Проблеми та рішення затінення сонячних панелей
Вступ
Частково затінені сонячні панелі можуть призвести до значного зниження продуктивності. Панелі містять внутрішні байпасні діоди, які допомагають пом'якшити вплив затінення. Однак за певних умов роки регулярного затінення можуть призвести до прискореного виходу з ладу діодів та постійного пошкодження сонячної панелі. Якщо залишити їх у пошкодженому стані протягом тривалого часу, це може призвести до перегріву елементів, що призведе до серйозніших наслідків.
У цій статті ми заглибимося в проблеми, пов'язані з затіненням сонячних панелей, дослідимо потенційні проблеми, які можуть виникнути через несправні байпасні діоди, та пояснимо, як їх можна уникнути за допомогою оптимізаторів, мікроінверторів або інтелектуальних інверторів із функцією затінення. Ми також надаємо посібник з усунення несправностей , який допоможе виявити несправні діоди та пояснити, як можна пом'якшити наслідки затінення.
Як затінення впливає на сонячні панелі
Більшість сонячних систем використовують стандартні стрункові сонячні інвертори (стрінг інвертори) , які підключені до груп (ланцюжків) з 3 до 14 сонячних панелей. Така конфігурація використовується тому, що панелі, з'єднані послідовно, генерують вищу напругу, оптимізуючи ефективність сонячного інвертора в перетворенні постійного сонячного струму на змінний. У таких системах часткове затінення однієї або кількох сонячних панелей призведе до помітного зниження загальної продуктивності системи. Розуміння того, чому затінення створює таку проблему, вимагає базового розуміння того, як функціонують сонячні елементи (і байпасні діоди) під час затінення. Тим не менш, якщо будь-яка панель у ланцюзі зіткнеться зі значним затіненням, це може негативно вплинути на продуктивність усього ланцюжка через значне зменшення потоку потужності від затіненої панелі. Саме тут можуть допомогти байпасні діоди.
Як детально пояснюється нижче, байпасні діоди можуть покращити продуктивність, коли виникають ділянки затінення. Варто зазначити, що сонячні системи з мікроінверторами не страждають від таких самих проблем з продуктивністю, коли є проблема затінення, оскільки ці системи дозволяють кожній панелі працювати незалежно.
Види затінення
Затінення може бути викликане деревами, сусідніми будівлями або стаціонарними перешкодами, такими як димоходи та системи випарного охолодження, а також природними елементами, такими як накопичення пилу або пташиний послід. Коли панель затінена, це значно зменшує кількість сонячного світла, що досягає сонячних елементів, зменшуючи виробництво енергії. Однак, затінення зазвичай не є рівномірним, і залежно від ступеня затінення, результати можуть бути дуже різними.
Затінення може поширюватися на весь сонячний масив (на всі панелі), часткове затінення на деякі панелі або затінення може відбуватися на невеликій ділянці над деякими елементами на окремих панелях. Хоча затінення на весь масив суттєво знизить продуктивність, часткове затінення на одній або кількох панелях може не мати великого впливу на загальну продуктивність. Однак часткове затінення потенційно може бути більш шкідливим, якщо воно відбувається регулярно в одному місці. Наприклад, якщо охолоджувач на даху або димар розташований поруч із сонячною панеллю або перед нею. Регулярне постійне затінення може призвести до утворення гарячих точок (гарячих елементів) та виходу з ладу байпасних діодів, що може значно зменшити генерацію сонячної енергії та навіть перетворитися на потенційно небезпечну ситуацію через кілька років.
Байпасні діоди – просте рішення
Коли частина сонячної панелі затінена, затінені елементи вироблятимуть менше енергії (низький струм). Тим часом незатінені елементи вироблятимуть повну потужність (високий струм), і виникне ситуація зворотного струму, коли струм може текти назад у затінені елементи, що призведе до їх перегріву. Саме тут рятують становище байпасні діоди. Діоди – це невеликі, дешеві, довговічні пристрої, які дозволяють електричному струму протікати лише в одному напрямку. Вони доступні в багатьох різновидах і використовуються в усіх видах силової електроніки.
