Omvormer (zonne-energie)

De werking van een omvormer voor zonne-energie is gebaseerd op de eigenschappen van zonnecellen. Het gaat erom om zo veel mogelijk energie uit de cellen te verkrijgen. Daarom zal de omvormer zich op het hoogste vermogen dat op elk moment beschikbaar is dienen in te stellen.

Tot een bepaalde spanning van ongeveer 0,5 volt zal de zonnecel zich bijna als een ideale stroombron gedragen. De grootte van de stroom is evenredig met de hoeveelheid licht die op de zonnecel valt. De open spanning is ongeveer 0,6 volt. Tussen de 0,6 en 0,5 volt neemt de maximale stroom toe. Deze waarden zijn ook nog sterk temperatuursafhankelijk. Een zonnecel is dus geen ideale stroom- of spanningsbron. Daarom zal de stroomafname van de zonnecellen dynamisch geregeld worden volgens een bepaald algoritme. Het maximale vermogen is de hoogste opbrengst van het product van spanning en stroom. Men spreekt dan over het maximum power point (MPP). De elektronica dient zich dus daarop af te stemmen. In de praktijk zal dat neerkomen op een variërende belasting van de zonnecel (afhankelijk van de grootte van de ingevangen lichtstroom) waarbij een spanning over de zonnecel van ongeveer 0,5 V zal ontstaan. Een eenvoudig regelalgoritme is dan: belast de zonnecel op 80% van de open spanning.

Aangezien de zonnecellen zo'n lage spanning hebben worden deze in serie in zonnepanelen samengebracht. De panelen die ongeveer 30 tot 45 volt kunnen leveren worden ook in serie gezet. Zo kan men komen tot spanningen van ongeveer 600 volt. Er zijn omvormers die een maximale ingangsspanning van 1000 volt kunnen verdragen. Het voordeel van zo'n configuratie is dat de stromen beperkt blijven en daardoor de connectoren eenvoudig en de elektrische koperdraden in verhouding dun. Het nadeel is dat wanneer er door schaduw, verontreiniging of sneeuw een aantal zonnecellen wordt afgedekt, dat deze vanwege de grote "stroomkarakteristiek" als barrière kunnen fungeren voor de gehele stroomketen. Als er geen maatregelen worden getroffen door bijvoorbeeld diodes, kunnen die afgedekte zonnecellen alle vermogen van de niet-afgedekte zonnecellen gaan dissiperen waardoor een veel te hoge temperatuur kan gaan ontstaan en zelfs brand. Dat kwam wel voor bij de toepassing van de eerste converters. Er zijn slimme converters in de handel die rekening kunnen houden met deelschaduw. Dan is het regelalgoritme niet eenvoudig maar zal een microprocessor de MPP-waarde telkens opnieuw berekenen.

Bij een netgekoppelde converter wordt de wisselspanning van het net als uitgangspunt genomen. De verkregen energie uit de zonnecellen zal zéér tijdelijk als magnetische energie in spoelen of transformatoren, of als elektrostatische energie in condensatoren aanwezig zijn. Op het juiste moment (dus zogenaamd "in fase") wordt die energie als stroom geïnjecteerd in het net. Met andere woorden, het zal een stroom zijn die in vergelijking met een verbruiksstroom precies in de tegengestelde richting loopt. Er zijn intelligente converters die ook enige blindstroom (inductief of capacitief) kunnen veroorzaken, als netverbeteraars. In netwerken is het van belang niet teveel blindstroom te laten lopen. Blindstroom is een stroom waarbij spanning en stroom 90 graden (of 270 graden) uit fase zijn: ze belasten de koperen geleiders wel maar dragen niet bij aan de overdracht van energie. De intelligente converters kunnen die stromen compenseren. Wanneer door een netstoring de spanning wegvalt zullen deze converters dan ook zichzelf afschakelen omdat ze hun stroom niet meer op een adequate manier kwijt kunnen.

De hamvraag voor de meeste eindgebruikers van zonnestroom is hoe de efficiency bepaald wordt van de omvormer. Daarvoor moeten de productspecificaties van een omvormer geconsulteerd worden. Men kijkt dan naar twee zaken: 1) het FAo (fabrieksexperimentele omstandigheden) rendement of 2) het EU rendement. Een fabrikant test zijn apparatuur altijd in een speciaal daarvoor opgezette experimentele opstelling. Met andere woorden, de apparatuur wordt getoetst op prestaties onder ideale omstandigheden waarin de apparatuur de kans krijgt optimaal te presteren. In de praktijk functioneren installatiecomponenten nooit zo goed als tijdens het experiment. Het EU (Euro-eta) rendement is een scoringsmethode voor omvormers om deze voor de consument goed vergelijkbaar te maken. Uiteindelijk ligt het EU rendement rond 1- tot 1,5% onder het FAo van de omvormer. Het EU rendement verschaft daarmee een realistischer beeld van wat van de omvormer uiteindelijk verwacht kan worden en dat is belangrijk, want bij een 5 kW residentiële installatie kan 1% hoger rendement leiden tot 1.000 kWh meer productie over 20 jaar. Het maximum rendement van moderne omvormers ligt tussen de 95% en 99%.[1]

Een omvormer mag niet altijd energie op het net plaatsen. Wegens veiligheidsredenen mag een netgekoppeld systeem geen elektriciteit op het net zetten als bijvoorbeeld deze spanning te hoog is. Niet alleen de spanning, die zowel te hoog als te laag kan zijn, is een parameter waarop geschakeld wordt. Ook de frequentie van het net is een belangrijke parameter. Op welke spannings- en frequentiewaarden de omvormer moet afschakelen is landsafhankelijk en dit is dan ook vaak in te stellen op het apparaat zelf. De instellingen zijn meestal vergrendeld voor een particuliere gebruiker, men heeft vaak een sleutel of code van de fabrikant nodig om deze parameters aan te passen.

Bij de stand-aloneconverters is er sprake van een echte wisselspanning die wordt gegenereerd. Het probleem is dan alleen nog als je energie te weinig of te veel hebt. Daarom is in zo'n geval energieopslag in bijvoorbeeld accu's nodig.