Zacienienie instalacji PV – problem przeszłości?

Jasne słońce, brak chmur na niebie i instalacja PV na dachu – to idealne warunki do wytwarzania jak największej ilości energii ze słońca we własnym domu. Ale: tylko nieliczne dachy są całkowicie pozbawione cienia.
Często drzewa, maszty, anteny domowe lub sąsiednie budynki rzucają cień na moduły fotowoltaiczne, czego skutkiem są – jak się wydaje – mniejsza moc i uzysk. Bliższe spojrzenie pokazuje jednak, że nierównomierne zacienienie ma jedynie minimalny wpływ na całkowitą wydajność własnej instalacji PV w ciągu roku. Decydujące są raczej odpowiedni falownik i właściwa konstrukcja modułów. Tu właśnie wchodzi w grę tzw. czynnik FC:

Co to jest współczynnik FC?

Współczynnik FC (również współczynnik strat zacienienia lub współczynnik dla efektywnej powierzchni modułu) opisuje wpływ zacienienia na wydajność instalacji PV.

Współczynnik FC (ang. „Fill Correction Factor”) wskazuje, o ile rzeczywista moc zacienionego modułu fotowoltaicznego jest zmniejsza w porównaniu z mocą bez zacienienia. Współczynnik FC oblicza się za pomocą symulacji obsługiwanych przez oprogramowanie lub na podstawie wartości empirycznych i tabel obliczeniowych.

Współczynnik strat zacienienia jest wykorzystywany w prognozie uzysku, w szczególności w planowaniu złożonych instalacji PV w celu obliczenia rzeczywistych wartości uzysku energii. Uwzględnia się przy tym orientację i pochylenie modułów oraz ich wzajemne połączenie i rodzaj zacienienia (np. punktowe, powierzchniowe, tymczasowe).

Zwykle podaje się go jako wartość procentową lub bezwymiarową od 0 do 1.

FC = 1 → brak zacienienia, pełna moc

FC < 1 → zacienienie obecne, zmniejszona moc

Na przykład, jeśli moduł fotowoltaiczny jest częściowo zacieniony przez drzewo i może zapewnić tylko 80% swojej pierwotnej mocy, wówczas współczynnik FC wynosi 0,8. Można jednak temu zaradzić – jak, ujawnimy w artykule – warto czytać dalej!

Obalamy utrwalony mit

„Zacienienie modułów fotowoltaicznych – na przykład przez liście – oznacza, że cała instalacja PV nie wytwarza żadnej lub prawie żadnej mocy. Jak wąż ogrodowy, z którego – bez względu na to, gdzie jest przygnieciony – nie wypływa woda lub wypływa jej bardzo mało”.

To twierdzenie jest nadal powszechne, ale już dawno stało się nieaktualne. Wiadomo bowiem, że rozwiązanie tego problemu jest już wbudowane w każdym module – w postaci diod obejściowych.

Objazdy do celu z diodami obejściowymi

Obecnie nowoczesny moduł fotowoltaiczny jest zwykle wyposażony w diody obejściowe. Pełnią one funkcję pomostu: Jeśli określone punkty modułu fotowoltaicznego nie generują pełnej mocy – na przykład z powodu zacienienia lub zabrudzenia – tak zwane diody obejściowe zapewniają ścieżkę, po której energia może ominąć odpowiednie łańcuchy ogniw.
Jak to dokładnie działa? Przez zmianę napięcia DC falownika, które jest przykładane do łańcucha, diody obejściowe są aktywowane i tym samym stają się przewodzące, przez co mostkują odpowiedni łańcuch ogniw danego modułu fotowoltaicznego.

Rezultat: Pozostałe obszary modułów zachowują pełną sprawność, a cały system może nadal działać z normalną wydajnością.  „Ma to dwie zalety”, wyjaśnia Marija Milosavljeva, ekspertka ds. rozwoju systemów w firmie Fronius. „Z jednej strony zapobiega to przegrzaniu i ewentualnym hot spotom, a z drugiej strony generuje rentowny uzysk mimo częściowego zacienienia”.

