Zonneenergie: stroom, vermogen en dikke kabels

Zonneenergie: stroom, vermogen en dikke kabels

In het eerste deel over zonneenergie (een eerste lesje techniek) hebben we gezien hoe we van zonlicht naar opgeslagen elektriciteit komen. Dat is in concept niet heel moeilijk, maar als we dat op een goede manier willen aansluiten, dan moeten we daar wel even wat aan (kunnen) rekenen. Wat je namelijk niet wilt, is dat de boel in de fik gaat, omdat je kabels te dun zijn en doorbranden. Dan ben je alle energie die je erin gestoken hebt sowieso kwijt. En dat is natuurlijk zonde, naast dat het ook een verspilling is van alle moeite en grondstoffen.

Zonneenergie: alle onderdelen en hun eenheden

Nu zijn de vorige keer alle onderdelen uit het plaatje hierboven al wel langsgekomen, maar hebben we ze nog niet in detail besproken. Ik neem ze hieronder even op in een lijstje, en bespreek ze dan gelijk eventjes kort.

  • Zonnepanneel
    Een zonnepaneel heeft een aantal eigenschappen en dimensies die van belang zijn bij het rekenen eraan: 
    • een maximaal vermogen (in Watt-piek, ofwel Wp)
      Wat brengt het paneel maximaal op in ideale omstandigheden. Dat betekent: als de zon er volledig en recht van boven op valt en er geen schaduw is. Deze waarde is vaak een bovengrens, maar desalniettemin belangrijk om te weten, want op basis hiervan gaan we de dikte van de kabels uitrekenen (dimensioneren).
    • een maximale open klemspanning (in Volt)
      Dit is de spanning tussen de plus (+) e nde min (-) van het zonnepaneel. Deze spanning zal dalen, zodra er een verbruiker op wordt aangesloten. Dat kan een directe gebruiker zijn, of een zonnelader. Hierover later meer.
    • een rendement (in %)
      Hoe goed het omzetten van zonlicht in elektriciteit gaat. Als het rendement hoger is, dan zal een paneel van gelijke grootte bij dezelfde omstandigheden meer elektriciteit opleveren. Veel voorkomende waarden zijn 15-25% en deze waarden zijn afhankelijk van de ouderdom en het type zonnepaneel.
    • temperatuurgevoeligheid
      Zonnepanelen werken minder goed als ze te heet worden. Net als dat planten minder goed groeien als het te heet is. Maar aangezien alle zonnepanelen hier last van hebben, laat ik deze buiten beschouwing.
  • Zonnelader of laadregelaar
    Een zonnelader of laadregelaar zet de wisselende opbrengst van een zonnepaneel om naar een constante uitgangsspanning. Op die manier kan een accu opgeladen worden. Hier zijn twee typen van: PWM en MPPT. Het verschil tussen deze twee zit 'm in hoe ze de wisselende opbrengst omzetten naar een stabiele uitgangsspanning.
    • PWM: Pulse Width Modulation
      Werkt door de  ingangsspanning van het zonnepanneel naar beneden bij te stellen, en kan zodoende de accu op een goede manier laden. Een nadeel is dat dit systeem minder goed werkt als de uitgangsspanning van de panelen lager is of wordt dan de laadspanning van de accu. Dat kan voorkomen doordat er veel bewolking is, of schaduw. Dit systeem werkt goed als de aangesloten panelen een spanning geven die iets boven dat van de accu ligt. Vergelijk het een grote bak water die overstroomt. Alles wat je niet gebruikt, stroomt over en vloeit weg. Als het water nu wat langzamer stroomt, duurt het langer voordat je grote bak water vol is.
    • MPPT: Maximum Power Point Tracking
      Deze laadregelaar is geavanceerder dan de PWM-laadregelaar en daardoor in de regel duurder. Hij werkt door zijn invoerspanning aan te passen om zo veel mogelijk vermogen te kunnen leveren aan de accu. Dit doet hij door het Maximum Power Point te volgen. Dat is het punt waarop het overgedragen vermogen maximaal is. Ik zal niet ingaan op de wiskunde ervan, maar het werkt beter als het zonnepaneel een (veel) hogere spanning heeft dan de op te laden accu.  Vergelijk het met hardlopen naar de bus, zonder dat je gaat zweten of buiten adem raakt. Op warme dagen kun je minder hard lopen naar de bus dan op koude dagen, en als je uitgerust bent, kun je even wat meer aanzetten dan wanneer je al even bezig bent.
  • Accu
    Waarin de elektriciteit kan worden opgeslagen. De relevante waarde is Ampere-Uur (Ah). Dat staat voor hoeveel stroom (Ampere: A) een accu kan leveren gedurende een uur. Een accu waarvan je 100Ah kunt gebruiken, kan gedurende 100 uur een stroom leveren van 1 Ampere. Dat is niet zo heel veel vermogen (vermogen in W = stroom in A * spanning in V). Een knipperlicht van een auto is 21 Watt. Dus als we dat invullen, dan hebben we daar 21W/12V = 1,75A  voor nodig. Deze accu is dan al na 100/1,75=57 uur leeg. Gelukkig staat een knipperlicht niet de hele tijd aan. :)
  • Omvormer
    Zet de opgeslagen energie uit een accu om naar 230V wisselspanning zoals we die ook uit het stopcontact krijgen. Afhankelijk van wat je wilt aansluiten heeft deze een bepaald piekvermogen nodig. Je kunt ze vinden met vermogens tussen de 150 en 4000W. Dat maakt nogal uit in de kabeldiktes en hoe snel je accu leeg zal zijn. Hoe hoger het vermogen wat je wilt gebruken, hoe dikker je kabels moeten zijn en hoe sneller je accu leeg zal zijn.
  • Kabels
    Ik ga uit van koperen kabels. Dat zijn de meest voorkomende kabels. Deze zijn voor dit soort toepassingen te krijgen in verschillende diktes, van 3 vierkante mm (3mm2) tot wel 175mm2
Zo, dat is een hele hoop theorie, maar we weten nog niets over de kabels en hoe dik we die moeten maken.

