Fotowoltaika a Zacienienie

Cień padający na panele fotowoltaiczne jest jedną z najważniejszych przyczyn strat w systemie fotowoltaicznym. W rzeczywistości zacienienie nawet 10% powierzchni systemu może spowodować utratę 50%. Ten nieproporcjonalny efekt jest spowodowany konstrukcją strun. Jeśli w ciągu znajduje się jeden zacieniony moduł, działanie całego ciągu ulega znacznemu pogorszeniu. Istnieje wiele rozwiązań technicznych, które wymagają, aby falowniki znajdowały nowy maksymalny punkt mocy lub miały jeden falownik na moduł. Najlepszym rozwiązaniem jest jednak unikanie częściowego zacienienia, gdy tylko jest taka możliwość.

Zacienienie paneli fotowoltaicznych

Aby zrozumieć, dlaczego zacienienie przyczynia się do tak poważnych strat, warto posłużyć się analogią wody przepływającej w rurach. Natężenie przepływu wody przez rurę jest stałe, podobnie jak prąd płynący przez łańcuch ogniw jest stały dla danego poziomu natężenia napromienienia.

Zacienienie ogniwa fotowoltaicznego można porównać do zatkania rury, przez którą płynie woda. Zator w rurze powoduje ograniczenie przepływu wody przez całą rurę. Podobnie, mamy do czynienia ze zmniejszeniem prądu płynącego przez cały ciąg w sytuacji gdy ogniwo słoneczne ulega zacienieniu. 

Jest to istotne, ponieważ każde ogniwo fotowoltaiczne w łańcuchu ogniw musi działać z prądem ustawionym przez zacienione ogniwo. Zapobiega to działaniu niezacienionych ogniw z maksymalną mocą. Dlatego zaledwie niewielkie zacienienie może mieć dramatyczny wpływ na moc wyjściową panelu fotowoltaicznego.

Podobne zasady dotyczą połączonych ze sobą modułów PV. Prąd przepływający przez cały szereg modułów może być znacznie zmniejszony, jeśli nawet pojedynczy moduł jest zacieniony, co prowadzi do potencjalnie znacznej utraty mocy wyjściowej.

Projekt fotowoltaiki a zacienienie

Przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej odpowiedniej dla naszego domu, firmy lub gospodarstwa rolnego, musimy pamiętać o odpowiednim zaprojektowaniu całego układu. Panele muszą zostać zainstalowane z uwzględnieniem najoptymalniejszego miejsca oraz pozycji, która umożliwi nieograniczoną absorpcję promieni słonecznych. Tylko wtedy nasza instalacja będzie mogła osiągać maksymalną wydajność oraz zagwarantować zabezpieczenie energii.

Ciekawym i niestety dość popularnym zjawiskiem jest efekt polegający na tym, że rzędy modułów fotowoltaicznych mocowanych na gruncie powodują zacienienie kolejnych rzędów.

Jeśli rzędy nachylonych modułów są zainstalowane zbyt blisko siebie, jeden rząd tworzy cień w następnym, powodując dodatkowe straty. Możemy uniknąć tych strat jeśli moduły rozstawimy z zachowaniem większych przerw między rzędami. Niestety może na tym ucierpieć optymalizacja przestrzeni.

Na etapie projektowania instalacji musimy przewidzieć oraz wyeliminować wszelkie miejsca w zabudowie naszej działki, które stanowić mogą potencjalne zacienienie dachu. Drzewa i wysokie krzewy rosnące dookoła budynku, zabudowania na terenie naszej działki lub w jej sąsiedztwie mogą zacieniać panele już teraz lub w przyszłości. Cień powodować mogą również z pozoru małe elementy takie jak kominy, anteny, okiennice, maszty, słupy czy przewody elektryczne.

Rozwiązania zmniejszające straty spowodowane zacienieniem

Na szczęście producenci fotowoltaiki starają się wyjść naprzeciw naszym potrzebom, tworząc rozwiązania mające na celu zapobieganie znacznej utracie energii w sytuacji zacienienia. Obejmują one zastosowanie różnych układów łańcuchowych, diod bocznikujących i elektroniki mocy na poziomie modułu (MLPE).

