L’ombreggiamento è la più grande perdita di rendimento controllabile nella progettazione di sistemi solari. Un array scarsamente distanziato può perdere il 5-15% della produzione annuale a causa dell'ombreggiamento tra le file, equivalente a perdere mesi di produzione in un progetto di 25 anni. Ottenere la giusta spaziatura delle righe è una delle decisioni di maggior valore nella fase di progettazione.
Perché le perdite dovute all’ombreggiamento sono sproporzionate
In un sistema con inverter di stringa, i moduli di una stringa funzionano in serie. Quando la riga inferiore di un modulo (o la cella inferiore in un modulo verticale) è ombreggiata dalla riga anteriore, non perde semplicemente il suo output proporzionale. La sezione ombreggiata diventa un elemento ad alta resistenza nel circuito in serie, attivando i diodi di bypass e potenzialmente riducendo l'uscita dell'intero modulo ombreggiato, non solo dell'area della cella ombreggiata. Questa perdita sproporzionata è l'"effetto corda" dell'ombreggiatura.
Ad esempio: una stringa di 20 moduli in cui 1 modulo perde il 50% di potenza a causa dell'ombreggiamento parziale tra le file con un angolo di sole basso può causare una perdita di potenza della stringa del 15–25% - non del 2,5% (1/20 × 50%). Questo è il motivo per cui l’ottimizzazione della spaziatura delle righe è molto più importante di quanto potrebbe sembrare inizialmente.
La geometria dell'angolo solare
L’ombreggiamento tra le file si verifica quando il sole si trova a un angolo di elevazione basso, in genere al mattino e alla sera e tutto il giorno in inverno a latitudini medio-alte. Il parametro di progettazione critico è il angolo minimo di elevazione solare al di sopra del quale la fila davanti non proietta ombra sui moduli dietro.
La relazione tra passo delle righe, inclinazione del modulo, altezza del modulo e ombra è:
- Lunghezza dell'ombra proiettata da una fila = altezza del modulo × sin(inclinazione) / tan(elevazione solare)
- Per zero ombreggiamento: passo fila ≥ lunghezza ombra + ingombro base modulo
Progettare in modo che l’ombreggiamento sia sempre pari a zero richiederebbe uno spazio enorme, il che è economicamente poco pratico. L’approccio industriale accettato è quello di non prevedere alcun ombreggiamento tra le file per almeno 6-8 ore al giorno, con piccole perdite ad angoli di sole bassi al mattino presto e nel tardo pomeriggio (quando anche l’irraggiamento è basso e la penalità energetica è minore).
Spaziatura delle righe in base alla latitudine
| Latitudine del sito | Angolo di inclinazione tipico | GCR (rapporto di copertura del suolo) | Stima della perdita di ombreggiamento interfilare |
|---|---|---|---|
| 10–20° (tropici) | 10–15° | 0,40–0,50 | 1–3% |
| 20–35° (subtropicale) | 20–25° | 0,35–0,45 | 2–4% |
| 35–45° (Mediterraneo) | 25–30° | 0,30–0,40 | 3–6% |
| 45–55° (Europa continentale) | 30–35° | 0,25–0,35 | 4–8% |
| 55°+ (Nord Europa) | 35–40° | 0,20–0,30 | 5–10% |
Inseguitori monoasse: problema diverso, soluzione diversa
I tracker ad asse singolo (SAT) modificano la geometria dell'ombreggiatura perché il passo delle righe rispetto a un riferimento orizzontale cambia durante il giorno. La maggior parte delle installazioni SAT utilizza un algoritmo di "backtracking": a bassi angoli di elevazione solare, l'inseguitore si inclina indietro verso l'orizzontale per evitare di proiettare un'ombra sulla fila adiacente, scambiando un po' di ottimizzazione dell'angolo di uscita per l'eliminazione dell'ombreggiatura tra le file. Il backtracking in genere recupera il 2-5% della produzione annuale che altrimenti andrebbe persa a causa dell'ombreggiamento nei sistemi SAT.
Moduli bifacciali: la spaziatura influisce sulla resa del lato posteriore
I moduli bifacciali generano energia sia dalla superficie anteriore che da quella posteriore. Il lato posteriore cattura l'irradianza riflessa dal suolo: il contributo dell'albedo. Un rapporto di copertura del terreno più elevato (file più strette) riduce l'area del terreno visibile dalla parte posteriore di ciascun modulo, riducendo l'irradiazione del lato posteriore. Per i moduli bifacciali, il GCR ottimale è inferiore rispetto a quello monofacciale – tipicamente 0,25–0,35 – per consentire un adeguato contributo di albedo pari al 5–15% di generazione aggiuntiva del lato posteriore. Gli strumenti di simulazione (PVsyst, Bifacial_radiance) modellano questo in modo esplicito.
Design a corde per ridurre al minimo l'impatto dell'ombreggiatura
Oltre alla spaziatura tra le file, la configurazione delle stringhe influisce sulla propagazione delle perdite dovute all'ombreggiatura:
- tesatura orizzontale (est-ovest): Ogni stringa contiene moduli alla stessa posizione di altezza in ogni riga: quando la riga inferiore è ombreggiata, la perdita viene distribuita proporzionalmente su tutte le stringhe. Ideale per un effetto di ombreggiatura uniforme.
- Incordatura verticale (nord-sud, per fila): Ogni stringa è contenuta in una singola riga: quando una riga è ombreggiata, solo quella stringa viene influenzata. Può essere migliore o peggiore a seconda Architettura MPPT dell'inverter.
- Moduli tagliati a metà: Dividere ciascun modulo in due metà elettriche indipendenti, con diodi di bypass che proteggono ciascuna metà. Quando l'ombreggiatura tra le file interessa solo la metà inferiore dei moduli verticali, si attiva solo il diodo di bypass della metà inferiore, dimezzando la perdita di uscita per modulo ombreggiato rispetto alle celle completamente tagliate.