Kabeldiktes berekenen

Als je een kabel gebruikt om stroom door te vervoeren, dan zal deze kabel zich daar tegen verzetten en gaan tegensputteren door warm te worden. Dat tegensputteren valt in de praktijk wel mee, maar als we met zonneenergie werken is het vaak gelijkstroom gecombineerd met een niet al te hoog voltage. Als je dan toch met veel vermogen aan de slag gaat, dan wordt de stroom wel erg hoog. Er zijn een paar belangrijke formules die we bij de driehoek stroom/spanning/vermogen hebben. Ik zal je wat trucjes leren.

Hieronder staat een plaatje: P/VI, waarbij P het vermogen in Watt is, V de spanning in Volt en I de stroomsterkte in Ampere.

Het ezelsbruggetje is heel makkelijk. Wat je wilt weten, dat moet je bedekken. Wat je overhoudt moet je met elkaar delen of vermenigvuldigen. Stel je wil de stroomsterkte weten, dan heb je het opgenomen vermogen in Watt nodig en dat deel je door de spanning in Volt (I is bedekt, dus je houdt P/V over).  Voor ons systeem met autoaccu's een voorbeeld. Ik heb een opgenomen vermogen van 1500 Watt voor mijn Senseo, en mijn accu's zijn 12 Volt. Dan wordt de stroomsterkte bij 1500W als volgt: 1500/12=125 Ampere.

Nu heb je wel een stukje van de puzzel geleerd, maar nog niet hoe je van een stroomsterkte naar een dikte van een kabel komt. Als je stroom door een koperen kabel laat gaan, dan heeft die kabel een weerstand. De weerstand hangt af van de lengte van de kabel en de dikte van de kabel. Als je een veilige marge wilt hebben is dit je formule: de dikte van een kabel in mm2 is stroom (in Ampere) x de afstand (in m) x 0,2. Daarom was het hierboven zo belangrijk dat we de stroomsterkte uit konden rekenen.

Bij ons voorbeeld van 1500W opgenomen vermogen hadden we uitgerekend dat we een stroomsterkte van 125A hadden. Stel dat ons apparaat op 1 meter kabelafstand staat (heen en terug, dus op een halve meter: tel de rode en de zwarte kabel bij elkaar op) van de accu, dan vullen we dat hierboven in. De kabel moet dan 125x1x0,2=25mm2 dik zijn. Dat is al een beste kabel (dikker dan een potlood). Als we de kabel twee keer zo lang maken, dan moet die ook twee keer zo dik worden: 125x2x0,2=50mm2 (zo dik als je ringvinger).

De interne weerstand per kilometer van 25mm2 kabel is 1,21 Ohm, dus bij 125A over een meter wordt er bij 12V een vermogen van 125*12*1,21*0,001=1,5W opgenomen door de kabel. Daar wordt hij niet echt warm van en voel je ook niet. De interne weerstand per kilometer van 2,5mm2 kabel is 13,3 ohm. Dus bij 125A over een meter wordt er bij 12V een vermogen van 125x12x13,3x0,001=19,95W opgenomen. Dat is al flink voelbaar. Maken we die kabel nu 5 meter, dan wordt het opgenomen vermogen van de kabel al 125*12*13,3*0,005=99,75W (!). Dat is al een stevige gloeilamp en dat voel je dus wel! Je kabel zal dan gaan smelten als hij warmer wordt dan 90 graden C (dat gebeurt al na een paar seconden!).

Noot voor de oplettende lezer: er zijn helemaal geen zekeringen ingebouwd. Dat klopt, en goed gezien. In dit schema zijn nog geen zekeringen opgenomen. Dat is voor de veiligheid wel noodzakelijk, net zoals je thuis een stoppenkast hebt waarmee je overbelasting voorkomt. Daar ga ik in een volgend deel verder op in. Voor nu laat ik het hier even bij. Laat hieronder vooral je commentaar en opmerkingen achter. Mochten er dingen niet duidelijk zijn, dan zal ik die verder toelichten.

Promote: support and profit

Support sanderr with a promotion and this post reaches a lot more people. You profit from it by earning 50% of everything this post earns!


- The revenue of this ad will be returned to the Yoors members -
More



25 comments