Jak rozwiązać problem zacienienia modułów fotowoltaicznych? PORADY EKSPERTA

Inteligentne rozwiązania na rynku fotowoltaiki, takie jak Fronius Dynamic Peak Manager, pomagają rozwiązać odwieczny problem zacienienia.

Im więcej słońca, tym więcej energii. Właściciele domów planujący montaż instalacji pv na dachu muszą wiedzieć, jakie warunki zapewnią prawidłowe działanie instalacji i optymalną wydajność. Zacienienie modułów fotowoltaicznych jest nadal uważane za jedną z największych przeszkód. Dlaczego obecnie częściowe zacienienie ma jedynie znikomy wpływ na wydajność instalacji pv.

Wpływ częściowego zacienienia na moduły fotowoltaiczne

Pełne słońce, ani jednej chmurki na niebie i instalacja fotowoltaiczna umieszczona na dachu to idealne warunki do wydajnej produkcji energii słonecznej. Jednak niewiele dachów jest całkowicie wolnych od zacienienia – drzewa, słupy, anteny telewizyjne i sąsiednie budynki często rzucają cień na moduły fotowoltaiczne. Teoretycznie powinno się to odbijać na produkcji i wydajności. Jednak bliższa analiza problemu szybko ujawnia, że straty spowodowane częściowym zacienieniem mają znikomy wpływ na całkowitą produkcję roczną. Kluczowe jest tutaj właściwe rozmieszczenie modułów w połączeniu z zastosowaniem odpowiedniego falownika.

Czy opadłe liście blokują produkcję energii?

Nadal powszechnie uważa się, że zacienienie modułów słonecznych, na przykład przez opadłe liście, spowoduje zaprzestanie lub znaczne ograniczenie produkcji energii przez instalację pv. Ma to rzekomo działać tak, jak przy ściśnięciu węża ogrodowego, które niezależnie od miejsca zatrzymuje lub znacznie ogranicza przepływ. Takie twierdzenie jest już dawno nieaktualne, ponieważ rozwiązanie tego problemu jest w każdy moduł w postaci diod obejściowych.

Alternatywna droga do wysokiej wydajności dzięki diodom bocznikującym

Każdy moduł pv jest obecnie wyposażony w diody bocznikujące (bypass), które pełnią rolę mostka działającego, gdy części modułu są zacienione. W takiej sytuacji zaczynają one przewodzić prąd w wyniku zmiany napięcia w obwodzie prądu stałego falownika przyłożonego do łańcucha, wskutek czego dotknięty problemem łańcuch ogniw modułu pv zostaje pominięty. Zapobiega to przegrzewaniu modułów i ewentualnemu występowaniu gorących punktów, a także umożliwia uzyskanie opłacalnej wydajności pomimo częściowego zacienienia.

Poprawa sytuacji na rynku modułów fotowoltaicznych

Dzięki postępom w konstrukcji modułów fotowoltaicznych domowe instalacje pv mają jeszcze wyższe współczynniki sprawności. Technologia ogniw połówkowych (half cut), która dzieli pojedyncze ogniwa pv na dwa, nie tylko zmniejsza straty mocy występujące w konwencjonalnych modułach fotowoltaicznych, ale także poprawia wykorzystanie światła i zapewnia stabilne działanie nawet w wysokich temperaturach.

Moduły z ogniwami połówkowymi, które są podzielone pośrodku diodami bocznikującymi, lepiej działają także przy zacienieniu. Jeśli dolna lub górna połowa modułu z ogniwami połówkowymi jest zacieniona np. przez liście, druga połowa dalej działa z pełną mocą wyjściową. W takiej sytuacji równie zacieniony moduł z pełnymi ogniwami straciłby całą moc.

Większa moc za sprawą efektywnego algorytmu śledzenia mpp

Aby w jak największym stopniu zminimalizować straty wskutek zacienienia lub niedopasowania, falowniki łańcuchowe lub wielołańcuchowe są wyposażone odpowiednio w jeden lub wiele trackerów punktów mocy maksymalnej (MPP). Najlepiej, gdy każdy łańcuch jest wyposażony w jeden tracker MPP, który na bieżąco określa optymalny punkt pracy połączonych łańcuchów i w ten sposób utrzymuje maksymalną moc instalacji pv przez cały czas.

Dynamic peak manager — efektywne zarządzanie zacienieniem w standardzie

Inteligentny system zarządzania zacienieniem — najlepiej fabrycznie zintegrowany z falownikiem — zapewnia maksymalną wydajność pomimo częściowego zacienienia, dzięki czemu częściowo zacienione obszary dachu mogą być również uwzględnione w planie instalacji.
Dynamic Peak Manager firmy Fronius to inteligentny algorytm śledzenia MPP, który wykrywa zacienienie i optymalizuje wydajność na poziomie łańcucha. W tym celu skanuje i analizuje całą charakterystykę moc-napięcie w regularnych, mniej więcej 10-minutowych odstępach czasu, zawsze znajdując najbardziej efektywny punkt pracy instalacji PV (globalny punkt mocy maksymalnej).

