TU Delft: smart PV-modules leveren tot 20 procent meer op bij schaduw

Onderzoekers van de TU Delft hebben in een simulatiestudie onderzocht hoe zogenoemde smart PV-modules presteren op daken met gedeeltelijke schaduw. De modules, waarin vermogenselektronica op submoduleniveau is geïntegreerd, leverden in de onderzochte situaties 15 tot 20 procent meer elektriciteit op dan een systeem met alleen stringomvormers. Ten opzichte van systemen met micro-omvormers of power optimizers lag de jaaropbrengst 2 tot 3 procent hoger.

Schaduw is vooral op stedelijke daken een terugkerend probleem. Schoorstenen, ventilatiekanalen en andere objecten kunnen ervoor zorgen dat delen van een zonnepaneel minder instraling ontvangen. Daardoor ontstaan elektrische mismatches: zwakker belichte cellen of delen van een module beperken de prestatie van andere cellen.

De TU Delft-onderzoekers keken naar een moduleconcept waarbij de gebruikelijke bypassdiodes zijn vervangen door buck-converters. Daardoor kunnen zes substrings binnen één module onafhankelijk van elkaar op hun eigen maximale vermogenspunt werken. De onderzoekers noemen dit een smart PV-module. Het concept combineert daarmee schaduwtolerantie binnen het paneel met een stringomvormer op systeemniveau.

Acht systemen op drie locaties vergeleken

Voor de studie zijn acht systeemconfiguraties gesimuleerd. De onderzoekers combineerden vier omvormer- en moduletopologieën met twee celarchitecturen: IBC- en FBC-TOPCon-cellen. Ze vergeleken butterfly-modules met een stringomvormer, micro-omvormers en power optimizers met smart modules die op een stringomvormer waren aangesloten.

De simulatie is uitgevoerd voor hetzelfde dak met 25 zonnepanelen en verschillende schaduwobjecten, maar met instralingsdata voor Rotterdam, Bogotá en San Francisco. De instraling per zonnecel werd op intervallen van tien minuten meegenomen. Daarmee berekenden de onderzoekers onder meer de jaarlijkse AC-opbrengst, celtemperaturen en kosten per geproduceerde hoeveelheid elektriciteit.

Op alle drie de locaties behaalde het systeem met smart PV-modules en een stringomvormer de hoogste jaaropbrengst. Vergeleken met butterfly-modules die alleen op een stringomvormer waren aangesloten, bedroeg het voordeel 15 tot 20 procent. Tegenover micro-omvormers en power optimizers bleef een kleiner voordeel van 2 tot 3 procent over.

Dat verschil komt volgens de onderzoekers doordat micro-omvormers en optimizers al toestaan dat afzonderlijke modules onafhankelijk werken. De smart module gaat een stap verder: ook substrings binnen één paneel kunnen afzonderlijk worden aangestuurd. Vooral cellen achter schaduwobjecten profiteerden daarvan. In Rotterdam was het relatieve voordeel ten opzichte van alleen een stringomvormer bovendien het grootst aan het einde van de dag en aan het begin en einde van het jaar, wanneer de schaduwwerking op het onderzochte dak sterker was.

Lagere piektemperaturen en gunstigere kosten

De smart PV-modules bereikten in de simulaties ook lagere maximale celtemperaturen. Dat komt doordat de cellen minder vaak in reverse bias werken, een toestand waarbij beschaduwde cellen elektrisch worden belast en lokaal sterk kunnen opwarmen. Zulke hoge temperaturen kunnen bijdragen aan storingen en degradatie. De onderzoekers stellen dat smart modules daardoor mogelijk een positief effect hebben op de stabiliteit van het systeem, maar benadrukken dat aanvullend onderzoek nodig is om dat te bewijzen.

Ook in de kostenberekening kwamen de smart modules gunstig uit. De onderzoekers rekenden met de levelized cost of electricity (LCOE): de gemiddelde kosten per geproduceerde hoeveelheid elektriciteit over de levensduur van het systeem. Binnen de gehanteerde aannames konden de smart modules tot 50 procent duurder zijn dan de gebruikte referentiemodules en alsnog de laagste LCOE van de onderzochte configuraties behalen.

Smart modules zijn al commercieel verkrijgbaar

De onderzoekers hebben het rapport geschreven in opdracht van het Nederlandse Taylor. Taylor verkoopt al zonnepanelen met geïntegreerde zogenoemde Cell String Optimizers, tegenwoordig ook aangeduid als Nano Optimizers. Daarmee wordt het vermogen niet alleen per paneel, maar per deel van het paneel geoptimaliseerd. Volgens de fabrikant gebeurt dat per zesde deel van een module. Het systeem wordt gecombineerd met een gateway en een compatibele stringomvormer van een andere fabrikant.