Zekeringen voor zonnepanelen, wanneer zijn die noodzakelijk?

In dit artikel bespreken we wanneer en waarom je zekeringen moet gebruiken bij het gebruik van zonnepanelen.

Wat voor zekering?

Als eerste, een zekering kan twee doelen dienen. Het beschermen van een apparaat, in dit kader zou dat de zonnepaneelomvormer of de MPPT zonnepaneellaadregelaar zijn. Maar die zijn vanuit de fabriek al van een zekering voorzien. Dié zekering is in dit artikel niet aan de orde.

De tweede taak van een zekering is om de bekabeling te beschermen, dat deze niet oververhit raakt en mogelijk voor brand zou kunnen zorgen als een té grote stroom door de kabel zou vloeien. Over dié zekering gaat dit artikel.

Zonnepaneelomvormer en MPPT zonnepaneellaadregelaar

Een zonnepaneel of zonnepanelen, of ze nou in serie schakelt, parallel of een combinatie van serie en parallel, je zal die panelen aansluiten op een zonnepaneelomvormer (ook wel inverter genoemd) of een MPPT zonnepaneellaadregelaar.

De stroom van de panelen zal dus naar de zonnepaneelomvormer of MPPT laadregelaar vloeien. Voor dit onderwerp, het zekeren van zonnepanelen maakt het niet uit of je een zonnepaneelomvormer of MPPT laadregelaar gebruikt, de principes blijven gelijk.

Serie- en parallel schakelen van zonnepanelen

Mocht je het niet weten, dan heel kort even. Als één zonnepaneel 50 Volt en 13 Ampère levert, dan zullen twee zonnepanelen die je in serie schakelt, 100 Volt en 13 Ampère leveren. Drie panelen in serie wordt het 150 Volt en nog steeds die 13 Ampère.

Schakel je twee van deze panelen parallel, dan zal de spanning 50 Volt blijven, maar de stroom wordt twee keer zo hoog, in dit voorbeeld 26 Ampère. Schakel je drie panelen parallel, dan nog blijft de spanning 50 Volt, maar kan de stroom oplopen tot 39 Ampère.

Kortsluitstroom

In dit kader is het belangrijk om het fenomeen kortsluitstroom te begrijpen. Ieder zonnepaneel kan een maximale stroom leveren die naar de omvormer of MPPT vloeit. Die stroomsterkte zal afhankelijk zijn van de spanning die het zonnepaneel afgeeft. Er is namelijk een directe relatie tussen de stroomsterkte die je uit het zonnepaneel kan betrekken en de spanning die afgegeven wordt.

Hoe groter de stroom die je uit het zonnepaneel betrekt, hoe lager de spanning zal zijn die het paneel afgeeft. Een kleine stroom zal voor een hoge spanning zorgen, een grote stroom voor kleine spanning. Lees hier meer over in het artikel waar we de MPPT functie behandelen.

De maximale stroom levert een zonnepaneel als de spanning 0 Volt is, dus als het zonnepaneel kortgesloten wordt. Vandaar dat dit de kortsluitstroom wordt genoemd. In het Engels wordt dit de short circuit current genoemd, internationaal afgekort met I_sc (de I staat voor stroom of current). Een zonnepaneelomvormer of MPPT laadregelaar zal nooit de zonnepanelen kortsluiten, dus zal de stroom vanuit de panelen richting de omvormer of MPPT altijd lager zijn dan de kortsluitstroom.

Mag je zonder ernstige gevolgen een zonnepaneel kortsluiten? Ja hoor, je kan gerust de plus en min van een zonnepaneel kortsluiten, zo lang je wilt. Hoeveel stroom dan zal vloeien zal afhankelijk zijn van de hoeveelheid zonne-instraling.

