Здавалося б, просте затінення сонячних панелей – головний ворог ефективності, надійності, високого вироблення та швидких термінів окупності СЕС. Найнеприємніше – просідання потужності невідповідне площі перекриття: навіть вузька вентиляційна труба, коник сусіднього даху або пара гілок здатні істотно знизити показники всієї системи.
Коли світло перекриває хоча б кілька кремнієвих осередків, у ланцюжку запускається ланцюгова реакція. Станція втрачає не кілька відсотків енергії, а відчутну частину денного бюджету генерації.
В інжиніринговій компанії Atmosfera ми щодня проєктуємо об'єкти зі складною геометрією та природними перешкодами. У статті ми розуміємо, як влаштована фізика падіння струму при затіненні та як зберегти максимум кіловат на складних майданчиках.
Чому одна тінь знижує потужність всього ланцюжка
Панелі в одному стринг з'єднані послідовно – один за одним. І тут діє просте правило: струм у всьому ланцюжку підлаштовується під найслабший модуль.
Якщо на одну панель впала тінь і вона почала видавати тільки 30% струму, то і весь ланцюжок моментально просідає до цих 30%. При цьому інші панелі можуть бути ідеально чистими та освітленими, але прогнати свій високий струм через затінений елемент вони фізично не можуть.
Найнеприємніше: тінь від вузької труби займає від сили 8% площі всього даху. Але якщо вона накриває панель у найпродуктивніші години (з 11:00 до 14:00), станція втрачає 15-20% добового виробітку.
Причому ефект залежить і від типу СЕС: якщо в мережевій станції це «просто» втрачені гроші від недозданих у мережу кіловат, то в автономних та гібридних системах продуктивність падаючого струму знижується настільки, що станція не може нормально зарядити акумулятори.
Втрати залежать від того, що перекриває світло:
-
Димарі та вентиляція дають щільну тінь, яка повзе по даху слідом за сонцем і відбирає 5-12% денної енергії.
-
Густе листя навесні та влітку знижує показники на 8-25%. Взимку голі гілки теж заважають, хоч і менше.
-
Сусідні будинки загороджують сонце вранці чи ввечері. У середньому це мінус 10-30% генерації, а взимку через низьке сонце просідання ще сильніше.
-
Антени та блискавковідводи здаються тонкими та непомітними, але перекриття навіть пари осередків краде 3-8% потужності.
-
Сніг біля нижньої рамки сповзає вниз, перекриває нижній край і блокує від 15% до 40% виробітку, поки повністю не розтане.
-
Бруд, листя та пташиний послід залишають глухі плями, які не зникають самі та знижують віддачу модуля на 3-8%.
У випадку з деякими готовими станціями, які проєктували та будували не ми, була проблема в відстані між сонячними панелями: якщо на плоскому даху поставити ряди панелей надто близько, передній ряд накриє задній. Мінус 5-10% енергії.
Є й інша проблема. Затінена ділянка перестає виробляти струм і починає грітися від енергії сусідніх панелей. Через такий перегрів (хот-споти) кремній усередині панелі швидше руйнується і виходить з ладу.
Як аудит, розрахунок розташування сонячних панелей та технології від Atmosfera розв'язують питання затінення
Захистити станцію від втрат простіше та дешевше ще на старті. Інженери Atmosfera оцінюють майданчик ще до укладання договору. На об'єкт виїжджає інженерна бригада: фахівці проводять виміри, перевіряють орієнтацію скатів за компасом і докладно фіксують усе, що може перекрити світло.
-
Елементи даху: вентиляційні канали, димоходи, ковзани, мансардні вікна, парапети й люкарни.
-
Зовнішні об'єкти: сусідні будинки, високовольтні стовпи, лінії ЛЕП та дерева (з урахуванням того, як вони розростуться через 3-5 років).
-
Складну геометрію: наприклад, коли об'єкт має кілька рівнів, що виступає фасад або складний дах, де один елемент відкидає тінь на інший у певний годинник.
Всі ці зони ми відносимо до проблемних – якщо поставити звичайні панелі без попереднього розрахунку, вони почнуть саджати вироблення всієї станції.
Частина питань на майданчику вирішується швидко і просто: наприклад, досить відразу внести в план підрізування гілок, що розрослися, або трохи змістити масив панелей у бік від димаря. Але якщо ділянка складна, а тінь прибрати фізично неможливо (як у випадку із сусідським будинком), інженери підбирають комплекс технічних рішень.
