Defecten opsporen in zonnepanelen en solarsystemen
Gestaag stijgende elektriciteitsprijzen en overheidssubsidieprogramma's voor hernieuwbare energie en een snelle energieomslag maken fotovoltaïsche systemen met teruglevering aan het net steeds interessanter voor particulieren. Niet alleen voor eigenaars van elektrische voertuigen, die bij wijze van spreken gratis kunnen tanken met de zelf opgewekte zonne-energie.
Ook ambachtslieden, bedrijven en industriële ondernemingen gebruiken de beschikbare daken en open ruimtes om elektriciteit op te wekken met de kracht van de zon en zo de bedrijfskosten te verlagen.
Netgekoppelde omvormers met intelligente elektronica en directe verbinding met het internet geven altijd een nauwkeurig overzicht van de prestaties van het systeem.
Daarom herkennen verantwoordelijke personen het meteen als de opbrengst daalt omdat er iets mis is met het systeem. We leggen graag uit hoe een fotovoltaïsch systeem werkt en wat er in het geval van een storing gedaan kan worden om de schade te herstellen.
Om in het geval van een storing snel de fout in het fotovoltaïsche systeem te kunnen vinden, is het noodzakelijk om de structuur en werking van een zonnepaneel of een compleet solarsysteem te kennen.
Zonnecel
1) Zonlicht | 2) Negatieve elektrode | 3) N-gedoopt silicium |
4) Grenslaag | 5) P-gedoopt silicium | 6) Positieve elektrode |
7) Verbruiker (gloeilamp)
Een zonnepaneel bestaat uit een min of meer groot aantal fotovoltaïsche cellen. Een fotovoltaïsche cel bestaat op zijn beurt uit twee flinterdunne lagen zeer zuiver silicium waaraan opzettelijk vreemde atomen zoals boor en fosfor zijn toegevoegd.
Experts spreken van positieve doping met boor en negatieve doping met fosfor.
Op het grensvlak van de twee halfgeleiderlagen wordt een zogenaamde pn-junctie (grenslaag) gevormd.
We hebben de exacte structuur en functie van een pn-junctie gedetailleerd beschreven in onze gids voor de 1N4148 diode.
In een zonnecel maakt de inval van zonlicht (fotonen) elektronen vrij in de grenslaag, die zorgen voor een elektrische spanning op de aansluitpunten.
Zonnepanelen
Een enkele solarcel met een afmeting van bijvoorbeeld 156 × 156 mm is heel goed in staat om een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit te leveren bij sterk zonlicht.
De elektrische spanning is echter relatief laag. In het geval van silicium is de eindspanning van een enkele fotovoltaïsche cel ongeveer 0,5 - 0,7 V. Daarom worden de afzonderlijke zonnecellen in een module in serie geschakeld. Dit werkt op dezelfde manier als de batterijen van een zaklamp, die ook in serie worden geschakeld om de spanning te verhogen.
In de zonnepanelen op de afbeelding zijn 36 cellen in serie geschakeld tot zogenaamde substrings. Hierdoor bereiken deze modules een open-circuit spanning (open terminals) van 24,9 V.
Na het solderen worden de cellen gelamineerd tussen twee folies en zijn zo optimaal beschermd tegen vocht. Een aluminium frame met glasplaat en een stabiele achterfolie met aansluitdoos maken de constructie van een zonnepaneel compleet.
Populaire zonnepanelen
Zonneveld
1) Solarcel | 2) Zonnepaneel | 3) Solarstring
Een zonneveld bestaat uit verschillende onderling verbonden modules (2). De afzonderlijke modules worden in serie geschakeld tot zogenaamde strings (3).
Het aantal in serie geschakelde modules hangt af van de beschikbare ruimte en dus van het mogelijke aantal modules.
Het is belangrijk dat de totale spanning (nullastspanning) van alle modules in serie niet hoger is dan de ingangsspanning van de omvormer.
Om het gewenste vermogen te verkrijgen, worden meerdere strings parallel geschakeld in een zonneveld. Het aantal modules per string moet identiek zijn.
Omvormers en energieleveranciers
Aangezien zonnepanelen (1) door hun ontwerp een gelijkspanning leveren, moet deze met behulp van een omvormer (2) worden omgezet in een wisselspanning. Alleen op deze manier is het mogelijk om het aan het openbare net te leveren of het intern te gebruiken (5) via een bidirectionele meter (3).
De omvormers hebben vaak een aansluitmogelijkheid voor een energieopslagsysteem (4) of Battery Energy Storage System (BESS). Het energieopslagsysteem is een grote batterij die wordt opgeladen met gelijkstroom en weer gelijkstroom afgeeft.
