februari 2001 ECN-C--01-010 Technische Monitoring van 80 PV-systemen te Apeldoorn N.J.C.M. van der Borg M.J. Jansen
Verantwoording Dit rapport is opgesteld in opdracht van NUON International / Duurzame Energie in het kader van de monitoringsactiviteiten aan PV-installaties op woningen in Apeldoorn. De hier gerapporteerde werkzaamheden vormen onderdeel van de opdracht van NUON d.d. 11 februari 1997 (ref. opdrachtgever: JDW/970041). Het ECN projectnr. is 7.4429. 2 ECN-C--01-010
Nomenclatuur A Totaal celoppervlak van het array [m2] E a Gelijkstroomenergie opgenomen door de inverter [Wh] E a 25 idem, gecorrigeerd naar een moduletemperatuur van 25 ºC [Wh] E fi Wisselstroomenergie geleverd door de inverter [Wh] E idem [Wh] E tu deel van E dat aan het openbare net geleverd is [Wh] E dir deel van E dat direct in de betreffende woning verbruikt is [Wh] E load Elektriciteitsverbruik in de woning [Wh] Eta dc Gelijkstroomrendement bepaald uit A, E a en H i [%] Eta dc 25 idem, gecorrigeerd naar een moduletemperatuur van 25 ºC [%] Eta inv Conversierendement van de inverter bepaald uit E a en E fi [%] Eta sys Systeemrendement bepaald uit A, E fi en H i [%] G i Instraling in het arrayvlak, gemeten met een referentiecel en gecorrigeerd naar een Tm van 25 º C [W/m 2 ] I a Gelijkstroom aan de ingang van de inverter [A] H i Instralingsenergiedichtheid verkregen uit G i [kwh/m 2 ] H o Instralingsenergiedichtheid in het horizontale vlak verkregen met een pyranometer [kwh/m 2 ] MF Beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem Monitoring fraction [%] PR Opbrengstfactor (Performance Ratio) [%] P a Gelijkstroomvermogen opgenomen door de inverter [W] P fi Wisselstroomenergie geleverd door de inverter [W] P L In de woning opgenomen wisselstroomvermogen (aangeleverd door de inverter en/of het openbare net) [W] P DL Direct in de woning opgenomen P fi [W] P STC Totaal arrayvermogen bij STC [W p ] STC Standaard Test Condities T m moduletemperatuur [º C] U a Gelijkspanning aan de ingang van de inverter [V] Y f Final yield, E fi op jaarbasis per P STC [kwh/kw p ] Y 1000 Y f voor een klimatologisch normaaljaar in Nederland [kwh/kw p ] ECN-C--01-010 3
Begrippenlijst Code van woning De code is een willekeurig gekozen getal ter identificatie van de betreffende woning voor gebruik door het projectteam, ter bescherming van de privacy van de bewoners. Directe fractie Het deel van de door de inverter geleverde energie dat direct in de betreffende woning verbruikt is, zonder energieuitwisseling met het openbare net. Dekkingsgraad Het deel van het totale elektriciteitsverbruik in de woning dat in dezelfde periode opgewekt is door het PV-systeem. Dit deel bevat zowel het directe verbruik als het uitgestelde verbruik van de energie van het PV-systeem, mogelijk gemaakt door energieuitwisseling met het openbare net. Opbrengstfactor (Performance ratio) Het aantal equivalente P STC -uren (E fi /P STC ) gedeeld door het aantal equivalente zonuren (H i /1000 W/m 2 ) in het arrayvlak gedurende dezelfde periode. Pyranometer Meetinstrument voor instraling met een uniforme gevoeligheid in het golflengtegebied van 350 nm tot 2500 nm. Referentiecel Meetinstrument voor instraling met vrijwel dezelfde spectrale gevoeligheid als de panelen van het PV-systeem. De kalibratie wordt zodanig uitgevoerd dat de gemeten instraling onder STC en bij loodrechte inval gelijk is aan de instraling gemeten met een pyranometer. STC Standaard Test Condities: celtemperatuur 25 º C, instraling 1000 W/m 2 en standaard spectrum (AM1.5). 4 ECN-C--01-010
INHOUD SAMENVATTING 6 1. INLEIDING 7 2. BESCHRIJVING VAN DE PV-SYSTEMEN 8 3. BESCHRIJVING VAN HET MONITORINGSYSTEEM 9 3.1 Globale monitoring 9 3.2 Analytische monitoring 9 3.3 Referentiecellen 10 4. HISTORISCH OVERZICHT MONITORING 11 5. RESULTATEN VAN DE ANALYTISCHE MONITORING 12 5.1 Algemeen 12 5.2 Monitoringfractie en maandtotalen 12 5.3 Gelijkstroomrendement 13 5.4 Inverterrendement 13 5.5 Instraling en moduletemperatuur 13 5.6 Vergelijking met groep 1 14 6. RESULTATEN VAN DE GLOBALE MONITORING 15 6.1 Algemeen 15 6.2 Bewonersrespons 15 6.3 Energiestromen 15 6.3.1 Maandopbrengsten 15 6.3.2 Jaarwaarden 16 6.4 Betrouwbaarheid PV-systemen 16 7. CONCLUSIES 18 8. REFERENTIES 20 9. TABELLEN 21 10. FIGUREN 22 11. APPENDICES 29 ECN-C--01-010 5