Модулі Half-Cell та байпасні діоди
У нових проєктах застарілі технології сонячних панелей вже не використовують: їм на зміну прийшли модулі Half-Cell із байпасними діодами. Вони ділять панель на незалежні секції й пускають струм в обхід затінених осередків, завдяки чому верхня частина модуля продовжує працювати навіть при нижньому перекритому краї.
Затінення перестало бути катастрофою для СЕС – сучасні панелі втрачають не 100% потужності від локальної тіні, а лише 30-50% на конкретному модулі. Однак повністю проблема не зникла: якщо тінь накриє всю панель повністю або перекриє відразу кілька модулів у стрінгу, діоди вже не врятують і ланцюжок все одно втратить вироблення. Аудит і слідування всім правилам встановлення сонячних батарей все ще залишаються обов'язковими умовами.
Застосування оптимізаторів потужності
Оптимізатор, компактний прилад, монтується прямо під конкретну «проблемну» панель та вирівнює її параметри під робочий струм всього ланцюжка. Затінений модуль знижує лише власну віддачу, але не скидає струм на сусідніх чистих панелях.
Цей інструмент потрібний далеко не завжди. Його використовують точково, коли на скаті є 1-3 неминучі тіні (наприклад, від високої вентиляційної труби, димаря або мансардного вікна), які неможливо прибрати фізично. У таких умовах оптимізатори дозволяють зберегти до 90% енергії, рятуючи стрінг від просідання. А в гібридних та автономних електростанціях це гарантує, що акумулятори отримають стабільний струм заряду навіть у похмурий день. Ставити їх на прості й чисті дахи немає сенсу – зайві витрати в кошторисі.
Розрахунок геометрії масиву та орієнтація по сонцю
На етапі 3D-моделювання інженери розраховують оптимальний кут нахилу для сонячних панелей, азимут (напрямок масиву на світлі) і точний крок між рядами.
Точний розрахунок геометрії критично важливий на плоских дахах та наземних об'єктах, де ряди панелей стоять один за одним. У таких проєктах підбирають відповідні способи кріплення сонячних панелей та розраховують відстань між конструкціями по найкоротшому дню на рік – 22 грудня. Якщо передній ряд не затінює задній в день зимового сонцестояння, міжрядова тінь не з'явиться й інші місяці.
Географічні координати майданчика дозволяють зіставити траєкторію сонця з графіком роботи об'єкта і точно визначити, скільки сонячної енергії потрапляє на землю й засвоюється масивом у різні сезони. Це дає можливість змістити пік вироблення на ті години, коли на майданчику немає жодних зовнішніх перешкод, а також точно розрахувати, скільки сонячних панелей потрібно для 10 кВт або будь-яку іншу цільову генерацію без ризику втрат від тіні.
Зонування стрингів за MPPT-трекерами
У сучасних інверторах є кілька незалежних входів (MPPT-трекерів), що дозволяє інженерам не поєднувати всі панелі в одну купу, а розподіляти їх по окремих групах. Панелі з чистих схилів збираються в один стринг, а ділянки, затінені в другій половині дня (наприклад, через високе дерево біля паркану), виводяться на інший вхід інвертора.
Таке рішення ідеально підходить для складних багатосхилих дахів. Станція поділяється на незалежні зони: коли тінь накриває один схил, просідає лише його ланцюжок, а основний масив панелей продовжує вибувати 100% потужності. Головний плюс зонування – воно абсолютно безкоштовне для клієнта, оскільки закладається ще на етапі схеми та не вимагає покупки зайвого обладнання.
Що робити, якщо тінь з'явилася вже під час експлуатації
Обстановка навколо об'єкта може змінитися з часом: сусід добудував другий поверх, гілки за вікном розрослися, але в нижньому краї рамки скупчився шар бруду. Перші сигнали надає система онлайн-моніторингу. У додатку відразу видно просідання:
-
окремий ланцюжок починає стабільно втрачати потужність в один і той же час,
-
добовий виробіток падає на 15-20% порівняно з минулим місяцем,
-
а за наявності оптимізаторів система точно підсвітить конкретну панель, що просідає.
При виявленні симптомів варто оглянути дах на предмет сміття або снігу, підрізати гілки, що розрослися, або промити модулі. Якщо ж причиною став новий сусідній будинок або об'єкт, який не можна прибрати, викличте спеціаліста Atmosfera – інженер перекомутує стрінги або встановить оптимізатори на затінену групу панелей.