Als het zonnesysteem te weinig elektrische energie levert op dagen met slecht weer of geen elektrische energie in het donker, dient de batterij als energiebron voor de verbruikers voordat er elektriciteit wordt afgenomen van het elektriciteitsnet.
De bouw of aankoop van een solarsysteem vergt een investering. Ongeacht of het systeem wordt gekocht of geleased. Daarom spreekt het voor zich dat u altijd de functionaliteit van uw systeem in de gaten wilt houden.
In het eenvoudigste en goedkoopste geval gebeurt dit door de elektriciteitsmeters af te lezen. De meterstanden kunnen met regelmatige tussenpozen worden genoteerd en vervolgens vergeleken.
Als alternatief zijn omvormers met ingebouwde functiedisplays perfect om snel een overzicht te krijgen van de huidige prestaties van de zonnepanelen. Vooral als er bijvoorbeeld staafdiagrammen met tijdsassen worden weergegeven.
In de meest klantvriendelijke versie worden dataloggers gebruikt om de verschillende karakteristieke waarden van het systeem op te slaan. De gegevens kunnen dan altijd en overal gemakkelijk worden opgevraagd met behulp van een smartphone.
Ongeacht het type bewaking zullen betekenisvolle empirische waarden over de prestaties van het systeem in bepaalde weersituaties zeer snel worden verzameld.
Daardoor merkt u het ook heel snel als de prestaties van het solarsysteem plotseling aanzienlijk lager worden of als de gebruikelijke hoge prestaties niet meer worden gehaald.
Onze praktische tip: Houd rekening met degradatie bij het beoordelen van prestaties
Zonnepanelen worden het hele jaar door onbeschermd blootgesteld aan weers- en milieu-invloeden. Naast de mechanische belasting door regen, sneeuw en hagel moeten de panelen ook hoge temperaturen, vorst en een niet te verwaarlozen hoeveelheid UV-straling weerstaan. Alles bij elkaar betekent dit dat zonnepanelen onderhevig zijn aan natuurlijke veroudering of prestatievermindering (degradatie). Kristallijne zonnepanelen verliezen ongeveer 10 tot 15% van hun opbrengst langzaam, maar continu over een periode van 20 tot 25 jaar.
Om bij een eventuele storing later de fout of het defect nauwkeurig te kunnen lokaliseren en verhelpen, is volledige documentatie van het systeem nodig. Deze documenten moeten tijdens de installatie of uiterlijk tijdens de inbedrijfstelling worden opgevraagd bij de systeemplanner of het uitvoerende bedrijf. Streng- en schakelschema's en de meetlogboeken zijn hierbij zeer nuttig, omdat de stroomwaarden in geval van een storing vergeleken kunnen worden met de inbedrijfstellingsgegevens van de meetlogboeken.
Uitval omvormer
Het centrale onderdeel van elk solarsysteem met netvoeding is de omvormer.
Dit vrij gevoelige onderdeel reageert zeer gevoelig op sterke stroom- en spanningsschommelingen. Maar invloeden van buitenaf kunnen ook een negatief effect hebben op de omvormer.
Als er foutmeldingen worden weergegeven met behulp van LED's of op het display, moet de bedieningshandleiding beslist bij de hand zijn, zodat de foutcode correct kan worden toegewezen.
Meestal beschrijven de documenten ook alle verdere stappen die moeten of kunnen worden uitgevoerd door de personen die de omvormer gebruiken voordat specialisten worden ingeschakeld.
Schaduwen en hotspots
In de linkerfiguur zijn alle zonnecellen van een module betrokken bij de stroomopwekking (zie rode lijn). In de rechterfiguur worden de substraten met de gearceerde cellen (grijs gekleurd) overbrugd door bypass-diodes.
In het geval van schaduw genereren de aangetaste cellen enerzijds geen stroom en gedragen ze zich anderzijds als een storende weerstand. Dit vermindert de stroomopbrengst van de actieve cellen van de module aanzienlijk.
Aangezien de beschaduwde cellen erg warm worden door de hoge modulestroom, ontstaat er een hotspot die de cel vroeg of laat vernietigt.
Om dit te voorkomen, installeren fabrikanten zogenaamde bypass diodes in de aansluitdozen van de zonnepanelen.
In dit geval hebben de diodes een aanzienlijk lagere weerstand tegen de stroom dan de beschaduwde cellen en maken ze kortsluiting in de string met de betreffende cellen. Dit voorkomt effectief hotspotvorming.
