Zonnepaneel, accu, MPPT en belasting berekenen

Een autonoom zonnesysteem dimensioneert u in deze volgorde: bepaal eerst het dagelijkse energieverbruik, bereken daarna de benodigde accuopslag, bepaal vervolgens het PV-vermogen voor de ongunstigste ontwerpmaand en controleer ten slotte of de MPPT-regelaar alle spanningen, stromen en laadvermogens aankan. Losse componentberekeningen zijn niet voldoende: paneel, accu, regelaar, bekabeling en belasting moeten elektrisch én energetisch op elkaar aansluiten.

Gebruik daarvoor één werkblad waarin alle aannames zichtbaar blijven. Noteer niet alleen nominale wattages en watturen, maar ook gebruiksduur, omzettingsverliezen, temperatuur, schaduw, gewenste autonomieduur en tijd voor het opnieuw laden van de accu.

Maak een werkblad voor belasting en dagelijks energieverbruik

Begin met een inventarisatie van ieder apparaat dat door het systeem wordt gevoed. Gebruik bij voorkeur gemeten vermogens of maximale waarden uit actuele datasheets. Etiketwaarden kunnen hoger zijn dan het normale verbruik, maar uitsluitend rekenen met een laag gemiddeld vermogen kan leiden tot een te klein systeem.

Bereken per belasting:

Dagelijks energieverbruik in Wh = vermogen in W × gebruiksduur in uren per dag

Voor continu ingeschakelde apparatuur is de gebruiksduur 24 uur. Belastingen met nachtmodus, verwarming, infraroodverlichting, ventilatoren of periodieke radio-uitzendingen moeten als afzonderlijke bedrijfsstanden worden opgenomen.

Onderdeel	Aantal	Vermogen per stuk	Uren per dag	Energie per dag
Camera, hypothetisch	2	8 W	24 uur	384 Wh
Draadloze verbinding	1	7 W	24 uur	168 Wh
Netwerk- of verdeelapparaat	1	5 W	24 uur	120 Wh
Nachtverlichting	1	12 W	12 uur	144 Wh
Totaal aan belastingen				816 Wh

Dit is een rekenvoorbeeld, geen voorspelling voor een echte installatie. Controleer onder meer het verbruik van camera’s met ingeschakelde infraroodleds, radiosystemen bij maximale zendactiviteit en netwerkapparatuur met alle poorten belast.

Verwerk omzettings- en kabelverliezen

Wanneer de apparatuur via DC/DC-omvormers, PoE-converters of een inverter wordt gevoed, is het accuverbruik hoger dan het verbruik aan de uitgang.

Een eenvoudige werkbladformule is:

Benodigde dagelijkse accu-energie = dagelijkse belasting ÷ totaal rendement

Bij 816 Wh belasting en een verondersteld totaal rendement van 90%:

816 Wh ÷ 0,90 = 907 Wh per dag

Gebruik 90% niet automatisch. Vul het rendement van de gekozen converter, bekabeling en andere vermogenselektronica in. Bij meerdere omzettingstrappen moeten de rendementen met elkaar worden vermenigvuldigd.

Neem daarnaast op:

• inschakelpieken en tijdelijke hoge belastingen;
• extra verbruik bij lage temperaturen;
• eigenverbruik van MPPT, converters en communicatieapparatuur;
• spanningsverlies over lange DC-kabels;
• toekomstige uitbreiding van camera’s, radio’s of sensoren;
• belastingen die rechtstreeks op de accu blijven werken wanneer de controller uitschakelt.

Voor een uitgebreider voorbeeld rond bewakingsapparatuur kunt u ook de handleiding voor het dimensioneren van een autonoom zonnesysteem voor CCTV gebruiken.

Bereken de accuopslag vanuit de gewenste autonomie

Accucapaciteit wordt bepaald door de dagelijkse energiebehoefte, het gewenste aantal dagen zonder bruikbare zon, de toegestane ontladingsdiepte en de verliezen bij ontladen.

Gebruik:

Nominale accu-energie = dagelijkse accu-energie × autonomiedagen ÷ bruikbare capaciteitsfractie ÷ ontlaadrendement

Stel voor het hypothetische systeem:

• dagelijkse accu-energie: 907 Wh;
• autonomie: 2 dagen;
• bruikbare capaciteitsfractie: 80%;
• ontlaadrendement: 95%.

