Expertgids voor ontwerp en installatie van zonne-PV-systemen

Ontwerp en installatie van zonne-PV-systemen

Onze moderne wereld heeft energie nodig voor industrie, verwarming, transport, landbouw, verlichting, etc. Meestal wordt dit vervuld door hernieuwbare bronnen (kool, olie, gas) die het milieu zwaar belasten. Daarnaast zijn ze niet uniform verdeeld en prijzen onzeker. Door beperkte beschikbaarheid groeit de vraag naar hernieuwbare energie. Zonne-energie staat centraal: rijkelijk beschikbaar, potentieel om de hele planeet te voorzien. Een standalone PV-systeem (zie fig. 1) is een benadering om energiebehoefte net-onafhankelijk te voldoen. Hieronder bespreken we planning, ontwerp en installatie.

Planning van een standalone PV-systeem

Locatiebeoordeling, opmeting & zonne-energiebronanalyse

Omdat PV-opbrengst sterk varieert met tijd en locatie, is correcte situselectie cruciaal. Overwegingen:

1. Minimale schaduw: Geen structuren die zonnestraling blokkeren. Ook toekomstige bebouwing in aanmerking nemen.
2. Oppervlakte: Bepaalt aantal/omvang panelen voor benodigde vermogensuitgang. Helpt planning inverter, omvormers, batterijbanken.
3. Dak: Type dak en constructie. Bij schuin dak: hoek bepalen, montagesysteem voor optimale invalshoek (ideaal 90° op paneel).
4. Kabelroutes: Minimale kabellengte en spanningsval. Afweging rendement vs. kosten.

Voor opbrengstschatting is zonne-energieanalyse van geselecteerde locatie essentieel. Instraling = zonnestraling per m² per dag. Meetbaar met pyranometer, maar data verkrijgbaar bij weerstations. Twee eenheden:

• kWh/m²/dag: energiehoeveelheid per m² per dag.
• Piekzonuren (PSH): uren per dag met gemiddelde irradiantie van 1000 W/m².

PSH vereenvoudigt berekeningen. Verward niet „Gemiddelde zonneschijnduur” met „Piekzonuren”. Gebruik de laagste gemiddelde dagelijkse instraling over een jaar voor betrouwbare werking bij slecht weer.

Overwegingen voor standalone PV-systeem

Energiebehoefte berekenen

Systeemgrootte hangt af van lastprofiel. Vermogen (W) × bedrijfstijd (h) = Wh per apparaat. Totaal dagelijkse energiebehoefte = Σ (P × t).

Ontwerp voor worst-case (pieklast) garandeert betrouwbaarheid, maar verhoogt kosten. Afweging kosten vs. betrouwbaarheid.

Inverter & Converter (laadregelaar) specificaties

Inverter: in- en uitgangsspanning/stroom specificeren. Uitgangsspanning door last bepaald. Moet laststroom en batterijstroom aan. Vermogensrating op basis van totale aangesloten last. Voorbeeld: 2,5 kVA last → inverter 20-30% groter (3-5× bij motorlasten). Laadregelaar: rating in stroom en spanning. Stroomrating = kortsluitstroom PV-module. Spanning = nominale batterijspanning.

Laadregelaar dimensionering

Laadregelaar = 125% van PV kortsluitstroom (veiligheidsfactor 1,25).

Formule: Laadregelaar (A) = I_sc (PV) × 1,25

Voorbeeld: 6 panelen van 160W, I_sc = 10A → (4 panelen × 10A) × 1,25 = 50A. Nodig: 50A laadregelaar voor 12V DC. Niet van toepassing op MPPT-laders; raadpleeg handleiding.

Inverter dimensionering

Inverter 25% groter dan totale last (verliezen/efficiëntie). Rating = 125% van totale last in Watt.

Voorbeeld: 2400W last → 2400 × 1,25 = 3000W (3 kW inverter).

Dagelijkse energie aan inverter

Stel dagelijkse verbruik = 2700 Wh. Inverter efficiëntie 90% → energie van batterij naar inverter = 2700 / 0,90 = 3000 Wh/dag.

