Kom van dat dak af! (Pimp your PV)
Geplaatst door Jan Maarten Fernig in Zonne-energieTags: zelfbouw zonnepaneel Geef een reactie
Ze liggen zo mooi in het gelid, PV panelen op schuine daken. Voor degenen die ze graag nog onopvallender in het dak verwerkt zien, worden allerlei oplossingen bedacht met thin film, in dakpannen gebakken PV cellen en weet ik veel nog wat. Het toont aan dat we ons nogal wat moeite getroosten voor verbetering waarbij we ons optisch zo min mogelijk hoeven aan te passen. Maar als je je dure PV paneeltje echt wilt laten gloreren in dat waar het functioneel om te doen was… haal ze dan van je dak en lees verder.
Stepping out (of the box)
Er is een hoop te doen rond zonne en wind-energie en de mate waarin er tempo gemaakt zou moeten worden conventionele energiebronnen daarmee te vervangen. Dit biedt veel mogelijkheden voor strijd tussen hardliners zowel uit ideële als puur voor materiëel gewin gedreven hoek. Het lijkt erop dat beide standpunten niet verenigd mogen/kunnen worden in een breder perspectief waarin oplossingen worden gezocht die zowel de oprechte ideële als materiële motieven bedienen. Toch, en juist waar vooringenomen standpunten verlaten kunnen worden, krijgt creativiteit de ruimte en kunnen allerlei waardevolle oplossingen en deeloplossingen het licht zien. Vaak ook blijken dan reeds bestaande producten in een nieuwe mix interessante meerwaarde te bieden. Vanuit mijn eigen voor materiëel gewin gedreven idealistische kijk heb ik inmiddels een aantal interessante ontdekkingen gedaan, en zit wellicht op een route naar meer…
Tot welke misverstanden een wens zoal aanleiding geeft
Laatst las ik dit artikel: Zonnepanelen voor de consument: nu en straks. Het gaat over nieuwe zonneceltechnologie en er wordt gesuggereerd dat het geen zin heeft panelen met antireflectielaag met de zon mee te laten draaien. Zie aldaar onder “Belangrijke zonnepaneel trends voor de toekomst”, punt 3. Antireflectielaag.
Dit is natuurlijk koren op de molen van de ‘PV netjes wegwerker’. Het kan echter helaas niet waar zijn want een paneel dat loodrecht op de zon gericht staat vangt ALTIJD MEER energie dan een paneel dat er niet loodrecht op staat. Wel is het zo dat een PV paneel slechts voor een deel gevoelig is voor dit direct invallend licht, waarover verderop meer.
Waarom meedraaien loont
De hoeveelheid straling binnen een vierkante meter bundel die op aarde aankomt is namelijk gedurende de dag vrijwel constant. Alleen bij zonsopkomst en zonsondergang is die hoeveelheid duidelijk minder, vanwege de filterende werking van een dikkere laag atmosfeer waar de zonnestraling dan doorheen gaat. Dat is alleen al op hand en gezicht duidelijk voelbaar, daarnaast kun je doorgaans ook recht in de zon kijken, hetgeen je even na zonsopkomst en voor zonsondergang beter niet probeert (gebruik in dat geval goede zonnebril!). Zie ook Zelfgebouwde zonnepaneel-installatie nu in werking waarin dit zijdelings aan de orde komt.
Het pad van de zon in het noordelijk halfrond
Als je nu een plaat van een vierkante meter niet loodrecht op diezelfde bundel houdt, dan valt een gedeelte van de bundel niet meer op de plaat maar erlangs. Je kan ook zeggen: vanuit de zon gezien wordt die plaat kleiner. Kortom: zolang je een paneel loodrecht op de zon gericht houdt wordt meer energie ontvangen dan bij iedere daarvan afwijkende stand.
De eerste harde cijfers
Daarbij geldt een cosinus verband.
Bij 0 graden afwijking (dus paneel loodrecht op de zon gericht) is de correctiefactor gelijk aan de cosinus van 0 graden, dit is 1 (= geen verlies).
