Browser information:

This website uses CSS3 & HTML5. It is recommended to use a modern browser with at least the following version number:

  • Chrome 29.0
  • Edge 12.0
  • Explorer 11.0
  • Firefox 28.0
  • Safari 9.0
  • Opera 17.0

Problems? please contact me.

Om zelf een zonnestroominstallatie te begrijpen of te ontwerpen, moet men iets weten van elektriciteit. Gelukkig niet zo heel erg veel. De belangrijkste begrippen zijn “vermogen”, “energie”, “spanning” en “stroom”. De meeste mensen kennen deze begrippen al. Ook “weerstand” is goed om te kennen, al is dit niet per se nodig.

Het is natuurlijk mogelijk om dit hoofdstuk over te slaan en pas terug te bladeren wanneer de behoefte aan deze informatie ontstaat. Wel wordt aangeraden om ten minste hoofdstuk 3.4 te lezen over “Vermogen en energie”.

3.1 Spanning

Iedereen is wel bekend met het begrip spanning. Een batterij heeft spanning zolang deze niet leeg is. Het lichtnet heeft ook spanning. Spanning is de drijvende kracht van de elektriciteit. Het duwt de elektriciteit als het ware voort.

Als we een spanning aansluiten op een elektrisch apparaat, dan gaat er een stroom lopen. De spanning “duwt” de stroom door het apparaat.

Spanning wordt uitgedrukt in Volt (V). Een auto-accu heeft meestal een spanning van 12 Volt, afgekort als 12V. Het lichtnet is 230V. Een Alkaline batterij heeft 1,5V. Het symbool voor spanning is de hoofdletter U, hoewel soms ook de letter V gebruikt wordt.

Spanning heeft een “polariteit”. Dat wil zeggen dat een spanningsbron een plus-kant en een min-kant heeft.

Er zijn twee types spanning, de wisselspanning en de gelijkspanning. Bij een gelijkspanning blijft de polariteit gelijk. De plus blijft plus en de min blijft min. Bij een wisselspanning verandert de polariteit voortdurend. Soms is de ene kant de plus, en korte tijd later de andere kant. Dit gaat zeer snel achter elkaar. Bij het lichtnet in Europa gebeurt dit 50 keer per seconde, dit wordt de frequentie genoemd die wordt uitgedrukt in Hertz. Wisselspanning wordt vaak aangegeven door een ~ teken achter het V symbool te plaatsen: 230V~

Gelijkspanning is niet altijd gelijk. Ook gelijkspanning zal vaak langzaam van waarde veranderen. Bijvoorbeeld de spanning van een accu die leeg raakt zal langzaam afnemen. Maar gelijkspanning zal nooit van polariteit veranderen.

Een accu, een batterij maar ook een zonnepaneel leveren gelijkspanning. Een dynamo en het lichtnet leveren een wisselspanning. Middels elektronica kan wisselspanning omgezet worden in gelijkspanning of een gelijkspanning in wisselspanning.

3.2 Stroom

Wanneer een apparaat op een spanning wordt aangesloten zal er een stroom gaan lopen. De stroom vloeit door het apparaat. Stroom wordt uitgedrukt in Ampère (A). Het symbool voor stroom is de hoofdletter I.

Het verschil tussen stroom en spanning is: Spanning staat op een apparaat. Stroom vloeit door het apparaat. De vergelijking met water dringt zich op: spanning is dan het hoogteverschil, en de stroom is het water dat naar beneden stroomt.

Als een te grote spanning op een apparaat wordt aangesloten dan kan als gevolg daarvan een te grote stroom gaan vloeien waardoor het apparaat stuk kan gaan. Het is echter nooit de spanning, maar altijd de stroom die een apparaat stuk maakt.

Zekeringen worden gebruikt om te verhinderen dat de stroom te groot wordt. Op een zekering staat daarom de stroomsterkte waarbij deze zal stukgaan of afslaan. Een 1 Ampère zekering gaat stuk als er meer dan 1A doorheen gaat, ongeacht de spanning. Of er nu een spanningsbron van 10V of 100V gebruikt wordt, een 1A zekering gaat stuk als er meer dan 1A doorheen gaat.