SAMENVATTING In opdracht van NUON voert ECN een monitoringsprogramma uit aan 94 PV-systemen die geïnstalleerd zijn op woningen in de wijk Het Woudhuis te Apeldoorn. Het betreft een viertal groepen woningen met PV-systemen die zich van elkaar onderscheiden door verschillen in de uitvoeringsvorm van de PV-systemen of de oriëntatie van de daken. Het voorliggende document geeft de rapportage van de technische monitoring van de 80 PV-systemen van de woninggroepen 2, 3 en 4. De technische monitoring van de 14 PV-systemen van woninggroep 1 is in een eerder document gerapporteerd. De belangrijkste conclusies zijn de volgende: Bij een groot aantal PV-systemen zijn storingen geconstateerd. Hieruit blijkt dat het nodig is om de PV-systemen regelmatig te controleren op hun juiste werking. Installatie van telemetrische kwh-meters zou overwogen kunnen worden maar een jaarlijkse inspectie in het voorjaar door een PV-specialist lijkt ook te kunnen volstaan. Door de opbrengsten van de PV-systemen onderling met elkaar te vergelijken kunnen eventuele storingen eenvoudig geconstateerd worden. De PV-systemen die geen storingen vertoond hebben presteren goed in vergelijking met soortgelijke PV-sysyemen. De gedetailleerde analytische monitoring heeft niet geleid tot vernieuwende inzichten in het systeemgedrag. Het lijkt daarom niet nodig om dergelijke analytische metingen bij toekomstige projecten uit te voeren tenzij er sprake is van een nieuwe, nog onbekende, generatie PV-systemen. De opbrengst van de PV-systemen in een standaard klimatologisch jaar voor Nederland bedraagt 790 kwh/kwp. Het gedeelte hiervan dat direct in de betreffende woning verbruikt wordt en dat dus niet in het elektriciteitnet terecht komt, bedraagt gemiddeld 44 % (bij de systemen van 1.9 kwp) en 36 % (bij de systemen van 2.28 Wp). 6 ECN-C--01-010
1. INLEIDING In opdracht van NUON voeren ECN en IVAM een monitoringsprogramma uit aan 114 woningen in de wijk Het Woudhuis te Apeldoorn. Van deze 114 woningen zijn er 94 voorzien van een PV-systeem en 20 niet. Het monitoringsprogramma bestaat uit de volgende twee onderdelen. Sociale monitoring van de bewoners van de 114 woningen, uitgevoerd door IVAM. Technische monitoring aan de 94 PV-systemen van de woningen, uitgevoerd door ECN. Er is sprake van 4 groepen woningen met PV-systemen die zich van elkaar onderscheiden door verschillen in de uitvoeringsvorm van de PV-systemen of de oriëntatie van de daken. De PVsystemen zijn als volgt verdeeld over de 4 groepen. Groep 1: 14 PV-systemen Groep 2: 10 PV-systemen Groep 3: 35 PV-systemen Groep 4: 35 PV-systemen Het voorliggende rapport beschrijft de technische monitoring van de 80 PV-systemen van de groepen 2, 3 en 4. De technische monitoring van de 14 PV-systemen van groep 1 is beschreven in de referenties [1] en [2]. Een overkoepelende eindrapportage met daarin de resultaten van de sociale monitoring en van de technische monitoring is in voorbereiding. De technische monitoring bestaat uit de volgende onderdelen. Globale monitoring van alle PV-systemen, gebaseerd op meterstanden die maandelijks door de bewoners afgelezen worden. Analytische monitoring van één PV-systeem in elk van de vier groepen, gebaseerd op metingen gedurende aaneengesloten perioden van 10 minuten, continu uitgevoerd door middel van een meetcomputer. Op verzoek van de opdrachtgever wordt aan de verschillende woningen gerefereerd met behulp van een code om zodoende de privacy van de bewoners niet in gevaar te brengen. ECN-C--01-010 7
2. BESCHRIJVING VAN DE PV-SYSTEMEN Een overzicht van de 94 PV-systemen is gegeven in de onderstaande tabel. Groep 1 2 3 4 Aantal woningen 14 10 35 35 Aantal strings per woning 11 10 6 6 Aantal panelen per string 4 2 4 4 Aantal cellen per module 36 72 72 72 Type panelen IRS50 IRS95 IRS95 IRS95 Shell Solar Energy Totaal celoppervlak (m 2 ) 15.84 14.4 17.28 17.28 Arrayvermogen bij STC (W p ) 2090 1900 2280 2280 Type inverter SM1800 SM1800 SM2500 SM2500 Mastervolt Dakhelling t.o.v. horizontaal 30 º 46.3 º 28.5 º 28.5 º Oriëntatie t.o.v. Noord 197 º 195 º 192 º 198 º Rapportage technische monitoring referenties [1] en[2] dit rapport dit rapport dit rapport 8 ECN-C--01-010
