Aansluiting van fotovoltaïsche installaties (1)

IE10 Impuls 33.qxd:IP Impuls

06-10-2009

13:04

Pagina 1

Katern voor scholing, her- en bijscholing

33 Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB oktober 2009

inHoud 1 Het laagspanningsnet als TN- of TTstelsel

Aansluiting van fotovoltaïsche installaties (1)

5 Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet’

In een tijd van stijgende energieprijzen, slinkende grondstoffen en op grond van het toegenomen milieubewustzijn stijgt de vraag naar regeneratieve energieën. In het eerste deel van de serie wordt onder andere de werking van fotovoltaïsche installaties voor de opwekking van zonnestroom behandeld. Energiebronnen, zoals kolen, aardolie en aardgas, staan slechts in beperkte hoeveelheden ter beschikking. Omdat de behoefte aan energie over de hele wereld groeit en de fossiele brandstoffen steeds schaarser en daarmee duurder worden, geldt het gebruik van alternatieve energieën als onontkoombaar (afbeelding 1). Van de zon als energiebron kunnen we eindeloos lang gebruikmaken, bijvoorbeeld voor de warmwatervoorziening. Hierbij verwarmt de zonne-energie het water dat door de zonnecollectoren stroomt. Voor deze installaties, die in de omgangstaal vaak zonne-installaties worden genoemd, zou de benaming zonnethermische installatie of het begrip zonnewarmte moeten worden gebruikt. Bij de gebruikmaking van het fotovoltaïsche effect wordt het zonlicht rechtstreeks omgezet in elektrische energie. Hiervoor is het begrip pv-systeem ingeburgerd, hoewel om

beter duidelijk te maken waar de gebruikte energie vandaan komt de begrippen zonnestroomproductie of zonnestroom ondubbelzinniger zouden zijn. Bij de opwekking van zonnestroom wordt uit het zonlicht rechtstreeks elektrische energie gewonnen, die voor honderd procent in productieve arbeid kan worden omgezet, daarom spreken we ook wel van hoogwaardige energie. De hierbij gewonnen hoeveelheid energie is afhankelijk van de duur en intensiteit van de zoninstraling. Omdat de energie die op die manier wordt gewonnen, niet zonder verlies kan worden opgeslagen, wordt deze tegenwoordig volledig aan het elektriciteitsnet van de netbeheerder toegevoerd, door hem vergoed en door de aangesloten huishoudens gebruikt. In dit verband spreken we van netgekoppelde fotovoltaïsche installaties. De Franse natuurkundige Alexandre Edmond 1. De toekomst behoort aan de zon (EJ/a = Exa Joule per jaar = 1018 Ws/a).

33 1


06-10-2009

13:04

Pagina 2

aansluiting van fotovoltaïsche installaties (1)

Becquerel ontdekte al in 1839 het fotoelektrische effect. In 1905 lukte het Albert Einstein dit effect op de juiste wijze te verklaren, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. Na veel andere ontdekkingen en ontwikkelingen lukte het in 1954 de eerste siliciumcellen te produceren – hun rendement bedroeg destijds niet meer dan vier procent. Aanvankelijk werd deze techniek voor de stroomproductie alleen gebruikt in de ruimtevaart, want vroeger was de fabricage van zonnecellen nog erg duur en daarom oninteressant voor andere toepassingsgebieden. Door energiecrises en door het toegenomen milieubewustzijn werd in het midden van de jaren zeventig ook de opwekking van zonnestroom voor woongebouwen interessant. En met wettelijke maatregelen, zoals het Duitse 100.000-dakenprogramma, zijn aanzienlijke financiële stimulansen gecreëerd.

