Seizoenseffecten

93 Wp AC modules (ACN 2000E)

1. Introductie
Tijdschaal en variabele as
Kleurgebruik
Vorm van de curves
Vergelijking grafieken 93 resp. 108 Wp AC modules
2. Cumulerende dagopbrengst (E)
3. Momentaan vermogen (Pac)
4. Inverter temperatuur (T)

zie ook: 108 Wp AC modules (ACN 5000E)

1. Introductie

Tijdschaal en variabele as

In beginsel wordt in de grafieken gewerkt met een interval van 15 minuten omdat de eerste jaren (meestal) met deze schaal gewerkt werd. De curves van later m.b.v. de loggingfunctie op de computer (data manager versie 3.1.5.42) gemaakte grafieken zijn aangepast door van de om de 5 minuten gelogde data telkens 2 reeksen weg te halen wat een rustiger grafiekbeeld geeft. Dit heeft als extra voordeel dat kleine afwijkingen in de "optimale" curves gedeeltelijk uitgevlakt worden. Er gaat dus weliswaar informatie "verloren", maar het gaat in deze diagrammen dan ook om de grote lijnen en niet om de details. De intervallen van enkele oudere, met de hand gelogde curves kunnen soms iets afwijken. Tenslotte zijn ook van alle datareeksen de eerste en laatste logdata weergegeven als die buiten het interval van een kwartier kwamen te liggen.

De X-as is in alle grafieken weergegeven in Midden Europese Tijd (MET), dat is Universal Time (UT) + 1 uur. M.a.w., de logtijdstippen van de in de Midden Europese Zomer Tijd (MEZT = UT + 2 uur) gemaakte datareeksen zijn aangepast om alle curves met een universele tijdas met elkaar te kunnen vergelijken. Op 14 juni 2001 werd al om ongeveer kwart voor 5 (MET) 's ochtends (plm. kwart voor 6 lokale tijd, MEZT) de eerste logging gedaan en pas om ongeveer half 9 (MET) 's avonds (half 10 lokale tijd, MEZT) de laatste.

Voor alle 3 getoonde variabelen is de Y-as voor beide typen AC-modules met hetzelfde bereik gekozen om "on-the-spot" vergelijking mogelijk te maken. Voor het momentane vermogen en de temperatuur curves is dat niet zo'n probleem, maar de curves met de dagopbrengsten voor de 93 Wp modules kwamen hierdoor relatief dicht bij elkaar liggen (door het grote "bereik" van de gemiddelde 108 Wp module curves met schaduweffecten). Door de symbolen kleiner te kiezen dan in de originele grafieken is toch een fraai resultaat verkregen.

Kleurgebruik

De geselecteerde dagen hebben in alle grafieken dezelfde kleur, en per grafiek eenzelfde soort symbool toegekend gekregen. De in de grafieken gebruikte "kleurstelling" voor de individuele data is kunstmatig en uit esthetisch oogpunt toegepast. Het "regenboogeffect" in de dagopbrengst grafieken is als uitgangspunt genomen voor de in de andere grafieken gebruikte vaste kleuren van de individuele dagen; de combinatie van de uiteindelijke dagopbrengst en de daglengte is daarbij als uitgangspunt genomen voor het toekennen van een kleur aan een bepaalde dag.

Vorm van de curves

Dagopbrengst. Zoals direct duidelijk wordt, is de basisvorm van alle dagopbrengst curves een schuine "S-kromme" met vrijwel recht middenstuk en horizontaal uitlopende uiteindes. Dit is de normale vorm van alle dagopbrengst curves op (vrijwel) wolkeloze dagen. Deze wordt slechts in geringe mate verstoord bij lichte bewolking omdat het een accumulerende waarde toont i.p.v. een direct lichtafhankelijke (momentane) waarde als het actuele vermogen (Pac). Pas bij sterk wisselende bewolking of een forse weersomslag zal deze basale vorm aangetast worden.