Dan volgt:

907 × 2 ÷ 0,80 ÷ 0,95 = 2.387 Wh nominale accu-energie

Bij een nominale accuspanning van 12,8 V:

2.387 Wh ÷ 12,8 V = circa 186 Ah

Deze uitkomst is een eerste dimensionering. Gebruik voor een echt ontwerp de toegestane ontladingsdiepte, uitschakelspanning, temperatuurcorrectie en maximale ontlaadstroom uit de actuele accudocumentatie.

Nominale Wh zijn geen gegarandeerde gebruiksenergie

Een accu van 12,8 V en 60 Ah heeft rekenkundig een nominale energie van:

12,8 V × 60 Ah = 768 Wh

Dat betekent niet dat 768 Wh volledig aan de belasting wordt geleverd. De werkelijke bruikbare energie hangt onder meer af van:

• de uitschakelgrens van het batterijbeheersysteem;
• de laagspanningsbeveiliging van de controller;
• het spanningsbereik van de aangesloten apparatuur;
• kabel- en omzettingsverliezen;
• laadstatus bij aanvang;
• batterijtemperatuur;
• accuveroudering en de gekozen reservemarge.

Controleer ook de volledige spanningscurve. Een systeem dat “12 V” wordt genoemd, werkt niet voortdurend op exact 12 V. Zowel de aangesloten belasting als eventuele DC/DC-converters moet geschikt zijn voor de minimale en maximale accuspanning tijdens laden en ontladen.

Autonomie en herlaadtijd zijn verschillende eisen

Twee dagen autonomie betekent niet dat de accu na slecht weer binnen één zonnige dag volledig is herladen. Het PV-systeem moet tegelijk de dagelijkse belasting voeden en het opgebouwde energietekort aanvullen.

Als na een donkere periode bijvoorbeeld 1.800 Wh moet worden teruggeladen en u daarvoor drie geschikte zonnedagen toestaat, komt boven op de normale belasting gemiddeld nog ongeveer 600 Wh per dag, vóór laadverliezen. Dit kan het benodigde PV-vermogen aanzienlijk verhogen.

Schat de PV-opbrengst voor de ontwerpmaand

Dimensioneer een autonoom systeem niet met een jaargemiddelde als het ook in de winter moet functioneren. Kies de maand waarin de combinatie van zoninstraling, temperatuur, schaduw en belasting het ongunstigst is. Voor Nederlandse buiteninstallaties is de lage winterinstraling vaak bepalend, terwijl het energieverbruik door verlichting of verwarming juist kan toenemen.

Gebruik locatiespecifieke instralingsgegevens voor de werkelijke paneeloriëntatie en hellingshoek. Leg in het werkblad vast uit welke gegevensbron en welk meetjaar of langjarig gemiddelde de aanname afkomstig is.

Een praktische formule is:

Benodigd PV-vermogen = dagelijkse energiebehoefte ÷ equivalente zonuren ÷ systeemfactor

Stel:

• dagelijkse energie die moet worden opgewekt: 907 Wh;
• ontwerpwaarde: 2 equivalente zonuren per dag;
• systeemfactor na temperatuur-, regelaar-, kabel- en vervuilingsverliezen: 0,75.

Dan wordt:

907 Wh ÷ 2 uur ÷ 0,75 = 605 Wp

De genoemde twee zonuren en systeemfactor zijn uitsluitend rekenwaarden. Gebruik ze niet zonder verificatie voor een locatie of maand.

Voeg herstelcapaciteit toe

Wanneer het systeem na een periode met weinig zon moet herstellen, telt u de gewenste dagelijkse herlaadenergie bij de belasting op:

PV-energiedoel = dagelijkse belasting + dagelijkse herstelenergie

Vervolgens:

PV-vermogen = PV-energiedoel ÷ ontwerpzonuren ÷ systeemfactor

Controleer daarbij of de accu de berekende laadstroom mag accepteren. Meer zonnepanelen plaatsen helpt niet wanneer de MPPT-regelaar of het batterijbeheersysteem de laadstroom begrenst.

