Meten aan fotovoltaïsche installaties 

Het opwekken van elektrische energie met fotovoltaïsche cellen (zonnepanelen) wint wereldwijd snel aan populariteit. De stijgende prijzen van energie uit fossiele bronnen, zoals olie en gas, gecombineerd met dalende prijzen van zonnepanelen, maakt het gebruik van zonne-energie interessant voor een steeds groter publiek. Tot voor kort werden fotovoltaïsche installaties in Nederland slechts mondjesmaat toegepast. De laatste tijd is echter een toename te zien en steeds meer installatiebedrijven houden zich bezig met het aanbrengen en onderhouden van deze installaties. Het is belangrijk dat het installatiebedrijf beschikt over voldoende kennis en het juiste gereedschap om deze werkzaamheden uit te voeren.
 
Bij het ontwerpen en samenstellen van de materialen voor een fotovoltaïsche installatie moet onder andere een keuze worden gemaakt voor een type en aantal zonnepanelen. De gebruiker van de installatie heeft bepaalde verwachtingen over het rendement, die waargemaakt dienen te worden. De producent van zonnepanelen hanteert een aantal kwaliteitscategorieën. Na productie van elk paneel wordt deze getest met kunstmatig licht, waarbij wordt bepaald binnen welke categorie het betreffende product valt. Bij deze categorie hoort een blad met productspecificaties, aan de hand waarvan de installateur kan berekenen wat het rendement van de installatie zal zijn. Na het aanbrengen van de installatie zal de installateur diverse metingen gaan verrichten om te bepalen of het geproduceerde vermogen overeenkomt met de berekeningen en opgegeven specificaties.
 
 

De metingen

Voor het verrichten van metingen aan zonnepanelen dient rekening te worden gehouden met verschillende factoren die van invloed zijn op de prestatie van de fotovoltaïsche cellen. Buiten de fysieke eigenschappen, die zijn bepaald in het productieproces, zijn er andere belangrijke factoren, zoals de temperatuur van de cellen en de hoeveelheid zonnestraling die door de panelen wordt opgevangen. De geografische plaatsing, richting en de hoek waaronder de panelen zijn geplaatst zijn hier uiteraard van grote invloed. Atmosferische vervuiling en/of reflectie van het oppervlak hebben ook veel effect op de hoeveelheid zonnestraling die doordringt tot de cellen. Tenslotte treedt er ook verlies op in de gebruikte kabels, connectoren en de omvormer. Om ondanks al deze variabele condities toch een goede meting te kunnen verrichten en conclusies te kunnen verbinden aan de resultaten, dienen de meetresultaten te worden verrekend naar de STC (Standaard Test Condities). Bij STC dienen de panelen beschenen te worden door exact 1.000 Watt licht per m2 bij een temperatuur van 25 °C. Er worden bij STC ook specifieke eisen gesteld aan het spectrum van het licht. Het verrichten van metingen aan fotovoltaïsche installaties gaat dus veel verder dan het meten van spanning en stroom. De hoeveelheid en hoek van inval van het licht (zonnestraling), evenals de temperatuur van de panelen en de omgevingstemperatuur spelen ook een grote rol en dienen nauwkeurig te worden gemeten. Hiervoor wordt vaak een apart instrument gebruikt dat onder dezelfde hoek wordt geplaatst als het paneel. Een typische meetopstelling bij fotovoltaïsche installaties is schematisch weergegeven in figuur 1.
 
 
Bij deze meetopstelling wordt gebruik gemaakt van een hoofdinstrument dat de stroom- en spanningsmetingen verricht, terwijl een apart instrument de andere parameters bij de panelen registreert. Alle meetresultaten worden vervolgens met een gesynchroniseerde tijdcode samengevoegd. Deze meetmethode maakt het gebruik van zeer lange meetsnoeren overbodig, wat veel gemak en tijdwinst voor de (onderhouds)monteur oplevert.
 
