De omvormer voor zonne-energie

Bij elk zonnestroominstallatie hoort een omvormer. Wat doet dit onderdeel? Welke versies zijn er en op basis waarvan kan de juiste omvormer worden gekozen? Hier kun je meer te weten komen over dit elementaire onderdeel van zonnestelsels.

Omvormers zijn onmisbaar in fotovoltaïsche systemen
In een zonnestroominstallatie (PV-systeem) worden zonnecellen gebruikt om de energie van de zon om te zetten in gelijkstroom. Om de zonnestroom in het huishouden van de systeembeheerder te kunnen gebruiken en/of aan het openbare net te kunnen leveren, moet de elektriciteit worden omgezet in 230 V wisselstroom. Deze taak wordt uitgevoerd door de omvormer van het fotovoltaïsche systeem.

Basisinformatie over wisselstroom en gelijkstroom

Elektrische stroom is de gerichte beweging van elektrische ladingdragers (elektronen, protonen en ionen). Gelijkstroom (DC) vloeit wanneer, ten eerste, de ladingsdragers slechts in één richting bewegen en, ten tweede, dezelfde hoeveelheid ladingsdragers voortdurend in beweging is. De richting en sterkte van gelijkstroom zijn constant.

De meeste elektrische verbruikers in het huishouden hebben wisselstroom (AC) nodig. In tegenstelling tot gelijkstroom verandert wisselstroom met regelmatige tussenpozen zowel de richting van de stroom als de hoeveelheid bewegende ladingsdragers. Bij een wisselstroomfrequentie van 50 Hz, die in het Duitse net gebruikelijk is, wisselt de stroom 50 keer per seconde van polariteit.

Wisselstroom heeft het voordeel dat hij over lange afstanden kan worden getransporteerd en door middel van transformatoren op verschillende spanningsniveaus kan worden gebracht. Daarom werken openbare elektriciteitsnetten en elektriciteitsleidingen in eigen beheer met dit type elektriciteit.

Soorten omvormers voor zonne-energie

Er zijn talloze omvormers op de markt voor fotovoltaïsche systemen, die niet alleen kunnen verschillen in hun functies, maar ook in hun rendement. Welk type omvormer je nodig hebt voor je fotovoltaïsche systeem hangt vooral af van het vermogen en de bedrading van de zonnepanelen. De locatie van het systeem en de plaatselijke omstandigheden spelen echter ook een rol.

Er zijn vijf verschillende soorten omvormers voor fotovoltaïsche systemen:

• Stand-alone omvormer
• Module omvormer
• String omvormers
• Multistring omvormer
• Centrale omvormer
• Batterij of hybride omvormers

Ook wordt onderscheid gemaakt tussen apparaten met en zonder transformatoren en tussen enkelfasige en driefasige omvormers. Eenfasige omvormers zijn minder duur en worden meestal geïnstalleerd in kleinere systemen.

Stand-alone omvormers

Stand-alone omvormers zijn nodig voor netonafhankelijke gelijkstroomsystemen, zogenaamde stand-alone zonnesystemen. Dergelijke PV-systemen worden bijvoorbeeld gebruikt in afgelegen dorpen en op berghutten, maar ook op tuinhuisjes of stacaravans. De bijbehorende omvormers onttrekken de gelijkstroom aan een batterij. De ingangsspanning is daarom afgestemd op de conventionele batterijspanning.

Bij zelfstandige omvormers wordt de uitgangsspanning geregeld volgens de aangesloten verbruiker en is deze niet afhankelijk van de belasting. Het voordeel: het verbruik is grotendeels verliesvrij. Bij de keuze van een zelfstandige omvormer moet vooral gelet worden op het uitgangsvermogen.

