Cum afectează umbrirea parțială producția panourilor fotovoltaice?

În continuare voi discuta despre un subiect foarte des întâlnit, și anume cum afectează umbra producția sistemului fotovoltaic. Voi explica mai întâi la nivel de panou fotovoltaic și apoi la nivel de sistem fotovoltaic cu mai multe șiruri.

Cuprins

• Din ce este alcătuit un panou fotovoltaic?
• Ce rol are dioda bypass dintr-un panou fotovoltaic?
• 4 scenarii de umbrire parțială a unui panou fotovoltaic clasic Full Cell
  • Scenariul 1 de umbrire parțială Full Cell
  • Scenariul 2 de umbrire parțială Full Cell
  • Scenariul 3 de umbrire parțială Full Cell
  • Scenariul 4 de umbrire parțială Full Cell
• Cum acționează dioda bypass de la un panou fotovoltaic?
• Efectul umbririi parțiale în cazul panourilor fotovoltaice Half Cell
• 4 scenarii de umbrire parțială a unui panou fotovoltaic Half Cell
  • Scenariul 1 de umbrire parțială Half Cell
  • Scenariul 2 de umbrire parțială Half Cell
  • Scenariul 3 de umbrire parțială Half Cell
  • Scenariul 1 de umbrire parțială Half Cell
• Concluzie

Din ce este alcătuit un panou fotovoltaic?

Pentru a putea răspunde la această întrebare trebuie să înțelegem mai întâi din ce este alcătuit un panou fotovoltaic și cum este el afectat de umbrirea parțială. Panourile fotovoltaice sunt alcătuite din

Fiecare celulă produce o tensiune de aproximativ 0.5-0.6 volți și un curent variabil care depinde de intensitatea luminii care cade pe ea . 

Panourile fotovoltaice clasice sunt alcătuite din 60 sau 72 celule. Pentru 60 de celule în serie tensiunea urcă la 30v.

Cele utilizate acum sunt de obicei half-cell cu 120 sau 144 de celule, practic sunt 2 panouri clasice de 60 sau 72 unite în paralel, formate din celule cu dimensiunea la jumătate față de o celulă standard, de aici și denumirea half-cut cell.

Noi o să utilizăm însă ca exemplu, pentru simplificare, un panou clasic de 60 celule, cu tensiune Vmp de de 30v și curent Imp de 10 amperi. 

Pentru exemplificare se mai poate utiliza și simulatorul de aici care arată cum influențează umbra o celulă sau un sir de celule fotovoltaice.

Celulele fiind în serie, dacă umbrești total o celulă, curentul scade către 0, și tot șirul nu mai produce deloc.

Ce rol are dioda bypass dintr-un panou fotovoltaic?

Ca să nu ajungem ca o simplă frunză să oprească de tot producția unui panou, producătorii de panouri fotovoltaice au împărțit cele 60 de celule în 3 regiuni conectate cu o diodă în paralel, numită diodă bypass (sau de ocolire).

Diodele sunt dispozitive care permit curentului să curgă într-o singură direcție. Nu intru în detalii în acest articol despre cum funcționează o diodă bypass, trebuie doar să știți că ea se activează atunci când una (sau mai multe celule) din șirul respectiv de celule este umbrită, și oferă o cale alternativă curentului, ocolind șirul afectat. 

4 scenarii de umbrire parțială a unui panou fotovoltaic clasic Full Cell

O sa analizăm 4 scenarii pentru a exemplifica cum umbrirea parțială afectează panourile fotovoltaice:

Scenariul 1 de umbrire parțială Full Cell

1. În primul scenariu umbrim complet 1 celulă dintr-un subșir de 20 celule ale unui singur panou de 60 de celule. În mod normal panoul produce 300 wați. În momentul când frunza blochează complet o celulă, curentul prin șir devine 0, și se activează dioda de bypass, care permite curentului să ocolească șirul afectat. În circuit avem tot 10 amperi dar am pierdut 10 volți din tensiune plus 0.3 volți căderea de tensiunea de la bornele diodei, în total 10,3, și rămânem cu o tensiune de 19,7 volți. Prin urmare panoul mai produce doar 197 wați din 300.

