Jak cień padający na panele fotowoltaiczne wpływa na wydajność instalacji?

Zacienienie instalacji jest istotnym problemem, którego należy uniknąć, by system działał poprawnie. Można stwierdzić, że cień padający na instalację fotowoltaiczną jest jej największym wrogiem. Mamy z tym problemem do czynienia, gdy część ogniwa fotowoltaicznego zostanie na krótko bądź długotrwale odcięta od promieni słonecznych. Skutkuje to spadkiem uzysku energii z paneli fotowoltaicznych.

Żeby przedstawić skalę problemu, należy wskazać, że w momencie, kiedy nieznaczny fragment modułu jest zasłonięty przez nawet niewielki liść, może dojść do zaniku mocy takiego modułu nawet o 33%.

W konsekwencji takiego zjawiska, gdy część modułu przez dłuższy okres czasu jest przysłonięta cieniem, może dojść do niebezpiecznego dla urządzenia rozgrzania zacienionego ogniwa – co doprowadzić może w skrajnych przypadkach do jego zniszczenia. Żeby uniknąć takiej sytuacji, większość producentów wyposaża moduły w diody bocznikujące (tzw. by-pass), które mają na celu wyłączyć zasłonięte panele, by te nie zakłócały działania pozostałych.

Wpływ zacienienia ogniw fotowoltaicznych na ich moc

Panele monokrystaliczne, podobnie jak i polikrystaliczne zbudowane są z pojedynczych ogniw krzemowych (jak na obrazku poniżej), połączonych ze sobą szeregowo. Jeśli chodzi o połączenie modułów fotowoltaicznych w całej instalacji również jest to połączenie szeregowe. Oznacza to tyle, że cała instalacja generować będzie prąd równy wytwarzanemu przez najsłabsze ogniwo. W związku z tym, jeśli jeden panel będzie zacieniony, cały łańcuch modułów będzie działał słabiej, co za tym idzie, będzie to skutkowało spadkiem wydajności całej instalacji.  

Diody by-pass, o których mowa była wyżej mają za zadanie uchronić moduły przed negatywnymi skutkami zacienienia. Obecnie dostępne panele mają zazwyczaj 3 diody bocznikujące, które są połączone równolegle z łańcuchem 20-24 ogniw. Każdy z trzech fragmentów pracuje niezależnie. Umożliwiają one przepływ prądu, pomijając zacienione ogniwo.

Prąd nie przepływa przez diody w optymalnych warunkach oświetleniowych. Załączają się one i zaczynają działać, gdy pojawia się zacienienie. Uruchomienie jednej diody skutkuje spadkiem mocy panelu o 33%. Dlatego nawet niewielki liść może spowodować zmniejszenie wydajności całego systemu.

W portfolio wielu producentów pojawiły się panele z ogniwami ciętymi na pół. Oznacza to, że zamiast klasycznych 60 ogniw w module znajduje się 120. Zastosowanie takich modułów pozwala zmniejszyć czterokrodnie straty mocy na linii ogniwo PV – moduł PV.

Poprawne ułożenie modułów wpływa na redukcję skutków zacienienia

Panele fotowoltaiczne możemy montować w orientacji pionowej bądź poziomej i dla produkcji energii z modułów nie ma to w zasadzie znaczenia. Natomiast może mieć istotne znaczenie w przypadku występowania zacienienia na panelach. Znając wpływ zacienienia podłużnego, poprzecznego oraz punktowego na moc jednego panelu można przewidzieć skutki wydajności instalacji. Poniżej przestawiamy wpływ zacienienia na wydajność modułu w orientacji pionowej oraz poziomej.

  • Ułożenie pionowe

Cień poprzeczny spowoduje wyłączenie całego modułu

  • Ułożenie poziome

Cień wzdłuż modułu spowoduje wyłączenie jednej trzeciej modułu (z uwagi na posiadanie trzech dziod bocznikujących)

Określenie obszarów zagrożonych zacienieniem jest podstawą do symulacji ułożenia paneli

Podczas analizy rozkładu modułów fotowoltaicznych należy uwzględnić azymut oraz sezonowość zacienienia, która wynika z pór roku. Cienie “wydłużone” są zimą oraz jesienią. Przy projektowaniu instalacji należy uwzględnić więc wysokie budynki znajdujące się w pobliżu, duże drzewa oraz słupy energetyczne. Jeśli blisko instalacji znajdują się drzewa, które okresowo będą dawały cień na panele, wówczas korzystniejsze będzie ułożenie poziomo. Gdy cień będzie padał na taki moduł, wtedy wyłączy się tylko 1/3 a nie cały.

Należy pamiętać o tym, że ułożenie paneli fotowoltaicznych w strefie zagrożonej dużym zacienieniem będzie skutkowało spadkiem mocy instalacji.