Spanning verplaatst zich zeer snel over een geleider. Over een koperen draad verplaatst het zich met bijna de lichtsnelheid (300.000 Km/sec). Speciale kabelconstructies kunnen de snelheid verlagen (in coaxkabel 200.000 Km/sec).

Stroom verplaatst zich vrij langzaam. In de orde van centimeters of op zijn best meters per seconde.

Deze ogenschijnlijke tegenspraak komt door de natuur van de elektriciteit: het beste voor te stellen als een lange keten van losse bolletjes in een goot. Zodra je tegen het ene einde van de bolletjes duwt, beweegt ook onmiddellijk het bolletje aan het andere uiteinde. Het effect is onmiddellijk (spanning) maar de verplaatsing (stroom) is traag.

3.3 Weerstand

Als spanning op een apparaat wordt aangesloten gaat er een stroom lopen, hoe kun je dan weten hoeveel stroom er gaat lopen?

Dat wordt bepaald door de weerstand. De weerstand is de mate waarin een apparaat tegenstand bied aan de stroom. Een weerstand van 0 betekent helemaal geen weerstand. Dit komt in het dagelijkse leven niet voor. Een lage weerstand betekent een grote stroom, en een hoge weerstand betekent weinig stroom. Het symbool voor weerstand is de hoofdletter R. De waarde (grootte) van een weerstand wordt uitgedrukt in Ohm, het symbool voor Ohm is het Griekse karakter Ω. In sommige literatuur wordt hiervoor ook de hoofdletter R gebruikt.

De verhouding tussen spanning, stroom en weerstand wordt gegeven door:

Spanning = Stroom x Weerstand

of in rekenkundige vorm:

U = I x R

Deze formule zullen we niet veel nodig hebben. Tenzij er problemen optreden. De meeste problemen treden op door de weerstand van kabels en verbindingen. Hier wordt in het hoofdstuk 12.4 “Bedrading” nader op ingegaan.

De voorstelling dat de stroom enkel bepaald wordt door de Ohmse weerstand is een versimpeling die alleen voor gelijkstroom over langere tijd geldt. Wisselstroom ondervind ook niet-Ohmse weerstand. Ik noem even de inductieve en de capacitieve last. Voor het ontwerpen van een zonnestroominstallatie zijn deze begrippen echter niet nodig.

3.4 Vermogen en energie

Om iets nuttigs te kunnen doen leert de natuurkunde ons dat er vermogen nodig is. Vermogen is de eigenschap om werk te kunnen verrichten. Om de tuin om te kunnen spitten moet men het vermogen (de kracht) daartoe hebben. Tijdens het spitten verbruikt men energie. Een automotor moet het vermogen (de kracht) hebben om de auto voort te duwen. Tijdens het rijden wordt energie verbruikt. Ook elektrische apparaten moeten het vermogen hebben om te kunnen werken. Tijdens het werken verbruiken de apparaten energie.

Het vermogen wordt uitgedrukt in Watt (W). Het symbool voor vermogen is de hoofdletter P.

Het elektrisch vermogen van een apparaat kan eenvoudig worden berekend door de spanning op een apparaat en de stroom door het apparaat met elkaar te vermenigvuldigen.

Vermogen = Spanning x Stroom

of in de rekenkundige vorm:

P = U x I

Deze formule is nodig bij het kiezen van de juiste componenten voor een noodstroominstallatie.

Vermogen is leuk en aardig, maar als er iets gedaan moet worden is er energie nodig. Om de hoeveelheid energie te berekenen moeten we het vermogen vermenigvuldigen met de tijd. Omdat vermogen in Watt wordt uitgedrukt ontstaat dan het begrip Watt-uur. In het Engels wordt uur vertaald met hour. Het symbool voor Watt-uur is Wh. Omdat we met een 1Wh niet veel kunnen beginnen zal vaker het begrip kWh gebruikt worden. 1kWh = 1.000Wh.