Scenariul 2 de umbrire parțială Full Cell

2. În al doilea scenariu vedem cum afectează umbra un șir de panouri în serie, cazul cel mai des întâlnit în practică. Consideram un șir de 3 panouri în serie, cu Vmp de 90 de volți. Apoi frunza care scoate din producție un subșir. Curentul rămâne 10 amperi în sir. Tensiunea scade la 79,7 și avem astfel 797 wați, deci pierdem cam 11% din putere. Dacă umbra acoperă 2 subșiruri pierdem încă 10,3 volți din tensiune, deci vom avea 69,4, adică 694 wați putere. Și tot asa.

Scenariul 3 de umbrire parțială Full Cell

3. În al treilea scenariu avem o umbră subțire care nu declanșează diodele bypass. Această umbră va scădea curentul pe panou, și va afecta desigur și celelalte panouri din serie. Dacă ai un șir lung, afectarea va fi mai mare decât în cazul unei umbre care să ducă la activarea diodei bypass.

Scenariul 4 de umbrire parțială Full Cell

4. În ultimul scenariu avem o umbră care acoperă primul rând de celule din șir. Genul acesta de umbră apare cel mai des dacă avem panouri montate la sol, și către sfârșitul zilei șirurile încep să se umbrească unul pe celălalt. În acest caz panourile nu mai produc deloc, deoarece toate subșirurile au câte o celulă complet umbrită și se activează toate diodele.

Cum acționează dioda bypass de la un panou fotovoltaic?

Un alt motiv foarte important pentru utilizarea diodelor bypass este scăderea riscului apariției unor așa numite hotspoturi. Dacă o celulă este complet umbrită, aceasta devine consumatoare de curent, și începe să se încălzească, apărând hotspoturi. Practic toată puterea generată de celulele neumbrite se disipă în celula umbrită, ceea ce duce la supraîncălzirea ei, apariția crăpăturilor în sticlă și distrugerea celulei.

Având o diodă bypass la fiecare 10 celule, se limitează curentul care trece prin celula umbrită, și scade efectul hotspot. Trebuie avut în vedere că activarea frecventă a diodelor va duce la scăderea duratei de viață atât a diodelor cât și a panoului.

Efectul umbririi parțiale în cazul panourilor fotovoltaice Half Cell

Acum aș vrea să prezint cum se comportă un panou half-cut cell, care în anumite situații are un avantaj față de un panou clasic. 

Primele panouri fotovoltaice Half Cell comerciale au fost introduse pe piață în 2014 de către REC. Practic, panourile Half Cell sunt compuse din celule care au fost tăiate în jumătate, fiecare celulă având aceeași tensiune și doar jumătate din curentul unei celule întregi.

Ele au câteva avantaje:

• Datorită curentului mai scăzut pierderile rezistive din celulă sunt la jumătate față de o celulă clasică, prin urmare au o eficiență ușor mai ridicată.
• Tot din cauza curentului scăzut per celulă, sunt mai puțin susceptibile la hotspot, 
• Se comportă mai bine la umbrirea parțială, dar doar în anumite scenarii.

4 scenarii de umbrire parțială a unui panou fotovoltaic Half Cell

În continuare o să fac o comparație a panoului Half Cell cu unul clasic cu 60 celule întregi în 4 scenarii de umbrire. Considerăm panourile orientate în mod portret. 

Scenariul 1 de umbrire parțială Half Cell

În scenariul I presupunem umbra unui coș care afectează un subșir de celule de la panoul de 60 celule. Dioda bypass se activează, pierdem 10,3 volți, curentul rămâne 10 amperi, și din 300 wați mai producem 197 wați.

În cazul unui panou Half Cell avem 6 regiuni legate de 3 diode bypass. Când se umbrește un subșir apar 2 variante în care va funcționa panoul, corespunzătoare la 2 puncte de putere maximă, unul local și unul global.

În cazul primului punct de putere maximă avem așa:

Se activează dioda din mijloc, și pierdem -0,3V prin ea și 10V de la subșirul căruia îi facem bypass. Astfel, din 30V mai rămânem cu 19,7 volți. Acum să vedem ce curent avem. Prin fiecare subșir putem avea maxim un curent de 5 amperi. Prin dioda activată din mijloc trec 10 amperi, prin subșirurile funcționale câte 5 amperi, deci avem în total 10 amperi x 19,7 volți = 197 wați.