Van ieder zonnepaneel wordt deze maximale kortsluitstroom gespecificeerd. Hieronder zie je een deel van een datasheet van een willekeurig zonnepaneel. Daar zie je in de tweede kolom bij "Short Circuit Current (I)_sc A" een waarde staan van 13,72 Ampère. Dat specifieke paneel, de JAM72S30-530/MR levert dus een maximale kortsluitstroom van 13,72 Ampère (onder bepaalde condities, zoals temperatuur, en instraling).

Eén zonnepaneel, of één string met zonnepanelen

Heb je één zonnepaneel, of een aantal zonnepanelen in serie geschakeld, dan is naar onze mening een zekering totaal niet nodig.

Stel dat in de bekabeling van het zonnepaneel of zonnepanelen, de zonnepaneelomvormer of de MPPT laadregelaar een kortsluiting zou ontstaan, dan zal vanuit de panelen een kortsluitstroom I_sc vloeien, met ons voorbeeld zonnepaneel (we gaan uit van een zonnepaneel van 50 Volt, 13 Ampère) is dat maximaal 13 Ampère.

Maar die kortsluitstroom kan met gemak door de zonnepaneelbekabeling verwerkt kunnen worden, want die moet altijd minimaal deze kortsluitstroom kunnen verwerken. Een standaard zonnepaneelkabel van 4 mm² zal bij een stroom stroom tot 30 Ampère nauwelijks warmer worden. Dus die kabel haalt zijn schouders op als hij maar 13 Ampère te verwerken krijgt.

En zoals we eerder al schreven, dat het zonnepaneel of zonnepanelen kortgesloten worden, daar kunnen ze heel goed tegen, geen enkel gevaar.

Dus een zekering is bij het gebruik van één zonnepaneel, of een aantal zonnepanelen in serie niet noodzakelijk.

De meeste zonnepaneelinstallaties bij woonhuizen hebben per paneel een micro-omvormer, of de panelen staan in serie en zijn op één zonnepaneelomvormer aangesloten. Vandaar dat je bij de meest gangbare zonnepaneelinstallaties nooit een zekeringen ziet.

Twee zonnepanelen parallel of twee strings van zonnepanelen parallel

Het parallel schakelen van twee zonnepaneelstrings, bijvoorbeeld drie panelen in serie, zo iets wordt een string genoemd, die parallel geschakeld staan aan een andere string van drie panelen, is bij normale woonhuizen ongebruikelijk. Dit parallel schakelen van enkele of meerdere in strings geschakelde zonnepanelen tref je aan als gebruik wordt gemaakt van een PWM of MPPT zonnepaneellaadregelaar. De reden daarvoor is dat die zonnepaneellaadregelaars meestal werken met een relatief lage maximale zonnepaneelspanning, bijvoorbeeld 100, 150 of 250 Volt, terwijl bij gangbare woonhuizen een string zonnepanelen rustig 400 tot 600 Volt kan zijn.

Door de beperkte spanning die ze aankunnen worden de zonnepanelen of zonnepaneelstrings parallel geschakeld. Hierdoor neemt de stroom met een factor twee toe en zo ook het vermogen dat de zonnepanelen kunnen leveren.

Wanneer je twee zonnepanelen parallel schakelt, en ieder paneel levert bijvoorbeeld maximaal 50 Volt en 13 Ampère, dan zullen die twee parallel geschakelde zonnepanelen ook 50 Volt leveren, alleen is de maximale stroom verdubbeld naar 26 Ampère.

Normaal zal die stroom gebruikt worden door de zonnepaneelomvormer of MPPT. Maar stel nou eens dat er iets mis is gegaan in het een zonnepaneel of de bekabeling. Dat het zonnepaneel geen stroom levert maar een kortsluiting vormt. Of dat de bekabeling door wat voor reden dan ook een kortsluiting vormt.

De vraag is, Zou dat erg zijn, blijft dat veilig?

Nee, dat is niet erg en het blijft veilig. De maximale stroom die dan zal vloeien is de maximale kortsluitstroom die het nog werkende paneel kan leveren. De bekabeling heeft hier geen problemen mee, want die kon sowieso al met zo'n stroom omgaan. En als het andere paneel zich gedraagt als kortsluiting, ook niet erg.