Vermogen. Een "perfecte" vermogenscurve heeft in essentie een (symmetrische) paraboolvorm bij pal zuid georiënteerde PV-systemen als het onze. Aan de "basis" van deze parabool zullen bij de langere dagen zogenaamde "voetjes" ontstaan doordat het zonlicht bij zonsopgang en zonsondergang niet (meer) direct op het zonnepaneel valt (zon komt aan oostelijke "zijkant" van het paneel op en gaat aan westelijke "zijkant" van het paneel onder) maar er wel voldoende strooilicht aanwezig is om de inverter boven de aan/uitschakelingsdrempel te houden. Midden in de zomer zijn deze "voetjes" een stuk groter dan in voor- en naseizoen. In de wintermaanden zijn ze vrij kort maar kan, door bijv. kortdurende schaduwwerking van de dakrand op het zonnepaneel wel een enigzins "abrupte" overgang ontstaan. Bij zonsondergang is dit effect niet aanwezig omdat de westelijke dakrand veel verder van de zonnepanelen afligt dan de oostelijke en er dus geen schaduweffecten zijn. Het maximum van de vermogenscurves ligt altijd rond het midden van de (onbewolkte) dag (12h00 MET) als de zoninstraling maximaal is. Door externe factoren als (veranderende) luchttemperatuur kan dit maximum iets verschuiven, bijvoorbeeld als de temperatuur van de zonnepanelen (en, indirect, die van de omvormers) daardoor fors wordt beïnvloedt. Volledig "gladde" vermogenscurves zijn zeldzaam doordat deze direct van het zonlicht afhankelijk zijn en door diverse andere factoren beïnvloedt kunnen worden.

Temperatuur. De basale temperatuurcurve is min of meer koepelvormig, waarbij de begintemperatuur vrijwel altijd lager ligt dan de eindtemperatuur van de inverter, hetgeen veroorzaakt wordt doordat het eind van de nacht meestal de laagste luchttemperatuur bereikt wordt en omdat de inverters gedurende de dag opwarmen doordat ze vermogen leveren. Nadat ze uitgeschakeld zijn (en data van de OK4 omvormers niet meer zijn uit te lezen) zullen de omvormers langzaam afkoelen tot de omgevingstemperatuur bereikt is. Die is bij onze op open frame opstelling gemonteerde inverters gelijk aan de luchttemperatuur. De inverter temperatuur is een indirecte afgeleide van het afgegeven (omgezette) AC vermogen en wordt sterk beïnvloedt door zowel de luchttemperatuur (direct effect) als de omzettingsefficiëntie die weer indirect van de omgevingstemperatuur afhangt, zeker bij AC-modules die op open frames zijn gemonteerd zoals bij ons PV-systeem. Opgewarmde zonnepanelen hebben een verlaagd rendement en produceren minder energie dan bij lage temperaturen; de inverter krijgt dan minder energie "aangeboden" dan bij lagere omgevingstemperaturen. Als vuistregel wordt wel gehanteerd dat voor iedere graad temperatuurstijging boven de 25 °C een vermogensreductie van een halve procent optreedt.

Vergelijking grafieken 93 resp. 108 Wp AC modules

Bij het vergelijken van gelijksoortige grafieken van de 93 resp. 108 Wp AC modules moet rekening gehouden worden met het feit dat in de wintermaanden 4 van de 6 108 Wp modules deels beschaduwd worden door de 6 zonnepanelen die er voor staan. De 4 op de voorste rij staande 93 Wp AC modules worden in principe nooit beschaduwd (behalve mogelijk gedurende korte tijd door de opstaande dakrand als de zon net boven de horizon verschijnt in december). Om nu in eerste instantie een "eerlijke" vergelijking van de gemiddelde systeemdata tussen de 2 typen AC modules mogelijk te maken (op geselecteerde wolkeloze dagen) wordt via tekstlinks direct onder de betreffende grafiek de weergave van de andere groep AC modules getoond op exact dezelfde positie op het monitorscherm. Voor de 108 Wp groep is daarnaast via een zogenaamde "rollover image" de keuzemogelijkheid geboden te kiezen uit de grafiek met het gemiddelde van de (2) onbeschaduwde modules (meest objectieve vergelijkingsmogelijkheid), of uit het exemplaar met het gemiddelde van alle (6) AC modules, waarvan er 4 in de wintermaanden beschaduwd worden. Deze laatste keuzemogelijkheid wordt gerealiseerd door met de muiswijzer van de grafiek weg, resp. over de grafiek heen te bewegen. Deze laatste actie laat goed zien hoe sterk het groepsgemiddelde van de 108 Wp modules beïnvloed wordt in de wintermaanden, met name bij de grafieken met de cumulerende dagopbrengst en het momentane AC vermogen. De invertertemperatuur is indirect afhankelijk van het omzettingsrendement van de inverter en wordt daardoor minder sterk beïnvloedt, al is het effect wel degelijk waarneembaar.