Om alles nog net iets ingewikkelder te maken wordt de hoeveelheid energie in een accu vaak uitgedrukt in Ampère-uur, symbool Ah. Een accu van 40Ah kan (theoretisch) 1 uur lang 40 Ampère aan stroom leveren. Hoe kom je nu van Ah naar Wh? Simpel: als het een 12V accu is en 40Ah capaciteit heeft dan kunnen we de vermogensformule gebruiken: 12V x 40A = 480W. Na 1 uur heeft de accu dan 480W x 1 uur = 480Wh aan energie geleverd. Een 12V 40Ah accu heeft dus een capaciteit van 480Wh. In de praktijk maakt de chemie van de accu de samenhang iets gecompliceerder. In hoofdstuk 6 “De Accu” wordt hierop nader ingegaan.

Omdat vermogen en energie in heel veel facetten van het leven gebruikt worden zijn er nog vele andere eenheden in gebruik. Bijvoorbeeld de bekende paardenkracht (1 Pk = 746 W).

Voor energie komen de begrippen Calorie en Joule ook veel voor. Joule is daarbij de meest universele term. 1 Joule is gelijk aan 1W gedurende 1 Seconde. 1 J = 1 Ws, dus 1kWh = 3.600J. Één Calorie is gelijk aan 4,2 Joule.

Een mens (topsporter) kan kortstondig ongeveer 750W aan vermogen leveren, 1 Pk. Langdurig valt dit terug tot ongeveer 100W. Een paard kan kortstondig tot wel 15 Pk leveren.

3.5 Duizendtallen

In de elektronica- en vermogensleer is het gebruikelijk om afkortingen te gebruiken voor duizendtallen. De bekendste zijn “kilo” (1.000) en “mega” (1.000.000 = 1.000 kilo).

Een gemiddeld huishouden verbruikt ca. 3.500.000Wh per jaar aan energie. Dit kunnen we ook schrijven als 3.500kWh of 3,5MWh

Bij noodstroominstallaties met zonnepanelen zal men waarschijnlijk geen mega tegenkomen. Maar het is mogelijk dat men bij stroomberekeningen wel eens “milli” kan tegenkomen. Een milli is 1/1.000. Bijvoorbeeld een LED lamp van 6W die op 230V wordt aangesloten trekt een stroom van 6W : 230V = 0,026A. Dit schrijven we dan als 26 mA.

De schrijfwijze van mega, kilo en milli kan verwarrend zijn. Mega wordt afgekort met de hoofdletter M, Kilo met de kleine letter k en milli met de kleine letter m.

Dus 1MW = 1.000kW = 1.000.000W = 1.000.000.000mW

3.6 Rendement

Rendement wordt vooral gebruikt bij energieomzetting. Het geeft het gedeelte van het ingangsvermogen aan dat bruikbaar omgezet wordt in het uitgangsvermogen. Een zonnepaneel zet bijvoorbeeld 17% van de invallende stralingsenergie om in bruikbare elektriciteit.

Rendement wordt uitgedrukt in procenten of fracties. Een rendement van 80% is gelijk aan een fractie van 0,8. Een rendement van 100% is gelijk aan een fractie van 1. Voor spreektaal gebruikt men vaak procenten, bij berekeningen juist fracties.

Bij energieomzetting is het rendement altijd kleiner dan 100% (kleiner dan 1 in fracties) vanwege de onvermijdelijke verliezen.

Een perpetuum mobile is een fictief apparaat dat meer dan 100% van de binnenkomende energie omzet in uitgaande energie. Gelukkig zijn deze apparaten fictief. (Een perpetuum mobile zou het universum van zijn voetstuk stoten.)

Voorbeelden: een 12V accu wordt 1 uur lang geladen met 10A. Nu is er 120Wh aan energie ingestopt. Maar helaas kunnen we er geen 120Wh uithalen. Het rendement van een accu ligt bij ca. 70 tot 80%. Zelfs onder optimale omstandigheden kunnen we er niet meer dan ca. 100Wh uit halen. De rest is verloren gegaan. Meestal in de vorm van warmte.