Zon, energiebron van de toekomst? De markt voor fotovoltaïsche installaties kent momenteel enorme groeipercentages. De Duitse wet op duurzame energie, het ‘Erneuerbare Energien Gesetz’ (EEG) ondersteunt de milieuvriendelijke, zelfgeproduceerde energie en garandeert een goed rendement door regelmatige inkomsten. Onder gunstige voorwaarden verdienen pv-installaties zichzelf al binnen een periode van tien jaar terug. Het mogelijke rendement hangt vooral af van de investeringskosten, de juiste afstelling van de modules en de mogelijke beschaduwing. De grootste kosten ontstaan bij pv-installaties door de modules. Daarbij komen kosten voor omvormers, bevestigingsconstructies en montage. De ontwikkeling van de pv-techniek bevindt zich in een razendsnelle ontwikkelingsfase. De zonnecellen en omvormers worden steeds krachtiger, effectiever en goedkoper, zodat kleine en middelgrote installaties met een toegekend vermogen van 1 kWp tot 30 kWp voor de particuliere, industriële en landbouwsector rendabel zijn en er voor vakmensen een belangrijk marktsegment is ontstaan. Door de stimuleringsprogramma’s, de acceptatie en het goede rendement steeg het in Duitsland geïnstalleerde vermogen van 1858 MW in 2005 naar 3808 MW in 2007. 33 2

Bij de opstelling van pv-installaties moet rekening worden gehouden met veel technische regels voor de aansluiting op en invoeding van het distributienet. Door de kwetsbare opstelling van de pv-modules op het dak lopen de installaties bovendien bijzonder hoge risico’s door bliksemontladingen en door bliksem veroorzaakte overspanningen, die kunnen leiden tot aanzienlijke schade aan de gevoelige modules en omvormers.

Principiële opbouw en functies De in een streng (Engels: string) in serie geschakelde pv-modules, die het zonlicht omzetten in een gelijkspanning (afbeelding 2), vormen in zijn geheel de zogenoemde zonnegenerator. De omvormer zet de door de pv-generator geleverde gelijkspanning om in een netconforme wisselspanning en voert de opgewekte energie naar het elektriciteitsnet. Een aparte meter registreert daarbij de teruggeleverde stroom die de netbeheerder dienovereenkomstig vergoedt. Voor de keuze van de componenten, de opbouw en de aansluiting op het laagspanningsnet moet rekening worden gehouden met tal van principes, bepalingen en voorschriften.

Eisen aan de DC-zijde De pv-strengleidingen zijn bedoeld om de afzonderlijke pv-modules onderling elektrisch met elkaar te verbinden. De schakeling van de modules hangt af van de opbouw van de omvormer en diens karakteristieken. Het ingangsspanningsbereik van de omvormer bepaalt hoeveel modules er in serie moeten worden geschakeld, respectievelijk maximaal kunnen worden geschakeld. Bij strengspanningen van meer dan 120 V moet al het materieel, bijvoorbeeld modules, leidingen en aansluitkasten, voldoen aan beschermingsklasse II (beveiliging door dubbele of verstevigde isolatie; vroeger: beschermingsisolatie). De pv-strengkabels en -leidingen die de afzonderlijke modules tot een streng verbinden, moeten voor de nullastspanningen (UOC STC) en de kortsluitstroom (ISC STC) worden ontworpen. Let op: Er mogen alleen gelijke modules worden aaneengeschakeld. De fabrikant of

de elektra-installateur moet de modules voorzien van adequate beveiligingen, om beschadiging van de modules te voorkomen. Zo bestaat het risico van keerstromen bij de parallelschakeling van meerdere strengen. Bij het inzakken van de spanning in een streng (bijvoorbeeld door beschaduwing of aardsluitingen) kan het gebeuren, dat de desbetreffende streng door een verandering van de stroomrichting als verbruiker fungeert en thermisch wordt beschadigd. Als tegenmaatregel kan er in serie naar de modules een sperdiode (ook keerstroom-, streng- of stringdiode genoemd) worden ingebouwd, wat een omgekeerde stroomrichting voorkomt. Er kan ook een strengzekering worden geplaatst, die uitschakelt bij een aardsluiting. Een ander gevaar wordt gevormd door de gedeeltelijke beschaduwing van afzonderlijke zonnecellen. Dat leidt tot een geringere instraling en dus tot een geringere stroom en daarmee samenhangend tot het inboeten aan vermogen van de gehele module. Bij pv-modules resulteren de afzonderlijke celspanningen in de serieschakeling bij elkaar opgeteld in een totaalmodulespanning. De maximaal geleverde modulestroom hangt af van de ‘zwakste cel’. Door de verhoogde weerstand van een afzonderlijk beschaduwde cel ontstaan er ‘hot spots’. Deze hete plekken kunnen eveneens leiden tot een thermische beschadiging van de module en een niet onaanzienlijke vermogensvermindering. Om ervoor te zorgen dat niet het gehele modulevermogen wordt beïnvloed, worden over een bepaald aantal cellen bypassdiodes geschakeld. De stroom van de module wordt bij beschaduwing van afzonderlijke cellen langs deze cellen geleid, zo wordt ook voorkomen dat zich hot spots voordoen.