Dus kan je twee panelen zonder zekeringen parallel schakelen? Zeker, geen enkel probleem.

Dit geldt evenzo voor twee strings van zonnepanelen die parallel geschakeld zijn. Stel je hebt twee strings die ieder uit bijvoorbeeld drie zonnepanelen bestaan, dan zal één string maximaal een spanning leveren van (in dit voorbeeld) 150 Volt en een maximale kortsluitstroom van 13 Ampère. De zonnepaneelbekabeling kan die stroom met gemak aan. En mocht de ene string zonnepanelen zich als kortsluiting gedragen dan zal de nog goed werkende string een stroom leveren die maar maximaal 13 Ampère is. Dus geen probleem.

Daarom is naar onze mening een zekering niet nodig als je twee zonnepanelen, of twee zonnepaneelstrings parallel schakelt.

NB: bovenstaande is allen van toepassing als die twee zonnepanelen of twee strings van zonnepanelen bestaan uit identieke zonnepanelen, maar dat moet sowieso toch al, want verschillende zonnepanelen combineren is niet verstandig.

Drie (of meer) zonnepanelen of drie (of meer) zonnepaneelstrings parallel schakelen

Wanneer je drie of meer zonnepanelen parallel schakelt, of drie of meer zonnepaneelstrings parallel schakelt, zal normaal gesproken de maximale stroom gelijk zijn aan het aantal parallel geschakelde zonnepanelen(strings).

Levert één paneel (of string) bijvoorbeeld 13 Ampère, dan zullen drie parallel geschakelde zonnepanelen (of strings) een maximale stroom leveren die drie keer zo hoog is, dus 3 x 13 Ampère = 39 Ampère.

Normaal gesproken zal deze stroom gebruikt worden door de zonnepaneelomvormer of MPPT. De bekabeling moet daarop aangepast zijn, die moet in dit geval dus 39 Ampère kunnen verwerken.

Maar stel nou eens dat één zonnepaneel (of één string) defect raakt. Het maakt niet uit, of dat nou aan de zonnepanelen ligt van die defecte string, of dat de bekabeling van die string kortsluiting heeft, maar dan zal de stroom van de twee andere panelen (of de andere twee strings) gaan vloeien door dat defecte zonnepaneel (of defecte string) of door de bekabeling van die ene string die een kortsluiting heeft.

De bekabeling naar het zonnepaneel, of string, is berekend op de stroom van één zonnepaneel (of string). In ons voorbeeld 13 Ampère. In dat geval zouden de twee nog werkende panelen een stroom van 2 x 13 Ampère laten vloeien door het defecte paneel (of string) of de kortgesloten bekabeling. Dat is dus 26 Ampère.

Als, en alleen als, de bekabeling naar dat enkele zonnepaneel (of string) berekend is op maximaal 13 Ampère, dan heb je een probleem. Dan zal bij een stroom van 26 Ampère die kabel sterk verhit raken. Dat zou dan een zekering vereisen die een stroom boven de 13 Ampère doorslaat.

Maar stel dat de bekabeling wél 26 Ampère aankan, dat zal in de praktijk ook vaak het geval zijn, dan zal de kabel niet oververhit raken, maar hoe zit dat met het defecte zonnepaneel?

Het defecte zonnepaneel, dat een kortsluiting vormt, zal een stroom te verwerken krijgen die de andere twee zonnepanelen (of strings) maximaal kunnen leveren. Dat is in dit voorbeeld dan 2 x 13 Ampère, dus 26 Ampère.

Het zonnepaneel is gemaakt waarbij men uitgaat dat de maximale stroom maximaal 13 Ampère zal zijn (in dit voorbeeld). Als dan 26 Ampère door het paneel (of string) zal vloeien, dan zal het paneel oververhit raken. Dus kans op brandgevaar.