3. BESCHRIJVING VAN HET MONITORINGSYSTEEM 3.1 Globale monitoring Ten behoeve van de globale monitoring zijn alle woningen voorzien van de volgende kwhmeters. Een kwh-meter voor de energie geleverd door de PV-inverter Een kwh-meter voor de energie geleverd aan het elektriciteitsnet (hoog en laag tarief) Een kwh-meter voor de energie betrokken van het elektriciteitsnet (hoog en laag tarief) De posities van deze drie kwh-meters zijn schematisch weergegeven in figuur 1. 3.2 Analytische monitoring Ten behoeve van de analytische monitoring is bij elk van de genoemde woninggroepen één van de woningen voorzien van een meetsysteem dat op basis van aaneengesloten perioden van 10 minuten kentallen verzamelt van de meetgrootheden en van enkele berekende grootheden. Deze grootheden zijn samengevat in de onderstaande tabel. Grootheid symbool; opmerking eenheid Instraling, arrayvlak G i ; W/m2 Referentiecel; Shell Solar Energy Moduletemperatuur T m ; o C AD590 sensor in een module Inverter ingangsspanning U a ; V Spanningsdeler Arraystroom I a ; A Stroomshunt 30A/60mV; Faget Inverter ingangsvermogen P a ; W Berekend per sample als I a x U a Inverter uitgangsvermogen P fi ; W Stroomtrafo 10/5A bij inverter plus vermogensmeetwaardeomvormer, Faget Totaal aan elektrisch P L ; W Stroomtrafo 30/5A in meterkast plus vermogen naar verbruiker PV-vermogen, direct naar de verbruiker De opgeslagen kentallen zijn de volgende: gemiddelde waarde per 10 minuten maximale waarde per 10 minuten minimale waarde per 10 minuten standaard deviatie per 10 minuten vermogensmeetwaardeomvormer, Faget P DL ; W Berekend per sample als min(p L, P DL ) Enkele algemene gegevens van het data-acquisitiesysteem zijn de volgende: Computer: PC-386 Data-acquisitie: Burr Brown kaart Resolutie: 12 bits Software: ZIMPRO28 (ECN) Samplefrequentie: 18 Hz per kanaal Datatransfer: Maandelijks door de bewoner per floppy disc (post) ECN-C--01-010 9
3.3 Referentiecellen Tijdens de monitoringsperiode is er sprake geweest van twee soorten problemen met de referentiecellen, te weten uitvalverschijnselen en onzekerheden in de kalibratiegegevens. Uitvalverschijnselen. De referentiecel van groep 2 bleek zo nu en dan geen signaal af te geven. Shell Solar Energy heeft de referentiecel van groep 2 vervangen op 2 april 1999. Na reparatie en herkalibratie heeft Shell Solar Energy dezelfde referentiecel ingezet in groep 3 alwaar dezelfde soort uitvalverschijnselen op bleken te treden. Op 7 april 2000 is de referentiecel van groep 3 vervangen. Hierdoor zijn er geen betrouwbare meetgegevens van de instraling in het arrayvlak beschikbaar van groep 2 vóór 2 april 1999 en van groep 3 vóór 7 april 2000. Onzekerheid kalibratiegegevens De referentiecel die op 7 april 2000 geplaatst is op de woning van groep 3 is voorafgaand aan de plaatsing gekalibreerd door ECN. In de maanden mei en juni 2000 is de instraling vergeleken zoals deze gemeten is in groep 3 en in groep 4. Gezien het geringe verschil in oriëntatie tussen deze groepen is het verwachte verschil tussen beide instralingswaarden minder dan 1%. De gemeten instraling van groep 4 bedroeg echter 22% minder dan van groep 3. Naar aanleiding van dit resultaat is besloten alle gemeten instralingsgegevens van groep 4 te verhogen met 22%. Na het doorvoeren van de correctie in de instraling van groep 4 is de instraling over de periode van 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000 zoals gemeten in groep 2 vergeleken met die gemeten in groep 4. De instraling gemeten in groep 2 bleek 9% lager te zijn dan de instraling in groep 4. Voor een normaal jaar (referentiejaar van de Bilt) is de berekende instraling in groep 2 slechts 2% lager dan de berekende instraling in groep 4. Naar aanleiding van dit resultaat is besloten alle gemeten instralingsgegevens van groep 2 te verhogen met 7%. 10 ECN-C--01-010
4. HISTORISCH OVERZICHT MONITORING Een overzicht van de gebeurtenissen die van belang zijn voor de technische monitoring is hieronder weergegeven. Tijdens de maandelijkse evaluaties van de globale monitoringsgegevens zijn eventuele storingen aan de PV-systemen en de bijbehorende kwh-meters opgemerkt en gemeld aan NUON. Een overzicht van deze meldingen is gegeven in appendix 1. In deze appendix zijn alleen de eerste meldingen van de opgemerkte storingen vermeld, niet de eventuele herhalingen van dezelfde storing in de daaropvolgende maanden. Door het ontbreken van terugkoppeling over de reparaties die naar aanleiding van de storingsmeldingen zijn uitgevoerd is het niet mogelijk om hier informatie over te geven in het onderstaande overzicht. Groep 2 Globale monitoring: Ontvangst eerste meterkaartjes: eind juli 1998 Ontvangst laatste meterkaartjes: eind oktober 2000 Analytische monitoring: 21 juli 1998: installatie monitoringsysteem op locatie en aanvang monitoring 11 augustus 1998: defecte meetwaarde-omvormer (P fi ) vervangen 8 september 1998: meetbereik arraystroom (I dc ) verhoogd van 27 A naar 43 A 9 oktober 1998 tot 2 april 1999: storingen aan de referentiecel 2 april 1999: referentiecel vervangen door Shell Solar Energy 1 september 2000 tot 19 oktober 2000: PV-systeem buiten werking 8 november 2000: monitoringsysteem verwijderd door ECN, einde monitoring. Groep 3 Globale monitoring: Ontvangst eerste meterkaartjes: eind januari 1999 Ontvangst laatste meterkaartjes: eind oktober 2000 Analytische monitoring: 8 september 1999: installatie monitoringsysteem op locatie en aanvang monitoring 5 januari 2000 tot 7 april 2000: storingen aan de referentiecel 7 april 2000: referentiecel vervangen door Shell Solar Energy 24 augustus 2000: monitorsysteem buiten bedrijf gesteld door bewoner om persoonlijke reden. Daardoor tevens einde monitoring. 