Tweede voorbeeld: een paneel levert een vermogen van 240W. Middels een acculader wordt hiermee een 12V accu geladen met een stroom van 19A. Het laadvermogen is dan 12V x 19A = 228W. Het rendement van de lader is dan 228W / 240W = 0,95 (= 95%). De overige 5% is verloren gegaan in de vorm van warmte. (Dit is de reden dat elektronica altijd goed gekoeld moet worden.)

Derde voorbeeld: Het licht dat op een zonnepaneel valt heeft een vermogen van 1.000W. Het paneel levert 140W aan elektrisch vermogen. Het paneel heeft dan een rendement van 0,14 of 14%. De rest van het vermogen is teruggekaatst of omgezet in warmte. (Inderdaad, ook een paneel moet zijn warmte goed kwijt kunnen.)

Om het uiteindelijke rendement van een keten van vermogenomzetters te berekenen moeten we de rendementen (uitgedrukt in fracties) van alle omzetters met elkaar vermenigvuldigen. Dit levert vaak teleurstellende resultaten op. Bijvoorbeeld voor een complete noodstroominstallatie met zonnepanelen: rendement paneel = 14%, rendement acculader = 95%, rendement accu = 80%, rendement 230V omvormer = 95%. Het rendement van de gehele keten is dan: 0,14 x 0,95 x 0,8 x 0,95 = 0,1 (opmerking: kabel- en contactverliezen zijn niet meegerekend). Ofwel slechts 10% van het vermogen in het zonlicht wordt aangeboden als elektriciteit aan de verbruiker.

Nadenkertje: 10% lijkt niet veel, maar overleg eens het volgende, bijna alle energie die we verbruiken komt uit het zonnelicht. Als we fietsen dan halen we de energie uit planten en vlees. Als we een elektrische scooter gebruiken dan kan dat via een zonnepaneel. Wat is nu een efficiënter gebruikt van zonne-energie? Je voelt hem al aankomen: wanneer we alleen naar het rijden kijken gebruikt de scooter minder zonne-energie dan de fietser. (We laten dan de fabricage etc even buiten beschouwing)

3.7 Serie en parallel

Wanneer we met stroom en spanning werken kunnen we de componenten in serie of parallel schakelen. Dit heeft verschillende uitwerkingen op de uiteindelijke spanning en stroom. In serie schakelen is bekend van vele apparaten waar batterijen in gebruikt worden: wanneer er meerdere batterijen in een zaklamp gedaan moeten worden, dan wordt de min van de ene batterij aan de plus van de andere batterij gelegd:

3_7_a-Serie_schakeling

Bij een serieschakeling van spanningsbronnen moeten de spanningen bij elkaar opgeteld worden. In het geval van de beide batterijen hierboven is het totaal 1,5V + 1,5V = 3V.

Indien we twee accu’s van 12V in serie zetten (de min pool van de ene aan de plus pool van de andere), dan is de spanning van beide accu’s samen 24V. Willen we een 24V accu gebruiken, maar kunnen we geen geschikte 24V accu vinden dan kunnen we gewoon twee 12V accu’s gebruiken. Sterker nog, een 12V loodzuuraccu is al een serieschakeling van 6 accucellen van elk 2V. Bij natte loodzuuraccu’s is dit vaak te herkennen aan de 6 doppen op de accu, één voor elke cel.

Zonnepanelen worden ook vaak in serie geschakeld. Levert 1 paneel een spanning van 36V, dan leveren 20 van deze panelen in serie geschakeld een spanning van 20 x 36V = 720V. Het is oppassen geblazen met dergelijk hoge spanningen! Potentieel levensgevaarlijk!

Stroom mag niet worden opgeteld bij serieschakeling. Uit het bovenstaande voorbeeld: de spanning van alle panelen samen is 720V. Maar als de stroom van 1 paneel maximaal 6A is, dan is de stroom van de in serie geschakelde panelen nog steeds maximaal 6A.

Een serieketen is wat de stroom betreft net zo sterk als zijn zwakste schakel. In een serieschakeling van panelen waarbij de meeste panelen 6A kunnen leveren, maar er 1 paneel tussenzit die slechts 3A kan leveren, zal ook de hele keten niet meer dan 3A kunnen leveren. Dit is met name belangrijk voor de serieschakelingen van (identieke!) zonnepanelen waarbij er op 1 paneel schaduw valt.

