9Schaduw, bypassdiodes en optimizers

Een zonnepaneel is een serieschakeling van zonnecellen. In een serie loopt overal dezelfde stroom, en de zwakste cel bepaalt die stroom. Is één cel beschaduwd, dan remt ze alle cellen in haar groep af. Er zijn vier soorten schaduw: - Verre schaduw: gebouwen, bomen of heuvels op tientallen meters. Ze beschaduwen het hele dak tegelijk bij een lage zon. - Nabije schaduw: schouw, dakkapel, dakraam, antenne, takken of een naburig dakvlak. Ze treft enkele panelen of cellen. - Eigen schaduw: panelenrijen 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.

Vlaanderen.be zegt het kort: de opbrengst daalt bij schaduw van gebouwen, schoorstenen of bomen. De Zonnekaart houdt ook rekening met de schaduw van andere gebouwen, bomen en schouwen.

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 de beschaduwde oppervlakte. 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 18-cellige groep sterk. Bij meer dan 40 % valt de groep volledig weg. - Het ergste geval: de schaduw van een halve cel kan het vermogen van alle 18 cellen in die groep wegnemen. - Extra schaduw op dezelfde groep geeft daarna geen extra verlies. - Bij weinig instraling schakelt de diode minder snel in, dus het effect is groter bij zonnig weer.

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

De schaduw van een schouw 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.

PVGIS laat je een horizon invoeren: de hoogte van de obstakels, gezien vanuit je panelen, per richting. In de tabel staat de opbrengst in kWh per kWp per jaar voor Gent volgens PVGIS, met gelijke obstakels over de aangegeven richtingen. Een oost-westopstelling is hier het gemiddelde van oost 30° en west 30°. Let vooral op het procentuele verlies: voor je eigen berekening reken je met ongeveer 900 kWh per kWp voor een oost- of westdak (ongeveer 15 % minder dan zuid).

Een obstakel van 20° is bijvoorbeeld een muur 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 zuidgericht dak veel harder, omdat het net de beste uren wegneemt. Een obstakel in het oosten of westen treft vooral een oost-westopstelling. Een lage horizon van 10° kost maar ongeveer 2 %.

Beperking: PVGIS behandelt obstakels als een verre horizon die het hele paneelveld tegelijk beschaduwt. Schaduw van een schouw 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 Gent staat de zon op 21 juni om 12 u zonnetijd 62° boven de horizon, op 21 maart en 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.

1. Ontwerp en afstand. Hoe verder de panelen van een obstakel staan, hoe minder schaduw.
2. 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. Zie Stringdimensionering en MPPT.
3. Schaduwtolerante panelen. Panelen met vier of meer bypassdiodes verliezen minder per beschaduwde groep en voorkomen hotspots beter.
4. 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 niet af. Het 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:

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

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

Aannames: opbrengst 1.050 kWh/kWp bij zuid en ca. 900 kWh/kWp bij oost of west 30°, geen andere schaduw, geen vuil. Het procentuele verlies door het obstakel komt uit de PVGIS-berekening met horizonprofiel (−7,4 % bij zuid, −2,8 % bij een oost-westopstelling met 30°; dat is een andere situatie dan het 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 ca. 86 kWh (ca. 3 %) meer, maar met één paneel extra. Per kWp blijft zuid hoger (ca. 972 tegenover ca. 874 kWh per kWp).

Staat er een schouw die op twee van de zeven panelen valt (29 %), dan zit je in de middencategorie van IEA PVPS. Elektronica per paneel is dan vaak beter, maar het verschil blijft beperkt. Vraag je installateur een schaduwberekening per paneel en een offerte met en zonder elektronica per paneel.

• 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 is een optimizer vaak geen winst. Een gewone omvormer geeft dan meestal evenveel of meer.
• Dezelfde horizon kost een zuiddak meer dan twee keer zoveel als een oost-westopstelling (PVGIS). Bij 20° in het zuiden: −7,4 % tegenover −2,8 %.
• Een diode 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 bij sommige schaduwpatronen een stringomvormer extra verliezen 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 klokwijzerzin. 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
• Vlaanderen.be, Zonnepanelen
• Vlaanderen.be, Zonnekaart
• PVGIS, PVcalc met horizonprofiel