Instralingsdiagram Nederland.

Daglicht en zonnepanelen.

Zonnepanelen maken electriciteit van daglicht. Hoe meer daglicht een zonnepaneel ontvangt des te meer electriciteit er wordt opgewekt.

Daglicht is afkomstig uit de hemelkoepel. Het lijkt dus logisch om een zonnepaneel plat (horizontaal) te plaatsen met vrij zicht op de hemelkoepel. Helaas is dit niet zo omdat sommige delen van de hemelkoepel "lichter" zijn dan andere.

Voor een maximale opbrengst moet het zonnepaneel daarom gericht worden op dat deel van de hemelkoepel met het meeste daglicht.

Bij een plat dak- of een grond- opstelling kan men de meest gunstige orientatie (=kompasrichting) en hellingshoek zelf kiezen. Echter, bij schuine daken ligt de orientatie en hellingshoek al vast en valt er weinig tot niets te optimaliseren.

In beide gevallen blijft de vraag hoeveel daglicht de zonnepanelen precies gaan "oogsten". Met een instralingsdiagram kan die vraag beantwoord worden.


Wat is een instralingsdiagram.


Een instralingsdiagram is een figuur waarin staat hoeveel daglicht een zonnepaneel ontvangt voor een bekende orientatie en hellingshoek.

Daglicht wordt gemeten met een zogenaamde pyranometer. Dit meetinstrument bevat een lichtgevoelige sensor die het daglicht meet op een horizontaal vlak. In Nederland wordt het daglicht gemeten door het KNMI op ruim 30 verschillende locaties.

Het gemeten daglicht kan met een daglichtmodel worden omgerekend naar een schuin vlak. In een instralingsdiagram wordt dan aangegeven hoeveel daglicht dit schuine vlak ontvangt ten opzichte van het horizontale vlak. Deze verhouding wordt de tilt-factor genoemd.

Bij een tilt-factor groter dan 100% ontvangt het schuine vlak MEER daglicht dan het horizontale vlak. Bij een tilt-factor kleiner dan 100% ontvangt het schuine vlak MINDER daglicht dan het horizontale vlak.

Een instralingsdiagram toont de tilt-factoren voor elke orientatie en hellingshoek.


Waarom een nieuw instralingsdiagram voor Nederland.

Begin jaren negentig is door Ecofys Consultancy al eens een instralingsdiagram gemaakt voor Nederland. Onderzoek door Siderea laat echter zien dat de tilt-factoren in dit diagram veel hoger zijn dan redelijkerwijs verwacht mag worden.

Verwarrend is bovendien dat Ecofys gebruik maakt van een soort fictieve "tilt-factor" die is gerelateerd aan de straling ontvangen op een schuin vlak met optimale orientatie en hellingshoek.

Een correcte tilt-factor wordt uiteraard gerelateerd aan het horizontale vlak omdat daglicht, per definitie, gemeten wordt op het horizontale vlak.

Een andere reden is dat de afgelopen 15 jaar de jaarlijkse hoeveelheid daglicht fors is toegenomen. Die verandering (van klimaat) heeft invloed op de tilt-factor zoals te zien is in de onderstaande afbeelding.

De afbeelding toont de tilt-factoren berekend voor verschillende hellingshoeken van een schuin vlak gericht op het zuiden. Duidelijk is te zien dat in een jaar met veel daglicht (2003) de tilt-factoren aanzienlijk hoger zijn dan in een jaar met weinig daglicht (1998).
Stacks Image 31

De tilt-factor is sterk afhankelijk van de hoeveelheid daglicht (jaarlijkse instraling).

Realisatie van het nieuwe instralingsdiagram (the making of...)

Voor het nieuwe instralingsdiagram zijn de meetgegevens gebruikt van het KNMI station De Bilt. De gebruikte meetreeks beslaat de periode van 1996 t/m 2015 (20 jaar).
Meetgegevens van alle KNMI stations zijn eenvoudig te downloaden op de website van het KNMI.

De gemeten horizontale (globale) straling is vervolgens met een daglichtmodel omgerekend naar een schuin vlak. Als daglichtmodel is gebruik gemaakt van de Siderea PV Simulator (versie 8).

De uiteindelijke tilt-factor wordt verkregen door de berekende straling op het schuine vlak te delen door de gemeten horizontale straling.

Voor dit instralingsdiagram zijn tilt-factoren berekend van ruim 15.000 orientaties en hellingshoeken.


