In de montage van zonnepanelen op platte daken wordt er meestal geopteerd voor het principe van montage met behulp van ballast. Hierbij wordt het zonnepaneel verankerd aan een structuur die het paneel onder een hoek plaatst, en het geheel wordt dan verzwaard met behulp van betontegels of grind zodat het kan weerstaan aan de optredende lift- en dragkrachten.
Ondanks dat montage met behulp van ballast vandaag een ‘common practice’ is, zijn er enkele nadelen aan verbonden.
Ten eerste gaat het dak extra belast worden en dus moet de dakconstructie zeker sterk genoeg zijn. Bij sommige montagesystemen gaat de draagstructuur het dak slechts op een aantal punten raken, aangezien er een aanzienlijk gewicht van ballast op de structuur ligt ontstaan er dus lokaal grote drukken op de dakbedekking. Hierdoor gaat de dakbedekking – veelal bitumen – ingedrukt en beschadigd worden. In de groeven die daardoor ontstaan kan allerlei vuil en regenwater blijven liggen.
Een ander probleem ligt bij de keuze van het type ballast. Ballast bestaande uit partikels zoals grind of zand kan eenvoudig en snel op het dak gepomp worden, maar moet in beschutte bakken gebruikt worden omdat de ballast anders onderhevig is aan de wind. Betontegels daarentegen gaan niet zomaar wegvliegen maar moeten met de hand of met een kraan naar boven worden gebracht, wat duurder is.
Nadelen wegwerken
Joren Loeckx en Kevin Verhulst, voormalig Masterstudenten Elektromechanica bij Groep T (associatie KU Leuven) gingen in hun masterproefonderzoek op zoek naar manieren om hoger vernoemde nadelen op zijn minst gedeeltelijk weg te werken. Er zijn hiervoor twee grote mogelijkheden:
1) De materiaalkost van zowel de draagstructuren als van de ballast terugdringen
2) De hoeveelheid noodzakelijke arbeidsuren beperken door minder en/of goedkopere ballast te gebruiken en door een structuur te ontwerpen die eenvoudiger monteerbaar is. Ook kan er bespaard worden op materiaalkost door standaardprofielen te gebruiken als structurele onderdelen.
Beïnvloedbare factoren
Belangrijke factoren die beïnvloed kunnen worden zijn de hoek waaronder de panelen worden geplaatst, het al dan niet afschermen van de panelen langs de zijkant en achteraan, de hoogte tussen de onderkant van het paneel en het dakoppervlak en de afstand tussen de verschillende rijen panelen.
De hoek waaronder de panelen worden geplaatst bepaalt het rendement; hoe beter de hoek 36° benadert, hoe groter het rendement van de panelen. Fotovoltaïsche cellen hebben in België immers een maximaal rendement indien geplaatst onder een hoek van 36°.
Onderstaand instralingsdiagram toont de gemiddelde jaarlijkse zoninstraling voor verschillende vaste hellingshoeken en oriëntaties, uitgedrukt in percentages van de maximale instraling. Het diagram toont dat bij een goede zuidelijke oriëntatie nog steeds 95% van de maximale instralingsenergie van de zon op de zonnecellen zal terecht komen, indien deze onder een hoek staan tussen 15 en 55°. Het is dus interessanter om onder een lagere hoek dan de optimale 36 graden te werken, aangezien de hoeveelheid ingestraalde energie daardoor niet spectaculair daalt maar er wel een aanzienlijke vermindering van de benodigde hoeveelheid ballast kan gerealiseerd worden.
Uiteindelijk zou er dus een optimale waarde bepaald moeten worden voor de hoeken α, β en de hoogte h die het beste een compromis bieden tussen het rendement van het zonnepaneel en een minimum aan vereiste ballast om het geheel te laten weerstaan aan de windkrachten.
Uit verder onderzoek blijkt echter dat een ideale configuratie van bovenstaande parameters niet bestaat, gezien het probleem voor elk type dak en type zonnepaneel anders kan worden opgelost.
Optimalisering
Maar welke factoren kunnen dan wel bijdragen aan een optimale ballastering van zonnepanelen op een plat dak?
Uit simulaties blijkt dat het afschermen van de achterzijde van de dragende constructie van een zonnepaneel de grootte van de kritische kracht met een factor 6 of meer doet dalen. Naarmate de hoek waaronder het paneel wordt geplaatst vergroot, zullen ook de optredende krachten vergroten. Hetzelfde geldt voor de hoek waaronder de afscherming aan de achterzijde wordt geplaatst; naarmate deze dichter een hoek van 90° met het dakoppervlak benadert zal de drag, die kritisch is, toenemen.
Indien het gebruik van een minimale hoeveelheid ballast gewenst is, is het interessant het paneel onder een kleine hoek te plaatsen, en de hoek van de afschermplaat kleiner dan 90 graden te houden. De hoek waaronder het paneel geplaatst wordt kan best niet kleiner dan 10° worden genomen. Indien deze hoek te klein wordt genomen zal er vuil en neerslag op de zonnecellen blijven liggen, wat dan weer een negatief effect heeft op het rendement van de zonnecellen. Indien een optimaal rendement van de installatie als prioriteit wordt gesteld moet de hoek waaronder het zonnepaneel wordt geplaatst groter genomen worden.
Wanneer meerdere panelen achter elkaar worden geplaatst, zal het paneel dat als eerste wordt getroffen door de wind de grootste krachten ondergaan. Op het tweede paneel in de rij zijn de inwerkende krachten heel klein. Vanaf het derde paneel blijven de krachten op alle volgende panelen ongeveer constant en zijn deze twee of meer maal kleiner dan de krachten op het eerst getroffen paneel. Er moet dus niet voor alle panelen dezelfde hoeveelheid ballast gebruikt worden: het eerste en laatste paneel in de rij worden het zwaarst belast en daar moet dus het meeste extra gewicht worden toegevoegd, de middelste panelen kunnen het met minder ballast stellen. Er moet echter nog onderzocht worden in welke mate dit ook opgaat als de wind schuin invalt.
Een compromis tussen het beperken van de extra materiaalkost en het minimaliseren van de hoeveelheid gebruikte ballast kan worden bereikt door enkel de uiterste panelen af te schermen en de middelste open te laten. Hierdoor verdubbelt de hoeveelheid benodigde ballast op de middelste panelen maar tegelijkertijd wordt er veel extra materiaal bespaard. Dit is interessant omdat de ballast nodig op de middelste panelen beperkt is.
Door de individuele zonnepanelen onderling met elkaar te verbinden tot een netwerkstructuur word het gewicht van de volledige constructie gebruikt als ballast voor de individuele panelen. Ook kan er dan gekozen worden hoe de extra ballast over het dak wordt verdeeld. Zo kan er voor gezorgd worden dat het dak voornamelijk wordt belast op de minst kritische punten.
Om de juiste hoeveelheid ballast te bepalen moet er naar het gebouw zelf gekeken worden, de ligging en de hoogte hebben een grote invloed op de nodige ballast (zie onderstaande tabel).
Ook kan er best uit de hoek en de randzones van het dak worden gebleven om de nodige hoeveelheid ballast te reduceren.
Bron: Ontwerp van een nieuwe dragende structuur voor de montage van zonnepanelen op platte dak met behulp van een minimale hoeveelheid ballast (Joren Loeckx, Kevin Verhulst: Groep T associatie KU Leuven)