Як працюють байпасні діоди в сонячній панелі
Більшість сучасних сонячних панелей містять байпасні діоди для забезпечення альтернативного шляху струму, коли один або кілька елементів затіняються або виходять з ладу. Діоди зазвичай розташовані в розподільній коробці на задній стороні фотоелектричного модуля. Діоди – це відносно прості пристрої, які дозволяють струму протікати лише в одному напрямку, дозволяючи струму обходити сонячну панель за певних умов. Вони роблять це, розмикаючись або замикаючись залежно від напрямку зміщення напруги.
Більшість сонячних панелей поділяються на три групи елементів, з'єднаних послідовно, причому кожна група містить шунтуючий діод. У старих 60-елементних панелях панель поділяється на три групи по 20 елементів, тоді як у сучасних панелях з розщепленими елементами панель поділяється на шість груп по 20 або 24 елементи, причому дві групи пов'язані з одним шунтуючим діодом. Якби це було економічно ефективно, на кожен елемент був би один шунтуючий діод, але це складно та дорого інтегрувати, тому більшість виробників використовують один діод на групу послідовно з'єднаних елементів.
Основна схема сонячної панелі, що показує 3 байпасні діоди (по одному на кожну групу з 20 елементів). Затінення деяких елементів викликає зворотний струм і змушує діод відкриватися, що обходить затінену частину панелі.
Технічне пояснення - Активація шунтуючих діодів напругою
Байпасний діод активується, коли один або декілька елементів у групі затінені або працюють недостатньо ефективно, що призводить до падіння напруги та струму. Сонячні елементи в типовій панелі генерують приблизно від 0,5 до 0,6 вольта за стандартних умов. Для групи з 20 елементів загальна вихідна напруга становитиме близько 12 вольт. Тим часом типовий байпасний діод має напругу активації приблизно 0,7 вольта, відому як поріг прямої напруги. Якщо секція елементів затінена, напруга та струм можуть значно впасти. Коли пряма напруга на діоді (тобто напруга від незатінених елементів в решті ланцюжка вища, ніж напруга затіненої секції) перевищує приблизно 0,7 вольта, діод стає зміщеним у прямому напрямку та пропускає струм. Це ефективно обходить затінені елементи, дозволяючи решті панелі та ланцюжка працювати з вищою ефективністю.
Струм, який протікає через шунтуючий діод, по суті такий самий, як і струм, що генерується незатіненими ділянками панелі. Коли діод активний, він просто дозволяє струму обходити затінену ділянку, щоб підтримувати стабільний потік у колі.
Як затінення може призвести до відмови байпасного діода
Коли байпасний діод активується через сильне затінення елементів, частина енергії, що проходить через діод, розсіюється у вигляді тепла. Безперервна робота байпасних діодів в умовах затінення може зрештою призвести до перегріву та потенційного виходу з ладу. Діоди більш схильні до виходу з ладу з часом через такі фактори, як високі температури, вологість та електричне напруження під час безперервної роботи — дізнайтеся більше про режими виходу з ладу байпасних діодів . Різні типи затінення (легке або сильне затінення) мають великий вплив на те, чи будуть діоди активовані, і яке навантаження вони будуть відчувати. Легке затінення від сусідніх дерев є менш проблематичним, ніж сильне затінення від близьких, нерухомих об'єктів, встановлених на даху.
Легке затінення
Якщо ваша система регулярно страждає від затінення великої площі через сусіднє дерево, панелі зіткнуться із середнім або легким затіненням, особливо якщо дерево втрачає листя взимку. У цьому випадку діоди байпасу можуть не бути змушені активуватися через велику затінену площу над численними панелями. Значне затінення також призводить до зниження напруги та струму ланцюжка, що призводить до меншого нагрівання, якщо діоди активовані. У такій ситуації діоди можуть не працювати, і вони можуть працювати без проблем протягом тривалого часу.
Крім того, якщо затінення відбувається рано вранці або пізно вдень , кількість сонячного світла (сонячна радіація) буде значно меншою, що зменшить напругу та струм у ланцюжку. Це, у свою чергу, призводить до набагато меншого теплового навантаження на шунтувальні діоди, якщо вони активні через затінення.