Vermogen en energie (capaciteit) mogen altijd bij elkaar opgeteld worden, of deze nu in serie geschakeld worden of wanneer ze parallel geschakeld zijn. Dit spreekt eigenlijk voor zichzelf: als men een bron heeft met een vermogen van 10W en men neemt nog een tweede bron met 20W dan heeft men in totaal 30W aan vermogen. Ongeacht hoe deze met elkaar verbonden worden.

Bij het parallel schakelen van spanningsbronnen wordt min aan min en plus aan plus gekoppeld. Bijvoorbeeld wanneer de accu van een auto leeg is, en de accu van een andere auto aangesloten wordt:

3_7_b-Parallel_schakeling

Bij parallelschakeling van spanningsbronnen moeten alle spanningsbronnen dezelfde spanning hebben. De spanning van alle bronnen samen is gelijk aan de spanning van 1 bron. Zou men de vergissing maken en bijvoorbeeld een 12V accu parallel schakelen met een 24V accu, dan zal de 24V accu proberen de 12V accu ook naar 24V te tillen. Gevolg is dat er een enorm grote stroom gaat lopen die tenminste één van de accu’s zal vernielen. Omdat spanningsbronnen vrijwel nooit helemaal identiek zijn is het beter om spanningsbronnen niet parallel te schakelen, met uitzondering van gelijkwaardige accu’s. Moeten er toch ongelijke spanningsbronnen parallel geschakeld worden, dan kunnen er diodes gebruikt worden die verhinderen dat de ene bron de andere probeert te verhogen. Dit is bijvoorbeeld wenselijk wanneer zonnepanelen parallel worden geschakeld.

De maximale stroom van een parallelschakeling is gelijk aan de som van de maximale stromen van elke individuele bron. Indien men 2 zonnepanelen parallel schakelt, de ene met een maximale stroom van 6A en de andere met een maximale stroom van 3A (middels diodes) dan is de maximale stroom die geleverd kan worden 6A + 3A = 9A.

Het bovenstaande verhaal van serie- en parallelschakelingen is geldig voor gelijkspanningen en gelijkstroom. Voor wisselstroom gelden andere regels. Dit komt omdat wisselstroom van polariteit verandert. Indien we bijvoorbeeld twee wisselspanningen in serie proberen aan te sluiten kan het voorkomen dat de ene spanning maximaal positief is terwijl de andere maximaal negatief is. In dat geval moeten we de momentele waardes optellen, niet de effectieve waardes. Zo kan het voorkomen dat 2 x 230V~ in serie gelijk wordt aan 0V. Het voert te ver om dit hier in detail te bespreken. Als regel geldt dat wisselspanningbronnen niet in serie of parallel geschakeld worden.

3.8 Aarde

Aarde heeft per definitie een elektrisch potentiaal van 0 volt. Aarde heet zo omdat het een lage elektrische weerstand met de aarde (onze planeet) heeft.

Een apparaat dat niet (goed) met de aarde verbonden is noemt men “zwevend”. Een zwevend apparaat kan een elektrisch potentieel opbouwen die zich bij aanraking door de persoon heen ontlaadt naar aarde. Men ervaart dan een schok. Deze kan naar omstandigheden gevaarlijk kan zijn. De sterkte van een schok hangt samen met het elektrisch potentieel (spanningsverschil) en de weerstand door het lichaam naar aarde. Een droge kurkvloer zal een veel hogere weerstand hebben dan wanneer men buiten in een plas water staat.

Theoretisch gezien is elk apparaat wel op de één of andere manier met de aarde verbonden. Maar tafelpoten, muren of wielen zijn geen goede elektrische geleiders. Bovendien is ook de elektrische weerstand van de bodem niet overal gelijk. Wanneer het mogelijk is dat zich op een apparaat een gevaarlijk hoog elektrisch potentiaal t.o.v. de aarde kan opbouwen dan is het beter om de buitenkant van dit apparaat te “aarden”. Een goede aarding heeft een lage weerstand naar het aardpotentiaal. Dit voorkomt het opbouwen van een elektrisch potentiaal. Het apparaat kan dan veilig aangeraakt worden.

