Waarom micro-omvormers of optimizers toepassen?
We stellen vast dat een groot aantal consumenten bij het aanschaffen van hun zonnepaneelinstallatie worstelen met de vraag: “Moet ik nu wel of geen micro-omvormers (MO’s) of optimizers toepassen bij mijn zonnepanelen?” Vaak wordt deze vraag gelijk gezien als de vraag: “Moet ik wel of niet de zonnepenalen parallel schakelen?
Herkent u zich in de alinea hierboven? Lees dan verder. Dit whitepaper heeft als doel u de kennis aan te reiken om deze keuze uiteindelijk rationeel te kunnen maken. En als u er toch niet uitkomt? Dan in alle gevallen de juiste vragen te kunnen stellen aan uw aanstaande leverancier.
De algemene (engelse) benamingnaming van micro-omvormers en power optimizers: Module Level Power Electronics (kortweg: MLPE). Hiermee wordt het feit dat de electronica op paneel-nivo in het systeem is aangebracht, en dus niet op het collectief wordt aangesloten, benadrukt.
Beide type MLPE’s zijn de laatste 10 jaren sterk verbeterd en hebben hun weg naar de markt inmiddels gevonden. In diezelfde periode zijn er ook een groot aantal merken van de markt verdwenen. De auteur heeft een aantal van deze merken ook zien komen en gaan en aan den lijve ondervonden dat het produceren van een stabiel en op lange termijn betrouwbaar MLPE-product niet eenvoudig is.
Voor sommige potentiele kopers is het al een vaststaand feit dat men hiervan gebruik zal gaan maken. Zonder dat er nog gekeken wordt naar andere oplossingen. Voor diegene die op het punt staat om een solar installatie te laten plaatsen maar nog vragen hebben met de strekking:
- Hoe ga ik met schaduw om?
- Moet ik nu een “stringomvormer” toepassen of heb ik MLPE (optimizers e.d.) nodig?
Er is geen land in de EU waar de penetratie van MLPE zo groot is als in Nederland. Echter, we zien dat MLPE soms ook onnodig worden toegepast. Soms zijn er veel betere, goedkopere en meer bedrijfszekere alternatieven. We merken ook dat eindgebruikers bij het nemen van de beslissing (wel-niet toepassen van MLPE?) niet geheel op de hoogte zijn van alle deze opties. Niet altijd verteld een adviseur een totaal verhaal. Vaak zijn consumenten alleen op de hoogte zijn van de voordelen van MLPE. Nadelen worden in de aanloop naar de aanschaf niet, of minder belicht.
Vandaar een kort overzicht voor diegenen die nu met deze materie te maken hebben, omdat ze bijvoorbeeld op het punt staan te beslissen over de samenstelling van hun aanstaande zonnepaneel installatie.
Algemeen
MO’s en optimizers lossen een technisch probleem op. Het probleem van de zogenaamde mismatch tussen zonnepanelen in een string. Een string is niets meer dan een aantal panelen die electronisch aan elkaar gekoppeld zijn en die met de “+”en de “-“ aan de omvormer aangesloten zijn. Dit heet een seriële schakeling.
Mismatch komt altijd wel in enige vorm voor (zie verder). Mismatch houdt in dat de DC spanning en stroomafgifte van de individuele panelen in één en dezelfde seriële schakeling (een string) niet exact aan elkaar gelijk zijn. Door bijvoorbeeld verschillen in belichting – schaduw – de belangrijkste bron van mismatch. Als er verschillen zijn tussen de panelen, kan een MPP tracker (een computer) van de centrale omvormer waarop deze string is aangesloten, zich niet zodanig instellen dat ieder afzonderlijk paneel in de string optimaal haar vermogen kwijt kan aan die omvormer. De panelen lopen dan tegen het feit aan dat de gemiddelde beste instelling van de MPP tracker voor de hele string, helaas niet de beste instelling is voor ieder individueel paneel. Naarmate de mismatch tussen de verschillende panelen in een string toeneemt, neemt ook de verloren energie toe. Dan wordt ook het prestatieverschil tussen twee denkbeeldige identieke systeem, een met en een zonder MLPE, steeds groter. En wel in het voordeel van de MLPE.
Het plaatsen van MO’s en optimizers wordt ook vaak aangeduid met het begrip “parallel schakelen”. Hoewel dit feitelijk elektronisch niet gebeurt, is de uitwerking van MLPE wel vergelijkbaar met een parallel schakeling.
Zoals al benoemd, de ongelijkmatige belichting/instraling van uw PV systeem vormt doorgaans de grootste bron van mismatch. U bent dus al potentiele koper dus vaak bezig met en beoordelen of uw schaduw het aanschaffen van MBPE nu wel of niet rechtvaardigd.
Er zijn in het algemeen 6 mogelijkheden om het effect van mismatch technisch te verminderen, of om hiermee om te gaan (optie 7).
- Op alle panelen micro-omvormers (DC/AC omvormers) plaatsen (b.v. ENPHASE)
- Op alle panelen optimizers (DC/DC transformatoren) plaatsen in combinatie met een centrale omvormer (Solar Edge / SMA / HUAWEI).