Bij 1 graad is die factor cos 1 gr = 0,99985 (verlies verwaarloosbaar dus)
Bij 10 graden: cos 10gr = 0,985 (= 1,5 % verlies).
Bij 30 graden: cos 30 gr = 0,866 (13,4 % verlies)
Bij 45 graden: cos 45 gr = 0,707 (kent u hem nog van die fijne goniometrie? dit is namelijk 1/2 wortel 2) (= 30 % verlies)
Bij 60 graden: cos 60 gr = 0,5 (die was lekker makkelijk te onthouden binnen de standaard gonio-kennis) (50 % verlies!)
Bij 90 graden: cos 90 gr = inderdaad 0 (= 100 % verlies) er valt natuurlijk geen zonlicht op een paneel dat evenwijdig aan de bundel zonlicht wordt gehouden.
De cosinus
De weerbarstige praktijk van PV
Hoe vertaalt zich dat nu naar de praktijk van PV panelen? Het is niet zo dat bovenstaande getallen 1 op 1 voor PV panelen kunnen worden overgenomen. Dit komt doordat PV panelen ook gevoelig zijn voor diffuus licht, welk licht niet rechtstreeks van de zon komt maar door atmosfeer en eventueel wolkendek vanuit allerlei richtingen. Uiteraard niet van beneden, tenzij… je daar bijvoorbeeld water of sneeuw hebt liggen (ga ik verderop nader op in). Ik heb begrepen dat voor de momenteel gangbare panelen de verdeling zo’n 50/50 is. Dus 50% van de opbrengst komt voort uit rechtstreeks ingevallen zonlicht (en daar kunnen we dus winst boeken door het paneel loodrecht op de zon te richten), de andere helft uit het diffuse licht. En ook dat kunnen we wat ‘pimpen’. Overigens is het tevens goed ons hierbij te realiseren dat monokristallijne cellen gevoeliger zijn voor diffuus licht en polykristallijn gevoeliger voor direct licht. Dat is dan ook de reden dat in ons klimaat monokristallijn de voorkeur geniet.
Tracking (vooraan) vs vaste opstelling (achteraan) van PV
De mogelijkheden
Er is dus zowel winst te boeken door het paneel loodrecht op de bron te houden, als ook de omgeving van dusdanig reflecterend materiaal te voorzien dat meer diffuus licht op het paneel valt. Of gebruik te maken van aanwezige reflecterende lagen zoals water of sneeuw. (Dat laatste hebben we de afgelopen winters wel weer maar natuurlijk veel te weinig voor dit doel en net op tijden met toch al weinig zonlicht, tenzij je boven op een alp woont of zo…). Mocht het dus zo zijn dat je achtertuin redelijk op het zuiden ligt, grenzend aan een brede sloot, dan heb je een mooie uitgangssituatie om extra diffuus licht te vangen. Maar ook kan je denken aan witte bodembedeking zoals wit worteldoek (komen ook geen groene planten doorheen die het weer verpesten!) strategisch voor het paneel geplaatst. Al zou dat slechts 1 % meer opbrengen, dan rendeert een lapje worteldoek al snel gelet op huidige prijspijl PV panelen en lage prijs worteldoek. Natuurlijk moet je wel de plek ervoor hebben.
