12V zonne installatie

Hoe bouw je een 12V zonne installatie
De keuze voor gelijkstroom kan een zonne-installatie tot 30% energie-efficiënter maken, wat resulteert in aanzienlijk lagere kapitaalkosten en een duurzamere energieproductie. In dit artikel kijken we naar de praktische kant van een laagspanning zonne-installatie.

 

Hoe pas je apparaten aan zodat ze op gelijkstroom kunnen werken? Hoe beperk je de distributie-verliezen? En wat doe je met grote stroomverbruikers?  Er zijn verschillende strategieën mogelijk, en wie bereid is om toegevingen te doen op het vlak van levensstijl, kan voor weinig geld volledig off-grid gaan.

 

In de meeste zonne-installaties wordt gelijkstroom elektriciteit (DC of "Direct Current") van de zonnepanelen door een omvormer omgezet naar wisselstroom elektriciteit (AC of "Alternating Current"), die vervolgens vaak opnieuw wordt omgezet naar gelijkstroom door de AC/DC-adapter van de verschillende elektrische apparaten. Bij deze dubbele omzetting gaat ongeveer 15 tot 30% van de energie verloren.

 

Dat energieverlies kan worden geëlimineerd als de elektriciteit in een gebouw niet via wisselstroom maar via gelijkstroom wordt verdeeld. Zie het vorige artikel voor een gedetailleerde bespreking van de potentiële energiebesparing, die van nogal wat factoren afhankelijk is.

 

 

Bij een overschakeling naar een gelijkstroom elektriciteitsnetwerk horen uiteraard op gelijkstroom werkende apparaten, stekkers en aansluitingen. Deze producten zijn al decennia op de markt, gericht op gebruik in auto's, vrachtwagens, kampeerwagens, caravans, boten en vliegtuigen.

 

Al deze vervoersmiddelen beschikken over een gelijkstroom netwerk waarin elektriciteit wordt geleverd door batterijen van 12, 24 of 48 volt. Het standaard "stopcontact" voor zo'n laagspanning gelijkstroom netwerk is de sigarettenaansteker in de auto, al kan er in principe ook een standaard stopcontact worden gebruikt.

 

Een groot aantal apparaten zijn heel eenvoudig aan te passen aan een gelijkstroom netwerk. Voor laptops en andere elektronische gadgets -- die intern op gelijkstroom werken -- zijn stroomkabels verkrijgbaar die rechtstreeks in de sigarettenaansteker passen. Er zijn geen verdere aanpassingen nodig want de AC/DC-adapter bevindt zich in de originele stroomkabel, niet in het apparaat zelf.

 

Ook verlichting kan je makkelijk zelf aanpassen. Het volstaat om de stekker van het snoer te knippen, die te vervangen door een gelijkstroom-aansluiting, en vervolgens de lamp te vervangen door een gelijkstroom lamp. De spanning van de lamp moet uiteraard overeenkomen met de spanning van de batterij (12, 24 of 48 volt)

 

Soortgelijke conversies zijn ook mogelijk met apparaten die gebruik maken van een motor, zoals koelkasten, ventilatoren of stofzuigers, tenminste als die over een gelijkstroom motor beschikken. Deze aanpassingen zijn echter iets moeilijker uit te voeren, aangezien de AC/DC-adapter zich in het apparaat bevindt. Dat geldt ook voor sommige elektronische producten, zoals de meeste stereo-installaties, televisies en externe computerschermen, al zijn er modellen met een 12V ingang.

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

Heel veel apparaten zijn verkrijgbaar in een versie die werkt op laagspanning, van haardrogers over koffiezetapparaten tot koelkasten. Deze zijn meestal een pak duurder dan AC-apparaten. Dat heeft twee redenen. Ten eerste worden ze geproduceerd voor nichemarkten, en kunnen dus niet profiteren van dezelfde schaalvoordelen als AC-apparaten. Die worden in zo'n grote aantallen geproduceerd dat de kostprijs daalt.