Module-omvormers

Module-omvormers worden aangesloten op één zonnepaneel. Dit betekent dat je voor een zonnesysteem van een bepaalde grootte een overeenkomstig aantal omvormers nodig hebt. Dit is vooral nuttig voor kleinere systemen waarbij de zonnepanelen verschillend georiënteerd zijn of sterk verschillen in hun opbrengst. Elke module kan dan afzonderlijk gecontroleerd en bestuurd worden. Bovendien, als een omvormer of een zonnepaneel defect is, valt niet meteen het hele systeem uit.

Dit ontwerp wordt echter niet aanbevolen voor grote systemen: aan de ene kant zijn module-omvormers verhoudingsgewijs duur, en aan de andere kant is de kans op storingen groter door het grote aantal apparaten.

String omvormers

Heel vaak worden stringomvormers geïnstalleerd waarop slechts één of tenminste slechts enkele zogenaamde strings zijn aangesloten. Verschillende zonnepanelen van hetzelfde type worden in een string met elkaar verbonden. Het voordeel hiervan is dat afzonderlijke schaduwen of verschillende oriëntaties van de afzonderlijke zonnepanelen slechts een gering effect hebben op de totale opbrengst van het PV-systeem.

Eén tot twee “maximum power point trackers” (“MPP trackers”) zorgen voor een maximale opbrengst. Ze bepalen voortdurend het ideale werkpunt van de afzonderlijke snaren. String-omvormers scoren met een goede prijs-prestatieverhouding. Ze zijn bijzonder geschikt voor kleine en middelgrote systemen.

Multi-string omvormers

Multi-string omvormers bieden de mogelijkheid om meerdere strings met verschillende hellingshoeken en oriëntaties van de modules te integreren. In tegenstelling tot stringomvormers hebben ze verschillende MPP-trackers. Dit zorgt voor de hoogst mogelijke totale efficiëntie van het systeem. Multi-string omvormers worden vaak gebruikt in grotere PV-systemen.

Centrale omvormers

Centrale omvormers worden gebruikt voor grote systemen met een vermogen van 30 kilowattpiek (kWp) of meer, waarbij de oriëntatie en helling van de zonnemodules grotendeels identiek zijn. Centrale omvormers halen hoge rendementen en zijn ook gemakkelijk te onderhouden. Het nadeel: Bij een storing leggen ze het hele systeem plat.

Batterij of hybride omvormers

Hybride omvormers of batterijomvormers hebben een geïntegreerde batterij waarin zonne-energie tijdelijk wordt opgeslagen. Ze kunnen het huis blijven voorzien van zonne-energie in geval van stroomuitval of lage zonne-instraling. Batterijomvormers werken dan als een noodstroomsysteem dat volledig onafhankelijk is van het elektriciteitsnet. Het laden en ontladen van de batterij gaat meestal traploos.

Batterijomvormers zijn niet alleen interessant voor medische instellingen of computerlaboratoria, maar ook voor particulieren die hun eigen verbruik van zonne-energie willen optimaliseren.

De taken van zonnestroominstallatie omvormers in detail

Typische omvormers van PV-systemen genereren de wisselspanning in sinusvormige curven, vergelijkbaar met die van een synchrone generator in het openbare net. Zo kan de zonnestroom rechtstreeks aan het net worden geleverd of in het huishouden worden verbruikt. De omzetting van gelijkstroom naar wisselstroom vindt plaats via complexe schakelingen op basis van transistors.

Naast de verliesarme omzetting van gelijkstroom naar wisselstroom voeren moderne omvormers van zonnestroomsystemen bijvoorbeeld ook andere taken uit:

• Optimalisatie van het vermogen
• Systeemcontrole
• Communicatie tussen onderdelen
• Veiligheid
• Optimalisatie van het vermogen

Alle zonnestroominstallatie hebben een maximaal vermogenspunt, het Maximum Power Point (MPP). Op het MPP produceren de zonnepanelen het hoogste vermogen. Het hangt af van de spanning, de stroomsterkte, de zonnestraling en de temperatuur. Omdat het MPP in de loop van de dag voortdurend verandert, moet ook de optimale bedrijfstoestand van het systeem voortdurend worden aangepast.