Sluipend prestatieverlies
Een sluipend prestatieverlies kan, maar hoeft niet noodzakelijk gerelateerd te zijn aan achteruitgang van de paneel. Het is vaak zo dat na verloop van tijd steeds grotere bomen of struiken leiden tot gedeeltelijke beschaduwing van de zonnepanelen.
Maar ook grootschalige en hardnekkige vervuiling die niet meer wordt losgemaakt en verwijderd door het regenwater kan de oorzaak zijn. In dit geval zal een professionele reiniging van de zonnepanelen de opbrengst weer aanzienlijk verhogen.
Verschillende of onvoldoende prestaties van de strings
Als alle strings van een solarsysteem op dezelfde manier zijn opgebouwd en de modules op dezelfde manier zijn uitgelijnd, is het mogelijk om zinvolle vergelijkende metingen uit te voeren.
Dit laat heel snel zien of de stroomsterkte in één string lager is dan in de andere strings.
Als alternatief kunnen de huidige gemeten waarden ook worden vergeleken met de gegevens van de meetprotocollen die tijdens de inbedrijfstelling zijn gemaakt.
Zogenaamde stroomtangen of ampèretangen zijn geschikt voor snelle en eenvoudige stroommetingen omdat de stroomkabels niet losgekoppeld hoeven te worden voor de meting.
Als een solarsysteem meetbaar vermogen heeft verloren, moet de oorzaak van de storing worden vastgesteld en verholpen. Hiervoor bestaan verschillende procedures.
Optische inspectie
Als is vastgesteld dat een string defect is, moeten de zonnepanelen die bij de string horen eerst aan een visuele inspectie worden onderworpen. Hierdoor is het heel eenvoudig om te zien of bijvoorbeeld hagel de glasplaat heeft vernield of dat er zich fijne scheurtjes in het glas hebben gevormd (zogenaamde slakkensporen). Afhankelijk van de leeftijd van de schade kunnen sporen van oxidatie door binnendringend vocht ook gemakkelijk worden gedetecteerd.
Maar ook defecte aftakdozen of kabels die beschadigd zijn door dierenbeten kunnen vrij eenvoudig worden opgespoord tijdens een visuele inspectie. Plaatselijke kleurveranderingen of schade aan de achterfolie kunnen ook een indicatie zijn van mogelijk oververhitte en defecte cellen.
Meettechnische test
Als de defecte modules visueel onopvallend zijn en geen zichtbare schade vertonen, moet er een metrologisch onderzoek worden uitgevoerd. Bij deze zonnepaneeltest is het heel zinvol om meerdere vergelijkende metingen uit te voeren met modules van identieke constructie om defecte modules duidelijk te kunnen identificeren. De belangrijkste parameters zijn waarschijnlijk de open-circuit spanning en de kortsluitstroom als de modules identiek naar de zon zijn gericht.
In het geval van modules die hun maximale vermogen niet meer halen, kunnen de bypass diodes mogelijk een bron van fouten zijn.
Als de diodes overbelast zijn en een kortsluiting hebben, kunnen de substrings die bij de diode in de modules horen niet bijdragen aan de stroomopwekking. Als de diodes een onderbreking hebben, worden defecte of beschaduwde cellen in de module niet meer overbrugd, wat ook de stroomopbrengst vermindert.
Defecte diodes kunnen heel eenvoudig worden gecontroleerd met een multimeter. Om foutieve metingen te voorkomen, moeten de diodes worden verwijderd of ten minste aan één kant worden gesoldeerd. We hebben de procedure voor het meten van diodes gedetailleerd beschreven in onze multimeterhandleiding.
Onze praktische tip: Voorzichtig bij het meten van zonnepanelen
In tegenstelling tot de hierboven genoemde stroommeting met een ampèremeter, vereisen verdere metingen uitgebreide ervaring op het gebied van elektronica en zonnetechnologie. Ook moet er gedegen kennis zijn van de bijbehorende gevaren en moet er rekening worden gehouden met de nodige veiligheidsmaatregelen. Dit komt doordat in grotere systemen waar veel modules in serie zijn geschakeld om een string te vormen, spanningen van meerdere 100 V kunnen optreden, zelfs bij zwakke zonnestraling.
Thermografie met warmtebeeldcamera's
De optische en metrologische inspectie kan natuurlijk alleen worden uitgevoerd als de modules gemakkelijk toegankelijk zijn, bijvoorbeeld in een installatie in het veld. Als de modules op het dak van een hoog huis zijn gemonteerd, wordt de inspectie moeilijker. In dit geval, of in het geval van uitgestrekte zonnevelden met een zeer groot aantal zonnepanelen, is thermografie met behulp van een helikopter of drone de beste methode gebleken.