 

Een tweede reden voor de hoge kostprijs is dat deze apparaten vaak zo compact en energie-efficiënt mogelijk worden gemaakt. In kampeerwagens, caravans en boten zijn zowel ruimte als energie meestal beperkt. Bijvoorbeeld DC-koelkasten beschikken vaak over vacuümisolatie, een zeer compact maar ook zeer duur isolatiemateriaal. Een DC-koelkast in een gewoon huis heeft deze dure isolatie niet nodig, en zou dus in principe niet meer hoeven te kosten dan een gelijkaardige AC-koelkast.

 

 

Recenter heeft de sigarettenaansteker als stopcontact voor gelijkstroom-apparaten gezelschap gekregen van de USB-connector. USB-kabels kunnen zowel data als energie overbrengen, en veel consumentenelektronica wordt intussen op die manier van energie voorzien. Voorbeelden zijn scanners, digitale camera's, routers, tablets en netbooks. Er komen steeds meer kleine apparaten op de markt die gevoed worden door een USB-kabel, zoals ventilatoren, LED-lampen of herlaadbare fietslampen.

 

Momenteel worden deze apparaten verbonden met de USB-aansluiting van de computer, maar ze zouden ook rechtstreeks in een gelijkstroom-netwerk kunnen worden geplugd via een USB-stopcontact.

 

 

“Power over Ethernet” (PoE) is een ander gelijkstroom alternatief dat zowel data als energie kan overbrengen. Het is geschikt voor langere afstanden dan USB, tot ongeveer 100 meter. Zowel USB als PoE zijn alleen geschikt voor apparaten met een laag vermogen, maar de standaarden worden wel steeds verder ontwikkeld. PoE+ en USB-PD kunnen al toestellen met een vermogen van 100 watt van energie voorzien.

 

 

Een extra voordeel van een laagspanning gelijkstroom netwerk is dat het zeer veilig is, tenminste als er apparaten met een relatief laag vermogen worden gebruikt (zie verder), zoals verlichting of elektronica. Er is geen gevaar voor elektrische schokken of brand. Dat maakt de installatie van zo'n netwerk goedkoper als je het door iemand anders laat uitvoeren. Het betekent ook dat je er zelf mee aan de slag kan, wat nog meer kosten bespaart.

 

Het belangrijkste nadeel van laagspanning gelijkstroom zijn de hoge distributieverliezen. Elektrisch vermogen (uitgedrukt in watt) is gelijk aan elektrische stroom (uitgedrukt in ampère) vermenigvuldigd met spanning (uitgedrukt in volt). Hoe lager de spanning, hoe hoger de stroom moet zijn om een bepaald vermogen te leveren -- en helaas neemt het energieverlies toe met het kwadraat van de stroom.

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

Sluit je bijgevolg een apparaat met een hoog vermogen (zoals een elektrische boiler) aan op een laagspanning gelijkstroom netwerk, of ga je laagspanning elektriciteit over lange afstanden transporteren, dan kunnen distributieverliezen de keuze voor gelijkstroom contraproductief maken. Bovendien moet het vermogen van alle toestellen samen beperkt blijven. De grens ligt op ongeveer 150 watt.

 

Er zijn in essentie twee manieren om deze beperkingen te overwinnen:

 

Optie 1: Installeer een hybride AC/DC systeem

 

In een hybride AC/DC systeem wordt gelijkstroom gebruikt voor apparaten met een laag vermogen, en wisselstroom voor apparaten met een hoger vermogen. Heel veel moderne elektrische apparaten in een huishouden hebben een laag vermogen, zoals LED-verlichting (< 10W), computers en andere gadgets (<20W), LED-televisies (<50W), stereo-installaties, enzovoort -- allemaal apparaten die erg hoge AC/DC verliezen hebben.

 

Deze toestellen kunnen rechtstreeks op gelijkstroom van de zonnepanelen werken, waardoor de omzettingsverliezen in de adapters en in de omvormer worden geëlimineerd. Ook een moderne, energiezuinige koelkast heeft een erg laag vermogen en zou in principe op gelijkstroom kunnen werken. Alles samen maken deze toestellen ongeveer 35 tot meer dan 50% van het elektriciteitsverbruik in een huishouden uit, en hun aandeel groeit.