9 november 2000: monitoringsysteem verwijderd door ECN Groep 4 Globale monitoring: Ontvangst eerste meterkaartjes: eind januari 1999 Ontvangst laatste meterkaartjes: eind oktober 2000 Analytische monitoring: 16 november 1998: installatie monitoringsysteem op locatie 24 december 1998: aanvang monitoring 29 december 1998 tot 1 mei 1999: monitoringsysteem buiten bedrijf gesteld door Shell Solar Energy vanwege problemen met het PV-systeem. 9 november 2000: monitoringsysteem verwijderd door ECN, einde monitoring. ECN-C--01-010 11
5. RESULTATEN VAN DE ANALYTISCHE MONITORING 5.1 Algemeen De analytische monitoring is erop gericht om gedetailleerd inzicht te krijgen in het gedrag van de PV-systemen. Verder leveren de analytische meetsystemen gegevens op betreffende het gebruikspatroon van de bewoners ten behoeve van de sociale monitoring, uitgevoerd door IVAM. Omdat de PV-systemen van groep 3 en groep 4 vrijwel identiek zijn, op een gering verschil in oriëntatie na, is te verwachten dat deze beide PV-systemen hetzelfde gedrag vertonen. Hierom en vanwege de problemen met de referentiecel in groep 3 is besloten om de data van de analytische monitoring van groep 3 alleen te gebruiken voor de sociale monitoring. Om de twee verschillende PV-systemen, groep 2 enerzijds en groep 3 en 4 anderzijds, goed met elkaar te kunnen vergelijken is in de voorliggende rapportage een evaluatieperiode geselecteerd van een geheel jaar waarin beide PV-systemen bemeten zijn. Om deze reden worden in dit hoofdstuk de resultaten vergeleken die verkregen zijn in groep 2 en in groep 4 gedurende de periode van 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000. Voor de evaluatie van de globale monitoringsgegevens (hoofdstuk 6) en voor de sociale monitoring (IVAM) worden daarentegen alle beschikbare meetgegevens gebruikt. De bij de analytische monitoring gevolgde procedure voor het meten en voor de gegevensverwerking is in overeenstemming met de in Nederland gehanteerde richtlijnen voor de monitoring van PV-systemen (referentie [3]). Tevens zijn de hierin geadviseerde temperatuurcoëfficiënten gebruikt voor de kortsluitstroom en voor het vermogen en de spanning in het maximum power point van de PV-panelen. 5.2 Monitoringfractie en maandtotalen Uit het totaal aantal verzamelde metingen per maand en de tijdsduur van de betreffende maand is het gedeelte van de totale tijd bepaald gedurende welke het meetsysteem goed gewerkt heeft. De waarden van deze zogenoemde Monitoringfractie zijn per maand weergegeven in tabel 1 onder het kopje MF. De gemeten 10-minuutgemiddelde waarden van de diverse vermogens zijn per maand gemiddeld over de periode dat het meetsysteem goed gewerkt heeft en vervolgens vermenigvuldigd met het werkelijk aantal uren van de betreffende maanden. Dit resulteert in maandtotalen (in kwh) van de energiewaarden gepresenteerd in tabel 1. Uit deze maandtotalen zijn een aantal rendementwaarden en andere kentallen per maand bepaald, ook gepresenteerd in tabel 1. De op jaarbasis bepaalde gegevens, berekend voor de periode van 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000, staan ook in tabel 1 vermeld. Uit de tabel blijkt dat het opbrengstverlies veroorzaakt doordat de moduletemperaturen niet steeds 25 C zijn geweest ongeveer 5% bedraagt voor beide PV-systemen. Het energieverlies in de conversie van DC-energie naar ACenergie bedraagt ongeveer 13% voor het PV-systeem van groep 2 en ongeveer 12% voor het PV-systeem van groep 4. De opbrengst per eenheid geïnstalleerd arrayvermogen bedraagt in de genoemde periode 743 kwh/kwp voor het PV-systeem van groep 2 en 755 kwh/kwp voor het PV-systeem van groep 4. 12 ECN-C--01-010