Aansluitkast voor pv-opwekeenheid Om meerdere strengen aan te sluiten wordt vaak een aansluitkast voor de pv-opwekeenheid gebruikt (afbeelding 3). Deze bevat behalve de aansluitklemmen voor de pv-strengkabels en -leidingen al naar behoefte sperdiodes, strengzekeringen en onderdelen voor overspanningsbeveiliging. De strengstromen worden samen via twee pv-gelijkspanningsleidingen naar de pvomvormer geleid.


06-10-2009

13:04

Pagina 3


Deze zogenoemde pv-gelijkspanningshoofdleiding moet met betrekking tot de leidingdoorsnede berekend zijn voor de som van de strengstromen.

Ter beveiliging van de strengen moduleaansluitleidingen, ook bij een dubbele aardsluiting tegen overbelasting, moeten beide draden (+ en –) van de strengleiding 2. Principiële opbouw van een fotovoltaïsche installatie (bron: Bonhagen).

3. Aansluitkast voor pvopwekeenheid met overspanningsbeveiliging (bron: Phoenix Contact).

worden beveiligd met strengzekeringen, steeds volgens fabrieksaanwijzingen. Hiervoor worden vaak voor gelijkspanning geschikte, snelle smeltpatronen met een laag verliesvermogen gebruikt. De nominale waarde van de patroon moet voor een storingsvrije werking boven de kortsluitstroom van de modules liggen. De aansluitkast voor de pv-array kan ook passende scheidings- en meetklemmen voor een latere controle en meting van de strengstromen bevatten. De aansluitkast moet volgens DIN VDE 0100-712 worden voorzien van een adequate waarschuwing (afbeelding 4). De gelijkspanningszijde moet over het algemeen kortsluit- en aardsluitvast worden uitgevoerd. Dat wil zeggen, de DC-klemmen in de aansluitkast moeten ruimtelijk van elkaar worden gescheiden of op een andere manier worden afgeschermd, en de plusen minleidingen moeten als gescheiden leidingen (enkeladerig) worden uitgevoerd.

Kabels en leidingen

4. Voorbeeld van een

let op!

waarschuwing op de aansluitkast.

actieve delen ook na het scheiden van de pv-omvormer onder spanning! 5. Speciale kabels voor pv-installaties (bron: Multi Contact).

Omdat de door de module geleverde stroom bij hoge instraling bijna de kortsluitstroom (ISC STC) van de module kan bereiken, is beveiliging van de kabels en leidingen met conventionele beveiligingsmiddelen, zoals installatieautomaten of smeltpatronen, niet mogelijk, omdat deze pas aanspreken bij een veelvoud van hun nominale stroom. De leidingen moeten wegens de ontbrekende kortsluitbeveiliging aard- en kortsluitvast worden aangelegd en moeten zijn berekend voor de 1,25-voudige waarde van ISC STC. Voor de beveiliging van de modules moeten de fabrieksaanwijzingen in acht worden genomen. Wegens de hoge omgevingstemperaturen op het dak van wel 70 °C moet bij de keuze van de kabels en leidingen rekening worden gehouden met deze omgevingstemperatuur, en moet bij de keuze van de kerndoorsnede bij de stroombelastbaarheid de verhoogde temperatuur in rekening worden gebracht volgens DIN VDE 0298-4. De gelijkspanningsvastheid van de kabels en leidingen is een ander belangrijk keuzecriterium, die ter voorkoming van doorslagen boven de nullastspanning moet liggen. Vaak worden middelzware polychloropreenkabels van het type H07RN-F 1x4 mm2 33 3


