Menu

Zacienienie paneli PV

Cień padający na panele fotowoltaiczne jest ogromnym, ciągle niedocenianym przez inwestorów problemem. W folderze poświęconym parametrom pracy paneli opisywałem już do czego prowadzi zacienienie pojedynczego ogniwa w panelu i jak sobie radzi z nim instalacja. Problem jest jednak o wiele szerszy, tym bardziej, że za montaż i projektowanie instalacji PV coraz częściej zabierają się osoby nie posiadające gruntownej wiedzy w tym temacie. Jak zachowują się zacienione panele w różnych układach na dachu? Co zrobić, aby uniknąć efektu zacienienia? Co to jest zacienienie całkowite i częściowe? Na wszystkie te pytania postaram się odpowiedzieć w niniejszym artykule.

Co to jest zacienienie całkowite i częściowe?

 

Z całkowitym zacienieniem panelu lub jego fragmentu mamy do czynienia wtedy, gdy do części lub całości panelu nie dociera światło. Przypadek taki występuje głównie jesienią i zimą, gdy na panelach pojawia się śnieg lub opadłe liście z drzew. Szczególnie niekorzystny pod względem działania instalacji jest tutaj śnieg, który bardzo łatwo osadza się w dolnej części nachylonego panelu, na aluminiowej ramie i w krótkim czasie potrafi zasłonić cały dolny szereg ogniw. Spadek mocy jest 100% nawet przy bocznikowaniu, bowiem zakryte są wszystkie trzy ścieżki. W przeciwieństwie do kolektorów dachowych śnieg zasłaniający panel nie topi się tak szybko nawet po nasłonecznieniu i potrafi zalegać całymi godzinami. Jego ręczne uprzątnięcie jest trudne i może prowadzić do uszkodzenia folii EVA.

 

Częściowe zacienienie panelu ma miejsce gdy obcy obiekt znajdujący się w jego pobliżu pojawi się na drodze słońca i rzuci cień. Panel nie traci wtedy całkowicie mocy, bowiem do części zacienionej dociera światło rozproszone o znacznie mniejszej energii ale wystarczająco silne, aby wzbudzić przepływ prądu. W tak zacienionej części zmienia się charakterystyka prądowo-napięciowa, tym samym przesuwa się punkt pracy całego panelu. To, jak bardzo punkt MPP zostanie przesunięty zależy od wielkości i stopnia zacieniania. Przykładowe charakterystyki dla panelu silnie i słabo zacienionego świetnie pokazał w swojej pracy p. Bogdan Szymański (Rys.)

 

 Rys.1 (po prawej) Wpływ silnego i lekkiego zacienia na charakterystykę I-V panelu fotowoltaicznego z krzemu monokrystalicznego

 

Rys.2 Schemat przepływu prądu przez panel z zacienionym obszarem (kolor żółty)

 

Na (rys.1) po lewej stronie, przy silnie zacienionym fragmencie panelu spadek mocy jest bardzo duży. Doszło  do zakrycia dwóch łańcuchów ogniw, prąd płynie z ich ominięciem przez diody bocznikujące,  tym samym występuje spadek mocy o ponad 60%. Panel ten w warunkach bez zacienienia miał moc ponad 180W. W wyniku zacienia punkt mocy maksymalnej przesunął się w lewo zapewniając zaledwie 60W. Przepływ prądu pokazano na rys.2.

Na (rys.1) po prawej stronie ten sam panel w warunkach słabego zacienienia. Nie doszło do przerwania przepływu prądu i bocznikowania. Pracują wszystkie łańcuchy, ale ich sprawność jest mniejsza. Punkt mocy maksymalnej obniżył się ze 180W do około 160W.

 

Słabe zacienienie jest zwykle efektem rosnących w pobliżu budynku drzew, przesuwającym się cieniem wysokich obiektów, jak:

- słupy, anteny, kominy, wykusze

W przypadku paneli wolnostojących, mocowanych bezpośrednio na ziemi na konstrukcji wsporczej zacienienie częściowe może być skutkiem źle prowadzonej gospodarki gruntowej (brak koszenia traw) lub zbyt niskim posadowieniem paneli.

PV813.3.jpg

Fot. Częściowe zacienienie paneli spowodowane cieniem rzucanym przez okoliczne drzewa.

PV813.4.jpg

Fot. Zacienienie częściowe, ale silne spowodowane przesuwającym sie cieniem wykusza na dachu.

PV813.5.jpgPV813.6.jpg

Fot. Zacienione panele słupem oświetleniowym, po prawej zbyt niskie posadowienie paneli przy niekoszonej trawie.

 

Jak zachowują sie zacienione panele w układzie pionowym i poziomym?

 

Obserwując zamocowane na dachu panele PV możemy zauważyć, że w jednych instalacjach panele leżą w układzie pionowym, w innych poziomym. Czy ma to jakieś znaczenie i czy taki odmienny montaż nie jest błędem? Przy braku zacienienia montaż poziomy lub pionowy nie ma żadnego wpływu na moc i może wynikać tylko z planowania powierzchniowego i próby zmieszczenia na dachu jak największej liczby paneli o danym wymiarze. Inaczej ma się sytuacja przy dachu lub polu podlegającemu nawet okresowemu zacienieniu. Spadek mocy pojedynczego lub całego rzędu paneli jest tutaj zupełnie inny w zależności od tego jaki fragment panelu przykrywa cień. Spróbujmy to prześledzić na konkretnym przykładzie.