Het meest veelbelovende paard van stal
Ten slotte nog ten aanzien van het meedraaiende paneel. Hoeveel energie gaat er nu eigenlijk ‘verloren’ doordat een paneel niet meedraait (en mogelijk terug te winnen door meedraaien)? Dit is redelijk eenvoudig te bereken met behulp van integraalrekening. Het komt erop neer dat bij een halve boog (dus zonopkomst pal oost en ondergang pal west) theoretisch 50% verloren gaat. Oftwel als het paneel meedraait gedurende zo’n dag (rond 21 maart en rond 20 september) dan valt er 2 (TWEE!) keer meer straling op, dan wanneer het paneel de hele dag pal op het zuiden staat. Theoretisch, want in de praktijk is juist wanneer het meedraaiende paneel maximaal meer oogst, de atmosfeer het grootste obstakel, zoals boven al eerder besproken. Voorts is de zonneboog groter in zomer en kleiner in winter, zie het plaatje bovenaan. Daarnaast zal relatief meer energie verloren gaan uit hoofde van de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Die komt erop neer dat energie zich altijd gelijkmatig over de gehele ruimte ‘wil’ verspreiden. En dat hoe hoger een locale concentratie ten opzichte van de omgeving, hoe harder de verspreiding gaat. Uit de praktijk van zonnecollectoren (die het voor vrijwel 100% van direct invallende straling moeten hebben en het juist fijn vinden warm te worden) is mij bekend dat 80% meer energie opbrengst met een meedraaiend paneel haalbaar is. Ofwel een verbeteringsfactor van 1,8.
Reeds bekende ervaringscijfers PV
50% van het totaalresultaat uit direct invallen zonlicht maal rendementsverbetering van 80% resulteert in 40% meeropbrengst. Nu alleen nog met de nare eigenschap van PV verrekenen dat als PV warmer wordt (en dat wordt het want er valt 80% meer energie op die voor het grootste deel als warmte wordt geabsorbeerd, PV zelf ‘doet’ op z’n best 16%) het rendement terug loopt. Uit de praktijk bekende verbetering is rond de 30%. En da’s best jammer, want om die 30% te bereiken moet je wel een constructie bouwen die dat meedraaien goed genoeg mogelijk maakt EN stevig genoeg is zowel panelen te dragen als stormen te weerstaan.
Prijskaartje en overige downside – red alert!
Zo’n constructie loopt over het algemeen dus aardig in de papieren waardoor 30% rendementsverbetering niet tegen de meerkosten en het grotere operationele risico opweegt. Daarnaast moet je definitief vaarwel zeggen tegen panelen die netjes met het vlak van een schuin dak nagenoeg samenvallen. Toch heb ik vorig jaar de uitdaging opgepakt een constructie te ontwikkelen die goedkoop en stevig genoeg kan worden om een interessante meerwaarde te bereiken. Eventueel in combinatie met eenvoudige waterkoeling om het rendement nog ietsje op te krikken. Die waterkoeling kan je natuurlijk ook toepassen op vaste panelen in de zomer.
Het plan
Mijn voornemen is om dit jaar (als mijn SDE aanvraag wordt gehonoreerd) dit experiment langs de sloot (iedere procent meer tegen te verwaarlozen meerkosten is welkom) in onze achtertuin uit te gaan voeren. Ook lijkt mij interessant om te meten wat het effect van zo’n stuk wit worteldoek (of ander reflecterend materiaal) zoal blijkt te zijn. Vooral ook omdat ik dat worteldoek veel makkelijker in een halve boog om het paneel heen kan leggen (en weghalen voor het verschil) dan onze rechte sloot zodanig manipuleren 😉
March 21st, 2010 at 9:59 am
Goed artikel!
Na lezende van ondervermeld bericht lijkt mettertijd een efficiente waterstofeconomie echter niet onwaarschijnlijk:
http://www.duurzameenergiethuis.nl/wetenschap/4421-4421.html
March 21st, 2010 at 5:01 pm
Het verhaal van Dan Nocera klinkt in de eerste instantie veelbelovend. Hij heeft ook nog een interessante presentatie gegeven tijdens poptech 2009.
Hij beweert hierbij dat hij direct waterstof kan opwekken middels zonlicht. Maar wat is het rendement dan? Is daar al iets meer over bekend? Is dat veel hoger dan waterstof aanmaken via elektriciteit opgewekt met PV panelen: [PV] — rendement 16% –> [elektriciteit] — rendement 92% elektrolyse –> [Waterstofgas].