Сильне затінення
З іншого боку, було виявлено, що жорстке або фіксоване затінення на невеликій площі панелей, встановлених поруч з вентиляційними отворами та димарями на даху, може призвести до тривалої роботи діодів, що призводить до передчасного виходу з ладу. Це особливо актуально, якщо затінення відбувається посеред дня, коли сонячна радіація досягає свого піку.
Несправні байпасні діоди можуть дозволити зворотному струму нагрівати затінені елементи, що призводить до появи слідів опіків від екстремально гарячих точок. Таке прискорене виведення з ладу може статися з двох причин: загальна температура панелі та розподільної коробки значно вища, коли більша частина панелі піддається впливу сонячного світла, а напруга та струм, що протікають через панелі та діод, вищі, коли лише невелика частина панелі затінена в середині дня. Ці два фактори призводять до підвищеного теплового навантаження на діод, що призводить до його виходу з ладу.
Що відбувається, коли байпасні діоди виходять з ладу?
Коли діод виходить з ладу, це може статися двома способами. Він може стати постійно розімкнутим (розрив ланцюга) або постійно замкнутим (коротке замикання). З мого особистого досвіду та з того, що повідомляли інші установники, вони, як правило, виходять з ладу постійно замкнутим (постійно шунтованим), що призводить до зниження потужності в будь-який час, навіть без затінення. Однак шунтувальні діоди, які виходять з ладу у відкритому положенні, можуть мати набагато серйозніші наслідки, оскільки зворотний струм не може бути заблокований, коли елементи затінені. Це може призвести до перегріву елемента та теплового вибуху, що спричиняє внутрішню дугу та горіння заднього полімерного шару. Якщо залишити його на тривалий час, це може навіть призвести до пожежі.
Вся ідея використання шунтуючих діодів на панелях полягає в тому, що вони рідко використовуються. Щоденна активація через сильну тінь від сусідніх об'єктів, особливо в спекотну літню погоду, зрештою призводить до виходу діода з ладу.
Чи можна виправити або модернізувати байпасні діоди?
Розподільна коробка для сонячної панелі старішого типу, на якій посередині видно три справні байпасні діоди.
Сонячні панелі містять одну або кілька розподільних коробок, встановлених на задній стороні, в яких розміщені байпасні діоди та забезпечують безпечну точку підключення для з'єднувальних кабелів. Приблизно до 2017 року більшість сонячних панелей мали стандартний 60-елементний формат та одну розподільну коробку зі знімною кришкою, що дозволяло користувачам оглядати та навіть замінювати діоди. На жаль, така конструкція іноді призводила до потрапляння води, і з роками розподільні коробки перетворилися на менші корпуси, заповнені герметичною пастою (поліуретаном), які не підлягають обслуговуванню. Діоди, що використовуються в сонячних панелях, - це діоди Шотткі, які є поширеними діодами на основі напівпровідникових металів. Ці недорогі діоди зазвичай розраховані на струм 30 А або вище та можуть витримувати напругу до 1000 В.
Непридатні для обслуговування розподільні коробки та діоди
На жаль, заміна діодів у більшості сучасних сонячних панелей практично неможлива. Майже неможливо, але мені особисто вдалося замінити кілька перегорілих байпасних діодів близько двох років тому, але не без великих труднощів. Процес включав ретельне видалення герметичного матеріалу з розподільної коробки, вирізання перегорілого діода, впаювання нового та, нарешті, заповнення розподільної коробки вогнетривким наповнювачем. Заміна трьох діодів зайняла кілька годин, але вона була успішною, і панелі досі працюють. На жаль, якщо панель вийде з ладу з іншої причини, на неї не поширюватиметься гарантія через мої модифікації.
Розподільні коробки в сучасних сонячних панелях не призначені для обслуговування, тому заміна несправного діода надзвичайно складна, оскільки вони покриті герметичною компаундом, який практично неможливо видалити.
