Een beetje schaduw op een zonnepaneel is zo erg niet

De naam zegt het al, zonnepanelen houden van zon. Ze zetten zonlicht om in elektriciteit en hoe meer licht, des te meer elektrische energie er uit komt. Dus schaduw moeten we, indien mogelijk, vermijden. Dat is een feit. Maar het is niet zo rampzalig als veel installateurs je willen doen geloven. Laten we eerst eens kijken hoe het is met het beschikbare zonlicht in Nederland.

Direct zonlicht en diffuus zonlicht

Figuur 1. Verhouding tussen diffuus en direct zonlicht. Blauw is diffuus en groen is direct. In de wintermaanden is er veel meer diffuus licht, in de zomermaanden is de verhouding ongeveer 1:1.

In Nederland hebben we ongeveer een gelijke verdeling tussen diffuus licht en direct zonlicht in de zomer. Zie hiervoor figuur 1. Schaduw heeft alleen effect op het directe zonlicht. Op een bewolkte dag hebben we alleen diffuus licht en zie je geen schaduwen op onze zonnepalen. Dat betekent dat je op zo’n dag geen last hebt van een boom, een schoorsteen of een dakkapel. Het is wel zo dat een enorm gebouw voor je zonnepanelen het zicht op de diffuse hemelkoepel voor een deel wegneemt, dus dan valt er ook minder diffuus licht op de panelen. Deze gelijke verdeling is een interessant gegeven. Het betekent namelijk dat je bij een zonnepaneel dat altijd in de schaduw ligt, toch nog ca. 50 procent opbrengst hebt over een jaar gemeten. In de meer zonnige landen is de verhouding tussen direct en diffuus licht veel groter. Dit betekent dat het verlies in Nederland t.g.v. schaduw relatief veel minder is dan in bijvoorbeeld Zuid-Spanje. Terwijl men altijd denkt: “In Nederland hebben we al zo weinig zon, dus je moet alles meepikken.” Dus een beetje schaduw is in dit ‘licht’ gezien, niet zo dramatisch.

Een keten is zo sterk als de zwakste schakel?

Dit gezegde wordt maar al te graag aangehaald door installateurs om aan te geven dat een enkel paneel in de schaduw de opbrengst van een stringschakeling van meerdere panelen ontzettend naar beneden zou halen. Sterker nog, in de folders van SolarEdge wordt dit ook opgevoerd middels een mooie figuur om het voordeel van een SolarEdge-systeem (met optimizers per paneel) ten opzichte van een conventionele stringomvormer duidelijk te maken.

Maar dat is toch een beetje misleidende verkooppraat. De techniek heeft daar al lang geleden een oplossing voor gevonden door het inbouwen van bypass diodes in de junction box (het zwarte doosje achter op de panelen). Die diodes zorgen er simpel gezegd voor dat een door schaduw slecht presterend paneel buiten spel wordt gezet. De bypass diode leidt de stroom van de hele keten om het betreffende paneel heen zodat de rest van de panelen het volle vermogen kunnen leveren. De stroom in de keten is immers overal gelijk en dan zou de sterk verminderde stroom van het beschaduwde paneel de boel verzieken. Een standaard paneel is opgebouwd uit zestig individuele zonnecellen die allemaal in serie staan. Over elke twintig cellen staat een bypass diode. Al bij een schaduw van b.v. 10 x 10 cm op een paneel wordt de desbetreffende bypass diode al in werking gezet en presteert het paneel op 2/3 van het volle vermogen. Dus een paneel in schaduw kan 0, 1/3 of 2/3 presteren, afhankelijk hoe de schaduw over het paneel valt. De overige panelen in de string doen gewoon mee voor de volle 100 procent (Zie figuur 2). Hier is ook mooi te zien dat bij een randje schaduw op het paneel bij portrestand het hele paneel uitvalt, terwijl bij landscape montage het paneel voor 2/3 blijft werken: er komt maar één diode in.
Het SolarEdge Optimizer-systeem geeft wel een voordeel bij schaduw maar dat effect is veel minder dan gesuggereerd in de commerciële folder. Ze hebben daar uiteraard veel onderzoek aan verricht en in dit document leggen ze het zelf perfect uit.