Houd verder rekening met:

• slagschaduw van gebouwen, masten, bomen en antennes;
• gedeeltelijke schaduw op afzonderlijke modules;
• afwijkende oriëntaties van meerdere panelen;
• vervuiling, sneeuw en tijdelijk afgedekte panelen;
• montagehoek en ventilatie;
• kabelverliezen tussen panelen en controller;
• begrenzing van het laadvermogen wanneer de accu bijna vol is.

Controleer spanning, stroom en vermogen van de MPPT

Een MPPT-regelaar moet aan drie afzonderlijke zijden worden gecontroleerd: de PV-ingang, de accu-uitgang en de belastingsuitgang. Een regelaar kan qua wattage passend lijken, maar alsnog ongeschikt zijn door een te hoge openklemspanning of laadstroom.

Wie de werking eerst wil vergelijken, vindt meer achtergrond in MPPT tegenover PWM voor buiteninstallaties.

Controle 1: koude openklemspanning

De openklemspanning van een zonnepaneel stijgt bij lage celtemperaturen. Controleer daarom nooit alleen de nominale bedrijfsspanning.

Voor panelen in serie:

Totale Voc bij standaardcondities = aantal seriepanelen × Voc per paneel

Corrigeer dit vervolgens voor de laagste verwachte celtemperatuur met de temperatuurcoëfficiënt uit de moduledatasheet:

Voc bij koude = totale Voc × temperatuurcorrectiefactor

De uitkomst moet onder de maximale toegestane PV-ingangsspanning van de controller blijven, inclusief de voorgeschreven ontwerpmarge. Gebruik niet op eigen initiatief een algemene temperatuurfactor wanneer de specifieke coëfficiënt beschikbaar is.

Controle 2: maximale PV-ingangsstroom

Bij parallel geschakelde panelen worden de stromen bij elkaar opgeteld:

Totale Isc = aantal parallelle strings × Isc per string

Pas daarna de veiligheids- of ontwerpfactor toe die wordt voorgeschreven door de controllerdocumentatie en de geldende ontwerpregels. Controleer zowel:

• de maximale kortsluitstroom van de PV-ingang;
• de maximale bedrijfsstroom;
• toegestane aantallen parallelle strings;
• eisen voor zekeringen en scheidingsmiddelen.

Seriepanelen verhogen hoofdzakelijk de spanning; parallelle strings verhogen hoofdzakelijk de stroom.

Controle 3: laadstroom naar de accu

De laadstroom aan de accuzijde kan veel hoger zijn dan de stroom aan de PV-zijde. Een benadering is:

Laadstroom ≈ beschikbaar PV-vermogen × regelaar­rendement ÷ laadspanning

Een array van 400 W kan bij een laagspanningsaccu dus een laadstroom van tientallen ampères veroorzaken. Controleer de uitkomst tegen:

• de maximale laadstroom van de MPPT;
• het maximaal toegestane PV-vermogen bij de gekozen accuspanning;
• de maximale laadstroom van accu en batterijbeheersysteem;
• kabeldoorsnede, connectoren, zekeringen en thermische omstandigheden.

Sommige controllers staan een beperkt PV-oververmogen toe en begrenzen dan de uitgang. Neem dit alleen mee als de actuele handleiding het expliciet toestaat.

Stem acculaden en belastingsuitgangen op elkaar af

De laadinstellingen moeten bij de exacte accuchemie en accudocumentatie passen. Controleer absorptie- of laadspanning, druppellaadgedrag, herstartspanning, laagspanningsuitschakeling en eventuele temperatuurcompensatie. Instellingen die voor loodaccu’s bedoeld zijn, mogen niet automatisch op LiFePO4 worden toegepast.

Let bij LiFePO4 in het bijzonder op de toegestane laadtemperatuur. Het batterijbeheersysteem kan laden bij lage temperatuur blokkeren, maar u mag niet aannemen dat iedere accu deze beveiliging bevat. Controleer de documentatie en bepaal wat er met de belasting gebeurt wanneer PV-energie beschikbaar is maar de accu niet mag laden.