Ulepszenia na rynku modułów fotowoltaicznych

Ciągły rozwój modułów fotowoltaicznych przyczynia się również do coraz większej rentowności własnej instalacji PV na dachu:

Popularne moduły półogniwowe dzięki technologii dzielenia pojedynczych ogniw słonecznych na pół mogą nie tylko ograniczyć straty mocy, ale też lepiej wykorzystać światło. Poza tym działają one stabilnie nawet w wysokich temperaturach.

Tak zwane zachowanie przy zacienieniu w przypadku modułów półogniwowych jest również lepsze: diody obejściowe dzielą moduły pośrodku. Jeśli na przykład dolna lub górna połowa modułu półogniwowego jest zacieniona przez liście, druga połowa modułu może nadal działać z pełną wydajnością. Porównanie: przy dokładnie tak samo zacienionym module pełnoogniwowym wydajność całego modułu spadłaby do zera.

Efektywne śledzenie MPP dla większej wydajności

Aby utrzymać straty wskutek zacienienia lub niedopasowania na jak najniższym poziomie, falowniki łańcuchowe lub wielołańcuchowe są wyposażone w co najmniej jeden tracker MPP (Maxim Power Point – punkt mocy maksymalnej). W idealnym przypadku na każdy łańcuch stosowany jest jeden tracker MPP, który w sposób ciągły określa optymalny punkt pracy podłączonych łańcuchów i tym samym zawsze utrzymuje wydajność instalacji PV na maksymalnym poziomie.

Zarządzanie zacienieniem w zestawie

Maksymalny uzysk mimo częściowego zacienienia? To jest możliwe dzięki inteligentnemu zarządzaniu zacienieniem, które w idealnym przypadku jest zintegrowane w falowniku. Oznacza to, że możliwe jest optymalne zaprojektowanie nawet powierzchnie dachu z częściowym zacienieniem.

Nasz Dynamic Peak Manager to inteligentny algorytm śledzenia punktu MPP, który wykrywa zacienienie i optymalizuje wydajność na poziomie łańcucha. W tym celu algorytm skanuje i analizuje całą krzywą napięcia i mocy w regularnych odstępach około 10 minut i tym samym zawsze znajduje najbardziej wydajny punkt pracy (Global Maximum Power Point) instalacji PV.

Marija Milosavljeva, specjalistka ds. rozwoju systemów w firmie Fronius

Straty wskutek zacienienia nie są sobie równe

Przykład: Zacienienie przez komin

Symulacja zacienienia z wykorzystaniem niezależnego oprogramowania symulacyjnego pokazuje, że straty wskutek zacienienia w wymiarze rocznym są stosunkowo niskie.

Zasadniczo trzeba uwzględniać dwie różne kategorie strat.

Częściowe straty wskutek zacienienia specyficzne dla modułu: Ze względu na różne obiekty rzucające cień – tutaj komin – światło słoneczne jest blokowane i mniej światła pada na moduły fotowoltaiczne. To ograniczone padanie światła nie może być zoptymalizowane przez żaden falownik, optymalizator mocy lub mikrofalownik. Jedynym rozwiązaniem jest w tym przypadku usunięcie samego obiektu tworzącego cień.

Natomiast straty wskutek niedopasowania, tj. straty wskutek zacienienia łańcuchów, można znacznie poprawić za pomocą inteligentnego algorytmu śledzenia MPP: jak widać w tabeli, straty wskutek niedopasowania są dzięki Dynamic Peak Manager o około dwie trzecie niższe niż straty wskutek zacienienia na poziomie modułu.

Wyniki symulacji pokazują wyraźnie, że częściowe zacienienie specyficzne dla modułu powoduje procentowo znacznie większą stratę (ok. 0,18%) niż straty wskutek niedopasowania (ok. 0,06%).