Przeszkodami, w zależności od pory dnia oraz pory roku są również elementy infrastruktury dachowej, w szczególności kominy, lukarny oraz jaskółki.

Właściwa analiza powinna uwzględniać takie połączenie paneli, by można było podnieść wydajność systemu o kilka procent, w momencie gdy niemożliwe jest wyeliminowanie okresowego zacienienia paneli. Być może te kilka procent nie jest wysoką wartością, jednak w perspektywie 25 lat pozwoli nam na spore oszczędności.

Przy wykorzystaniu falowników niektórych producentów, takich, które posiadają dwa niezależne MPP trakery, pozwala na połączenie paneli z zacienionej strefy w jeden łańcuch, a w drugi pozostałych, bez ryzyka zacienienia.

Nasza firma preferuje takie rozwiązanie, ponieważ w praktyce instalacja pracuje tak, jakby była podzielona na dwie mniejsze, które są niezależne. 🙂

Przy niewielkich zacienieniach można wykorzystać też optymalizatory mocy. Zastosowanie takiego optymalizatora powoduje niezależną pracę modułu, toteż jego gorsza wydajność nie będzie wpływała źle na całą instalację.

Zacienienie instalacji na dachu płaskim lub na gruncie

Należy wyjaśnić na wstępie, że panele na płaskim dachu jak i na gruncie montowane są na stelażu, dzięki któremu możemy uzyskać odpowiedni kąt nachylenia.

Zbyt mała odległość między rzędami paneli jest podstawowym błędem, ponieważ, gdy panele są zbyt blisko siebie wzajemnie mogą się zacieniać.

Odległość między rzędami modułów oblicza się za pomocą funkcji trygonometrycznej. Aby poprawnie oszacować odległość między rzędami, potrzebne są wymiary modułu, ułożenie (pionowe lub poziome), kąt nachylenia. Należy uwzględnić również szerokość geograficzną miejscowości, oraz fakt, że najdłuższy cień, który może pojawić się w roku przypada na 22 grudnia (ze względu na kąt padania promieni słonecznych).

I tak, jak we wcześniejszej części wpisu ukazaliśmy, w przypadku, gdy odległość między panelami będzie za mała, rzędy paneli które są ułożone pionowo spowodują wyłączenie wszystkich kolejnych rzędów ułożonych za nimi w ten sam sposób.

Jeśli chodzi o montaż na gruncie, dodatkowym problemem mogą być wysokie trawy przysłaniające panele, dlatego bardzo ważne jest dla poprawnego działania systemu, by dbać o okolice blisko instalacji.

Inne czynniki zacieniające ogniwa fotowoltaiczne

Śnieg jest okresowym czynnikiem wpływającym na pracę systemu fotowoltaicznego. I znów, dla porównania, wraz z topniejącym śniegiem, panele ułożone poziomo zaczną szybciej pracować od tych ułożonych pionowo. Wraz z topniejącym śniegiem w dół, w panelach ułożonych poziomo pracę podejmować będą odkryte łańcuchy ogniw.

Natomiast przyglądając się klimatowi panującemu w Polsce (i nie tylko), problem śnieżnych zim raczej nie będzie kluczowym problemem przy ułożeniu paneli na naszych dachach.

I tutaj oczywiście dodamy zupełnie od siebie, że nie należy się z tego powodu cieszyć (!). Odbiegając lekko od tematu odsyłamy Was do poprzednich wpisów, gdzie poczytać możecie o zmieniającym się klimacie i o ekologii – Smog, czy jest się czego obawiać?, Fotowoltaika a ekologia.

Wracając, należy zaznaczyć, że panele montujemy tak, by były pochylone, zaś ich gładka powierzchnia sprawia, że w większości przypadków śnieg samoczynnie się z nich zsuwa.

Reasumując, korzyści z dodatkowych kWh wyprodukowanych dzięki optymalizacji pracy instalacji, która będzie zaśnieżona nie są współmierne do dodatkowych kosztów, wynikających z poziomego ułożenia modułów. Dla przykładu, w przypadku blachodachówki koszt konstrukcji montażowej w przypadku poziomego ułożenia może być wyższy nawet o 70% w porównaniu do ułożenia pionowego.

Podsumowanie

Przy analizie rozłożenia paneli na dachu, bądź gruncie należy dokładnie przemyśleć ryzyko wystąpienia cienia względem wydajności instalacji. Bowiem w niektórych przypadkach okazać się może, że lepiej zamontować mniejszą instalację ale o wyższej wydajności. Z ekonomicznej strony patrząc, rezygnacja z montażu modułów w miejscu szczególnie narażonym na zacienienie może podnieść wydajność systemu nawet do kilkunastu procent.