- Alleen optimizers plaatsen onder die panelen waar schaduw optreedt. Het zogenaamd “selectief plaatsen” kan momenteel alleen met SMA en HUAWEI. Hiermee kunt u overigens bij twijfel over het nut van enkele MLPE’s, de aanschaf ervan uitstellen en de productie eerst een jaar aanzien met een seriële schakeling. Vervolgens kunt u na een jaar, met de productiegegevens in de hand, nauwkeurig nagaan wat de verbetering zal zijn bij naplaatsen van (enkele) MLPE’s.
- Een centrale string omvormer plaatsen met “anti-schaduw software” (SMA met OptiTrack Global Peak). Hiermee is tot 70-75% van de “verloren energie” terug te winnen. Hierbij worden er dus geen optimizers geplaatst.
- Panelen die vergelijkbaar zijn op aparte MPP trackers zetten, b.v. bij een oost-west belegging. Omvormers met tot 2-6 MPPT’s zijn te koop.
- Kiezen voor minder panelen, maar die per stuk wel een hoger WP-hebben. Zo zijn schaduwplekken wellicht helemaal te vermijden. Deze panelen zijn natuurlijk wel duurder, maar u vermijdt ook de extra kosten voor MLPE’s.
- De effecten van schaduw gewoon accepteren. Dit is vooral een goede strategie als schaduw alleen optreedt in een periode van lage productie. U heeft daarmee een goedkopere installatie en weliswaar iets minder productie. Maar ook een hoop minder “dak-electronica”.
Kortom, naast het toepassen van MLPE achter ieder paneel (optie “1” a of b), zijn er vele alternatieven. Alternatieven die soms beter werken, goedkoper zijn, en/of op lang termijn minder risico geven omdat het plaatsen van extra “dakelectronica” juist wordt vermeden.
Wat is “mismatch” en waarom treedt dit op?
Correcte engineering van de PV installatie kan de mismatch tussen panelen wel minimaliseren, maar nooit 100% voorkomen. Aan de hand van de onderstaande voorbeelden nemen we de vijf belangrijkste oorzaken van “mismatch” door. Hierdoor krijgt u enig gevoel voor de materie. We benoemen ook, per geval, wat oplossingen zodat u als lezer wat
Ongelijke belichting / schaduw op een deel van de installatie
De volgende zaken kunnen leiden tot verschillen in de string: dakkapellen, schoorstenen, beluchtingspijpen, airco’s masten, bliksemafleiders, (groeiende) bomen en planten, bewolking (alleen relevant bij zeer grote installaties), vervuiling (korstmossen, algen, vogelpoep, bladeren).
Temperatuursverschillen
Omdat per 3oC temperatuursstijging de opbrengst van een paneel ongeveer 1% terugloopt (in geval van kristallijn silicium), geven verschillen in windkoeling al aanleiding tot enige mismatch. Ook geven belichtings-verschillen (schaduw) aanleiding tot grote temperatuursverschillen.
Verder kan de ondergrond of het dak op bepaalde plekken warmer zijn door isolatieverschillen, lokale warmtebronnen zoals een ventilatie uitlaat of een rookgasafvoer (CV ketel en schoorsteen). Ook kan de kleur van een plat dak (wit of zwart), de lokale aanwezigheid van sedum (koeling) verschillen tussen panelen creëren.
Met een thermografische camera is goed te zien hoe een kleine beschaduwing van een later op het dak geplaaste aluminium bliksemafleider zorgt voor een mismatch in het zonnepaneel. Hierdoor zullen de diodes van het paneel continu in werking treden waardoor het paneel deels wordt uitgeschakeld.
Watt-Piek verschillen.
Niet ieder paneel heeft exact dezelfde prestaties (gemeten bij gelijke temperatuur en belichting); we zeggen: ”Het ene paneel heeft iets meer Watt-Piek dan het andere”. Panelen hebben doorgaans verschillen van niet meer dan 5 WP. Vaak worden deze verschillen in de productspecificatie bladen benoemd. Uitgaand van een 320 WP paneel, komt dit overeen met een “ingebouwde” mismatch van 1,5%. Al met al een klein effect.
Interne schade – “micro-cracks”
Verschillen tussen panelen kunnen worden veroorzaakt door micro-breuk – schade aan het kristallijne silicium en/of de daarop aangebrachte stroomopnemers en “Bussbars”. Dit komt veel voor maar blijft doorgaans onzichtbaar voor de consument. Oorzaken: verkeerde verpakking en/of transport, verkeerde behandeling tijdens de installatie/montage, zware hagel etc. Allen kunnen aanleiding geven tot interne breuk. En daardoor dus terugloop van de opbrengst. Omdat de schade niet voor ieder paneel gelijk is, ontstaat er een mismatch tussen panelen. De mismatch neemt in de tijd vaak ook toe omdat kleine beginnende scheurtjes in het kristal door temperatuurswisselingen (krimp en uitzetting) altijd groter worden.