W skrócie można powiedzieć, że jeśli falownik, jako serce systemu fotowoltaicznego, zawiera efektywne śledzenie punktu PP i inteligentne zarządzanie zacienieniem, jak w przypadku wszystkich falowników firmy Fronius, można polegać nie tylko na optymalnym wyniku wydajności, ale także na idealnej interakcji sprzętu i oprogramowania – bez dodatkowych komponentów lub kosztów – nawet w trudnych warunkach środowiskowych.

Optymalizator wydajności – narzędzie do rozwiązywania problemów?

Chociaż optymalizatory prądu stałego mogą poprawić wydajność instalacji w przypadku zacienienia, ich zastosowanie rzadko się opłaca:

Do czego służy optymalizator? Optymalizator próbuje zoptymalizować każdy moduł, wykorzystując jego indywidualny punkt MPP i kontrolując napięcie na poziomie modułu. „Optymalizator zapewnia korzyści w szczególności w przypadku lekkiego zacienienia, ale tylko wtedy, gdy diody obejściowe nie są aktywowane. Jeśli przy większym zacienieniu diody obejściowe staną się przewodzące, tj. aktywne, zacieniony obszar zostanie zmostkowany i praktycznie wyłączony. Oznacza to, że optymalizator wydajności nie realizuje żadnego zadania i nie wpływać na wyłączony obszar”, podkreśla Milosavljeva. Menedżer produktu ma jednak krytyczne nastawienie do stosowania optymalizatorów z innych perspektyw: „Jako dodatkowe komponenty, same przetworniki DC/DC wymagają energii i nawet w trybie czuwania zużywają energię, która musi najpierw zostać wytworzona przez instalację PV. W rezultacie osiągany dodatkowy zwrot jest często niższy i zwykle nie uzasadnia wyższych kosztów inwestycji”.

Ponadto wiele dodatkowych komponentów, które trzeba umieścić na każdym module, zmniejsza niezawodność systemu jako całości i tym samym zwiększa prawdopodobieństwo awarii instalacji PV.

Podsumowanie: Nie zawsze można uniknąć zacienienia instalacji PV, ale dzięki obiecującym pracom rozwojowym na rynku fotowoltaicznym – zarówno w przypadku modułów fotowoltaicznych, jak i falowników łańcuchowych – straty wskutek zacienienia można teraz skutecznie zminimalizować.

Decydujący jest rodzaj zacienienia lub strat mocy: w szczególności w przypadku strat wskutek niedopasowania, które mogą powstać w wyniku nierównomiernego zacienienia poszczególnych modułów fotowoltaicznych, dostępne są dziś skuteczne rozwiązania. Dzięki zintegrowanemu zarządzaniu zacienieniem, takiemu jak Dynamic Peak Manager firmy Fronius, ilość utraconej energii słonecznej jest bardzo mała.

Zdecydowana większość strat wskutek zacienienia jest spowodowana ogólnie zmniejszonym padaniem światła przez obiekty rzucające cień, takie jak drzewa, budynki lub maszty. Takich strat nie da się zmniejszyć za pomocą optymalizatorów prądu stałego, mikrofalowników ani innych komponentów elektronicznych na poziomie modułu. Można temu zaradzić jedynie usuwając obiekt – o ile jest to możliwe.

Inwestycje w dodatkowe komponenty do optymalizacji wydajności, takie jak optymalizatory prądu stałego, rzadko są opłacalne. W szczególności przy silnym zacienieniu lub gdy dotyczy to tylko kilku modułów, zastosowanie optymalizatorów mocy nie jest korzystne ze względu na ich dodatkowe zapotrzebowanie na energię oraz większą podatność całej instalacji PV na uszkodzenia.

Chcesz poznać więcej informacji? Dokładniejsze liczby i fakty na temat zacienienia można znaleźć w naszej białej księdze „Wpływ zacienienia na instalacje PV” – zapraszamy do lektury!