2. Cumulerende dagopbrengst (E) 93 Wp AC modules


Voor "on-the-spot" vergelijking: zie ook vermogen Pac resp. inverter temperatuur T.
Zie ook dagopbrengst curves voor de 108 Wp AC modules.

Heel fraai is aan de dagopbrengst figuren het effect van het seizoen te zien op zowel de uiteindelijk behaalde gemiddelde dagopbrengst (hoogte van de "S" 548 Wh voor 14 juni 2001; 191 Wh voor 9 december 2002), als voor de periode dat de omvormers ingeschakeld waren, hetgeen direct gecorreleerd is aan de daglengte (4h45-20h31 MET voor 14 juni 2001; 8h45-16h25 MET voor 9 december 2002, bijna de helft korter dan in de zomerperiode). De rechte middenstukken van de S-curves hebben in de zomerperiode vrijwel allemaal een identieke hellingshoek, hetgeen correleert met een onder dezelfde hoek stijgende zon met het verstrijken van de tijd. In de wintermaanden echter neemt deze hellingshoek successievelijk af omdat de zon rond het middaguur steeds lager boven de horizon komt te staan, steeds verder onder de loodrechte projectie van het onder 36 graden gekantelde zonnepaneel op de hemelkoepel, waardoor een suboptimaal deel van de zoninstraling omgezet wordt doordat de zonnestralen onder een hoek op het zonnepaneel vallen. De "strooilichtfases" (vlakke begin- en eindstukken van de "S"-curve) zijn het langst in de zomer (zon "naast" de zonnepanelen opkomend en ondergaand; alleen strooilicht wordt omgezet).

Zeer opvallend aan deze grafiek zijn de curves in de voorjaarsmaanden (14 maart resp. 7 april 2003) in vergelijking met die voor de zomermaanden. De hellingshoek van het vlakke centrale deel van deze curves is groter dan die voor de zomercurves, hetgeen correleert met een idealere zonshoogte (in de zomer staat de zon tussen de middag hoog in het zenit en zullen de zonnestralen schuin op de zonnepanelen instralen; in de lente wordt midden op de dag een optimale zonshoogte bereikt met loodrechte instraling tot gevolg). Bovendien, ondanks de beduidend kortere daglengte, komen de voorjaarscurves aan het eind van de dag zeer dicht in de buurt van de maximale waarden die in de zomer behaald worden. De kromme voor 7 april 2003 komt zelfs flink boven die voor 4 augustus van hetzelfde jaar uit en eindigt tussen de juni - en juli curves. Dit is vrijwel zeker het gevolg van de veel lagere luchttemperaturen in het voorjaar, de vaak zeer felle zon in dit jaargetijde en, heel belangrijk, een regelmatig optredende koude, de zonnepanelen en inverters afkoelende oostenwind waardoor het uiteindelijk gerealiseerde omzettingsrendement zeer hoog is. In de warme zomermaanden is de omgevingstemperatuur vaak een fors remmende factor op de energie output doordat de zonnepanelen flink warm worden en dus minder energie afgeven, en de omvormers hun warmte niet op efficiënte wijze kwijt kunnen (zelfs op de open frame constructies), vooral ook omdat het op zwoele zomerdagen vrijwel niet waait. Voor de inverter temperatuur op deze dagen, zie de aparte grafiek verderop.

3. Momentaan vermogen (Pac) 93 Wp AC modules

Voor "on-the-spot" vergelijking: zie ook dagopbrengst E resp. inverter temperatuur T.
Zie ook vermogenscurves voor de 108 Wp AC modules.