 

IV-curve

Zonnepanelen leveren bij hoge en lage lichtsterkte vrijwel dezelfde spanning, als er geen sprake is van elektrische belasting (open klemspanning). De hoeveelheid stroom is echter afhankelijk van de intensiteit van de zonnestraling. Als er een spanningsmeting wordt uitgevoerd aan een zonnepaneel, vertelt dat weinig tot niets over de kwaliteit van het product. Om het vermogen van een paneel te bepalen dient het elektrisch belast te worden, waardoor er een stroom gaat lopen. Door de weerstand van de belasting geleidelijk te verlagen zal de stroom toenemen, totdat de spanning plotseling in elkaar zakt. Dit punt wordt het Maximum Power Point (MPP) genoemd. Het resultaat van bovengenoemde meting is een zogenaamde IV-curve. Dit is een grafische weergave, waarbij op de horizontale x-as de spanning en op de verticale y-as de stroom wordt weergeven. Een goed functionerend paneel geeft een curve zoals weergegeven in figuur 2. De spanning blijft hier vrijwel constant, waarna deze bij het MPP stijl afneemt. Bij een paneel dat niet (meer) goed functioneert wordt vaak een andere vorm waargenomen, waarbij de spanning 2 of meer afnames laat zien (figuur 3).
      
Figuur 2                                                                           Figuur 3
 
Zoals hierboven beschreven dient bij de bepaling van de IV-curve tevens de hoeveelheid zonnestraling en de temperatuur gemeten te worden, zodat de meetresultaten kunnen worden verrekend naar de Standaard test Condities (STC). Voor een correcte bepaling van de IV-curve van een zonnepaneel schrijft de IEC/EN60891 voor dat het rendement op dat moment minimaal 700 W/m2 bedraagt. Dit betekent dat de meting onder redelijk zonnige omstandigheden en binnen een bepaalde tijdsinterval van de dag dient te gebeuren. Een meting die te vroeg of te laat op de dag wordt gedaan kan tot gevolg hebben dat de hoek waaronder het zonlicht invalt te groot is en daardoor de voorgeschreven 700 W/m2 niet wordt gehaald. Met een simpele inclinometer (een soort zonnewijzer) kan de invalshoek op eenvoudige wijze worden bepaald.
 

 

Onderhoud aan fotovoltaïsche installaties

Een goed aangelegde fotovoltaïsche installatie kan lange tijd meegaan. De zonnecellen zijn wel onderhevig aan veroudering, waardoor het noodzakelijk is de panelen ooit te vervangen, maar dit laat gelukkig lang op zich wachten. Er zijn echter factoren naast normale veroudering die een negatieve invloed hebben op de prestatie en levensduur van de installatie. Uiteraard zijn er externe factoren die voor fysieke schade kunnen zorgen, zoals storm of hagel. De effecten hiervan zijn meestal duidelijk zichtbaar en direct merkbaar. De gemonteerde panelen kunnen echter ook last krijgen van plaatselijke schaduwvorming door het geleidelijk vervuilen door (fijn)stof of bijvoorbeeld vogelpoep. Deze vervuiling heeft tot gevolg dat op bepaalde plaatsen op het paneel de zonnecellen onvoldoende licht krijgen. De naastgelegen cellen worden hierdoor onevenredig hoog belast en kunnen zelfs doorbranden. Dit heeft een sneeuwbaleffect, waarmee op den duur het hele paneel defect kan raken. Het is dus heel belangrijk om zonnepanelen periodiek schoon te (laten) maken. Andere oorzaken van plaatselijke schaduwvorming bij zonnepanelen zijn nieuwbouw van masten en straatverlichting of groeiende vegetatie, zoals bomen. De temperatuurverschillen die hieruit voorkomen kunnen gemakkelijk zichtbaar worden gemaakt met een goede thermografische camera. Als de temperatuurverdeling over een zonnepaneel niet homogeen is dienen er maatregelen te worden genomen. Een andere oorzaak van storingen is een koud klimaat. Als de temperatuur daalt werken zonnecellen minder goed. Bij een temperatuur onder het vriespunt kunnen sneeuw en ijs de panelen beschadigen. De laatste factor is regenwater. Een fotovoltaïsche installatie is met een grote hoeveelheid connectoren en bekabeling altijd blootgesteld aan de elementen. Dit kan gemakkelijk corrosie tot gevolg hebben, wat op zijn beurt weer zorgt voor verliezen en storingen. Door periodiek metingen te verrichten aan deze installaties kunnen mogelijke problemen in een vroeg stadium worden geïdentificeerd en vaak tegen geringe kosten worden verholpen. Dit geeft u als installateur de kans regelmatig service te verlenen en in contact te blijven met uw klanten.