Układy naciągowe

Jednym z rozwiązań są moduły połączone szeregowo tworząc łańcuchy. Stringi w takich modułach można łączyć równolegle z falownikiem. Prąd płynący przez wszystkie moduły łańcucha musi być taki sam, podobnie jak napięcie równoległych ciągów. Jak wspomnieliśmy wyżej, do obniżenia mocy wyjściowej całego ciągu przyczynić się może zaledwie jeden zacieniony moduł. Jednak ten jeden moduł nie zmniejsza mocy wyjściowej łańcucha równoległego. Stąd pomysł na grupowanie zacienionych modułów w oddzielne ciągi, który zwiększy całkowitą moc wyjściową macierzy.

Diody obejściowe

Diody obejściowe, inaczej diody bocznikujące to elementy w module, które umożliwiają prądowi „przeskakiwanie” zacienionych obszarów modułu. Dzięki diodom obejściowym, wyższy prąd pasm ogniw z dostępem do światła może przepływać wokół ciągu ogniw, na który pada cień. Niestety jest to możliwe tylko dzięki utracie danych wyjściowych z pominiętych komórek.

Sytuacją idealną byłoby posiadanie diód obejściowych dla każdego ogniwa fotowoltaicznego w module. Jednak ze względu na koszty typowy moduł fotowoltaiczny będzie posiadał tylko trzy diody obejściowe. Te trzy diody umożliwią efektywne grupowanie ogniw w trzy szeregi. Przykładowo, moduł składający się z 60-ciu ogniw będzie posiadał zazwyczaj jedną diodę obejściową na każde 20 ogniw.

Elektronika mocy na poziomie modułu (MLPE)

Pod skrótem MLPE  (ang. Module-Level Power Electronics) kryją się urządzenia dołączane do poszczególnych modułów fotowoltaicznych w celu usprawnienia wydajności w sytuacji zacienienia. Możliwe jest to poprzez utworzenie śledzenia maksymalnego punktu mocy na poziomie modułu. MLPE obejmują optymalizatory prądu stałego oraz mikroinwertery.

Optymalizatory DC

Optymalizator prądu stałego dostosowuje swoje napięcie i prąd wyjściowy w celu utrzymania maksymalnej mocy nie obniżając przy tym wydajności innych modułów. 

W momencie gdy zacieniony moduł wytwarza energię elektryczną o niższym prądzie, optymalizator prądu stałego zwiększy prąd na swoim wyjściu, aby dopasować się do prądu przepływającego przez niezacienione moduły.

Aby to wyrównać, optymalizator równocześnie zmniejsza swoje napięcie wyjściowe o taką samą wartość, o jaką zwiększa prąd. Zacieniony moduł może dzięki temu wyprodukować taką samą ilość energii elektrycznej nie powodując przy tym zakłócania wydajności innych modułów. System fotowoltaiczny, który korzysta z optymalizatorów prądu stałego wciąż potrzebuje falownika do konwersji energii elektrycznej z prądu stałego na prąd przemienny.

Mikroinwertery

Do każdego panelu fotowoltaicznego można podłączyć mały falownik, który przekształca jego wyjście z prądu stałego na prąd przemienny. Każdy mikroinwerter ma MPPT czyli zaawansowany układ śledzenia maksymalnego punktu mocy. Ich wyjścia są połączone równolegle, a więc każdy panel fotowoltaiczny w układzie będzie działał z maksymalnym punktem mocy, bez wpływu na inne panele.

Podsumowanie

Fotowoltaika a zacienienie to częsty problem, z którymi boryka się niemała liczba posiadaczy własnej elektrowni słonecznej. Aby uniknąć skutków zacienienia paneli fotowoltaicznych konieczna jest wnikliwa analiza potencjalnego miejsca instalacji na etapie projektu. Doświadczeni specjaliści ds. fotowoltaiki wezmą pod uwagę wszelkie możliwe zagrożenie i zaprojektują instalację w taki sposób aby w miarę możliwości uniknąć lub przynajmniej zminimalizować ryzyko zacienienia.

Skontaktuj się z naszymi specjalistami już dziś, a doradzimy Ci jakie rozwiązanie będzie dla Ciebie najodpowiedniejsze.