Come evitare l’ombreggiamento dei pannelli fotovoltaici?

A seconda delle circostanze esatte, anche se solo l’1% di un pannello solare fotovoltaico è all’ombra, è possibile perdere il 50-80% della produzione di energia dall’intero campo solare. Per questo motivo, è estremamente importante che il tuo sistema di energia solare rimanga all’ombra per tutto il giorno, ove possibile. A volte ciò non è possibile e ciò richiede un lavoro di progettazione aggiuntivo per ridurre al minimo l’effetto dell’ombra sul sistema. Ma ci sono anche due alcuni modi in cui puoi evitare gli effetti dell’ombreggiamento sui tuoi pannelli solari, come vedremo.

Che cos’è la perdita d’ombra del sistema fotovoltaico?

I sistemi fotovoltaici (FV) generano elettricità tramite l’effetto fotovoltaico, quando la luce solare spazza via gli elettroni nei materiali che compongono le celle solari. Pertanto, ogni volta che una cella o un pannello non riceve la luce solare a causa di un’ostruzione ombreggiata, riduce la quantità di elettricità generata da quella sezione solare. Questo è ciò che è noto come perdita di ombra del sistema fotovoltaico.

Tali ostacoli possono provenire da una varietà di fonti:

  • Oggetti vicini, come alberi, antenne o pali
  • “Auto-ombreggiatura” da altre file di pannelli fotovoltaici
  • Ombreggiatura dell’orizzonte dal terreno circostante il sito di installazione
  • Altri fattori come l’orientamento del pannello, lo sporco o l’invecchiamento differenziale,

Quindi cosa significa per l’efficienza dell’energia solare? L’intuizione suggerisce che la potenza in uscita del pannello sarà ridotta proporzionalmente all’area ombreggiata. Tuttavia, questo non è il caso. L’ombreggiatura di una sola cella su 36 in un piccolo modulo solare può ridurre la produzione di energia di oltre il 75%. Esatto, l’ombreggiatura di solo 1/36 delle celle può ridurre la potenza in uscita del 75%.

Perché un’ombreggiatura minima può causare una grave perdita di potenza?

Per concettualizzare il motivo per cui l’ombreggiatura si traduce in perdite così gravi, è utile utilizzare l’analogia dell’acqua che scorre nei tubi. La portata dell’acqua attraverso il tubo è costante, proprio come la corrente attraverso una stringa di celle è costante per un dato livello di irraggiamento.

L’ombreggiamento di una cella solare è simile all’introduzione di uno zoccolo in un tubo d’acqua. L’ostruzione nel tubo limita il flusso dell’acqua attraverso l’intero tubo. Allo stesso modo, quando una cella solare è ombreggiata, la corrente attraverso l’intera stringa viene ridotta. Ciò è significativo perché ogni cella nella stringa di celle deve funzionare alla corrente impostata dalla cella ombreggiata. Ciò impedisce alle celle non ombreggiate di funzionare alla massima potenza.

In sostanza, ogni cella è come una catena in un collegamento. La cella ombreggiata è l ‘”anello più debole”, riducendo la disponibilità di energia di tutta la cella rimanente. Quindi sì, solo una piccola quantità di ombreggiatura può avere un effetto drammatico sulla potenza di un pannello solare.

Princìpi simili si applicano ai moduli FV collegati insieme. La corrente che fluisce attraverso un’intera stringa di moduli può essere fortemente ridotta se anche un solo modulo è ombreggiato, con una perdita potenzialmente significativa di potenza in uscita.

Come ridurre le perdite di ombreggiatura

Potresti aver letto i paragrafi precedenti e aver pensato che la speranza era persa che il tuo sistema fotovoltaico possa essere efficiente, ma non temere! Fortunatamente, esistono diversi approcci che possono essere applicati nella progettazione di un sistema fotovoltaico per ridurre le perdite di ombreggiamento. Questi includono l’uso di diverse disposizioni di stringhe, diodi di bypass ed elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE).

Collegamento dei moduli in stringhe

I moduli collegati in serie formano stringhe e le stringhe possono essere collegate in parallelo a un inverter. La corrente attraverso tutti i moduli di una stringa deve essere la stessa e la tensione delle stringhe parallele deve essere la stessa.

Come abbiamo detto prima, un modulo ombreggiato in una stringa può ridurre significativamente la potenza in uscita della stringa. Tuttavia, un modulo ombreggiato in una stringa non riduce la potenza di uscita di una stringa parallela. Pertanto, raggruppando i moduli ombreggiati in stringhe separate, è possibile massimizzare l’uscita di potenza complessiva dell’array.

Ad esempio, in un sistema commerciale con parapetti, può essere utile raggruppare i moduli che ricevono l’ombra dai parapetti in stringhe e mantenere i moduli che non ricevono l’ombra dai parapetti in stringhe parallele separate. In questo modo le stringhe non ombreggiate possono mantenere una maggiore corrente e potenza in uscita.

Diodi di bypass

I diodi di bypass sono dispositivi all’interno di un modulo che consentono alla corrente di “saltare” le regioni ombreggiate del modulo. Utilizzando diodi di bypass, la corrente più elevata delle stringhe di celle non ombreggiate può fluire attorno alla stringa di celle ombreggiata. Tuttavia, ciò va a scapito della perdita dell’output delle celle che vengono ignorate.

Sebbene sarebbe teoricamente l’ideale avere un diodo di bypass per ciascuna cella solare, per ragioni di costo un tipico modulo solare avrà tre diodi di bypass, raggruppando efficacemente le celle in tre stringhe di celle in serie (vedere di seguito). Ad esempio, un modulo a 60 celle avrà in genere un diodo di bypass ogni 20 celle.

Elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE)

Gli MLPE sono dispositivi collegati ai singoli moduli al fine di aumentare le prestazioni in condizioni ombreggiate (sebbene vi siano altri vantaggi, come la mitigazione del disallineamento e il monitoraggio a livello di modulo). Questo viene fatto eseguendo il rilevamento del punto di massima potenza a livello di modulo. Gli MLPE includono ottimizzatori DC e microinverter.

  1. Ottimizzatori DC

Un ottimizzatore CC regola la tensione e la corrente di uscita per mantenere la massima potenza senza compromettere le prestazioni di altri moduli. Ad esempio, quando un modulo ombreggiato produce elettricità con una corrente inferiore, l’ottimizzatore CC aumenterà la corrente alla sua uscita in modo che corrisponda alla corrente che scorre attraverso i moduli non ombreggiati; per compensare, l’ottimizzatore riduce la sua tensione di uscita nella stessa misura in cui aumenta la corrente. Ciò consente al modulo ombreggiato di produrre la stessa quantità di energia elettrica senza ostacolare l’uscita di altri moduli. Un sistema che utilizza ottimizzatori CC necessita ancora di un inverter per convertire l’elettricità da CC a AC.

  1. Microinverter

Al contrario di avere un singolo inverter per la manutenzione di tutti i pannelli, ogni pannello può avere un piccolo inverter collegato per convertire la sua uscita da corrente continua (CC) a corrente alternata (AC). Poiché ogni microinverter ha un MPPT e le sue uscite sono collegate in parallelo, ogni pannello funzionerà al suo punto di massima potenza, senza influire sugli altri pannelli.