Zacienienie to największa pojedyncza, możliwa do kontrolowania utrata wydajności w projektowaniu układu słonecznego. Źle rozmieszczona matryca może utracić 5–15% rocznej generacji z powodu cieniowania między rzędami, co jest równoznaczne z odrzuceniem miesięcy produkcji w ciągu 25 lat trwania projektu. Właściwe rozmieszczenie rzędów to jedna z najważniejszych decyzji na etapie projektowania.
Dlaczego straty zacienienia są nieproporcjonalne
W systemie falownika szeregowego moduły w szeregu działają szeregowo. Kiedy dolny rząd modułu (lub dolna komórka w module portretowym) jest zacieniony przez rząd z przodu, nie traci on po prostu swojej proporcjonalnej mocy wyjściowej. Zacieniona sekcja staje się elementem o wysokiej rezystancji w obwodzie szeregowym, aktywując diody obejściowe i potencjalnie zmniejszając moc wyjściową całego zacienionego modułu – a nie tylko zacienionego obszaru ogniwa. Ta nieproporcjonalna strata to „efekt strunowy” cieniowania.
Na przykład: ciąg 20 modułów, w którym 1 moduł traci 50% mocy wyjściowej z powodu częściowego zacienienia między rzędami przy niskim kącie słońca, może spowodować utratę mocy wyjściowej rzędu 15–25%, a nie 2,5% (1/20 × 50%). Dlatego optymalizacja odstępów między rzędami ma o wiele większe znaczenie, niż mogłoby się początkowo wydawać.
Geometria kąta słonecznego
Zacienienie między rzędami występuje, gdy słońce znajduje się pod niskim kątem wzniesienia – zazwyczaj rano i wieczorem, a zimą przez cały dzień na średnich i wysokich szerokościach geograficznych. Krytycznym parametrem projektowym jest minimalny kąt elewacji słońca, powyżej którego rząd z przodu nie rzuca cienia na moduły z tyłu.
Zależność pomiędzy rozstawem rzędów, nachyleniem modułu, wysokością modułu i cieniem jest następująca:
- Długość cienia rzucanego przez rząd = wysokość modułu × sin (nachylenie) / tan (wysokość słońca)
- Dla zerowego cieniowania: odstęp między rzędami ≥ długość cienia + powierzchnia podstawy modułu
Projektowanie z zerowym cieniowaniem wymagałoby ogromnych odstępów – jest to ekonomicznie niepraktyczne. Przyjęte w branży podejście polega na projektowaniu tak, aby nie zacieniać między rzędami przez co najmniej 6–8 godzin dziennie, z niewielkimi stratami przy niskich kątach padania promieni słonecznych wczesnym rankiem i późnym popołudniem (kiedy natężenie promieniowania jest również niskie, a straty energetyczne są niewielkie).
Rozstaw rzędów według szerokości geograficznej
| Szerokość geograficzna miejsca | Typowy kąt pochylenia | GCR (współczynnik pokrycia gruntu) | Szacowana utrata zacienienia między rzędami |
|---|---|---|---|
| 10–20° (tropiki) | 10–15° | 0,40–0,50 | 1–3% |
| 20–35° (subtropikalny) | 20–25° | 0,35–0,45 | 2–4% |
| 35–45° (Morze Śródziemne) | 25–30° | 0,30–0,40 | 3–6% |
| 45–55° (Europa kontynentalna) | 30–35° | 0,25–0,35 | 4–8% |
| 55°+ (Europa Północna) | 35–40° | 0,20–0,30 | 5–10% |
Trackery jednoosiowe: inny problem, inne rozwiązanie
Urządzenia śledzące jednoosiowe (SAT) zmieniają geometrię cieniowania, ponieważ nachylenie rzędów względem odniesienia poziomego zmienia się w ciągu dnia. Większość instalacji SAT wykorzystuje algorytm „backtrackingu”: przy małych kątach elewacji słońca tracker odchyla się z powrotem do poziomu, aby uniknąć rzucania cienia na sąsiedni rząd – zastępując optymalizację kąta wyjściowego w celu wyeliminowania zacienienia między rzędami. Backtracking zazwyczaj pozwala odzyskać 2–5% rocznej produkcji, która w przeciwnym razie zostałaby utracona w wyniku zacienienia w systemach SAT.
Moduły dwustronne: odstępy wpływają na wydajność tylnej strony
Moduły dwustronne generują moc zarówno z przedniej, jak i tylnej powierzchni. Tylna strona wychwytuje odbite promieniowanie od podłoża — udział „albedo”. Wyższy współczynnik pokrycia gruntu (mniejsze rzędy) zmniejsza obszar gruntu widoczny z tyłu każdego modułu, zmniejszając natężenie promieniowania od tyłu. W przypadku modułów dwustronnych optymalny GCR jest niższy niż w przypadku modułów jednofazowych — zwykle 0,25–0,35 — aby zapewnić odpowiedni udział albedo wynoszący 5–15% dodatkowej generacji tylnej strony. Narzędzia symulacyjne (PVsyst, Bifacial_radiance) modelują to wyraźnie.
Konstrukcja strun minimalizująca wpływ cieniowania
Poza odstępami między rzędami konfiguracja ciągów wpływa na propagację strat cieniowania:
- Sznurowanie poziome (wschód-zachód): Każdy ciąg zawiera moduły na tej samej wysokości w każdym rzędzie — gdy dolny rząd jest zacieniony, strata rozkłada się proporcjonalnie na wszystkie ciągi. Najlepsze do równomiernego efektu cieniowania.
- Sznurowanie pionowe (północ-południe, w każdym rzędzie): Każdy ciąg znaków znajduje się w jednym wierszu — zacienienie wiersza wpływa tylko na ten ciąg. Może być lepiej lub gorzej w zależności od architektura inwertera MPPT.
- Moduły półprzycięte: Podziel każdy moduł na dwie niezależne połowy elektryczne, z diodami bocznikowymi chroniącymi każdą połowę. Gdy cieniowanie między rzędami wpływa tylko na dolną połowę modułów portretowych, aktywowana jest tylko dioda obejściowa dolnej połowy, co zmniejsza o połowę straty wyjściowe na zacieniony moduł w porównaniu z ogniwami w pełni wyciętymi.