tonen onafhankelijke metingen zo'n 2 % extra verlies bij optimizers, terwijl fabrikanten 99 % rendement opgeven. Bij lichte tot matige schaduw blijft het verschil in jaaropbrengst meestal onder 4 %. Bypassdiodes blijven volgens het rapport voor de meeste schaduw de robuustste oplossing. En elektronica op het dak is een onderdeel meer dat bij een storing vervangen moet worden.

Een gezin in Sint-Niklaas heeft 7 panelen van 460 Wp, of 3,22 kWp, en in het zuiden een boom of gebouw dat 20° boven de horizon uitkomt. We vergelijken met 8 panelen, of 3,68 kWp, op een oost- of westdak. De MYNRG Check rekent per dakvlak en kent geen gecombineerde oost-westopstelling. Die behandel je per dakvlak als oost- of westdak.

We rekenen met 1.050 kWh/kWp op zuid en zowat 900 kWh/kWp op oost of west 30°, zonder andere schaduw en zonder vuil. Het procentuele verlies door het obstakel nemen we over uit de PVGIS-berekening voor Gent met horizonprofiel: −7,4 % bij zuid en −2,8 % bij een oost-westopstelling op 30°. Die laatste is een iets andere situatie dan een oost- of westdak met 900 kWh/kWp.

Zonder obstakel levert zuid met één paneel minder nog 71 kWh meer. Met het obstakel draait dat om: het oost- of westdak levert dan zo'n 86 kWh of 3 % meer, al heeft het een paneel extra nodig. Per kWp blijft zuid hoger, met 972 tegenover 874 kWh.

Valt de schaduw van een schouw op twee van de zeven panelen, of 29 %, dan zit je in de middencategorie van het IEA PVPS. Elektronica per paneel is dan vaak beter, maar het verschil blijft klein.

Hoeveel schaduw jouw dak echt krijgt, over het hele jaar, zie je pas ter plaatse, en geen twee daken zijn gelijk. Een goede installateur maakt een schaduwberekening per paneel en geeft je een offerte met en zonder elektronica per paneel, voor je een omvormer kiest. Omdat je voor 25 tot 30 jaar beslist, rekent de MYNRG Check eerst uit wat schaduw bij jou kost.

Bij weinig schaduw brengt een optimizer meestal niets op. Een gewone omvormer haalt dan evenveel of meer.

Dezelfde horizon kost een zuiddak volgens PVGIS meer dan twee keer zoveel als een oost-westopstelling: bij 20° in het zuiden −7,4 % tegenover −2,8 %.

• 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 verliest, omdat hij het maximale vermogenspunt niet goed volgt. Meer daarover in MPPT.
• Horizon in PVGIS. De horizon is een lijst hoogtehoeken per richting, te beginnen bij het noorden en in wijzerzin. Wij gebruikten 36 punten, in stappen van 10°.

• 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
• Vlaanderen.be, Zonnepanelen
• Vlaanderen.be, Zonnekaart
• PVGIS, PVcalc met horizonprofiel