De winter doet er niet toe

Figuur 3. Opbrengst per maand in procenten van het gehele jaar.

In figuur 3 is te zien dat de bijdrage van de winter op de opbrengst maar ca. 10 procent is. Simpelweg vanwege het feit dat de zon erg laag staat, de dagen erg kort zijn en het vaak bewolkt is. Dus schaduw in de winter is helemaal niet belangrijk. In de winter is het aandeel diffuse straling zelfs nog veel groter dan 50 procent.

Van dit gegeven kan op platte daken handig gebruikt worden gemaakt. Theoretisch zou je de panelen op een plat dak ver uit elkaar moeten zetten om te voorkomen dat de laagstaande zon (ca. 15 graden half december) schaduw op de onderste rand van het paneel werpt. Zie figuur 2. Maar wat nu als je de panelen zeer dicht bij elkaar zet, b.v. 50 cm of nog minder? Je verliest dan bij direct zonlicht 1/3 van de opbrengst omdat er maar 1 bypass diode in werking treedt, de panelen liggen immers landscape. Maar door de rijen dichter bij elkaar te zetten, kan je veel meer panelen op een dak kwijt en wordt de opbrengst per vierkante meter veel groter. Hier wordt bij grote systemen op platte daken vaak gebruikt van gemaakt. Dan neem je een paar procent verlies door schaduw voor lief om misschien wel 30 tot 40 procent meer opbrengst van een dak te halen.

Schaduwanalyse

Om het echt zeker te weten hoeveel verlies schaduw nu geeft, kan men een schaduwanalyse uitvoeren. Een simpel maar zeer effectief instrument daarvoor is b.v. de zogeheten sun path finder (Figuur 4). Hiermee maak je op een aantal plekken op het dak een foto van de hemelkoepel, geprojecteerd op een papier met de zonnebanen voor de verschillende maanden van het jaar waarin ook de uren van de dag te zien zijn. Door deze foto’s met software te analyseren, krijgt men een overzicht van het schaduwverlies op elke plek op het dak. En dan blijkt vaak dat het totale verlies op jaarbasis erg meevalt.

Er zijn meerdere PV-software pakketten die een mogelijkheid hebben om schaduwobjecten in te voeren en hiermee te rekenen. Een leuke test is dan altijd om een groot gebouw voor het betreffende dak in te tekenen en te kijken welke opbrengst er berekend wordt. Gezien het bovenstaande verhaal over verhouding direct/diffuus licht, moet er dan nog ca. 50 procent van het totaal overblijven. Zo niet, dan houdt de software geen rekening met diffuus licht. En dat is voor ons land nu juist wel belangrijk.
In Nederland rekenen we globaal met 900 kWh/kWp voor een goed georiënteerd systeem. Dit systeem zou dus met alle dagen schaduw nog zo’n 450 kWh/kWp moeten opbrengen.

Figuur 4. De contouren van de schaduwobjecten worden met de sun path finder zichtbaar. De boom en het huis links geven alleen vroeg in de ochtend schaduw en voor de het huis geldt dat in maart de zon er al over heen gaat.

Conclusie

Schaduw moeten we zoveel mogelijk vermijden, maar we moeten er niet te krampachtig over doen. De wintermaanden zijn niet echt van belang en dat geldt ook voor de vroege ochtend en late middag. De zon staat dan zo schuin op de panelen dat de opbrengst toch al minimaal is. Als een paneel tussen 10 uur ín de ochtend en 4 uur in de middag vol in de zon ligt, is het opbrengstverlies door schaduw niet zo groot. Een paneel met af en toe schaduw presteert ook prima, alleen de terugverdientijd voor dat paneel is ietsje langer dan voor de rest. Als je op die manier toch je eigen verbruik opwekt, is het een goede keuze?