Visualisatie (Van Ravenhorst Engineering).

Met Van Ravenhorst Engineering onderhoudt Siderea goede contacten. Zo hebben wij al eens uitgezocht of Nederland autonoom kan draaien op alleen wind- en zonne-energie.

Ditmaal heeft Van Ravenhorst Engineering, geheel belangeloos, de visualisatie van het instralingsdiagram ter hand genomen. Daarbij is gebruik gemaakt van het open-source programma Gnuplot.

Polair diagram.
De door Siderea berekende tilt-factoren zijn geplot in een cirkelvormige grafiek (polar plot). De "spaken" in de grafiek geven daarbij de kompasrichting aan (N, O, Z, W, enz). De cirkels geven de hellingshoek aan (0 - 90 graden).

Contourlijnen.
Tilt-factoren met gelijke waardes worden met elkaar verbonden zodat er contourliijnen ontstaan. De contourlijnen zijn voorzien van "labels" (waarde van de tilt-factor in %). Schuine vlakken met een 100% contourlijn ontvangen dus net zoveel daglicht als een horizontaal vlak.

Tot slot is het diagram ingekleurd waarbij de kleur bepalend is voor de waarde van de tilt-factor. Hoge tilt-factoren zijn geel en oranje, lage tilt-factoren zijn rood.


Het nieuwe instralingsdiagram.

Stacks Image 72

Instralingsdiagram voor schuine vlakken met vrij zicht op de horizon. De 100% contourlijn komt overeen met 1007 kWh/m2 daglicht.

Tilt-factor en daglicht in de praktijk.

De tilt-factoren in het instralingsdiagram zijn berekend voor schuine vlakken die vrij zicht hebben op de horizon. Helaas is in de praktijk meestal geen sprake van een "vrije horizon".

Door bebouwing, bomen of andere obstakels zal het zicht op de horizon belemmerd worden. Een pyranometer wordt daarom altijd in "open" terrein geplaatst met een redelijk vrij zicht op de horizon zoals agrarische gebieden of vliegvelden.

Door aanwezige "horizonvervuiling" zal de tilt-factor lager uitvallen omdat de hemelkoepel deels wordt afgeschermd, resulterend in minder daglicht. Met name in woonwijken en bosrijke gebieden kan er sprake zijn van ernstige "beschaduwing" door horizonvervuiling.


Instralingsdiagram en opbrengst van zonnepanelen.

Zoals opgemerkt is de opbrengst uit een zonnestroominstallatie (grotendeels) afhankelijk van de hoeveelheid daglicht dat OP het zonnepaneel valt. Hierdoor is de (universele) formule om de opbrengst van een zonnestroominstallatie te berekenen zeer eenvoudig van opbouw, namelijk:

opbrengst = daglicht x vermogen zonnepanelen x ( 1 - verliezen )

Opbrengstdiagram.

Een instralingsdiagram is erg nuttig en leerzaam, maar liever willen we direct de opbrengst uit het diagram kunnen aflezen.

Omdat de Siderea PV Simulator gemaakt is om opbrengsten te berekenen is ook voor alle 15.000 hellingshoeken en orientaties een uniek opbrengstdiagram berekend en gevisualiseerd op dezelfde wijze als het instralingsdiagram.

Er is rekening gehouden met een horizonvervuiling van 5 graden. Dat betekent dat de hemelkoepel pas zichtbaar is vanaf 5 graden boven de horizon. In de praktijk is dan sprake van "onbeschaduwde" zonnepanelen.

In het onderstaande opbrengstdiagram wordt de gemiddelde jaaropbrengst uitgedrukt in kiloWattuur per kiloWattpiek (kWh/kWp).
  • Watt-uur (Wh) is de geleverde electrische energie.
  • Watt-piek (Wp) is het nominale vermogen van de zonnepanelen.
  • Kilo (k) is duizend.


Performance Ratio.


Merk op dat de contourlijnen in beide diagrammen, qua VORM, zo goed als gelijk zijn. Dit geeft aan dat de factor (1-verliezen) in de opbrengstformule nagenoeg constant is. Deze factor wordt de Performance Ratio (PR) genoemd. De PR van de zonnnestroominstallatie in dit opbrengstdiagram bedraagt gemiddeld 85%.


Het opbrengstdiagram.

Stacks Image 80

Opbrengstdiagram voor schuine vlakken met 5 graden obstructie boven de horizon.