Inleiding: De uitdaging van stroomomzetting

Zonnepanelen zijn geïnstalleerd, de batterij is klaar voor gebruik, de zon schijnt. De basis voor een zonne-installatie is gelegd. Maar er ontbreekt een belangrijke component: De omvormer en zijn veelzijdige functies.

De uitdaging bij zonne-installaties:

• Zonnecellen genereren gelijkstroom (DC)
• Huishoudelijke apparaten hebben wisselstroom (AC) nodig
• Batterijen slaan opnieuw gelijkstroom (DC) op

Om dit op te lossen, wordt vermogenselektronica ingezet. In dit artikel leert u hoe de verschillende componenten functioneren.

Overzicht: Vermogenselektronische componenten

Zowel in de zonnentechniek als in alle moderne apparaten is vermogenselektronica onmisbaar. Voor zonne-installaties en batterijen worden verschillende componenten gebruikt, die elk specifieke taken bij de stroomomzetting vervullen:

Component	Functie
Omvormer	DC → AC (Gelijk- naar wisselstroom)
Gelijkrichter	AC → DC (Wissel- naar gelijkstroom)
Boost-converter	Lage DC-spanning → Hoge DC-spanning
Buck-converter	Hoge DC-spanning → Lage DC-spanning
BMS	Batterijbeheersysteem

Uni- en bidirectioneel

Deze componenten kunnen unidirectioneel (in één richting) of bidirectioneel (in beide richtingen) zijn:

• Unidirectioneel: Alleen gelijk- naar wisselstroom mogelijk
• Bidirectioneel: Beide richtingen mogelijk (belangrijk voor batterijopslag!)

De omvormer: Het hart van de zonne-installatie

Omvormers zetten de gegenereerde gelijkstroom van de zonnepanelen om in wisselstroom. Dit gebeurt door elektronisch aangestuurde schakelaars, zogenaamde vermogenschakelaars.

Werkingsprincipe: Het "hakken"

1. De gelijkstroom wordt zeer snel aan- en uitgeschakeld
2. Door verschillende schakeltijden ontstaat een patroon
3. Uit de gemiddelde waarden van de "gelijkstroomstukjes" ontstaat wisselstroom
4. De frequentie bedraagt standaard 50 Hz (Europa)

Het resultaat is netconforme wisselstroom, die geschikt is voor alle huishoudelijke toepassingen.

Belangrijke omvormerfuncties

Naast de pure stroomomzetting vervullen moderne omvormers nog andere belangrijke taken voor de veilige en efficiënte werking van de zonne-installatie:

Functie	Beschrijving
Net-synchronisatie	Frequentie en fase worden aan het net aangepast
NA-bescherming	Scheidt bij netuitval (bescherming voor onderhoudspersoneel)
Vermogensbeperking	Softwarematige beperking (bijv. 70%-regel)
Monitoring	Bewaking en foutdiagnose

Rendement

Moderne omvormers bereiken een rendement van 96–98%. Verliezen ontstaan door:

• Schakelverliezen in de halfgeleiders
• Eigen verbruik van de elektronica
• Warmteontwikkeling

De gelijkrichter: Het tegenstuk

Een gelijkrichter is het tegenovergestelde van een omvormer: hij zet wisselstroom om in gelijkstroom.

Werkingsprincipe

Bij het gelijkrichten wordt de wisselstroom gedeeltelijk "afgesneden":

• Alleen de positieve "pieken" van de wisselstroom worden gebruikt
• Het gemiddelde resulteert in een bijna constante gelijkstroom
• Hoogfrequent schakelen maakt het resultaat gladder

Toepassing in zonne-installaties

Gelijkrichters zijn nodig wanneer:

• Een AC-gekoppelde batterij uit het net wordt geladen
• Overtollige netstroom tijdelijk moet worden opgeslagen

DC-DC-omvormers: Spanning aanpassen

DC-DC-omvormers (gelijkstroomomvormers) veranderen de spanningshoogte van gelijkstroom zonder deze om te zetten in wisselstroom.

Boost-converter

Zet laagspanning om in hoogspanning.

Opbouw:

• Laagspanningsbron
• Spoel
• Diode
• Vermogenschakelaar
• Condensator

Werkingsprincipe:

1. Schakelaar gesloten: Stroom vloeit door de spoel, magnetisch veld bouwt zich op
2. Schakelaar opent: Magnetisch veld stort in, genereert stroom
3. Condensator laadt: De verhoogde spanning wordt in de condensator opgeslagen

Dit proces herhaalt zich met zeer hoge frequentie voor stabiele spanning.