Echter wat ik mis in het verhaal van Dan Nocera is dat de opslag en de conversie van waterstof ook een groot probleem is. Je moet waterstofgas opslaan onder zeer hoge druk (700 bar) of afkoelen naar -251 graden. Beide kosten extreem veel energie (55% verlies). Ook is het waterstof molecuul zo klein dat het door metaal heen gaat. Langdurige opslag is dus ook niet mogelijk. Een ander probleem is daarbij dat het metalen laat corroderen. Bij de stap om het waterstofgas daarna weer om te zetten naar elektriciteit via een brandstofcel treedt wederom verlies op (ongeveer 52%). Daar komt nog eens bij dat de huidige levensduur van een brandstof cel laag is (ongeveer 1 jaar). De keten van elektriciteit -> waterstofgas (H2) -> elektriciteit is dan ook 3x minder efficient dan het gebruik van accu’s. Meer praktijk informatie hierover kun je vinden in het artikel EnergyHouse concept.
March 21st, 2010 at 9:52 pm
Als je in zee wilt gaan met de ongelukkig uitgevoerde SDE heeft het met de zon laten meedraaien van je zonnestroompanelen geen zin. De SDE-subsidie is nl. gecapped op 850kWh/kWp per jaar, en veel optimaal opgestelde panelen komen daar zonder meedraaien al aan. Een meeropbrengst daarboven levert je dus geen extra subsidie op.
Ik vind het zelf ontwerpen en bouwen van een zonvolgmechanisme erg leuk en interessant om te zien, vergelijkbaar met het zelf bouwen van een zonnestroompaneel. Ik vraag me echter af of het zin heeft (buiten dat het leuk is!).
Ik zie dat je je mechaniek van hout gemaakt hebt. Een zonnestroompaneel kan 25-30 jaar meegaan zonder onderhoud. Geldt dat ook voor het mechaniek? Ik denk eerlijk gezegd van niet.
Een zonnestroomsysteem kan voor één van twee optima ontworpen worden: hoogst mogelijke opbrengst per geïnvesteerde euro, en hoogst mogelijke opbrengst per vierkante meter. Bijna alle systemen gaan voor het eerst optimum, en om dat te bereiken is het zaak om noodzakelijk onderhoud zoveel mogelijk te vermijden. Ook als je het onderhoud en reparaties zelf doet – wat gratis lijkt – kost tijd simpelweg geld. Onze panenelen liggen de komende 25 jaar op het dak zonder ik er een vinger naar uit hoef te steken en dat zal met zekerheid niet gelden voor een zonvolgsysteem. (OK, de omvormer zal naar verwachting 10-15 jaar meegaan, en die moet dan vervangen worden, maar dat geldt nog veel meer voor een zonvolgsysteem: door de hogere opbrengst zal, bij gelijke omstandigheden, de omvormer door de hogere belasting gemiddeld genomen eerder kapot gaan)
Ook is Nederland een winderig land met soms zware stormen. Je zult het mechaniek op de zwaarst mogelijke storm moeten ontwerpen, en dat betekent dat het systeem a) zwaar uigevoerd zal moeten zijn (reken maar eens aan de windbelasting bij windkracht 12) en b) ondanks een goed ontwerp bij zwaardere windstoten dan waarmee je rekening gehouden hebt schade op kan lopen. Houd ook rekening met aansprakelijkheid bij schade. Als het paneel van het dak waait en bijvoorbeeld op een auto, of erger nog: op een mens, valt, waar zal de verzekering dan als eerste naar kijken? Juist: was het paneel deugdelijk bevestigd. Als je dan niet met berekeningen aan kunt tonen dat je een voldoende deugdelijke opstelling had ontworpen kon je je wel eens kwetsbaar maken voor hoge claims…
Als laatste moeten zonnestroompanelen het vooral in Nederland voor een aanzienlijk deel hebben van diffuus licht – zoals je zelf ook al schrijft. Dat houdt in dat een zonvolgsysteem hier veel minder meeropbrengst heeft t.o.v. een vast opgesteld systeem dan in een substantieel zonniger klimaat. Ondanks die relatief lage meeropbrengst heb je wel voor 100% de extra kosten.
