Inwestorzy, którzy planują montaż instalacji PV na dachu muszą wiedzieć, jakie warunki zapewnią prawidłowe działanie instalacji i optymalną wydajność. Zacienienie paneli PV jest nadal uważane za jedną z największych przeszkód w osiągnięciu odpowiedniej efektywności. Z tego artykułu dowiesz się, dlaczego obecnie ma ono jedynie znikomy wpływ na wydajność instalacji fotowoltaicznej.
Częściowe zacienienie paneli PV i jego wpływ
Niewiele dachów jest całkowicie wolnych od zacienienia — drzewa, słupy, anteny telewizyjne i sąsiednie budynki często powodują zacienienie paneli PV. Teoretycznie powinno się to odbijać na produkcji i wydajności, jednak 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.
Mimo to nadal powszechnie uważa się, że zacienienie paneli PV powoduje zaprzestanie lub znaczne ograniczenie produkcji energii przez instalację fotowoltaiczną. Takie twierdzenie jest już jednak dawno nieaktualne, ponieważ rozwiązaniem tego problemu jest wyposażenie modułów w diody obejściowe.
Zacienienie paneli PV nie stanowi problemu
Moduły PV wyposaża się obecnie w diody bocznikujące (bypass), które pełnią rolę mostka działającego, gdy część modułu jest zacieniona. 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 się 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 rozwiązaniach, ale także poprawia wykorzystanie światła i zapewnia stabilną pracę nawet przy 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 pracuje 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.
Efektywne zarządzanie zacienieniem paneli PV w standardzie
Inteligentny system zarządzania zacienieniem — najlepiej fabrycznie zintegrowany z falownikiem — zapewnia maksymalną wydajność nawet wtedy, gdy występuje częściowe zacienienie paneli PV, 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. Te wynikające z zacienienia poszczególnych modułów z powodu obecności różnych obiektów przesłaniających, np. komina. Światło słoneczne jest zatrzymywane i pada go mniej na moduły fotowoltaiczne, czego nie można zoptymalizować za pomocą falownika, optymalizatora mocy czy mikroinwertera. Jedynym rozwiązaniem w tym przypadku jest wyeliminowanie obiektu rzucającego cień. Stratę wskutek niedopasowania, czyli stratę na połączeniach łańcuchów, można natomiast znacznie zmniejszyć, dzięki inteligentnemu algorytmowi śledzenia MPP. Jak widać w poniższej 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 paneli PV powoduje znacznie większe straty (około 18%) niż niedopasowanie (około 6%). Jeśli falownik będący sercem instalacji PV wyposażony jest w efektywny algorytm śledzenia MPP i system inteligentnego zarządzania zacienieniem, można założyć, że optymalna wydajność instalacji będzie osiągana nawet w trudnych warunkach środowiskowych.
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 zapewnia 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.
Zacienienie paneli PV w podsumowaniu
Uniknięcie zacienienia paneli PV nie zawsze jest możliwe, 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 powstałe wskutek niedopasowania, które mogą być spowodowane nierównomiernym zacienieniem paneli PV. 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. Nie można 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.
Publikacja artykułu: lipiec 2023 r.