Deze taak wordt uitgevoerd door de MPP tracker in een omvormer. De MPP-tracker berekent het MPP op basis van de bovengenoemde parameters en regelt het zonnesysteem door de interne weerstand gericht te veranderen, zodat de hoogst mogelijke opbrengst wordt bereikt.

Toezicht op

De omvormer bewaakt niet alleen de energieopbrengst van een modern fotovoltaïsch systeem, maar ook het elektriciteitsnet waarop het eventueel is aangesloten. Aangezien het elektriciteitsnet zeer gevoelig reageert op veranderingen in spanning of frequentie, zou zonder bewaking en regeling overbelasting of zelfs een lijnbreuk kunnen optreden. Als de spanning en frequentie boven de ingestelde grenzen stijgen, koppelt de omvormer het zonnesysteem om veiligheidsredenen onmiddellijk los van het net. Als de frequentie iets stijgt, vermindert dat slechts het uitgangsvermogen van het PV-systeem in de zin van netregeling.

Communicatie

Elke omvormer heeft een communicatie-interface met de andere hoofdcomponenten van het fotovoltaïsche systeem. Via de interface bewaakt de omvormer de spanning, de stroom en het stroomvermogen van het zonnesysteem. Storingen kunnen dus snel worden opgespoord.

Het is erg handig als de opbrengstgegevens via zogenaamde dataloggers naar speciale online dataportalen of energiebeheersystemen worden gestuurd. Ze kunnen dan gemakkelijk bekeken worden vanaf een smartphone of laptop, ongeacht de locatie. Dit helpt systeemeigenaren om de teruglevering aan het net en/of het eigenverbruik van zonne-energie te optimaliseren.

Veiligheid

Als de temperatuur in de behuizing van de omvormer te hoog oploopt, bestaat het gevaar van oververhitting. Om dit te voorkomen hebben omvormers een koelsysteem.

De meeste omvormers hebben ook een DC-uitschakelapparaat waarmee de stroom tussen afzonderlijke zonnemodules ook tijdens de werking kan worden onderbroken. Hierdoor kunnen onderhoudswerkzaamheden worden uitgevoerd zonder kostbare verduistering van de betreffende module.

Het juiste ontwerp van de PV-omvormer

Het ontwerp van de omvormer speelt een belangrijke rol bij de prestaties van een PV-systeem. Hierbij moet rekening worden gehouden met vier criteria:

• Ingangsvermogen
• Spanningsbereik
• Temperatuurcoëfficiënt
• Efficiëntie

Belangrijk: Om verkeerde aankopen en prestatieverliezen te voorkomen, moet het ontwerp van de juiste omvormer voor een specifiek fotovoltaïsch systeem worden berekend door een gespecialiseerde zonnetechnicus.

Ingangsvermogen

Het vermogen van de omvormer moet zo goed mogelijk overeenkomen met het totale vermogen van alle zonnepanelen. Een rekenvoorbeeld: Als tien modules met elk een vermogen van 200 W worden geïnstalleerd, levert dat een totaal vermogen op van 2.000 W. De omvormer moet ook dienovereenkomstig worden ontworpen. Daarom moet de omvormer ook ontworpen zijn voor een vermogen van (minstens) 2 kW.

Spanningsbereik

Elk zonnepaneel werkt binnen een bepaald spanningsbereik, dat loopt van nullast (nulspanning) tot de maximale systeemspanning (nominale spanning). Als bijvoorbeeld de spanningswaarden van een zonnepaneel tussen 29 en 36 V liggen, dan heeft een systeem met tien modules een spanningsbereik van 290 tot 360 V. Om alle eventualiteiten te dekken kun je het beste een tolerantiewaarde van +/-100 V opnemen. De omvormer voor het hier veronderstelde PV-systeem moet daarom een spanningsbereik tussen 190 en 460 V aankunnen.