Symulacja zacienienia przy użyciu niezależnego oprogramowania pokazuje, że roczne straty w wyniku zacienienia są niewielkie. Zasadniczo należy rozważyć dwie różne kategorie strat:

• Straty wynikające z zacienienia poszczególnych modułów: Z powodu obecności różnych obiektów przesłaniających — w tym przypadku komina — światło słoneczne jest zatrzymywane i pada go mniej na moduły fotowoltaiczne. Tego ograniczenia ilości padającego światła nie można zoptymalizować za pomocą falownika, optymalizatora mocy czy mikroinwertera; jedynym rozwiązaniem w tym przypadku jest wyeliminowanie obiektu rzucającego cień.
• Natomiast stratę wskutek niedopasowania — czyli stratę na połączeniach łańcuchów — można znacznie zmniejszyć dzięki inteligentnemu algorytmowi śledzenia MPP: jak widać w tabeli, za sprawą algorytmu Dynamic Peak Manager, strata wskutek niedopasowania jest o dwie trzecie mniejsza niż strata wskutek zacienienia poszczególnych modułów.

Wyniki symulacji wyraźnie pokazują, że częściowe zacienienie poszczególnych modułów powoduje znacznie większe straty (około 18%) niż niedopasowanie (około 6%). Jeśli falownik będący sercem instalacji pv posiada efektywny algorytm śledzenia MPP i system inteligentnego zarządzania zacienieniem, tak jak wszystkie falowniki firmy Fronius, można mieć pewność, że optymalna wydajność będzie osiągana nawet w trudnych warunkach środowiskowych, a współpraca pomiędzy sprzętem i oprogramowaniem będzie układać się doskonale – i to bez dodatkowych elementów i kosztów.

Czy optymalizator mocy jest dobrym rozwiązaniem?

Chociaż optymalizatory DC mogą również zwiększać moc wyjściową instalacji w przypadku zacienienia, rzadko okazują się opłacalne: optymalizator próbuje zoptymalizować każdy moduł pod względem jego indywidualnego MPP. Kontrolując napięcie na poziomie modułu, optymalizator mocy zdecydowanie daje pewne korzyści, zwłaszcza przy lekkim zacienieniu, ale tylko wtedy, gdy diody bocznikujące nie są aktywne.

Jako elementy dodatkowe, przetwornice DC/DC same wymagają energii i nawet w trybie gotowości pobierają moc, którą musi najpierw wytworzyć instalacja pv. W rezultacie uzyskana poprawa wydajności jest często niższa niż zakładana i zwykle nie uzasadnia wyższych kosztów inwestycji. Ponadto umieszczenie na każdym module wielu dodatkowych elementów zmniejsza ogólną niezawodność instalacji pv, a tym samym zwiększa prawdopodobieństwo jej awarii.

Wnioski

Zacienienia modułów fotowoltaicznych nie zawsze da się uniknąć, ale dzięki obiecującym postępom na rynku, zarówno w zakresie modułów fotowoltaicznych, jak i falowników łańcuchowych, już teraz można skutecznie przeciwdziałać stratom nim spowodowanym.

Liczy się tu rodzaj zacienienia lub straty mocy wyjściowej: Obecnie istnieje remedium przede wszystkim na straty wskutek niedopasowania, które mogą być spowodowane nierównomiernym zacienieniem modułów fotowoltaicznych. Zastosowanie systemu zintegrowanego zarządzania zacienieniem, takiego jak Dynamic Peak Manager firmy Fronius, pozwala na utrzymanie tych strat na bardzo niskim poziomie.

Największa część strat związanych z zacienieniem zawsze wynika ze zmniejszenia ilości padającego światła na skutek obecności obiektów rzucających cień (drzewo, dom, słupy itp.). Nie da się ich zmniejszyć przez zastosowanie optymalizatorów DC, mikroinwerterów czy innych układów elektronicznych mocy na poziomie modułu — może pomóc tylko usunięcie obiektu.

Inwestowanie w dodatkowe elementy, takie jak optymalizatory DC, w celu optymalizacji mocy wyjściowej, rzadko jest opłacalne. Szczególnie w przypadku zacienienia stałego lub instalacji pv, w których tylko kilka modułów jest zacienionych, zastosowanie optymalizatorów mocy nie wydaje się korzystne ze względu na ich dodatkowe zapotrzebowanie na energię, a także w związku ze zwiększeniem awaryjności całej instalacji pv.

FRONIUS