Deze grafiek toont de "beste" gladde vermogenscurves op wolkeloze dagen. Goed is te zien dat de maxima van deze paraboolvormige curves rond het middaguur (12h00 MET) vallen. Ook is duidelijk waarneembaar dat in de wintermaanden november en december de maximale output op wolkeloze dagen weliswaar relatief hoog is (43 tot 51 Watt), maar beduidend lager dan de 60-73 Watt die op overige wolkeloze dagen in het jaar behaald worden op de 93 Wp modules, een verschil van bijna 30 Watt (41% van max. vermogen) tussen de winter- en zomercurves midden op de dag.

Men dient goed te beseffen dat, hoe "perfect" het weer op wolkeloze dagen ook is, op deze dagen vrijwel NOOIT de maximale outputvermogens behaald worden. Dit heeft uiteraard te maken met het opwarmen van de zonnepanelen en de inverters door de continu fel brandende zon, waardoor er geen afkoeling kan plaatsvinden en een deel van de omzettingsrendementen verloren gaan aan warmte die niet op tijd afgevoerd kan worden. De hoogste afgegeven vermogens per inverter zien we vrijwel altijd in het voorjaar, als de zon fel tussen cumuli wolken door schijnt, de luchttemperatuur laag is, en het flink waait. In de "gaten" tussen de wolken zorgt de felle zoninstraling gecombineerd met de reflecties van de witte wolken dan voor zeer hoge, echter ook kortdurende extreme energiedichtheden van ver boven de 1000 Watt per vierkante meter. Mede door de optimale koeling van de zonnepanelen en de op onze op open frames gemonteerde OK4 omvormers kunnen dan de output vermogens hoog oplopen. Zo zijn kortdurende maximale AC vermogens van 94 (108 Wp) resp. 88 Watt (93 Wp module) vastgesteld voor ons PV-systeem.

Het "omgevingstemperatuur effect" wordt in bovenstaande grafiek geïllustreerd door het feit dat, terwijl de curve van de warme zomerdag 14 juni 2001 aan het begin en eind van de dag boven alle andere curves ligt, deze midden op de dag een behoorlijk stuk onder de "beste" curve komt te liggen, namelijk die van de wolkeloze voorjaarsdag 7 april 2003 (waarop de hele dag een koude oostenwind blies) en ongeveer even hoog komt als enkele andere voorjaarscurves. Een duidelijke illustratie van het aanzienlijke "negatieve" effect van de omgevingstemperatuur op het totale systeemrendement.

In de grafiek met Pac curves is ook zeer fraai het grote verschil in daglengte te zien tussen de dagen in verschillende seizoenen. De zomercurves hebben zeer brede "voetjes" aan begin en eind van de dag wat de strooilichtfases weergeeft als de zon "naast" de zuid-georiënteerde zonnepanelen opkomt resp. ondergaat. Deze strooilichtfases zijn beduidend korter in de wintermaanden, waarbij het "zonnepad" (het traject wat de zon langs de hemel aflegt) immers veel korter is en vrijwel in het directe bereik van de zonnepanelen ligt. Voor een duidelijke weergave van dit zonnepad zie de sunpath optie op het prachtige, gratis van Map Maker Ltd. in Groot Brittannië downloadbare Sunclock programma: http://www.mapmaker.com/sunclock.asp.

Tenslotte is er in de ochtend van de curve van 9 december 2002 een abrupte "overgang" te zien van de eerste data naar het 4e logtijdstip. Mogelijk wordt dit veroorzaakt doordat deze in de voorste rij staande 93 Wp modules bij zonsopgang in deze wintermaand heel kort beschaduwd worden door de opstaande dakrand vlak voor de rij zonnepanelen.

4. Inverter temperatuur (T) 93 Wp AC modules

Voor "on-the-spot" vergelijking: zie ook dagopbrengst E resp. vermogen Pac.
Zie ook temperatuurcurves voor de 108 Wp AC modules.