 

Toestellen met een hoger vermogen, zoals vaatwassers, wasmachines, stofzuigers, magnetrons of waterkokers kunnen via een omvormer worden aangesloten op een AC-netwerk. De omvormer introduceert energieverlies, maar dit type apparaten werkt intern op AC of heeft lagere AC/DC omzettingsverliezen. Bovendien worden ze in tegenstelling tot verlichting, gadgets en koelkasten slechts voor kortere periodes gebruikt.

 

Als er ook gebruik wordt gemaakt van een elektrische warmwaterketel, een elektrisch kookfornuis, een elektrische oven, en/of elektrische verwarming, is het stroomverbruik van deze categorie uiteraard veel groter. Gezien het niet al te zonnige klimaat in België en Nederland wordt een off-grid zonne-installatie dan zonder meer onrealistisch.

 

In kantoren, winkels en sommige andere commerciële gebouwen, waar verlichting en/of elektronische apparatuur meestal de hoofdmoot van het elektriciteitsverbruik uitmaken, is er dan weer nauwelijks nood aan wisselstroom.

 

Optie 2: Beperk het totaal vermogen van de elektrische apparatuur

 

De installatie van een hybride AC/DC systeem is de meest voor de hand liggende keuze, maar het is niet de enige mogelijkheid. Een tweede strategie is een exclusief gelijkstroom netwerk waarin het totaal vermogen van de elektrische apparatuur zo klein mogelijk wordt gehouden, en waarin apparaten met een hoog vermogen eenvoudigweg worden geweerd.

 

Dit is de aanpak die in kampeerwagens, caravans of zeilboten wordt gebruikt. Het is de duurzaamste strategie, aangezien de keuze voor gelijkstroom hier tot gevolg heeft dat het elektriciteitsverbruik aanzienlijk daalt. Er zijn dus ook minder zonnepanelen en batterijen nodig dan in het hybride systeem, waar het elektriciteitsverbruik gelijk blijft.

 

Deze strategie impliceert een aanpassing van je levensstijl -- en de erkenning van het feit dat het plaatsen van zonnepanelen geen excuus vormt voor een hoog elektriciteitsverbruik. Zonnepanelen mogen dan geen brandstof verbruiken, de productie ervan is een energie-intensief proces. Hetzelfde geldt voor de batterijen. Bovendien is deze strategie in België of Nederland de enige manier om met een off-grid zonne-installatie de winter door te komen.

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

In dit scenario wordt elektriciteit gebruikt voor verlichting, elektronica en de koelkast, terwijl er voor andere apparaten niet-elektrische alternatieven worden gezocht.

 

Dus geen vaatwasser maar afwassen met de hand. Geen wasmachine maar kleren wassen in het wassalon of met een manuele machine. Geen wasdroger maar een droogrek. Geen handige, snelle keukenapparaten zoals waterkokers, magnetrons en koffiezetapparaten, maar een traditioneel kookvuur op (bio)gas of een zonnekoker. Geen stofzuiger maar een bezem en een mattenklopper. Geen vrieskast maar verse ingrediënten. Geen elektrische boiler maar een zonneboiler en een kattenwas aan de wastafel als de zon niet schijnt.

 

Beide opties kunnen natuurlijk ook worden gecombineerd. Je kan zoveel mogelijk apparaten met een hoog vermogen elimineren, maar een als onmisbaar geacht apparaat met een hoog vermogen van energie voorzien via een omvormer.

 

Optie 3: Beperk de lengte van het distributienetwerk

 

Ongeacht welke strategie wordt gekozen, is het ook van belang om de lengte van het distributienetwerk te beperken. Dat kan op twee manieren.

 

Een eerste optie is het huis zo in te richten dat de kabellengte wordt beperkt. In een Nederlands experiment werd een huis zo ingericht dat de lengte van het distributienet werd teruggebracht van 40 naar 12 meter. Aangezien de zonnepanelen zich op het dak bevinden, verhuisden de onderzoekers de slaapkamers naar de benedenverdieping en de woonkamer en keuken (waar de meeste elektriciteit wordt verbruikt) naar de eerste verdieping. Bovendien werden de apparaten zo veel mogelijk bij elkaar geplaatst. De gelijkstroom verliezen daalden daarmee van 13,5% naar 4%.