Потенційні покращення діодів
Термін служби діодів можна було б збільшити, інтегрувавши невеликі алюмінієві радіатори для розсіювання тепла, але проблема полягає в тому, що будь-який відкритий метал може стати небезпечним і спричинити ураження електричним струмом або коротке замикання. Ще одним удосконаленням є використання міцних, водостійких розподільних коробок, які закривають радіатор і забезпечують потік повітря. Однак виробники ведуть постійну боротьбу за вартість, і враховуючи вже низьку вартість сонячних панелей, додаткові витрати означають, що численні конкуренти отримають перевагу. Якщо, звичайно, це не рекламуватиметься як преміум-функція. На щастя, деякі виробники використовують високоякісні діоди Шотткі в корпусі TO-220, які зазвичай мають довший термін служби. Залишається лише сподіватися, що ця проблема буде вирішена на певному етапі завдяки вдосконаленню конструкцій діодів або панелей. Тим часом очевидно, що панелі завжди слід монтувати так, щоб уникнути прямого затінення, особливо від перешкод, встановлених на даху.
Затінення може призвести до анулювання гарантії
Через підвищене теплове навантаження на байпасні діоди під сильним затіненням, багато виробників сонячних панелей включають до своїх гарантійних умов пункти, в яких зазначається, що гарантія може бути анульована, якщо панелі зазнають затінення. Ця політика є суперечливою, оскільки певний ступінь затінення часто неминучий у реальних установках, особливо взимку, коли довші тіні від дерев та інших перешкод є більш поширеними. Незважаючи на ці суворі умови, виробники рідко відхиляють гарантійні претензії виключно на основі загального затінення. Відмови зазвичай зарезервовані для випадків, що стосуються локалізованого, постійного затінення від стаціонарних об'єктів на даху або установок, які явно відхиляються від рекомендованих інструкцій. Наприклад, якщо панель встановлена дуже близько до димоходу, вона буде сильно затінена щодня, що є поганою практикою монтажу, яка шкодить терміну служби панелі. Навіть при використанні оптимізаторів або мікроінверторів неправильне розташування все одно може призвести до виходу з ладу діода, оскільки зворотний струм і гарячі точки все ще можуть виникати всередині панелі.
Посібник з усунення несправностей несправного діода байпаса
Як пояснюється нижче, безпосередня перевірка виходу з ладу діода може бути легкою на старих панелях, які мають доступ до діодів, але це ж завдання дуже складне на більшості сучасних панелей. На щастя, ви можете використовувати прямі та непрямі методи для діагностики проблеми. Однак, перш ніж перевіряти панель або діод, ви повинні знайти несправну панель, яка може бути будь-де в ланцюжку до 15 панелей. Якщо на одній або кількох панелях помітне локальне сильне затінення, це, ймовірно, буде винуватцем і найкращим місцем для початку. Однак, якщо місцезнаходження несправної панелі неочевидне, потрібно буде провести деякі тести, щоб ізолювати проблемну панель або панелі. Ми рекомендуємо вам проконсультуватися з фахівцем із сонячної енергетики, оскільки висока напруга постійного струму може бути надзвичайно небезпечною.
Як знайти потенційно несправну панель та діод
Перша частина усунення несправностей потенційно несправного діода в сонячній батареї полягає у пошуку несправної панелі. Завжди вимикайте інвертор та ізолятор постійного струму перед проведенням будь-яких випробувань. Після деактивації сонячної системи може бути відносно легко знайти панель з несправним діодом, який постійно розімкнутий (розімкнутий ланцюг), оскільки це призведе до зниження напруги панелі. Як пояснювалося раніше, більшість сонячних панелей поділені на три секції, з кожною групою елементів пов'язаний діод. Якщо один діод вийшов з ладу, напруга зазвичай буде на 10-15 вольт нижчою за очікувану, залежно від напруги розімкнутого ланцюга панелі.
Перевірка напруги холостого ходу панелі – це простий спосіб перевірити, чи є на панелі перегорілий (коротке замикання) діод.
Наприклад , якщо у нас є ланцюг з дев'яти незатінених панелей, напруга холостого ходу (Voc) кожної панелі яких становить 42 вольти, то в цьому випадку панель з несправним діодом видаватиме лише близько 26-28 вольт при вимірюванні за звичайного сонячного світла. Щоб знайти несправну панель, ланцюг можна розділити на три групи по 3 панелі. Групи, що видають приблизно 120-126 вольт, є справними, тоді як ті, що вимірюють 105-112 В, можуть містити несправну панель та діод. Потім панелі в несправній групі можна ізолювати та перевірити окремо, щоб знайти несправну панель. Однак, якщо всі групи показують однакову напругу, то діоди будуть або справними, або діод міг виходити з ладу в стані замкнутого кола.