5.3 Gelijkstroomrendement Het gelijkstroomrendement van het PV-systeem in groep 2 en in groep 4 is samen met de bijbehorende gelijkspanning per module gegeven als functie van de instraling in figuur 2. De gemeten waarden van het rendement en de spanning zijn hierbij gecorrigeerd naar een moduletemperatuur van 25 C. Alle punten in de figuren zijn verkregen met middelingsperioden van 10 minuten. Groep 2. Het gelijkstroomrendement van het PV-systeem in groep 2 bedraagt 11.8% bij een instralingswaarde van 600 W/m 2 en neemt af bij lagere instralingswaarden. Bij gelijkblijvend rendement van 11.8% onder 600 W/m 2 zou de energieopbrengst op jaarbasis 4.3% hoger zijn geweest. Bij instralingen boven 600 W/m 2 neemt het rendement iets af, waarschijnlijk als gevolg van de verliezen in de serieweerstand van de panelen en in de bekabeling en als gevolg van vermogensbegrenzing door de inverter bij instralingen boven 950 W/m 2. Bij gelijkblijvend rendement van 11.8% boven 600 W/m 2 zou de energieopbrengst op jaarbasis slechts 0.3% hoger zijn geweest. Groep 4. Vergelijking van het rendement van groep 4 met dat van groep 2 laat zien dat de beide rendementen gelijk zijn bij een instraling van 600 W/m 2. Ook de modulespanningen zijn gelijk bij deze instraling. Bij lagere instralingen is het rendement van groep 4 lager dan dat van groep 2, waarschijnlijk als gevolg van een sub-optimaal gedrag van de maximum power point tracker van de inverter in groep 4. Als het rendement van groep 4 onder 600 W/m 2 gelijk zou zijn geweest als dat van groep 2 zou de energieopbrengst van groep 4 op jaarbasis 2.6% hoger zijn geweest. 5.4 Inverterrendement De curve van het inverterrendement verkregen uit alle 10-minuten gemiddelde waarden van het DC-vermogen en AC-vermogen van groep 2 en van groep 4 is gegeven in figuur 3. Hierin valt het grillige verloop op van de rendementscurve van de inverter van groep 4. Ditzelfde verloop is geconstateerd bij de inverter van groep 3. Als de dip in de curve er niet zou zijn geweest, en de curve het verloop zou hebben zoals in de figuur aangegeven met de open cirkels, zou de jaaropbrengst van het PV-systeem 1% hoger zijn geweest. Het op jaarbasis bepaalde inverterrendement van groep 4, gegeven in tabel 1, zou daarmee 89.2% worden. 5.5 Instraling en moduletemperatuur Voor groep 2 en voor groep 4 is de jaarlijkse energiedichtheidsverdeling bepaald voor de periode van 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000 met behulp van de instralingswaarden verkregen met de referentiecellen. De resultaten zijn weergegeven in de figuur 4. De totale jaarlijkse instralingsenergie bedraagt 1069 kwh/m 2 voor groep 2 en 1083 kwh/m 2 voor groep 4. De verschillen tussen de verdelingen van de energiedichtheid in groep 2 en groep 4 worden veroorzaakt door de verschillen in de dakhellingen. De gemeten moduletemperatuur van groep 2 en groep 4 is gemiddeld per instralingsklasse weergegeven in figuur 5. Door het grote aantal metingen per instralingsklasse is de spreiding in de moduletemperatuur als gevolg van de invloed van de wisselende omgevingstemperatuur en windsnelheid en windrichting gering. Bij de instralingsklassen vanaf 900 W/m 2 is het aantal metingen per klasse echter gering waardoor de resultaten bij hoge instralingen niet representatief zijn voor algemene situaties. ECN-C--01-010 13
5.6 Vergelijking met groep 1 De resultaten van de analytische monitoring aan de woning in groep 1 (uit referentie [2]) en aan de woningen in groep 2 en 4 (uit hoofdstuk 5) worden hier met elkaar vergeleken. Vanwege de problemen met de referentiecellen zijn de prestaties onderling vergeleken op basis van de verwachte systeemopbrengst in kwh per kw p in een klimatologisch normaaljaar in Nederland. Deze grootheid is afgeleid uit de gemeten jaaropbrengst en de bijbehorende instraling in het horizontale vlak. Om de vergelijking met het systeem van groep 1 zo zuiver mogelijk te maken is ook voor deze groep de instraling in het horizontale vlak verkregen uit KNMI-data voor De Bilt. Het resultaat staat in de onderstaande tabel. Groep Periode E fi (kwh) 1 01/09/98-01/09/99 2 01/08/99-01/08/00 4 01/08/99-01/08/00 Y 1000 (kwh/kw p ) H o P stc (kwh/m 2 ) (kw p ) 1498 975 2.09 735 1412 941 1.90 790 1721 941 2.28 802 Vanwege het verschil in oriëntatie van de daken zal de instraling in de dakvlakken verschillende zijn bij dezelfde instraling in het horizontale vlak. Een schatting van het verschil in instraling in de dakvlakken van groep 2 en groep 4 is verkregen met het programma ZONSIM (van ECN) voor het Nederlandse test referentie jaar. Hieruit bleek dat bij groep 4 de instraling in het dakvlak 1 à 2% hoger is dan van groep 2. Dit komt overeen met de verschillen in opbrengst zodat geconcludeerd kan worden dat de PVsystemen van groep 2 en groep 4 dezelfde prestatie leveren. De instraling in het dakvlak van de woning van groep 1 