Controleer de DC-belastingsuitgang

Een controller met een belastingsuitgang kan beperkingen hebben die losstaan van zijn laadvermogen. Noteer:

• maximale continue uitgangsstroom;
• toegestane piekstroom;
• totaalvermogen over alle uitgangen;
• uitgangsspanning en spanningsbereik;
• zekering per circuit;
• uitschakel- en herstartdrempels;
• programmeerbare dag-, nacht- of tijdschema’s.

Tel de stromen van alle gelijktijdig actieve apparaten op. Gebruik voor lange kabels ook een spanningsvalberekening:

Spanningsverlies = stroom × totale leidingweerstand

Controleer de spanning bij het verste apparaat onder maximale belasting, niet alleen bij de controller. Te dunne kabels kunnen storingen veroorzaken voordat de accu werkelijk leeg is.

Gedocumenteerde systemen als referentie

Voor een vergelijking van systeemverhoudingen documenteert Maxsol de CS12060 met 120W-paneel en 768Wh LiFePO4-accu. Dit systeem vermeldt een 12,8V 60Ah-accu, MPPT-regeling en drie DC12V-uitgangen.

Een groter gedocumenteerd voorbeeld is de CS400150 met 400W aan panelen en 1920Wh LiFePO4-accu. Daarbij bestaat de paneelconfiguratie uit twee modules van 200 W en worden een 12,8V 150Ah-accu, MPPT-regeling en vier DC12V-uitgangen vermeld.

Deze systemen zijn referentievoorbeelden, geen vrij uitwisselbare componentrecepten en geen belofte van een bepaalde autonomieduur. Controleer vóór selectie altijd de geleverde controllerconfiguratie, PV-spannings- en stroomlimieten, het batterijprofiel, de laadtemperaturen, beveiligingen en het toegestane vermogen van de DC-uitgangen.

Test en documenteer het definitieve ontwerp

Een eindberekening moet niet alleen onder gemiddelde omstandigheden kloppen. Voer minimaal de volgende scenario’s door:

1. Normale ontwerpdag: alle gebruikelijke belastingen en verwachte zonopbrengst.
2. Donkere dag: minimale PV-opbrengst terwijl de belasting normaal doorgaat.
3. Volledige autonomieduur: controle van bruikbare accu-energie en uitschakelgrenzen.
4. Herstel na ontlading: dagelijkse belasting plus gecontroleerde herlaadcapaciteit.
5. Koude zonnige ochtend: hoogste PV-openklemspanning.
6. Warme zonnige middag: lager paneelrendement en hogere kasttemperatuur.
7. Maximale gelijktijdige belasting: alle camera’s, radio’s, verlichting en converters actief.
8. Defect of onderhoud: gedrag bij een uitgeschakeld paneel, losse string of afgekoppelde accu.

Documenteer vervolgens in één revisiebeheerbaar werkblad:

• apparaat, aantal, vermogen en gebruiksduur;
• normaal, maximaal en piekverbruik;
• dagelijkse Wh inclusief verliezen;
• autonomiedagen en bruikbare accufractie;
• nominale en bruikbare accu-energie;
• ontwerpmaand en gebruikte instralingswaarde;
• PV-vermogen en hersteltermijn;
• serie- en parallelschakeling van panelen;
• Voc bij lage temperatuur en totale Isc;
• maximale MPPT-ingangs- en laadstroom;
• accu-laadprofiel en temperatuurgrenzen;
• kabeldoorsneden, lengtes, zekeringen en spanningsverlies;
• limieten van elke belastingsuitgang;
• aannames, datasheetversies en resterende marges.

Veelvoorkomende fouten zijn rekenen met nominale accu-Wh als volledig bruikbare energie, winterdimensionering baseren op jaargemiddelden, alleen het MPPT-wattage controleren, herstelenergie vergeten en aannemen dat ieder 12V-apparaat het volledige spanningsbereik van een 12,8V-accu accepteert.

De praktische vervolgstap is het eigen werkblad naast de twee gedocumenteerde Maxsol-systemen te leggen. Vergelijk daarbij het benodigde aantal DC- en netwerkpoorten, de continue en piekbelasting, kabelafstand, paneel- en laadvermogen, omgevingscondities en gewenste beheerfuncties. Zo wordt zichtbaar welk systeem binnen de geverifieerde elektrische grenzen past en waar aanvullende controle van actuele datasheets nodig blijft.