Якщо ви виявили підозрілу несправну панель, нижче наведено три методи, які допоможуть виявити пошкоджений байпасний діод:
- Візуальний огляд та тепловізійне зображення
- Візуальний огляд : На старих панелях зі справною розподільною коробкою можна зняти кришку та візуально оглянути діод на наявність ознак пошкоджень, таких як розтріскування, зміна кольору або плавлення.
- Тепловізійне дослідження : Якщо діоди байпасу недоступні, використання тепловізійної камери може допомогти виявити несправні діоди. Сонячна панель з несправним діодом під час нормальної роботи може демонструвати аномально гарячі елементи порівняно з функціонуючими. Цей метод особливо корисний для виявлення проблем у режимі реального часу та може проводитися за нормальних робочих умов без зняття панелі.
- Електричні випробування за допомогою мультиметра
- Діоди в панелях зі справною розподільною коробкою можна перевірити, відключивши сонячну панель від масиву та за допомогою мультиметра безпосередньо перевірити шунтуючий діод. Справний діод повинен показувати низький опір в одному напрямку (прямий зміщений) та високий опір у протилежному напрямку (зворотний зміщений). Якщо діод показує низький опір в обох напрямках або високий опір в обох напрямках, він несправний.
- Моніторинг продуктивності
- Моніторинг продуктивності сонячної батареї може опосередковано вказувати на вихід з ладу одного або кількох байпасних діодів. Якщо певний рядок працює неналежним чином, виробляючи менше енергії, ніж очікувалося, або коливаючись у вихідній потужності, це може бути ознакою того, що діод вийшов з ладу. Така неефективність зазвичай помітна в умовах відсутності затінення, коли справний байпасний діод не повинен бути активним. Дані систем моніторингу продуктивності можна проаналізувати для виявлення цих аномалій, які можуть свідчити про проблему з діодом, серед інших потенційних проблем.
Кожен із цих трьох методів має свої переваги та має бути обраний залежно від наявних інструментів та типу сонячної установки. Однак роботу на сонячних батареях повинні виконувати лише досвідчені фахівці з сонячної енергетики, оскільки ви можете бути піддані впливу небезпечної напруги. Крім того, робота на висоті на дахах може бути дуже небезпечною.
Чотири способи зменшити вплив затінення
Перший крок – перевірити, чи не виросли суттєво дерева чи гілки, що створюють затінення на одній або кількох панелях. Зверніть увагу, що це може бути непомітно в середині дня, коли сонце знаходиться набагато вище на небі. Що ще важливіше, зверніть особливу увагу на тіні, що відкидають стаціонарні перешкоди на даху, такі як димоходи, в середині дня. Залежно від вашої широти, шлях сонця може різко змінюватися від літа до зими, тому обов’язково перевіряйте протягом року. Затінення в середині дня влітку може призвести до набагато серйозніших проблем через вищі температури, що може прискорити деградацію та вихід діодів з ладу.
Оптимізатор потужності, встановлений на задній стороні сонячної панелі, допомагає уникнути виходу з ладу діодів, якщо панель частково затінена.
- Використовуйте оптимізатори живлення
Якщо проблема полягає в регулярному затіненні кількох панелей, її можна вирішити, додавши до них оптимізатори потужності, такі як від Tigo або GNE Honeybee.
Оптимізатори потужності – це невеликі додаткові пристрої, що підключаються безпосередньо до кожної сонячної панелі, що дозволяє кожній панелі працювати незалежно. Якщо значне затінення відбувається на більшій частині панелі, оптимізатор обійде всю панель, а це означає, що діоди байпасу не потрібно буде активувати, оскільки панель ефективно ізольована або обійдена від ланцюга. SolarEdge пропонує ще одне унікальне рішення для оптимізації потужності. Системи SolarEdge використовують оптимізатори потужності на кожній панелі в ланцюгу та можуть керувати та оптимізувати систему для оптимальної роботи в найбільш затінених умовах.