Temperatuurcoëfficiënt

De genoemde maximale spanning treedt alleen op onder de ideale omstandigheden van een hypothetisch scenario, dus bij een bepaalde zonnestraling en een constante temperatuur. Maar als de temperatuur in de praktijk verandert, verandert ook de temperatuurcoëfficiënt en dus de spanning. De temperatuurcoëfficiënt van de omvormer staat meestal in het gegevensblad. Voor de berekening van het systeem wordt meestal de gemiddelde waarde in de specifieke woonplaats gebruikt.

Efficiëntie

Het rendement van de omvormer geeft aan welk percentage van de door het systeem geproduceerde elektriciteit daadwerkelijk gebruikt kan worden na omzetting door de omvormer. In het algemeen wordt onderscheid gemaakt tussen piekrendement en Europees rendement. Het eerste is het maximale rendement onder optimale omstandigheden. Het is echter niet erg zinvol omdat een omvormer niet het hele jaar door zijn volledige vermogen kan leveren. In plaats daarvan varieert het rendement onder andere met de zonnestraling.

De Europese efficiëntie is daarom praktischer. Het geeft de gemiddelde efficiëntie aan onder typische (gemiddelde) Europese weersomstandigheden. Moderne omvormers halen tegenwoordig rendementen tussen 96 en 99 %.

De optimale installatieplaats voor de omvormer voor zonne-energie

Moduleomvormers worden op de modules zelf gemonteerd. String en multi-string omvormers daarentegen worden meestal vrij geplaatst. De plaats van installatie moet zo koel, droog en goed geventileerd mogelijk zijn, zodat de omvormers niet oververhit raken. Een kelder, een technische ruimte of een garage kunnen geschikt zijn. Het verdient aanbeveling de omvormer zo dicht mogelijk bij het voedingspunt te plaatsen: De verliezen veroorzaakt door kabeltracés zijn groter aan de wisselstroomzijde dan aan de gelijkstroomzijde.

In elk geval moet de omvormer van een fotovoltaïsch systeem gemakkelijk toegankelijk zijn. Het moet ook voldoende vrijstaan: Hij kan tijdens de werking hoge temperaturen ontwikkelen. Als er schade ontstaat door onvoldoende warmteafvoer, kan een fotovoltaïsche verzekeringsmaatschappij de exploitant beschuldigen van grove nalatigheid en de uitkering verminderen of zelfs geheel weigeren.

Waar je nog meer rekening mee moet houden bij de aanschaf van een omvormer

Er is een breed scala aan omvormermodellen voor fotovoltaïsche systemen. Alleen bij de aanschaf van een compleet fotovoltaïsch systeem hoef je je daar meestal geen zorgen over te maken, want een geschikte omvormer maakt meestal deel uit van het pakket. Als je echter zelf de onderdelen van een toekomstig zonnesysteem samenstelt, moet je bij het kiezen van een omvormer letten op de volgende vijf aspecten:

1. De fabrikant moet een garantie geven van minstens vijf jaar met de mogelijkheid tot verlenging.
2. Het is voordelig als de fabrikant na afloop van de garantieperiode vervangende apparaten of goedkope reparatiemogelijkheden voor het oude apparaat in het vooruitzicht stelt.
3. De omvormer moet het Europese CE-keurmerk dragen.
4. Een automatische uitschakeling (ENS) volgens VDE 0126 (bij uitschakeling van het net) wordt aanbevolen.
5. De omvormer moet gestandaardiseerd zijn volgens IEC 77 en een spanningsvalbeveiliging hebben.

Momenteel hebben omvormers een levensduur van ongeveer 15 jaar. Een fotovoltaïsch systeem kan echter 20 jaar of meer in bedrijf zijn. Systeemeigenaren moeten er daarom rekening mee houden dat ze op enig moment tijdens de levensduur van een PV-systeem een omvormer moeten vervangen. Om ervoor te zorgen dat de omvormer zo lang mogelijk meegaat, moet hij samen met de andere onderdelen van het fotovoltaïsche systeem regelmatig worden onderhouden.