Dus in die situatie moeten we gebruik maken van een zekering. Ook moet een zekering gebruikt worden als de bekabeling naar één zonnepaneel of één zonnepaneelstring niet berekend is op de maximale kortsluitstroom die de twee andere zonnepanelen (of strings) kunnen leveren. Dus stel, dat de kabels naar de individuele zonnepanelen maximaal 15 Ampère kunnen verwerken (dat is vreemd, maar het gaat hier om een rekenvoorbeeld) en de andere twee zonnepanelen (of strings) kunnen meer dan die 15 Ampère leveren (in ons voorbeeld is dat 2 x 13, dus 26 Ampère, dan zijn zekeringen nodig.

Dus bij drie (of meer) parallel geschakelde zonnepanelen (of zonnepaneelstrings) moet ieder zonnepaneel (of string) voorzien worden van een zekering. Die zekering moet zodanig gedimensioneerd zijn dat bij een hogere stroom dan de maximale kortsluitstroom van één paneel, deze zal doorsmelten.

In een configuratie van drie parallel geschakelde zonnepanelen (of strings) zal je dus drie zekeringen moeten gebruiken. Voor vier parallel geschakelde zonnepanelen (of strings) heb je dus vier zekeringen nodig, et cetera.

Wat voor zekering?

Zekeringen heb je in vele soorten en maten. In dit geval moeten ze geschikt zijn om te grote stromen door een kabel te voorkomen. Normaal wordt hiervoor een "type gG" gebruikt, maar voor zonnepanelen is daar een speciale versie voor de "type gPV" zekering genoemd.

Die zekering moet wat meer stroom kunnen verwerken dan de nominale stroom (in dit voorbeeld 13 Ampère), bijvoorbeeld 16 Ampère.

De gebruikte zekering moet ook in staat zijn een bepaalde spanning uit te schakelen. Van iedere zekering is de maximaal toepasbare spanning gespecificeerd. Hoe hoog die spanning moet zijn is afhankelijk van het gebruikte zonnepaneel en of je meerdere zonnepanelen in serie hebt geschakeld.

Als we ons zonnepaneel uit het voorbeeld gebruiken, dan levert die maximaal 50 Volt. Dan moet de zekering dit met gemak kunnen verwerken. Denk dan aan een spanning van minimaal 60 Volt of meer.

Zet je drie panelen in serie, dan wordt de spanning drie keer zo hoog. Met de panelen uit ons voorbeeld wordt dan de spanning 3 x 50 Volt = 150 Volt. Dan moet de zekering die spanning kunnen onderbreken. Wij zouden dan omkijken naar een zekering die 175 Volt of meer kan onderbreken.

Let op: de zekering die bij zonnepanelen moet gebruiken moet wel een DC of gelijkspanningszekering zijn. Zekeringen voor AC, wisselspanning, en DC, gelijkspanning zijn totaal niet uitwisselbaar!

Wil je een een zonnepaneelarray die uit drie strings voorzien van zekeringen, en de kortsluitstroom is 13 Ampère en de openklemspanning is 50 Volt, dan zal je naar een zekering moeten zoeken met de volgende specificaties:

• Type gPV zekering
• Type DC zekering (voor gelijkspanning)
• minimale spanning: hoger dan 150 Volt
• nominale stroom (In): iets groter dan 13 Ampère

Opmerking

Realiseer dat een standaard MC4 connector berekend is op een maximale stroom van 30 Ampère. Gebruik daarom niet MC4 Y-splitsingen met de mogelijkheid tot het aansluiten van drie zonnepanelen/strings als de totale stroom van de panelen/string samen hoger is dan 30 Ampère.

Gebruik in zo'n situatie dan een MPPT met niet één maar twee zonnepaneel aansluitingen (dus twee keer twee MC4 connectors). Ongebruikelijk bij een zonnepaneelomvormer maar niet bij een MPPT, is het gebruik van een schroefterminal aansluiting die dan wel geschikt is voor hogere stromen dan 30 Ampère.