De volgende thermografische beelden laten voorbeelden zien van hoe de verschillende fouten in solar-installaties gemakkelijk kunnen worden herkend, zelfs door minder ervaren mensen, vanwege de duidelijk zichtbare verschillen in helderheid.
Module met hotspots
Module met foute substrings
Module volledig uitgevallen
String volledig uitgevallen
Om zinvolle beelden te verkrijgen bij thermografie moet de globale straling minstens 600 W per vierkante meter bedragen of idealiter 800 tot 1000 W per vierkante meter. De kijkhoek naar de modules of de meethoek van de warmtebeeldcamera moet ook 50° tot 80° zijn.
Maar de ervaring leert dat experts die dergelijke dronevluchten met warmtebeeldcamera's uitvoeren, heel precies weten wanneer en hoe de metingen moeten worden uitgevoerd. Op basis van de meetevaluaties of het beeldmateriaal kunnen dan verdere stappen voor de reparatie in gang worden gezet.
Of een defect zonnepaneel gerepareerd kan worden, hangt af van verschillende factoren:
Soort beschadiging
Technische defecten zoals beschadigde aansluitkabels, verbrande aansluitstekkers, defecte aansluitdozen of zelfs defecte bypass diodes kunnen meestal eenvoudig, snel en zonder veel moeite worden gerepareerd.
Onze praktische tip: bypass diodes vernieuwen
Belangrijk: Als defecte diodes moeten worden vervangen, moeten beslist Schottky-diodes met de vereiste stroom- en spanningswaarden worden gebruikt. Dit komt omdat deze diodes een aanzienlijk lagere spanningsval in de fluxrichting hebben dan standaard siliciumdiodes.
Het wordt moeilijker als de glasplaat aan de bovenkant van de module beschadigd is. Dan rijst de vraag of alleen het glas beschadigd is of ook de zonnecellen eronder.
In dat geval moet de huidige prestatie van het beschadigde zonnepaneel eerst duidelijk worden vastgesteld met behulp van een meting.
Als de schade al ouder is, zullen vocht en vuil die na verloop van tijd binnendringen namelijk leiden tot oxidatie van de zonnecellen die zich onder het glas bevinden of van hun aansluitingen (zie ook de afbeelding in het gedeelte over optische inspectie).
Leeftijd, formaat en conditie
Als de oorzaak van de prestatiedaling niet duidelijk te achterhalen is, is het nodig om te controleren hoe oud het paneel is. PV-fabrikanten geven namelijk soms een vrij lange prestatiegarantie op hun zonnepanelen. In geval van twijfel kan overleg met de verkoper duidelijkheid verschaffen.
Het komt af en toe voor dat de glasplaat van nieuwe modules beschadigd is tijdens het transport. De aangetaste panelen produceren dan nog steeds de maximale waarden voor spanning en stroom die in de gegevensbladen worden vermeld. In dit geval is het mogelijk om de gebroken glasplaat van de module af te dichten met een geschikte giethars of vernis en zo de module te redden.
Bij oudere en kleinere modules, die ook niet meer het volledige vermogen leveren, is de moeite van het verzegelen niet langer de moeite waard. In dit geval is vervanging van de defecte module de betere oplossing. Helaas komt het steeds weer voor dat een module in de vereiste grootte en met het vereiste vermogen niet meer in de handel verkrijgbaar is. In dit geval kunnen bedrijven die gespecialiseerd zijn in het repareren en opnieuw opbouwen van defecte zonnepanelen helpen. Door het voortdurend groeiende aantal solar-installaties zijn zowel deze gespecialiseerde bedrijven als experts voor de montage en service van solar-installaties (solar-installateurs) gemakkelijk te vinden op internet.
Uitgebreide visuele inspecties of nauwkeurige stroommetingen met een ampèremeter zijn activiteiten die regelmatig moeten worden uitgevoerd op solar-installaties. Met een beetje technische kennis zijn deze taken eenvoudig uit te voeren.
Als er echter grote schade aan het PV-systeem moet worden gerepareerd, moeten bewezen experts het werk uitvoeren. Vooral omdat het werk vaak op grote hoogte moet worden uitgevoerd en uitgebreide expertise vereist.
Hoewel er op de relevante videoportalen verschillende video's te vinden zijn over het vervangen van defecte bypass-diodes of het afdichten van defecte fotovoltaïsche modules, raden we het sterk af om het werk zelf uit te voeren als u niet over de nodige expertise beschikt. Het is beter om van tevoren zonnepanelen van hoge kwaliteit te selecteren en een geschikte fotovoltaïsche verzekering af te sluiten die alle kosten voor reparaties en verlies van gebruik bij bijvoorbeeld hagelbuien dekt.