06-10-2009

13:05

Pagina 4


verliesvermogens aan

AC-zijde

8A

16 A

24 A

1,5 mm2-kabel

17 W

67 W

152 W

2,5 mm2-kabel

10 W

41 W

92 W

4,5 mm2-kabel

6,3 W

25 W

57 W

Tabel 1. Verliesvermogens die als voorbeeld dienen bij verschillende kabeldiameters en wisselstromen.

gebruikt. De door sommige fabrikanten als zonneleiding voor een gebruikstemperatuur van 80 – 90 °C aangeboden leiding voldoet als dubbel geïsoleerde, enkeladerige leiding aan de eisen die worden gesteld aan de aard- en kortsluitvaste installatie en is geschikt voor gelijkspanningen tot 750 V. Voor pv-installaties worden ook speciale leidingen met een verhoogde weers- en temperatuurbestendigheid evenals spanningsvastheid aangeboden. Deze leidingen zijn afgestemd op de speciale omgevingscondities van pv-installaties en garanderen een lange levensduur van de pv-installatie (afbeelding 5). Voor de vaste installatie van leidingen en kabels vanaf de aansluitkast naar de omvormer zijn leidingen voor vochtige ruimten (NYM-O) of grondkabels (NYY-O) als enkeladerige leidingen geschikt, de doorsnede moet overeenkomstig de generatorkortsluitstroom worden gekozen. Een andere belangrijke berekeningsgrondslag voor de doorsnede van de kabel- en leidinginstallatie is het spanningsverlies. De verliezen die zich hierbij voordoen, verslechteren bij lange leidingen het totale rendement van de pv-installatie. Aan de DC-zijde is volgens DIN VDE 0100-712 een maximale spanningsval van één procent en aan de AC-zijde volgens DIN VDE 0100-520 van drie procent toegestaan. Voorbeeld: De aansluitleidinglengte van een streng met acht pv-modules bedraagt tot aan de aansluitkast 5 m (kerndoorsnede = 2,5 mm2). De modules hebben de volgende gegevens: UMPP = 30 V, IMPP = 6,8 A. De leidinglengte van de aansluitkast naar de omvormer bedraagt 20 m (kerndoorsnede = 4 mm2). Voor de spanningsval ΔU aan de gelijkspanningszijde geldt:

ΔU =

IMPP •2•I•100% 56

33 4

m Ω•mm2

•

A•UMPP

Door het omwerken van de vergelijking (1) en met inachtneming van ΔU = 1 % kan ook de minimumdoorsnede aan de gelijkspanningszijde worden berekend: A=

IMPP •2•I•100% 56

m Ω•mm2

•

1%•UMPP

De afzonderlijke procentuele spanningsverliezen verkrijgen we met de vergelijking (1):

ΔUPV,streng =

6,8•A•2•5m•100% m •2,5 mm2•(8•30V) 56 Ω•mm2

ΔUPV,streng = 0,202 %

ΔUPV,omvormer=

6,8•A•2•20m•100% m •4 mm2•(8•30V) 56 Ω•mm2

ΔUPV,omvormer = 0,506 % Voor het totale procentuele spanningsverlies volgt: ΔUTotaalDC = ΔUPV,streng + ΔUPV,omvormer ΔUTotaalDC = 0,202 % + 0,506 % = 0,708 % < 1 % De gekozen doorsneden zijn in dit voorbeeld voldoende ruim bemeten. Door de spanningsval op de leiding ontstaat een vermogensverlies van 12 W over de leiding

(0,708 % • 240 V • 6,8 A). Soortgelijke verliezen ontstaan aan de ACzijde (tabel). Omdat deze vermogensverliezen contant geld betekenen, moeten de leidingen niet te krap worden gedimensioneerd. Het verdient aanbeveling de leidingen zo te leggen dat ze beschermd zijn tegen directe zonbestraling (uv-straling) bijvoorbeeld in doorvoerbuizen, in de pvframebuizen of in de schaduw van de modules. Alle kabels en leidingen moeten zo worden bevestigd, dat deze niet door schuren door bijvoorbeeld wind worden beschadigd. Aan de aansluitdozen van de modules moeten zogenoemde druppellussen worden gevormd en er moeten kabelschroefkoppelingen worden gebruikt, zodat via de leidinginvoeringen geen vocht in de dozen kan binnendringen. Bij alle delen met scherpe randen moet de leiding mechanisch worden beschermd, hiervoor is onder andere randbeschermingsband geschikt. Alle verbindingspunten moeten de optredende stroom veilig kunnen voeren, ook bij relatief kleine gelijkspanningen bestaat door de hoge stromen brandgevaar. Belangrijk is dus een verbinding die goed vastzit, waarvoor vooral speciale steeksystemen (afbeelding 6) of veerdrukklemmen zeer geschikt zijn.