Systeemspanning

Inverter invoerspanning = systeemspanning = batterijpakketspanning. Meestal 12V (meervouden van 12V: 24V, 36V…). Hogere spanning verlaagt stroom, vermindert spanningsval en verlies in kabels, maar vereist meer batterijen in serie. Keuze tussen verlies en systeemspanning. Voorbeeld: 24V systeemspanning.

Batterijdimensionering

Parameters: Diepte van ontlading (DoD), spanning en Ah-capaciteit, autonomiedagen (dagen zonder zon).

Voorbeeld: 12V, 100Ah batterijen, DoD 70% → bruikbaar 70Ah. Benodigde laadcapaciteit = 3000 Wh / 24V = 125 Ah. Aantal batterijen = 125 / (100 × 0,7) = 1,78 → 2 batterijen (140 Ah beschikbaar). Maar systeemspanning 24V vereist 2 batterijen in serie. Totaal: 4 batterijen (2 series paren parallel).

Alternatieve formule voor benodigde batterijcapaciteit (zie figuur).

PV-array dimensionering

Gebruik laagste gemiddelde dagelijkse piekzonuren (T_ph) en schaalfactor 1,25.

Totale PV-array (W) = (Energiebehoefte per dag (Wh) / T_ph) × 1,25

Aantal modules = Totale PV-array (W) / geselecteerde panel piek-Watt.

Voorbeeld: last 3000 Wh/dag, PFG (Panel Generation Factor) 3,2 → Totale W_peak = 3000 / 3,2 = 931 W_peak. Bij 160W panelen → 5,8 → 6 panelen.

Let op: PFG varieert per regio (VS 3,22, EU 2,93, Thailand 3,43). Extra verliezen: niet-perpendiculair licht (5%), niet-MPP (10%, uitgesloten bij MPPT), vuil (5%), veroudering (10%), temperatuur >25°C (15%).

Kabeldimensionering

Afhankelijk van max stroom, max spanningsval (<2%), weerstandsverliezen. Buitenaf: water-/UV-bestendig. Onderdimensie → verlies/ongeval; overdimensie → duur. Dwarsdoorsnede:

A = (ρ × I_max × L / V_drop) × 2

ρ = specifieke weerstand (Ω·m), L = lengte, V_drop = max toelaatbare val, I_max = max stroom. Gebruik kabelrekentool. Kies juiste beker, stekkers, schakelaars.

Gewerkt voorbeeld

Elektrische lasten: LED-lamp 40W (12u), koelkast 80W (8u), DC-ventilator 60W (6u). Systeem: 12V, 120W panelen.

Totale last

Wh/dag = (40×12) + (80×8) + (60×6) = 1480 Wh/dag

Benodigde paneelenergie = 1480 × 1,3 (systeemverliezen) = 1924 Wh/dag

Aantal panelen

W_peak = 1924 / 3,2 = 601,25 W_peak. Aantal = 601,25 / 120W = 5 panelen.

Inverter rating

Alleen AC-lasten: 40+80+60 = 180W. Inverter 25% groter = 180 × 1,25 = 225W.

Batterijen

Laadcapaciteit = [(40×12)+(80×8)+(60×6)] / (0,85 × 0,6 × 12V) × 2 dagen = 483,6 Ah → 12V 500Ah voor 2 dagen autonomie. Bijv. 4× 12V 125Ah parallel of 3× 175Ah. Aantal = benodigde Ah / beschikbare Ah per batterij.

Laadregelaar

Regelaar = 125% × I_sc PV. PV-specs: 120W, I_sc=8,8A. 5 panelen → (5 × 8,8) × 1,25 = 44A → kies 45A. Niet voor MPPT; raadpleeg fabrikant.

Kabels, bekers, schakelaars, stekkers

Gebruik rekentools en tabellen voor exacte ampaciteit.

Conclusie

Standalone PV-systemen zijn een uitstekende manier om schone, duurzame zonne-energie te benutten. Ontwerp en installatie zijn betrouwbaar voor kleine tot grote schaal. Ze maken elektriciteit bijna overal beschikbaar, ver bij netten. Geen negatief milieueffect, lange levensduur. Deze systematische aanpak biedt richtlijnen voor schone energie in de moderne wereld.

Door: M. Phansopkar | Bijgewerkt door: Electrical Technology