Maar: ga er vooral gewoon mee door, ik ben erg benieuwd naar je resultaten, maar het is niet voor niets dat 99,99% van alle PV-systemen in Nederland vast opgesteld staan. Dat is niet omdat het niet zou kunnen, het is simpelweg omdat een vast opgesteld systeem de hoogste opbrengst per geïnvesteerde euro oplevert.
March 22nd, 2010 at 9:49 am
Interessante opzet. In je uitwerking kan je misschien die 50->30% verklaren door mee te rekenen hoe lang de weg is die het licht aflegt door atmosfeer. Loodrecht op het aardoppervlak is die atmosfeer ongeveer 10 km dik dus is de weg 10km lang. Onder een hoek van 45 graden is dat echter veel meer. De atmosfeer is relatief dun ten opzichte van de diameter van de aarde, dus een eenvoudige sinus gaat hier niet op. Van de 1366 W/m2 (zonneconstante) wordt door oa. waterdamp nogal wat afgesnoept en bereikt veel minder energie het aardoppervlak. Zie http://wapedia.mobi/en/File:Solar_Spectrum.png
Aangezien de atmosfeer dus energie van de zon absorbeert, zal bij niet-loodrechte instraling ook hier een deel van de energie verdwijnen. Een paneel dat om 9 uur ‘s morgens loodrecht op de zon staat, ontvangt dus veel minder energie dan een paneel dat om 12 uur ‘s middags loodrecht op de zon staat.
Je kunt reflectie overigens bij een ‘normaal’ opgesteld paneel eenvoudig aanbrengen door verticaal achter het hoge deel van het paneel een verticaal ‘spandoek’ van reflecterende folie (space blanket, tonzon folie) te zetten. De zon wordt dan naar beneden op je paneel weerkaatst; snel aan te brengen en snel te verwijderen, minimale ruimtebehoefte.
March 22nd, 2010 at 10:05 am
Leuk artikel, maar niet voor iedereen even goed toepasbaar.
Het dakvlak ligt er vaak ongebruikt bij, dus daar is het geen probleem. Maar een stuk van je tuin opofferen is natuurlijk toch weer iets anders.
Overigens zou ik in plaats van wit worteldoek eens kijken naar de alu-folie/kunststof combinatie zoals bijvoorbeeld gebruikt voor (TONZON) vloerisolatie. Duurzaam en een veel grotere reflectiecoëfficient.
Of kijk bijvoorbeeld eens op: http://www.mirrorsheeting.com/
De echte hobbyist raad ik echter aan om ook eens te kijken op: http://www.builditsolar.com/Experimental/experimental.htm
March 22nd, 2010 at 11:45 am
@Jeroen H
Meeropbrengst blijft op zich natuurlijk altijd interessant. En stel je eens voor dat in een slecht jaar die 850 bovengrens niet gehaald wordt…
De uiteindelijke materiaalkeuze is nog niet gemaakt, voorlopig nog in protoyping fase.
Ik ben het helemaal eens met je commentaar ten aanzien van toepassing in de Nederlandse of (Noord-)Europese situatie. Een toepassing in ontwikkelingslanden lijkt mij interessanter.
March 22nd, 2010 at 11:47 am
@Ard
Goed idee, relfectiepaneel verticaal boven het PV-paneel. Ik vrees alleen voor de windgevoeligheid ervan.
March 22nd, 2010 at 11:51 am
@Zwerius,
Het voordeel van worteldoek is de veel lagere prijs EN de waterdoorlatendheid t.o.v. folie. Hoewel dat laatste wellicht wel weer op te vangen is door het folie iets schuin af te laten lopen. En op die manier wordt het dan ook regelmatig schoon gespoeld. Goed idee dus!
Bedankt voor je interesante link naar builditsolar!