Bescherming tegen directe aanraking aan de gelijkspanningszijde Bij het opstellen van pv-installaties moeten de maatregelen voor het werken onder spanning, zoals in BGV A3 gedefinieerd, worden nageleefd. De gelijkspanningszijde kan niet spanningsvrij worden geschakeld, omdat er al bij geringe instraling spanning op de modules staat. Bij modulespanningen hoger dan 120 V moeten de modules voldoen aan beschermingsklasse II (afbeelding 7), hierdoor wordt de foutbescherming (bescherming tegen indirecte aanraking) gewaarborgd. 6. 3 mm-steeksysteem (MC 3), voorbeeld van een parallelschakeling van drie strengen (bron: Multi Contact).


06-10-2009

13:06

Pagina 5


Gelijkstroomhoofdschakelaar (DCvrijschakelpunt) eist dat voor het onderhoud aan pv-omvormers, voorzieningen voor het scheiden van de AC- en DC-zijde voorhanden moeten zijn. De gelijkstroomhoofdschakelaar moet het gelijkspanningscircuit onder nominale belasting veilig in alle polen kunnen scheiden. Hiervoor moeten tweepolige lastscheiders met een aangepast, door de fabrikant aangegeven schakelvermogen voor gelijkstromen worden gebruikt. Het los nemen van de aansluitklemmen van de omvormer geldt niet als scheiding, zoals bedoeld in de norm. Sommige fabrikanten van omvormers integreren al geschikte lastscheiders of schake-

lingen, die de aansluitklemmen bij het verwijderen van de afdekplaat van de aansluitklemmen vrij schakelen, zodat ze er in stroomloze toestand kunnen worden uitgetrokken. Pv-steekverbindingssystemen mogen over het algemeen niet bij belasting worden gescheiden, daarom moet de omvormer van tevoren worden uitgeschakeld. Het insteken en scheiden onder spanning bij nullast van de modules is echter toegestaan. Om een onnodige belasting van het DC-vrijschakelpunt te voorkomen, verdient het aanbeveling, allereerst de AC-zijde te scheiden.

DIN VDE 0100-712

7. Typeplaatje van een dubbel geïsoleerde module.

Digitale nieuwsbrief OTIB brengt vanaf september haar eigen digitale nieuwsbrief uit met korte nieuwsflashes, een overzicht van de komende activiteiten, informatie over bestaande projecten en regelingen en natuurlijk over nieuwe OTIB-projecten. Wie meer wil weten, vindt

otib-nieuws

nuttige links naar de website. Er zijn vanzelfsprekend geen kosten verbonden aan het ontvangen van deze nieuwsbrief. Aanmelden kan via [email protected].

Hèt jongerenevent van de technische installatiebranche! Ook dit najaar organiseert OTIB TopStartersdagen voor jonge werknemers tot en met 25 jaar. Hoog gewaardeerd door de deelnemers zelf en hun werkgevers. Een sportieve interactieve dag waarbij de deelnemers uiteenlopende vaardigheden krijgen aangereikt, maar vooral een dag waarop ze kunnen laten zien waar ze voor staan. Dennis van der Geest vervult wederom een prominente rol als ambassadeur van de technische installatiebranche en geeft een workshop over ‘doorzetten’. Meer informatie is te vinden op www.topstarters.otib.nl. De nieuwe TopStartersdagen zijn op: • 24 november 2009, NAC Stadion, Breda; • 2 en 3 december 2009, Amstelborgh, Amsterdam (2 december uitsluitend Installatiewerk Noord-Holland); • 8 december 2009, Stadion de Kuip, Rotterdam; • 10 december 2009, Philips Stadion, Eindhoven; • 14 januari 2010, Arke Stadion, Enschede; • 18 januari 2010, Papendal, Arnhem; • 21 januari 2010, Abe Lenstra Stadion, Heerenveen; • 25 januari 2010, Stadion Galgenwaard, Utrecht. ' Zorg dat uw werknemers erbij zijn en profiteren van de TopStartersBon ter waarde van 500 euro!'