Bij huisinstallaties is er tegenwoordig een zogeheten aardlek schakelaar aanwezig. De aardlek schakelaar heeft als functie om het lichtnet uit te schakelen zodra er ergens in huis een verbinding van het lichtnet naar aarde gemaakt wordt. Dit wordt bereikt door de stroom die het huis ingaat te vergelijken met de stroom die het huis uitgaat. Wanneer deze niet gelijk zijn moet er wel sprake zijn van een ongewilde aardverbinding. De aardlek schakelaar schakelt dan het lichtnet uit.

Behalve de randaarde van de stopcontacten is vaak ook de waterleiding op het aardpotentiaal net als de radiatoren en buizen van een CV installatie. Indien een huis een slechte verbinding heeft met het aardpotentiaal, dan kan er een elektrode in de vorm van een koperen staaf worden aangebracht om het contact te verbeteren.

3.9 Galvanische scheiding

Dit begrip komt men regelmatig tegen wanneer het om elektrische apparaten gaat die meerdere ingangen en/of uitgangen hebben. Een ingang (of uitgang) kan galvanisch gescheiden zijn van een andere ingang (of uitgang). Wanneer een ingang (of uitgang) galvanisch gescheiden is, dan wil dit zeggen dat er geen directe elektrische verbinding bestaat van die ingang (of uitgang) met de overige in- of uitgangen. Ook de behuizing van een apparaat kan al dan niet galvanisch gescheiden zijn van de in- of uitgangen. Voor apparaten die op het lichtnet worden aangesloten moet de behuizing altijd galvanisch gescheiden zijn van de lichtnet aansluiting. Wanneer een ingang galvanisch gekoppeld is aan een uitgang dan zal de spanning die op de ingang wordt aangesloten doorgegeven kunnen worden naar de uitgang, en omgekeerd. Dit is met name van belang bij netinverters. Zo zijn er netinverters in gebruik waarvan de lichtnet uitgang gekoppeld is met de paneel ingang. Dan is dus ook de 230V wisselspanning van het lichtnet op het paneel aangesloten. Op zich kan dit geen kwaad, en de installatie kan hiermee perfect functioneren. Ook de veiligheid is hierdoor niet in het geding zolang de panelen geen verbinding tussen één van hun polen en het metalen frame hebben. In bijzondere installaties, zoals die in hoofdstuk 2.4.3.2, moet men echter wel rekening houden met galvanisch gekoppelde in- en uitgangen. Hier worden namelijk netinverters met 1 draad aan elkaar verbonden. Indien deze ingang niet galvanisch ontkoppeld is kan het tot kortsluitingen komen. Deze kortsluiting is dan afhankelijk van de manier waarop de stekker in het stopcontact wordt gestoken. Het is mogelijk dat een installatie (per toeval) jarenlang goed werkt, waarna om de één of andere reden de stekker uit het stopcontact gehaald wordt. Wanneer na enige tijd de stekker weer in het stopcontact gestoken wordt, maar nu omgekeerd, zal er kortsluiting ontstaan. Dit zorgt dan voor grote raadsels, immers de installatie werkte toch altijd perfect? Dit wordt in de onderstaande figuren verduidelijkt:

3_9_a-Geen_kortsluiting

De stippellijn is gebruikt om aan te geven dat de netinverter geen galvanische scheiding heeft tussen ingang en uitgang.

3_9_b-Kortsluiting

In bovenstaand figuur zijn de netinverters correct aangesloten op het lichtnet, er is geen kortsluiting. In onderstaand figuur is alleen van de onderste netinverter de stekker andersom in het stopcontact gestoken. Dit is voldoende om kortsluiting te veroorzaken.

De kortsluiting is geïllustreerd door middel van de dikkere rode lijn.

Browser information:

This website uses CSS3 & HTML5. It is recommended to use a modern browser with at least the following version number:

  • Chrome 29.0
  • Edge 12.0
  • Explorer 11.0
  • Firefox 28.0
  • Safari 9.0
  • Opera 17.0

Problems? please contact me.