Na poniższych zdjęciach przeprowadzono badania panelu monokrystalicznego o mocy nominalnej w warunkach STC 180Wp. badania wykonano przy oświetleniu 587 W/m2, przy kącie nachyleniu panelu 68º. Pełną charakterystykę tego panelu przy braku zacienienia przedstawia (rys.3). Jak widać moc panelu osiągnęła w tym wypadku wartość 107,8W.

PV813.9.jpg

Rys.3 Charakterystyka panelu o mocy  180Wp, przy oświetleniu 587W/m2

 

A. zacienie panelu pionowe na 1/3 powierzchni - Panel zacieniony jest całkowicie na 24 ogniwach, czyli wyłączony jest z działania jeden łańcuch stanowiący 33% powierzchni panelu. Spadek mocy wynosi 33% co widać na kolejnym wykresie.

Fot. Pionowe zacienienie 1/3 panelu

PV813.10.jpg

Rys. 4 Charakterystyka panelu z pionowym zacieniem 1/3 powierzchni. Moc użyteczna 67,7W

 

B. Silne zacienienie pionowe 1/2 panelu - panel  jest  zacieniony na co najmniej 33 ogniwach, co 

stanowi 46% jego powierzchni. Cień zakrywa jednak część drugiego łańcucha ogniw tym samym powoduje przepływ prądu przez dwie z trzech diod bocznikujących. Spadek mocy jest więc 66%, a punkt mocy maksymalnej jest bardzo przesunięty w lewo. Moc użyteczna to już tylko 31,27W. Charakterystykę przedstawia rys.5

Fot. Silne zacienienie pionowe 1/2 panelu  

 

    PV813.12.jpg

Rys.5 Charakterystyka panelu zacienionego pionowo w 1/2 powierzchni

 

C. Całkowite zacienienie poziome górnego rzędu ogniw - sytuacja porównywalna z przysypaniem śniegiem dwóch sąsiadujących ze sobą paneli. Gromadząca sie na ramie czapa śniegu stopniowo przykrywa zarówno dolny rząd górnego jak i górny rząd dolnego panelu. Często pomimo zacienienia tylko 6 ogniw spadek mocy jest niemal 100%. Dlaczego? - bo zasłonięte są wszystkie trzy łańcuchy, a przynamniej ogniwa należące do każdego z nich. Wystarczy aby tylko jedno ogniwo z 24 elementowego łańcucha zostało zakryte aby wyłączyć cały łańcuch.

 

Fot. (po lewej) Całkowicie zasłonięty górny rząd ogniw.

 

Poniżej wykres tej sytuacji. Tym razem, aby można było wykreślić w miarę czytelną krzywą, trzeba było zmienić skalę pionową. Poziom natężenia prądu spadł bowiem do wartości poniżej 0,1A. całkowita moc użyteczna panelu wynosi zaledwie 0,92W. Można więc powiedzieć, że jest bliska zeru. Podobny wykres sprawności panelu uzyskamy przykrywając dolny rząd ogniw. Wniosek nasuwa się jeden - panele zagrożone zacienieniem należy montować na dachu poziomo, czyli tak, aby cień przykrywał co najwyżej jeden łańcuch ogniw. 

 

PV813.14.jpg

Rys.6 Charakterystyka panelu z poziomym zacienieniem na całej długości

 

Do tej pory rozpatrywaliśmy wpływ zacienienia na pojedynczy panel. Jak się to ma do całego stringu. Ciekawe wyniki pokazują tutaj badania przeprowadzone przez Włochów na Politechnice Turyńskiej (Non-Idealities in the I-V Characteristic of the PV Generators: Manufacturing Mismatch and Shading Effect) Włosi badali wpływ zacienienia stringów paneli polikrystalicznych umieszczonych w kilku rzędach na dachu, z których pierwszy rząd był okresowo przysłonięty przez murowaną balustradę. Włosi zbadani zmianę charakterystyki całej tablicy PV w dwóch konfiguracjach (Rys. 8 i 9). W pierwszym przypadku zacienieniu częściowemu podlegał każdy string, w drugim tylko pierwszy.

PV813.15.jpgPV813.16.jpg

Rys.7 Dwa układy tablicy PV na dachu z zacienieniem

 

Dla lepszego zobrazowania badań dodajmy, ze moc paneli w warunkach STC wyniosła 215 Wp, co przy ilości 16x4 daje 13,76 kWp. Badanie odbywało sie przy warunkach nasłonecznienia 395 W/m2 i temp. 4,1C.

 

Rys. 8 i 9 Krzywe I-V i P-V dla przypadku jw. Kolorem niebieskim oznaczono konfigurację z rys 7 po lewej, kolorem zielonym konfigurację z rys 7 po prawej. Kolor czerwony dotyczy tablicy bez zacienienia.

 

Z badań wynika, że korzystniej jest poświęcić na zacienienie pierwszy string paneli, niż dopuścić do zacienienia wszystkie stringi. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});