În cazul celui de-al doilea punct de maxim avem așa:

Prin fiecare subșir poate trece un curent de maxim 5 amperi. Curentul trecând acum prin subșirul opus celui umbrit se limitează la 5 amperi, și în subșirurile paralele funcționale se împarte în cate 2,5 amperi per subșir. Tensiunea rămâne neschimbată 30V, deoarece avem 3 subșiruri în serie, deci avem în total 30V x 5 amperi = 150 wați. 

Dacă ne uităm la curbele de putere suprapuse ale panoului de 60 celule și cel Half Cut Cell vedem cele 2 puncte de maxim de care am discutat, unul global și unul local. MPPT-ul invertorului scanează de-a lungul lungul caracteristicii curent-tensiune a șirului și va găsi punctul global de maxim, care în acest caz este comun pentru cele 2 panouri. 

Scenariul 2 de umbrire parțială Half Cell

În scenariul 2 vom simula o umbră mai mare care acoperă 2 subșiruri. Astfel, pentru panoul clasic se activează 2 diode bypass și pierdem 2 treimi din putere. Panoul mai produce doar 94 wați. Pentru panoul half cut cell însă avem cele 2 puncte de putere maximă. Pentru primul punct de putere maximă avem o situație similară cu panoul clasic, 10 amperi trec prin cele două diode activate, care apoi se împart în câte 5 amperi per subșir, și avem astfel 10 amperi cu 9,4v, adică 94 wați.

În cazul punctului 2 de putere maximă avem o tensiune mai mare la un curent mai mic. În loc să treacă prin diodele bypass, 5 amperi vor trece prin cele 2 subșiruri de sus, și apoi se vor împărți în cate 2.5 per subșir la ultimele 2 subșiruri. Astfel vom avea 30v cu 5 amperi, adică 150 wați, jumătate din puterea panoului.

În acest caz, punctul de putere maximă global în cazul panoului half cell este mai mare decât punctul de putere maximă pentru panoul standard, după cum se poate vedea și în grafic, și panoul half cell are un avantaj. MPPT-ul invertorului va alege punctul de putere maximă global și vom avea o diferență de aproape 17% producție.

Scenariul 3 de umbrire parțială Half Cell

În scenariul 3 umbrim toată partea inferioară a panourilor. În cazul panoului de 60 celule nu vom mai avea producție deloc, deoarece se vor activa toate diodele, iar în cazul panoului half cell vom avea 50% din producție, tensiunea rămânând la 30v și curentul 5 amperi.

Scenariul 1 de umbrire parțială Half Cell

În scenariul 4 vom vedea cazul unui șir de panouri. În cazul unui șir cu panouri clasice, în care se umbresc toate celulele inferioare, vom pierde toată producția, iar în cazul half cell vom pierde doar 50% din producție.

Concluzie

În concluzie panourile Half Cell au un avantaj în cazul anumitor situații de umbrire parțială, dar trebuie să ținem seama de orientarea lor în funcție de poziția umbrei. Ideal este să încercăm pe cât posibil să evităm situațiile de umbrire parțială, care stresează atâta celulele din subșirul dezactivat de dioda bypass, cât și dioda în sine.

Alt aspect pe care vreau sa îl mai scot în evidență este că nu fiecare MPPT este la fel, sunt o multitudine de algoritmi care sunt utilizați și fiecare are avantaje și dezavantaje, iar găsirea MPP în cazurile de umbrire parțială pentru mai multe șiruri este și în prezent subiect de cercetare. Ideal este să folosești un MPPT per șir.

Pentru restul de articole despre panouri fotovoltaice apasă aici: Panouri fotovoltaice.

Dacă cumpărați din linkurile de mai jos mă susțineți să fac în continuare filmulețe și articole:
Preturi bune panouri solare Canadian Solar N-Type: 440W și 460W
Baterie LFP 48V: Ecobat PowerCube 5,12kWh
PowerCube 14.33 kWh

Stație încărcare smart prosumatori: Statie LEKTRI.CO TRI trifazată
MiniPC ideal pentru Home Assistant: Mini PC HA

Pentru orice alte întrebări și discuții vă aștept pe grupul Totul despre Fotovoltaice pe Facebook și pe canalul de YouTube Full Electric.

Atenție! Orice intervenție asupra echipamentelor electrice se face doar de către personal autorizat!