Влияние тени на работу солнечных батарей

При монтаже солнечной станции на крыше, практически невозможно избежать затенения части поля солнечных панелей особенно в утреннее или вечернее время, когда солнце ниже. Кроме снижения генерации на самих солнечных батареях, находящемся в тени, затенённые батареи затрудняют передачу энергии по всей цепи солнечной электростанции.

В данной статье мы рассмотрим, каким образом тень влияет на генерацию электроэнергии в солнечной батареи и как это сказывается на работу фотоэлектрической системы в целом.

Как влияет затенение на отдельный солнечный элемент?

Представим цепь солнечных элементов в виде трубы, а электрический ток это вода, протекающая через эту трубу. Когда на один из солнечных элементов падает тень, он перестает генерировать электроэнергию и ток не протекает по нему. Это сравнимо с засором на некотором участке трубы. Затенённый солнечный элемент блокирует поток энергии по всей цепи.

Пример, ток в солнечной панели подобен воде движущейся в трубе

Таким образом, даже незначительное затенение одного фотоэлемента в солнечной батареи приводит к серьезному снижению генерации электроэнергии всей солнечной станции.

Затенение фотоэлемента

Влияние затенения на вольт-амперную характеристику солнечного фотоэлемента при нагрузке 24 В

Влияние затенения на группу солнечных батарей.

Объедения несколько модулей в один стринг (цепь) мы так же рискуем существенным снижением мощности даже при частичном затенении одной солнечной батареи. При последовательном соединение панелей в стринге, максимальный ток будет равен току самой «слабой» затененной панели. Так же как на примере с трубой, где поток воды на выходе не может быть больше потока на засорённом участке.

Рассмотрим пример: стринг с 10-ю панелями мощностью 280 Вт. При оптимальной солнечной интенсивности, стринг солнечных батарей генерирует примерно 2 798 Вт в час электроэнергии (10 [модулей] *8,8 [А] *31,8 [В] = 2 798 Вт).

Генерация электроэнергии стрингом солнечных панелей без затенения

В случае затенения даже одного модуля, производительность резко снизится. При том же напряжении, затенённая солнечная батарея выдаст не более 1 Ампер тока. Суммарная мощность в этом случае составит всего 318 Вт (10 [модулей] *1 (!) [А] *31,8 [В] = 318 Вт).

Падение генерации электроэнергии при затенении одной батареи в стринге

Шунтирующие диоды.

Чтобы избежать сильного падения эффективности, в солнечные батареи встраивают шунтирующие диоды, еще их называют байпасными диодами. Их задача, отсечь модуль с низкими показателями, чтобы избежать сильного падения мощности в стринге.

Применение шунтирующий (байпасных) диодов для повышения производительности при затенении отдельных солнечных батарей

В современных батареях такие диоды уже встраиваются на производстве. Чтобы сделать систему еще эффективнее, панель оснащают сразу несколькими диодами, тогда возможно отсечь только некоторые затенённые участки одного модуля.

Спад мощности при затенении с использованием шунтирующих диодов

Шунтирующие (байпасные) диоды на солнечной панели

Уровень затенения.

На данный момент мы говорили в основном о тени, которая попадает на солнечную батарею от близко расположенных объектов, или от предметов, непосредственно лежащих на солнечной панели, например дымоходы, опавшие листья, и т.д. Эти предметы отбрасывают «сильную» тень с явными контурами. Но существует так же понятие «слабой» тени отброшенной от других строений расположенных на некотором расстоянии или растущих неподалёку деревьев.

Под воздействием сильной тени происходит снижение напряжения на затенённой панели. При слабой затенённости, снижается сила тока, так же как при пасмурной погоде.

Влияние сильной и слабой тени на вольт-амперную характеристику солнечной батареи

На практике, при объединении батарей в стринг и подключении к MPPT трекеру, сильная тень снижает производительность панели больше чем слабая тень.

Снижение производительности солнечной панели при различных уровнях затенения с использованием шунтирующих диодов

При максимальной солнечной интенсивности, солнечная панель, рассматриваемая в качестве примера способна генерировать 190 Вт. В первом случае, наблюдается значительное уменьшение напряжения на модуле. Однако благодаря двум включившимся шунтирующим диодам, генерация на солнечной батареи все же есть и мощность составляет приблизительно 60 Вт, при практически неизменной силе тока равной 6 А. Во втором случае, затенение не вызвало открытие диодов, однако наблюдается небольшое снижение силы тока, при там же напряжении. Мощность составляет примерно 160 Вт. Очевидно, что сильная тень больше влияет на генерацию электроэнергии.

Влияние на производительность в стринге при различном уровне затенённости.

Слабая тень, падающая только на некоторые модули в стринге, вызовет эффект “несоответствия силы тока”. В этом случае, стринг принимает самую слабую силу тока. Сильная тень вызывает снижение напряжения в затененных ячейках. Однако благодаря инвертору или контроллеру заряда с MPPT трекером и шунтирующим диодам сила тока остается неизменной в большинстве случаев.

Не смотря на то, что слабая зетененность значительно меньше сокращает мощность одной солнечной панели, она может сильнее повлиять на производительность всего стринга. Рассмотрим пример влияния на производительность электроэнергии в одном стринге при затенении одной солнечной батареи.

Снижение производительности в стринге при сильном затенении одной солнечной батареи

Снижение производительности стринга при слабом затенении одной солнечной батареи

Мощность стринга в котором жесткая тень закрыла часть одного модуля, равна 1 734 Вт. А в случае, когда лёгкая тень падает на один из модулей, мощность цепи равна 1 643 Вт. Таким образом, снижении силы тока в солнечной батареи, под влиянием слабой тени, может повлиять значительно больше чем снижение напряжения из-за сильно затенённой одной панели.

Влияние на производительность в параллельно подключенных стрингах (цепях).

Когда тень падает на два параллельно соединенных стринга неравномерно, происходит эффект «несоответствия напряжений». Это происходит когда два стринга, соединенные параллельно, производят различное напряжение, при независимом измерении каждой отдельной цепи. Это может сбить инвертор или контроллер заряда с толку, вызывая постоянные поправки в работу системы для достижения оптимальной производительности.

Несоответствия напряжений в параллельно подключенных стрингах (цепях)

Так как точки максимальной мощности, которые рассчитывает MPPT трекер в контроллере, меняются с движением тени, контроллер заряда может ошибаться и выбирать напряжение не соответствующее максимальной мощности и работать в таком режиме продолжительное время. Это может сильно повлиять на количество производимой энергии.

Для повышения эффективности рекомендуется использовать инверторы с несколькими MPPT трекерами, или использовать несколько инверторов/контроллеров заряда. Так же есть решение применять микроинверторы на каждой солнечной батареи.