 

 

Een tweede manier om de kabellengte te beperken is het plaatsen van meerdere zonne-installaties die volledig onafhankelijk van elkaar verschillende delen van het huis van elektriciteit voorzien. Het enige nadeel van deze strategie is dat er meer dan één zonnelaadregelaar nodig is, al is dat niet zo'n duur apparaat. Bijkomend voordeel is dan weer een grotere energiezekerheid. Als er iets misgaat met het ene systeem, dan levert het andere systeem nog altijd elektriciteit.

 

Optie 4: Gebruik dikkere elektriciteitskabels

 

Het energieverlies in elektriciteitskabels is gelijk aan het kwadraat van de stroom (uitgedrukt in ampère), vermenigvuldigd met de weerstand (uitgedrukt in Ohm). De weerstand kan worden verminderd door de lengte van de kabels te reduceren, maar ook door de diameter van de kabels te vergroten. Het probleem met deze aanpak is dat de kost van de kabel mee evolueert met de dikte ervan -- koper is niet goedkoop, en heeft uiteraard ook een milieukost.

 

In principe kan een dikke kabel een oplossing zijn indien het toestel vlakbij de energiebron staat opgesteld. Zo zou je bijvoorbeeld een aparte zonne-installatie kunnen opzetten voor een wasmachine of een elektrisch kookfornuis. Maar een omvormer met een AC-toestel lijkt dan een betere optie, aangezien het aansluiten van een apparaat met een hoog vermogen op een lage spanning het veiligheidsvoordeel van laagspanning teniet doet.

 

 12, 24 of 48 volt?

 

Een laagspanning gelijkstroomnetwerk kan op 12, 24 of 48 volt werken. Hoe lager de spanning, hoe hoger de distributieverliezen. Toch heeft de keuze voor 12 volt voordelen. De meeste gelijkstroom apparaten die vandaag verkrijgbaar zijn, werken op 12 volt. Om ze compatibel te maken met een 24V of 48V netwerk, is een DC-DC adapter nodig, die de spanning verlaagt.

 

Net als AC-DC adapters introduceren ze omzettingsverliezen. Hoewel het omzettingsverlies van een DC-DC adapter doorgaans lager is dan dat van een AC-DC adapter, kan het evengoed oplopen tot 5%. Hetzelfde probleem stelt zich als een 24 of 48 volt apparaat op een 12 volt netwerk wordt aangesloten, maar deze hogere spanningen zijn minder gangbaar

 

In de toekomst kan die situatie veranderen. De EMerge Alliance, een internationale organisatie van fabrikanten van gelijkstroom apparatuur, ontwikkelt een laagspanning standaard van 24 volt. Als die standaard voet aan de grond krijgt, en de meeste laagspanning gelijkstroom apparaten op 24 volt werken, dan wordt uiteraard een 24 volt netwerk de beste keuze.

 

DC-DC adapters zijn niet altijd helemaal te vermijden, zelfs niet met een 12 volt netwerk. Kleinere elektronische gadgets hebben een lagere spanning -- bij apparaten met een USB-stekker is de spanning beperkt tot 5 volt. Een groot probleem is dat echter niet, aangezien het per definitie om apparaten met een zeer klein vermogen gaat.

 

Zonnepanelen en batterijen zijn ook verkrijgbaar met verschillende gelijkstroom voltages: 12, 24 of 48 volt. Door ze in serie aan elkaar te koppelen, kan de spanning worden verhoogd. Twee zonnepanelen (of batterijen) van elk 12 volt die in serie aan elkaar worden gelinkt, leveren een spanning van 24 volt. Zonnepanelen of batterijen kunnen ook in parallel aan elkaar worden gekoppeld: de spanning blijft dan gelijk, ongeacht het aantal panelen of batterijen, terwijl de elektrische stroom (uitgedrukt in ampère) toeneemt.

  

Kris De Decker - Lowtech magazin - LINK