Вплив тіні на роботу сонячних батарей

Під час монтажу сонячної станції на даху практично неможливо уникнути затінювання частини поля сонячних панелей особливо в ранковий або вечірній час, коли сонце нижче. Крім зниження генерації на самих сонячних батареях, що знаходиться в тіні, затінені батареї ускладнюють передачу енергії по всьому ланцюгу сонячної електростанції.

У цій статті ми розглянемо, як тінь впливає на генерацію електроенергії в сонячній батареї і як це впливає на роботу фотоелектричної системи в цілому. Як впливає затінення на окремий сонячний елемент?

Як впливає затінення на окремий сонячний елемент?

Представимо ланцюг сонячних елементів у вигляді труби, а електричний струм – це вода, що протікає через цю трубу. В момент коли на один із сонячних елементів падає тінь, він перестає генерувати електроенергію і струм не протікає по ньому. Це можна порівняти із засміченням на деякій ділянці труби. Затінений сонячний елемент блокує потік енергії по всьому ланцюгу.

Наприклад, струм у сонячній панелі подібний до води, що рухається в трубі

Таким чином, навіть незначне затінення одного фотоелемента у сонячній батареї призводить до серйозного зниження генерації електроенергії усієї сонячної станції.

Затінення фотоелемента

Вплив затінення на вольт-амперну характеристику сонячного фотоелемента при навантаженні 24 В

Вплив затінення на групу сонячних батарей

Комутуючи кілька модулів в один стрінг (ланцюг) ми так само ризикуємо отримати істотне зниження потужності навіть при частковому затіненні однієї сонячної батареї. При послідовному з’єднанні панелей у стрінгу, максимальний струм дорівнюватиме струму найслабшої затіненої панелі. Так само як на прикладі з трубою, де потік води на виході не може бути більше потоку на засміченій ділянці.

Розглянемо приклад: стрінг із 10-ма панелями потужністю 280 Вт. При оптимальній сонячній інтенсивності стрінг сонячних батарей генерує приблизно 2 798 Вт на годину електроенергії (10 [модулів] * 8,8 [А] * 31,8 [В] = 2 798 Вт).

Генерація електроенергії стрінгом сонячних панелей без затінення

У разі затінення навіть одного модуля продуктивність різко знизиться. При тій же напрузі, затінена сонячна батарея видасть не більше 1 Ампер струму. Сумарна потужність у цьому випадку становитиме всього 318 Вт (10 [модулів] *1 (!) [А] * 31,8 [В] = 318 Вт).

Падіння генерації електроенергії при затіненні однієї батареї у стрінгу

Шунтуючі діоди

Щоб уникнути спаду ефективності, в сонячні батареї вбудовують діоди, що шунтують, ще їх називають байпасними діодами. Їхнє завдання, відсікти модуль з низькими показниками, щоб зменшити вплив затінення на продуктивність.

Застосування шунтуючих (байпасних) діодів для підвищення продуктивності при затіненні окремих сонячних батарей

У сучасних батареях такі діоди вже вбудовуються з виробництва. Щоб зробити систему ще ефективнішою, панель оснащують відразу декількома діодами, тоді можливо відсікти лише деякі затінені ділянки одного модуля.

Спад потужності при затінку з використанням шунтуючих діодів

Шунтуючі (байпасні) діоди на сонячній панелі

Вплив рівня затінення

На даний момент ми говорили про тінь, яка потрапляє на сонячну батарею від близько розташованих об’єктів, або від предметів, що безпосередньо лежать на сонячній панелі, наприклад димарі, листя, і т.д. Ці предмети відкидають «сильну» тінь із явними контурами. Але існує так само поняття «слабкої» тіні відкинутої від інших будов розташованих на деякій відстані або дерев, що ростуть неподалік.

Під впливом сильної тіні відбувається зниження напруги на затіненій панелі. При слабкій затіненості знижується сила струму, так само як при похмурій погоді.

Вплив сильної та слабкої тіні на вольт-амперну характеристику сонячної батареї

На практиці, при об’єднанні батарей у стрінг та підключенні до MPPT трекера, сильна тінь знижує продуктивність панелі більш ніж слабка тінь.

Зниження продуктивності сонячної панелі при різних рівнях затінення з використанням шунтуючих діодів

При максимальній сонячній інтенсивності, сонячна панель, що розглядається як приклад, здатна генерувати 190 Вт. У першому випадку спостерігається значне зменшення напруги на модулі. Однак завдяки двом шунтуючим діодам, що включилися, генерація на сонячній батареї все ж є і потужність становить приблизно 60 Вт, при практично незмінній силі струму дорівнює 6 А. У другому випадку, затінення не викликало відкриття діодів, проте спостерігається невелике зниження сили струму, при там же напрузі. Потужність становить приблизно 160 Вт. Вочевидь, що сильна тінь більше впливає генерацію електроенергії.

Вплив на продуктивність у стрінгу за різного рівня затіненості

Слабка тінь, що падає лише на деякі модулі у стрінгу, викличе ефект “невідповідності сили струму”. У цьому випадку, стрінг набуває найслабшої сили струму. Сильна тінь викликає зниження напруги в затінених осередках. Однак завдяки інвертору або контролеру заряду з MPPT трекером і шунтуючим діодам, сила струму залишається незмінною в більшості випадків.

Незважаючи на те, що слабка затіненість значно менше зменшую потужність однієї сонячної панелі, вона може сильніше вплинути на продуктивність всього стрінга. Розглянемо приклад впливу продуктивність електроенергії у одному стрінге при затіненні однієї сонячної батареї.

Зниження продуктивності в стрінгу при сильному затіненні однієї сонячної батареї

Зниження продуктивності стрінга при слабкому затіненні однієї сонячної батареї

Потужність стрінга в якому сильна тінь закрила частину одного модуля, що дорівнює 1 734 Вт. А у випадку, коли легка тінь падає на один із модулів, потужність ланцюга дорівнює 1 643 Вт. Таким чином, зниження сили струму в сонячній батареї, під впливом слабкої тіні, може вплинути значно більше ніж зниження напруги через сильно затіненої однієї панелі.

Вплив на продуктивність у паралельно підключених стрінгах (ланцюгах)

Коли тінь падає на два паралельно з’єднані стрінги нерівномірно, відбувається ефект «невідповідності напруг». Це відбувається коли два стрінги, з’єднані паралельно, виробляють різну напругу, при незалежному вимірі кожного окремого ланцюга. Це може збити інвертор або контролер заряду з пантелику, викликаючи постійні поправки в роботу системи для досягнення оптимальної продуктивності.

Невідповідності напруг у паралельно підключених стрінгах (ланцюгах)

Так як точки максимальної потужності, які розраховує MPPT трекер в контролері, змінюються з рухом тіні, контролер заряду може помилятися і вибирати напругу, що не відповідає максимальній потужності, і працювати в такому режимі тривалий час. Це може сильно вплинути на кількість енергії, що виробляється.

Для підвищення ефективності рекомендується використовувати інвертори з кількома трекерами MPPT, або використовувати кілька інверторів/контролерів заряду. Також є рішення застосовувати мікроінвертори на невеликих групах батарей або на кожній окремій сонячній батареї.