Buck-converter

Zet hoogspanning om in laagspanning.

Werkingsprincipe:

1. Schakelaar gesloten: Stroom vloeit naar spoel en condensator
2. Schakelaar opent: Magnetisch veld stort in, polariteit verandert
3. Wisselende lading: Door constante polariteitswisselingen ontstaat lagere spanning

Bidirectionele DC-DC-omvormer (Buck-Boost)

Combineert beide functies – kan spanning verhogen en verlagen. Belangrijk voor:

• Batterijlading bij verschillende laadniveaus
• Aanpassing aan fluctuerende zonnepaneelspanning

De bouwstenen begrijpen

Voor een beter begrip hier de belangrijkste componenten:

Spoel

Een gewikkelde elektrische geleider, die:

• Bij stroomdoorvoer een magnetisch veld genereert
• Bij stroomonderbreking kort stroom laat doorvloeien

Vergelijking: Zoals een traag waterrad dat na het uitschakelen van het water nog verder draait.

Diode

Laat stroom slechts in één richting door. Werkt als een terugslagklep.

Condensator

Slaat energie op in de vorm van een elektrisch veld. Bestaat uit twee tegenoverliggende metalen platen. Dient als tussentijdse opslag voor stabiele spanning.

Vermogenschakelaar

Elektronische schakelaars op basis van halfgeleiders:

• Zeer hoge schakelsnelheid
• Klein bouwvolume
• Aangestuurd door stuurstroom

MPPT: Maximale opbrengst uit de zonne-installatie

De Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) is vaak geïntegreerd in de omvormer. Zijn taak: Ongeacht weer of belasting steeds de maximale opbrengst uit de zonne-installatie halen.

Waarom is dit nodig?

Elektrisch vermogen is: P = U × I (Spanning × Stroom)

Elk zonnepaneel heeft een individuele karakteristiek, die verandert door:

• Schaduw
• Temperatuurveranderingen
• Wisselende instraling

De "Perturb and Observe" algoritme

1. De spanning wordt iets verhoogd of verlaagd (verstoring)
2. De resulterende vermogensverandering wordt gemeten (observatie)
3. Was het vermogen hoger? → Verder in deze richting
4. Was het lager? → Richting veranderen

Zo vindt de MPPT continu het punt van maximaal vermogen – zelfs bij wisselende omstandigheden.

Batterijbeheersysteem (BMS)

Moderne batterijen hebben een intelligent regel- en bewakingssysteem voor veilige werking.

Kernfuncties van het BMS

Het BMS vervult een veelheid aan taken die onmisbaar zijn voor de veilige en duurzame werking van de batterij:

Taak	Beschrijving
Bewaking	Spanning, stroom, temperatuur van elke cel
Cell-Balancing	Gelijkmatige lading van alle cellen
Toestandsbepaling	SoC, SoH, SoP berekenen
Bescherming	Tegen overlading, oververhitting, kortsluiting
Communicatie	Gegevens naar andere systemen sturen

Belangrijke batterijparameters

Het BMS bewaakt verschillende parameters die informatie geven over de huidige toestand van de batterij. Deze gestandaardiseerde afkortingen komt u vaak tegen in technische documentaties:

Afkorting	Betekenis	Vraagstelling
SoC	State of Charge	Hoe vol is de batterij?
SoH	State of Health	Hoe gezond is de batterij?
SoP	State of Power	Hoeveel vermogen kan ze leveren?
SoS	State of Safety	Hoe dicht bij de veiligheidsgrens?
SoF	State of Function	Hoe functioneel is de batterij?

Het BMS bewaakt deze parameters continu en beslist over maatregelen voor verdere werking.

Conclusie

Wat gebeurt er als alle functies in één apparaat worden gecombineerd? Lees meer in het artikel De alleskunner: Hybride omvormer.

---

De complete artikelserie „Energieopslag voor zonne-installaties"

1. Van kikkerpoten tot batterijen: Hoe werkt een energieopslag? – Basisprincipes
2. Lithium vs. Lood: Welke batterij voor de zonne-installatie? – Technologievergelijking
3. Vermogenselektronica: Omvormers en DC-DC-omvormers – U bent hier
4. De alleskunner: Hybride omvormer – Alles in één apparaat
5. AC of DC? Systeemtopologieën voor zonne-installaties – Installatieconcepten

Bronnen

• Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• SMA: Solar-omvormer basiskennis
• HTW Berlin: Efficiëntie hybride omvormers
• Elektronik-Kompendium: Basisprincipes