wordt beïnvloed door de opstaande dakrand van de woning. De dakrand zal de instraling verlagen door afscherming van direct en diffuus zonlicht en tevens zal de dakrand de instralingsverdeling over het array inhomogeen maken. Naast de energiederving door de verminderde instraling zal door de inhomogeniteit van de instraling extra energiederving optreden (mismatch-verlies). Een schatting van deze effecten is verkregen met het programma PVCAD (van ISET, Uni Oldenburg en ZSW) voor een door PVCAD gesynthetiseerde instraling gedurende een jaar in De Bilt. Hieruit volgde dat de dakrand een vermindering van instraling op jaarbasis veroorzaakt van ongeveer 7% en een mismatch-verlies van ongeveer 4%. De totale energiederving door de dakrand wordt daardoor geschat op 11%. Daarmee wordt de geschatte Y 1000 -waarde van groep 1 bij afwezigheid van de dakrand ongeveer 816 kwh/kw p. Op basis van de overeenkomst tussen de oriëntaties van beide dakvlakken wordt geen verschil in instralingsenergie verwacht tussen groep 1 (zonder dakrand) en groep 4. Daarmee is de prestatie van het PV-systeem van groep 1 zonder dakrand ongeveer 2% hoger dan van groep 2. Dit verschil is verwaarloosbaar klein met betrekking tot de verwachte onzekerheden in de schattingen zodat geconcludeerd kan worden dat het de PVsystemen van groep 1 zonder dakrand en groep 4 ongeveer dezelfde prestatie leveren. 14 ECN-C--01-010
6. RESULTATEN VAN DE GLOBALE MONITORING 6.1 Algemeen Ten behoeve van globale monitoring nemen de bewoners maandelijks de standen op van kwhmeters zoals genoemd in paragraaf 3.1. De meterstanden worden door de bewoners ingevuld op meterkaartjes en naar ECN gestuurd voor verdere evaluatie. Hierdoor wordt de volgende informatie verkregen: Energie-opbrengst van de verschillende PV-systemen Directe fractie: deel van de energie van het PV-systeem dat direct in de betreffende woning verbruikt wordt. Dekkingsgraad: deel van het elektriciteitsverbruik per woning dat door het PV-systeem op maandbasis en op jaarbasis geleverd wordt Niet ontvangen meterkaartjes, onvolledig ingevulde meterkaartjes of foutief ingevulde meterkaartjes zijn de oorzaak van het ontbreken van bepaalde gegevens in de volgende paragrafen. Bij de evaluatie van de opbrengstgegevens is gebruik gemaakt van de uurlijkse instralingswaarden in het arrayvlak verkregen uit de analytische metingen in groep 2 en groep 4. De ontbrekende gegevens (vóór 2 april 1999 bij groep 2 en vóór 1 mei 1999 bij groep 4) zijn aangevuld door gebruik te maken van meetgegevens die het KNMI in de betreffende periode verkregen heeft in De Bilt. Deze KNMI-gegevens bestaan uit uurlijkse instralingswaarden in het horizontale vlak. Aangenomen is dat deze waarden ook geldig zijn voor Het Woudhuis. De waarden voor het horizontale vlak zijn vertaald naar de waarden voor de arrayvlakken van groep 2 en groep 4 met bestaande modellen (Orgill&Hollands en Perez). 6.2 Bewonersrespons De bereidwilligheid van de bewoners om mee te werken aan de monitoring is af te lezen aan het aantal meterkaartjes dat maandelijks naar ECN verstuurd is. Het responspercentage van alle 80 woningen samen is per maand gepresenteerd in figuur 6. Hieruit blijkt dat de respons afgenomen is van ongeveer 85% in de beginperiode waarin de meeste PV-systemen operationeel zijn geworden tot ongeveer 65% aan het einde van de monitoringsperiode. 6.3 Energiestromen 6.3.1 Maandopbrengsten De energieopbrengsten van de verschillende PV-systemen zijn per maand verkregen uit de door de bewoners ingevulde meterkaartjes. Omdat de meterkaartjes niet precies op de eerste dag van elke maand ingevuld worden zijn de opbrengsten genormeerd naar maandwaarden met de volgende formule: kwh kwh E = 2 1 maand t maand t2 t1 met kwh 1 en kwh 2 = aflezing van de kwh-meters op respectievelijk t 1 en t 2 t 2 en t 1 = afleestijdstippen (afgerond op hele uren) t maand = tijdsduur van de betreffende maand (in uren) ECN-C--01-010 15