Een opvallend element bij de vergelijking van inverter temperatuur curves op wolkeloze dagen verspreid door het jaar is de zeer grote spreiding van de gemeten temperatuurtrajecten. Terwijl op een vrieskoude winterdag als 9 december 2002 de temperatuursensor in het apparaat geruime tijd onder het vriespunt ligt en niet warmer wordt dan een graad of 5, kan de inverter temperatuur midden in de zomer oplopen tot maar liefst ruim 50 graden. Dit is een sterke aanwijzing voor het feit dat de lucht temperatuur in combinatie met al of niet aanwezige wind een doorslaggevend effect heeft op de temperatuur van de inverters, omdat de afvoer van de door de omvormers gegenereerde warmte op deze continu wolkeloze dagen een cruciale rol speelt. Als we bijvoorbeeld de 2 getoonde februari curves met elkaar vergelijken, zien we dat de inverter temperatuur op 20 februari 2004 veel lager ligt dan de curve van 16 februari 2002. Dit komt omdat op de eerstgenoemde dag een frisse, koude oostenwind stond en de tweede dag er nauwelijks wind was: de op open frame opgestelde inverters werden dan ook veel minder goed gekoeld waardoor de temperatuur tot bijna 10 graden hoger kon oplopen dan op de winderige, vrijwel vergelijkbare dag 2 jaar later.

Een tweede opvallend punt is dat er een groot "gat" zit tussen de voorjaar- en najaarscurves en die gemaakt van zomerse dagen. Hier "wreekt" zich het effect van de luchttemperatuur op onze op open frames opgestelde AC modules in verhoogde mate. Door de hoge luchttemperatuur en het vrijwel windstille weer op de gemeten zomerse dagen kunnen de inverters hun warmte niet effectief kwijt en worden ze flink warm. Dit heeft een nadelig effect op het omzettingsrendement van de omvormers en dit is een van de oorzaken (naast het sterk negatieve effect van een verhoogde zonneceltemperatuur) van de suboptimale momentane vermogens t.o.v. die in de koelere voorjaarsmaanden.

Overigens: met onze open frame opstelling hebben we nog relatief geluk. In de elders zeer veel gebruikte kunststof consoles (bakken die met grind of stoeptegels worden verzwaard) worden de inverters bloedheet (tot zo'n 70, 80 graden) omdat de warmte in de zomer helemaal niet goed afgevoerd kan worden. Op het dak van de TH Rijswijk heeft Sunergy dan ook alle door hen getest zonnepanelen verhoogd op de kunststof bakken gemonteerd, zodat de bakken enigzins kunnen ventileren (voor foto's, zie de Sunergy website, http://194.171.245.3/foto).

De temperatuurcurves hebben niet een uitgesproken paraboolvorm zoals de vermogenscurves hebben omdat ze niet alleen afhankelijk zijn van de hoeveelheid licht die op het zonnepaneel valt. Wel "volgen" ze natuurlijk het door de omvormers omgezette vermogen door de bij de omzetting vrijkomende warmte. Doordat luchttemperatuur een belangrijke rol hierbij speelt, zijn de curves minder uitgesproken dan de vermogenscurves en hebben ze meer een koepelvorm. De eindtemperatuur (als de inverters door de regelelectronica afgeschakeld worden) ligt bijna altijd hoger dan de begintemperatuur omdat de inverters aan het eind van de dag nog moeten afkoelen tot de omgevingstemperatuur bereikt is en omdat de luchttemperatuur in de vroege ochtenduren vrijwel altijd het laagst is. Omdat de omvormers 's nachts niet werken (en ook niet uitgelezen kunnen worden!), starten de temperatuur sensors in deze apparaatjes 's ochtends dus altijd op met de omgevingstemperatuur. Als de omvormers binnen in huis hangen (daar zijn de OK4 inverters in eerste instantie niet voor ontworpen, maar gezien de huidige ontwikkelingen begint het er naar uit te zien dat het verstandiger is om ze naar binnen te brengen als dat geen omvangrijke systeemombouw tot gevolg heeft) zal de temperatuur sensor in de ochtend starten op de temperatuur van de ruimte waar de omvormers geplaatst zijn.

Voor een illustratieve grafiek met de seizoensafhankelijke ochtendtemperatuur van een gemiddelde omvormer, zie de pagina totaaloverzichten_IT.htm.