Trends vertaald naar innovatiekansen De nieuwste innovatieve ontwikkelingen zijn terug te vinden in de technische installatiebranche. Dit blijkt wel uit de nieuwe website www.innovaties.otib.nl. De website biedt een uitgebreide database met relevante ontwikkelingen, trends en technologieën. Duurzaam en innovatie zijn hierbij de sleutelwoorden. Bedrijven in de technische installatiebranche kunnen op verschillende manieren zoeken naar innovaties. De innovatiethema’s variëren van hernieuwbare energie tot maatschappelijk verantwoord ondernemen. Het gaat hierbij overigens om bewezen innovaties die al in de branche worden toegepast. De website wordt, door voortdurend onderzoek binnen de branche, actueel gehouden zodat de kennisdeling optimaal is.

Kansen en bedreigingen Voor bedrijven die een ontwikkeling willen volgen en/of innovaties in de markt willen zetten, beantwoordt de nieuwe website ook vragen over de kansen en bedreigingen die het betreden van een (nieuw) marktsegment met zich meebrengt. Ook geeft de website informatie over welke investeringen op het gebied van bijvoorbeeld scholing, van belang kunnen zijn om adequaat op de ontwikkelingen in te spelen.

33 5


06-10-2009

13:06

Pagina 6

cursussen

fotowedstrijd

Cursusaanbod Installeren van PV-systemen op daken

Energiebewuste en duurzame dakrenovatie

Energiebewuste en duurzame dakrenovaties

Voor wie? Technisch leidinggevende, assistent dakbedekkingsmonteur, dakbedekkingsmonteur. Waar? www.bdaopleidingen.nl.

Voor wie? Management, projectleiders. Waar? www.bdaopleidingen.nl.

Voor wie? Stafmedewerkers woningcorporaties en gemeenten, kaderfunctionarissen van dakbedrijven en installatiebedrijven. Waar? www.bdaopleidingen.nl.

Installatietechnologie Voor wie? WO Bachelor, Waar? www.tue.nl.

HBO-gediplomeerde.

Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet’ Onder het motto ‘Zo moet het niet’ gaat Intech Elektro en ICT op zoek naar foto’s van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto’s worden geplaatst, kunnen rekenen op een technisch handboek van Isso ter waarde van maar liefst 245 euro. Het handboek bestaat uit twee delen en bevat ruim 1.400 pagina’s aan technische kennis. Wilt u alstublieft kort en bondig aangeven welke fouten te zien zijn op de foto en uiteraard ook uw naam en adres.

33 6

Mail of stuur uw foto’s naar: Redactie Intech Elektro en ICT ‘Zo moet het niet’ [email protected] Postbus 188 2700 AD Zoetermeer

Prijswinnaar van deze maand Hans Nordkamp van Reith Elektrotechniek & Telematica in Neede wint deze maand een Isso-handboek. Hij kwam deze situatie tegen in Tirana, de hoofdstad van Albanië. ‘Ik trof deze distributietrafo met verdeelkast aan in een woonwijk. De verdeelkast hing op ooghoogte en was zonder hulpmiddelen open te maken. De enige nog aanwezige zekeringen waren 630A!. Op de overige

plaatsen waren de mespatronen vervangen door losse VD-draden. Het appartement waar we verbleven had overigens alleen maar een kWh-meter met hoofdschakelaar. Enige vorm van overstroom- of kortsluitbeveiliging is blijkbaar niet noodzakelijk volgens de Albanese NEN 1010…' Het Isso-handboek is naar u onderweg, namens de redactie: Van harte gefeliciteerd!

Kijk voor meer foto’s van slecht uitgevoerde installaties op www.intechei.nl, Zo moet het niet.

Aansluiting van fotovoltaïsche installaties (1)

Recommend Documents