Bóng râm là tổn thất năng suất lớn nhất có thể kiểm soát được trong thiết kế hệ mặt trời. Một dãy cách đều nhau có thể làm mất 5–15% sản lượng điện hàng năm do bóng râm giữa các hàng - tương đương với việc loại bỏ nhiều tháng sản lượng trong vòng đời dự án 25 năm. Giữ đúng khoảng cách giữa các hàng là một trong những quyết định có giá trị cao nhất trong giai đoạn thiết kế.
Tại sao tổn thất do bóng che lại không cân xứng
Trong hệ thống biến tần chuỗi, các mô-đun trong chuỗi hoạt động nối tiếp. Khi hàng dưới cùng của mô-đun (hoặc ô dưới cùng trong mô-đun dọc) được tô bóng bởi hàng phía trước, nó không chỉ mất đầu ra theo tỷ lệ. Phần được tô bóng trở thành một phần tử có điện trở cao trong mạch nối tiếp, kích hoạt các điốt rẽ nhánh và có khả năng làm giảm đầu ra của toàn bộ mô-đun được tô bóng — không chỉ vùng ô được tô bóng. Sự mất mát không cân xứng này là "hiệu ứng dây" của bóng đổ.
Ví dụ: một chuỗi gồm 20 mô-đun trong đó 1 mô-đun mất 50% đầu ra do bóng mờ một phần giữa các hàng ở góc mặt trời thấp có thể gây ra tổn thất đầu ra chuỗi 15–25% — không phải 2,5% (1/20 × 50%). Đây là lý do tại sao việc tối ưu hóa khoảng cách hàng lại quan trọng hơn nhiều so với những gì nó có thể xuất hiện ban đầu.
Hình học góc mặt trời
Bóng râm giữa các hàng xảy ra khi mặt trời ở góc độ cao thấp - thường vào buổi sáng và buổi tối và cả ngày vào mùa đông ở vĩ độ từ trung bình đến cao. Thông số thiết kế quan trọng là Góc độ cao mặt trời tối thiểu mà trên đó hàng phía trước không tạo bóng lên các mô-đun phía sau.
Mối quan hệ giữa cao độ hàng, độ nghiêng mô-đun, chiều cao mô-đun và bóng là:
- Độ dài bóng tạo bởi một hàng = chiều cao mô-đun × sin(độ nghiêng) / tan(độ cao mặt trời)
- Để tạo bóng bằng 0: độ cao hàng ≥ chiều dài bóng + dấu chân đế mô-đun
Thiết kế để luôn có bóng bằng 0 sẽ đòi hỏi khoảng cách rất lớn - không thực tế về mặt kinh tế. Cách tiếp cận được ngành công nghiệp chấp nhận là thiết kế để không che nắng giữa các hàng trong ít nhất 6–8 giờ mỗi ngày, với tổn thất nhỏ ở góc mặt trời thấp vào sáng sớm và chiều muộn (khi bức xạ cũng thấp và thiệt hại về năng lượng là nhỏ).
Khoảng cách hàng theo vĩ độ
| Vĩ độ địa điểm | Góc nghiêng điển hình | GCR (tỷ lệ che phủ mặt đất) | Ước tính mất bóng giữa các hàng |
|---|---|---|---|
| 10–20° (nhiệt đới) | 10–15° | 0,40–0,50 | 1–3% |
| 20–35° (cận nhiệt đới) | 20–25° | 0,35–0,45 | 2–4% |
| 35–45° (Địa Trung Hải) | 25–30° | 0,30–0,40 | 3–6% |
| 45–55° (lục địa châu Âu) | 30–35° | 0,25–0,35 | 4–8% |
| 55°+ (Bắc Âu) | 35–40° | 0,20–0,30 | 5–10% |
Bộ theo dõi trục đơn: vấn đề khác, giải pháp khác
Bộ theo dõi trục đơn (SAT) thay đổi hình dạng bóng vì độ cao của hàng so với tham chiếu ngang thay đổi trong suốt cả ngày. Hầu hết các cài đặt SAT đều sử dụng thuật toán "quay ngược": ở góc độ cao mặt trời thấp, trình theo dõi nghiêng về phía ngang để tránh tạo bóng trên hàng liền kề - giao dịch tối ưu hóa góc đầu ra để loại bỏ bóng giữa các hàng. Việc quay lui thường phục hồi 2–5% sản lượng điện hàng năm mà nếu không sẽ bị mất do che bóng trong hệ thống SAT.
Mô-đun hai mặt: khoảng cách ảnh hưởng đến năng suất phía sau
Các mô-đun hai mặt tạo ra năng lượng từ cả bề mặt phía trước và phía sau. Phía sau chụp bức xạ phản xạ từ mặt đất - đóng góp "albedo". Tỷ lệ che phủ mặt đất cao hơn (các hàng chặt chẽ hơn) làm giảm diện tích mặt đất có thể nhìn thấy từ phía sau mỗi mô-đun, giảm bức xạ phía sau. Đối với mô-đun hai mặt, GCR tối ưu thấp hơn so với mô-đun một mặt - thường là 0,25–0,35 – để cho phép đóng góp đủ suất phản chiếu cho 5–15% thế hệ phía sau bổ sung. Các công cụ mô phỏng (PVsyst, Bifacial_radiance) mô hình hóa điều này một cách rõ ràng.
Thiết kế dây để giảm thiểu tác động bóng
Ngoài khoảng cách hàng, cấu hình chuỗi ảnh hưởng đến mức độ lan truyền tổn thất bóng:
- Xâu chuỗi ngang (đông-tây): Mỗi chuỗi chứa các mô-đun ở cùng vị trí độ cao trong mỗi hàng — khi hàng dưới cùng được tô bóng, tổn thất được phân bổ trên tất cả các chuỗi theo tỷ lệ. Tốt nhất cho tác động tạo bóng đồng đều.
- Xâu chuỗi dọc (bắc-nam, mỗi hàng): Mỗi chuỗi được chứa trong một hàng duy nhất — khi một hàng được tô bóng, chỉ chuỗi đó bị ảnh hưởng. Có thể tốt hơn hoặc tệ hơn tùy theo kiến trúc biến tần MPPT.
- Các mô-đun cắt một nửa: Chia mỗi mô-đun thành hai nửa điện độc lập, với điốt rẽ nhánh bảo vệ mỗi nửa. Khi việc tạo bóng giữa các hàng chỉ ảnh hưởng đến nửa dưới của mô-đun dọc, chỉ đi-ốt bypass của nửa dưới sẽ kích hoạt — giảm một nửa tổn thất đầu ra trên mỗi mô-đun được tô bóng so với các ô được cắt hoàn chỉnh.