Overigens hebben sommige panelen technische oplossingen om (a) de kans op breuk of (b) de effecten ervan) te voorkomen. Freenergics heeft daarvoor respectievelijk de premium merken Solarwatt en Sunpower is haar pakket.
Solarwatt biedt een glas-glas gelamineerd assortiment, een laminaat die veel robuster is dan een glas- folie laminaat (glas op kunststof). Sunpower biedt cellen die aan de achterzijde voorzien zijn van een soort “gaas”, die de cel, ook bij volledige breuk, bij elkaar houdt en zorgt dat productie dus doorgaat.
Ongelijke veroudering van silicium (“aging”)
Alle panelen kennen een veroudering: de productie loop onder noirmale omstandigheden langzaam terug. Afhankelijk van merk en type paneel kan dit varieren van 0,5-0,7% per jaar. Maar omdat panelen niet op exact dezelfde wijze verouderen. Zullen de verschillen tussen panelen binnen een installatie in de tijd verder uit elkaar gaan lopen. Dit creëert een mismatch die met de tijd steeds groter wordt.
Nadelen van extra electronica op uw dak.
De zonnepanelen zijn doorgaans de meest stabiele factor in uw installatie. Omvormers, Micro-omvormers en optimizers zijn gevoeliger voor uitval dan de panelen zelf. Panelen hebben een typisch faliure rate van 1:1.000.000 gedurende 25 jaar. Optimizers van de orde 1:100. Het gaat hier even om de grootte orde van de getallen. Dus niet om de details. Aan de grote stabiliteit van de panelen ten opzicht van de verdere electronica, zou men de conclusie kunnen trekken dat het belangrijk is om even stil te staan bij de consequenties van het toepassen van extra “dak elektronica”. Wil men alle risico’s wel met MLPE aangaan, zeker als het qua KWU productie weinig oplevert? Anders gezegd: “Zijn de voor- en nadelen van MLPE wel in balans?”
Hoewel de productgaranties van MO’s en optimizers heel behoorlijk zijn (vaak 25 jaar), is de arbeid om deze micro-elektronica op uw dak te vervangen niet altijd meegenomen in de standaard fabrieksgarantie. Let daarop. Dit komt er dus voor u wel bij, of u moet uw installateur vertrouwen om b.v. na 24 jaar zoiets te vervangen.
Bedenk verder dat de meeste MLPE-producten minder lang op de markt zijn dan de afgegeven productgaranties. Firma’s bestaan niet meer dan 10 jaar, maar geven dus zeer lange garanties af om mee te kunnen doen in de markt. De garanties worden berekend op basis van in het laboratorium uitgevoerde (versnelde) verouderingstests. Vaak gebeurt dit door met een relatief kortdurende slijtagetest bij hoge temperaturen, en vervolgens worden de uitslagen in de tijd geëxtrapoleerd.
Als de producent van uw optimizers/MO’ wegvalt, en u heeft dan uitval van een of meerdere componenten, dan zit u met uw installatie behoorlijk “vast”. Ook uw installateur kan dan niet meer aan vervangend materiaal komen. Het combineren van verschillende merken optimizer/MO’s is namelijk niet mogelijk. Bedenk dus wel dat uw gehele installatie afhankelijk wordt van het ene merk MLPE, en dus minder robuust. In dit scenario zit er niets anders op dan alles vervangen. Kiest u daarentegen voor een centrale omvormer? Dan kunt u deze gemakkelijk door ieder ander merk omvormer vervangen en heeft u altijd ruime keus tussen leveranciers en merken.
Optimizers hebben vaak een hoge opstart spanning (meer van 200V) waardoor een stringomvormer met een opstart- en afschakel spanning van 125 en 80 V vaak meer oplevert. De hogere opbrengst komt doordat de omvormer eerder opstart en later uitgaat.
Freenergics levert alle typen MLPE aan haar klanten. Maar is in haar adviserende rol is zij enigszins conservatief waar het gaat om adviseren van MLPE in die situaties waar robuustere alternatieven ook mogelijk zijn, of waar MLPE geen extra productie opleveren. Maar uiteindelijk bepaald de klant natuurlijk zelf.
Samenvattend:
Mismatch tussen zonnepanelen reedt vanaf de eerste dag op en is ook deels ingebakken in ieder PV systeem. Door de ongelijkmatige veroudering is het voorstelbaar dat de mismatch in de tijd zelfs wat toeneemt, waardoor ook de waarde van een MO- systeem toeneemt met de tijd.
Echter, omdat MLPE, naast extra kosten, ook risico’s introduceert in uw installatie – MLPE veel meer uitval kent dan de zonnepanelen zelf (factor 1000-10.000 meer uitval), en ongewilde leveranciers afhankelijkheden met zich meebrengt – hanteert Freenergics het adagium: Extra “dak-electronica”? Zeker doen! Maar alleen als dit echt noodzakelijk is voor om de zomerproductie te kunnen “oogsten”. Immers, een beetje schaduw van een lage winterzon is op andere manieren op te lossen, of gewoon te accepteren aangezien de verloren energie gedurende de winter ook vrij gering is t.o.v. de zomerproductie.