De genormeerde energieopbrengsten van de PV-systemen zijn gegeven in appendix 2. In deze appendix is ook de instralingsenergiedichtheid per maand vermeld, zoals deze gemeten is in De Bilt door het KNMI. 6.3.2 Jaarwaarden De opbrengst van de diverse PV-systemen is bepaald over een aaneengesloten periode van een geheel jaar. Indien mogelijk is voor deze periode dezelfde periode gekozen als de evaluatieperiode van de analytische monitoring: 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000. Bij een aantal PVsystemen ontbreken de hiervoor benodigde meterkaartjes (aan het begin en/of aan het eind van de periode) of zijn de ingevulde gegevens foutief. Voor deze PV-systemen is een andere jaarperiode gekozen waarvoor geldt dat de benodigde gegevens wel beschikbaar waren. De alternatieve jaar-periode is zo dicht mogelijk gekozen bij de periode van 1 augustus 1999 tot 1 augustus 2000. De evaluatieperiode en de bijbehorende opbrengst van de diverse PV-systemen zijn gegeven in appendix 3. De grootheden in appendix 3 zijn per woninggroep gemiddeld onder uitsluiting van de woningen waarin zich storingen hebben voorgedaan in het PV-systeem of in de kwh-meters en uiteraard onder uitsluiting van de woningen waar onvoldoende of geen meterkaartjes beschikbaar van zijn. De resultaten van de middelingen zijn ook weergegeven in de appendix. In appendix 3 zijn de volgende resultaten gepresenteerd: Opbrengst van de PV-systemen in de genoemde jaarperiode en het deel daarvan dat geleverd is aan het openbare net en dat direct in de betreffende woning gebruikt is. Het onderscheid tussen de energiestroom naar het net en naar de woning is van belang voor de bewoners vanwege het verschil in kwh-tarief tussen koop en verkoop. De verwachte systeemopbrengst in kwh per kw p in een klimatologisch normaaljaar in Nederland. Hiervoor zijn de energieopbrengsten van de PV-systemen genormeerd op het nominale vermogen (1.90 kw p voor groep 2 en 2.28 kw p voor groep 4) en op een energieinstralingsdichtheid van 1000 W/m 2 (ref. [3]), gemeten met de pyranometer in het horizontale vlak. De hiervoor benodigde instralingswaarden in het horizontale vlak zijn verkregen uit metingen van het KNMI gedurende dezelfde periode in De Bilt. Deze gegevens zijn van belang om de opbrengst van de PV-systemen te kunnen vergelijken met de opbrengst van PV-systemen met andere componenten of met een andere oriëntatie. Opbrengstfactor. De opbrengstfactor is een vaak gehanteerde grootheid om het rendement van verschillende PV-systemen met elkaar te vergelijken. De dekkingsgraad. Deze grootheid is niet alleen afhankelijk van de werking van het PVsysteem maar ook van het patroon van elektriciteitsverbruik in de betreffende woning. Waarden van de dekkingsgraad die boven 100% uitstijgen geven aan dat de gemiddelde elektriciteitsproductie van het PV-systeem hoger is dan het gemiddelde elektriciteitsverbruik. In de appendix is goed te zien dat hoge waarden van de dekkingsgraad gepaard gaan met lage waarden voor de direct gebruikte PV-energie. De reden daarvan is een laag elektriciteitsverbruik in de woningen verhogend werkt op de dekkingsgraad en verlagend werkt op de directe fractie. 6.4 Betrouwbaarheid PV-systemen Voor elke woning en voor elke maand is de opbrengstfactor bepaald uit de verschillen in de kwh-standen op de invultijdstippen en de tijdsintegraal van instralingswaarde in het arrayvlak over de periode tussen de beide invultijdstippen. De resultaten zijn gegeven in appendix 4. Hierbij zijn de resultaten weggelaten in de gevallen dat de kwh-meter storing vertoonde en in de gevallen dat er waarschijnlijk sprake is van een invulfout. Uit appendix 4 blijkt dat de PVsystemen van groep 3 en 4 in het eerste kwartaal van 1999 nog niet normaal functioneerden. Verder vertoont een aantal PV-systemen een afwijkend gedrag vertoont. Deze systemen worden in de onderstaande tabel kort besproken. 16 ECN-C--01-010
code verschijnsel periode 42 zeer lage opbrengst januari en februari 2000 september en oktober 2000 44 zeer lage opbrengst september en oktober 2000 53 zeer lage opbrengst september en oktober 2000 13 opbrengst 1/6 te laag hele periode 20 zeer lage opbrengst september en oktober 2000 21 lage opbrengst (eenmalig?) september 2000 26 PV-systeem buiten bedrijf februari 2000 33 lage opbrengst (eenmalig?) september 2000 43 zeer lage opbrengst april, mei en juni 1999 57 zeer lage opbrengst maart, april en mei 2000 65 lage opbrengst februari tot en met september 1999 80 zeer lage opbrengst december 99, januari, februari en maart 2000 88 zeer lage opbrengst juli 1999 en juni 2000 Afgezien van de twee systemen waarbij slechts eenmalig een lage opbrengst geconstateerd is en afgezien van het systeem dat tijdelijk, om onbekende reden, buiten bedrijf is geweest zijn er bij 10 PV-systemen in de periode van 2 jaren een storing geconstateerd. Na afloop van de monitoringsperiode heeft Shell Solar Energy alle PV-systemen geïnspecteerd. Alle in de tabel genoemde storingen die nog niet hersteld waren aan het einde van de monitoringsperiode zijn daarbij aan het licht gekomen en gerepareerd (ref. [5]). ECN-C--01-010 17