- Використовуйте мікроінвертори
Якщо ваш дах протягом дня значно затіняється різними перешкодами або деревами, єдиним життєздатним варіантом є встановлення системи з мікроінверторами замість звичайної стрінгової інверторної системи з оптимізаторами. Мікроінвертори кріпляться до задньої частини кожної сонячної панелі та дозволяють кожній панелі працювати незалежно від решти сонячного масиву. Це означає, що навіть якщо більшість панелей затінені, це не вплине на незатінені панелі. Мікроінвертори дозволяють контролювати та оптимізувати кожну панель окремо для генерації максимальної потужності.
- Переміщення сонячних панелей
Очевидним рішенням деяких проблем із затіненням є перенесення затіненої панелі або панелей в інше місце, якщо є незатінена ділянка на даху. Якщо панель неможливо перемістити, видалення сильно затіненої панелі, встановленої поблизу перешкоди або стіни на даху, може бути корисним заходом безпеки, щоб запобігти виходу з ладу діода, що призведе до потенційної катастрофічної аварії в майбутньому. У будь-якому випадку, затінена панель не працюватиме належним чином, тому її повне видалення може бути розумнішим і безпечнішим варіантом. На етапі проектування сонячної батареї на даху, якщо неможливо уникнути сильного локального затінення, до стрінгу слід додати оптимізатори потужності. Як альтернатива, замість стрінгових інверторів слід використовувати мікроінвертори .
- Виберіть інвертор з оптимізацією тіні
Кілька сучасних сонячних інверторів, включаючи більшість інверторів від Fronius, SMA, Goodwe (та інш), оснащені вдосконаленою технологією відстеження точки максимальної потужності (MPPT), яка може значно зменшити вплив затінення. Це робиться за допомогою складного алгоритму врахування затінення, який може ефективно «шукати» напругу в мережі, щоб знайти оптимальну робочу точку, де панелі вироблятимуть максимально можливу потужність.
Затінення та напруга стрінгу : Протягом дня напруга стрінгу постійно змінюється через зміни температури, сонячної радіації та затінення; саме тут стандартним інверторам може бути важко знайти справжню точку максимальної потужності за цих постійно мінливих умов. Коли відбувається часткове затінення, крива напруги потужності (PV) сонячної панелі стає складнішою, часто демонструючи кілька піків (локальних максимумів), що ускладнює для трекера інвертора (MPPT) пошук оптимальної напруги.
Крива потужності сонячної енергії в затіненому та незатіненому режимі - Інвертори з алгоритмами виявлення затінення регулюють робочу напругу для підтримки точки максимальної потужності
Налаштування оптимізації затінення : Деякі інвертори мають алгоритми виявлення затінення, які динамічно регулюють роботу MPPT (трекер точки максимальної потужності), щоб знайти оптимальну напругу в разі затінення. Ці інвертори мають налаштування, яке дозволяє MPPT сканувати напругу фотоелектричних елементів кожні кілька хвилин, щоб знайти нову (глобальну) точку максимальної потужності, замість використання менш оптимальної локальної точки максимуму. Працюючи на дещо іншому рівні напруги на кривій фотоелектричних елементів, інвертор може уникнути додаткового падіння продуктивності, коли затінені елементи обмежують потік струму через ланцюг. Завдяки постійному моніторингу та динамічному регулюванню напруги ланцюга інвертор може генерувати максимальну потужність в умовах затінення. Інвертори з функціями оптимізації затінення включають Goodwe, Sungrow, Fronius та SMA.
Підсумок – Уникайте затінення, де це можливо.
Хоча оптимізатори потужності, мікроінвертори та інвертори з урахуванням тіні можуть допомогти пом'якшити негативний вплив затінення, найкращий спосіб продовжити термін служби панелей та запобігти виходу з ладу діодів – це взагалі уникати затінення. Звичайно, це не завжди можливо з деревами та іншими сусідніми будівлями. Однак відносно легко уникнути затінення від стаціонарних перешкод на даху, не встановлюючи панелі поблизу або переміщуючи перешкоди, встановлені на даху, такі як антени та супутникові приймачі. Як і в більшості випадків, профілактика – найкращі ліки.