April 20th, 2010 at 3:44 pm
Er is nog een effect dat pleit voor een meedraaiende constructie. Dat heeft te maken met de hoeveelheid licht die aan een spiegelend oppervlak wordt weerkaatst. Die hangt volgens de vergelijkingen van Fresnel sterk af van de hoek waaronder het licht op het oppervlak invalt.
We kunnen het effect goed zien wanneer we voor een etalageruit staan: recht vooruit kijkend kun je vrijwel alles in de winkel waarnemen, maar als je door een ruit verder naar rechts of links probeert te kijken, zie je vooral wat zich op straat afspeelt. Hoe groter de kijkhoek t.o.v. loodrecht, hoe meer de invallende lichtstralen weerkaatsen, en hoe minder licht er dus door het glas naar binnen dringt.
Om een idee te krijgen van de gevolgen door het wel of niet meedraaien van een zonnepaneel zetten we even wat resultaten op een rij. Uitgaande van een loodrechte inval (invalshoek is nul graden) stellen we de invallende lichtenergie op 100 %. Daarvan wordt bij gewoon glas 96,1 % doorgelaten. We vinden bij grotere invalshoeken de bijbehorende percentages:
0 – 96,1
10 – 96,1
20 – 96,0
30 – 95,9
40 – 95,5
50 – 94,3
60 – 91,2
70 – 83,0
80 – 61,3
90 – 0
Vooral in de zomermaanden worden grote hoeken makkelijk gehaald. En het wordt nog erger. In deze recht-toe-recht-aan variant gaan we ervan uit dat er slechts één weerkaatsing plaatsvindt, namelijk aan de buitenkant van de glasplaat. Maar het doorgelaten licht weerkaatst ook nog eens meervoudig tussen beide oppervlakken van de plaat. Dat verergert bovenstaande percentages tot het volgende lijstje:
0 – 92,4
…
50 – 89,2
60 – 83,7
70 – 70,9
80 – 44,2
90 – 0
Al deze zg. transmissie coëfficiënten (doorlatings percentages) staan helemaal los van Jan Maartens basisverhaal over de cosinus, het vanuit de zon zichtbare oppervlak van het PV-paneel.
Uiteraard is dit allemaal aanvullende (of juist beperkende…) theorie. Praktijkmetingen met twee identieke installaties -een vast en de andere meedraaiend- over een heel jaar zijn veel relevanter. En minstens even leuk!
April 21st, 2010 at 9:20 am
@Harry,
WauW, hartstikke bedankt voor je aanvulling!
October 1st, 2011 at 11:37 pm
Dame, Heer,
Zeker leuk om mee te spelen ik ga het ook proberen. Ik heb inmiddels een prototype bouwpakket welke mogelijk te vermarkten is.
Groeten,
Your2power
January 21st, 2012 at 5:49 pm
Hallo Alle lezers van dit forum,
Neem een kijkje op mijn website:www.edmond-son.nl en kijk even bij zonnepanelen.
Ik heb mijn drie panelen draaiend op het schuurdak staan en het schuurdak is uitgevoerd doormijzelf met pvc 100% white special for solar. Doordat dit schuurdak wit is is de dak temperatuur geen 80 graden meer in de zomer maar leker koel. Het enige nadeel is dat het reflecteerd als de hel dus zonnebril op en zonnebrand gebruiken. Hierboven hangen/ staan mijn panelen in de koelte van het dak.
Het hele setje draaid van af juni en nu heb ik op mijn terugtelmeter van mijn energie leverancier twee waardes retour geleverd. De eerste is weekend stroom 43 KWh en de tweede is dag stroom 128 KWh. deze waardes zijn tot nu toe(21 jan 2012). Deze teruggeleverde stroom is watwijzelf niet gebruikt hebben maar teveel hadden. Als jullie nu belangstelling hebben gekregen en dat hebben jullie neem gerust contact met mij op en kom kijken.
Kunnen we met z’n allen leren en brainstormen. Zelf panelen maken lijkt mij ook heel leuk.
Ik zie jullie reacties wel tegemoet.
Groeten Edmond Haarman