7. CONCLUSIES De analytische monitoring aan de PV-systemen van de referentiewoning in groep 2 en van de referentiewoning in groep 4 heeft geleid tot de volgende conclusies: Doordat de modules niet steeds een temperatuur hebben van 25 C treedt er een energieverlies op van ongeveer 5% bij beide PV-systemen. Deze waarde wijkt niet belangrijk af van de temperatuurverliezen die bij soortgelijke PV-systemen geconstateerd zijn. Door het lagere modulerendement bij lage instralingswaarden treedt een energieverlies op van ongeveer 4% bij het PV-systeem van groep 2. Deze waarde wijkt niet belangrijk af van de lage-instralingsverliezen die bij soortgelijke PV-systemen geconstateerd zijn.bij het PVsysteem van groep 4 komt hier nog een extra verlies bij van ongeveer 3%, veroorzaakt door het sub-optimale gedrag van de maximum power point tracker bij lage instralingswaarden. In de conversie van gelijkstroomenergie naar wisselstroomenergie treedt een verlies op van ongeveer 13% in groep 2 en van ongeveer 12% in groep 4. De rendementscurve van de inverter van groep 4 vertoont een onregelmatigheid bij laag vermogen. Als deze onregelmatigheid voorkomen zou worden, zou het conversieverlies bij groep 4 verlaagd worden van 12% naar 11%. Ook het conversierendement wijkt niet belangrijk af van de conversierendementen die bij soortgelijke PV-systemen geconstateerd zijn. De globale monitoring aan de PV-systemen van alle 80 woningen heeft geleid tot de volgende conclusies: De bereidwilligheid van de bewoners om mee te werken aan het monitoringsprogramma is afgenomen van ongeveer 85% naar ongeveer 65% gemeten over een periode van 2 jaren. Eventueel in de toekomst uit te voeren monitoringsprogramma s zouden gebaat zijn bij de inzet van telemetrische kwh-meters zodat de bewoners geen actieve rol hebben. Bij 10 PV-systemen van het totaal van 80 is een storing geconstateerd in de monitoringperiode van 2 jaren. Dit grote aantal storingen geeft aan dat regelmatige controle nodig is op de juiste werking van de PV-systemen. Voor de normaal functionerende PV-systemen waarvan voldoende gegevens beschikbaar zijn staat in de onderstaande tabel een samenvatting van de gemiddelde resultaten. De prestaties van de normaal functionerende systemen zijn als goed te kwalificeren in vergelijking met de prestaties van 170 vergelijkbare PV-systemen (ref. [4]). Jaaropbrengst (kwh) Waarvan zelf direkt gebruikt (kwh) Opbrengstfactor (%) Dekkingsgraad (%) Final yield voor normaal jaar (kwh/kw p ) Groep 2 groep 3 groep 4 1428 1725 1742 622 603 623 70 69 69 48 70 68 786 792 793 Samengevat zijn de belangrijkste conclusie de volgende: Bij een groot aantal PV-systemen zijn storingen geconstateerd. Hieruit blijkt dat het nodig is om de PV-systemen regelmatig te controleren op hun juiste werking. Installatie van telemetrische kwh-meters zou overwogen kunnen worden maar een jaarlijkse inspectie in het voorjaar door een PV-specialist lijkt ook te kunnen volstaan. Door de opbrengsten van 18 ECN-C--01-010
de PV-systemen onderling met elkaar te vergelijken kunnen eventuele storingen eenvoudig geconstateerd worden. De PV-systemen die geen storingen vertoond hebben presteren goed in vergelijking met soortgelijke PV-systemen. De gedetailleerde analytische monitoring heeft niet geleid tot vernieuwende inzichten in het systeemgedrag. Het lijkt daarom niet nodig om dergelijke analytische metingen bij toekomstig projecten uit te voeren tenzij er sprake is van een nieuwe, nog onbekende, generatie PV-systemen. De opbrengst van de PV-systemen in een standaard klimatologisch jaar voor Nederland bedraagt 790 kwh/kwp. Het gedeelte hiervan dat direct in de betreffende woning verbruikt wordt, en dat dus niet in het elektriciteitnet terecht komt, bedraagt gemiddeld 44 % (bij de systemen van 1.9 kwp) en 36 % (bij de systemen van 2.28 Wp). ECN-C--01-010 19
8. REFERENTIES [1] C.W.A. Baltus en E.J. Wiggelinkhuizen: Gedrag van het PV-systeem op Houttuinen Zuid 41 te Apeldoorn ; ECN-C--98-001; Februari 1988 [2] N.J.C.M. van der Borg en M.J. Jansen: Technische monitoring van PV-systemen te Apeldoorn; Periode september 1997 - september 1999 ; ECN-C--00-005, Petten, Januari 2000. [3] Novem: Aanbevolen werkwijze voor de monitoring van netgekoppelde pv-systemen in Nederland uitgave 02; RC 4154; Februari 1997. [4] U. Jahn e.a., IEA PVPS task 2; Analysis of the operational performance of the IEA database PV-systems ; Proceedings 16 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Glasgow, UK; Mei 2000. [5] Persoonlijke informatie van R. van Zolingen d.d. 22-01-2001. 20 ECN-C--01-010