Panele fotowoltaiczne - praca w cieniu przestanie być problemem!

Generator energii z efektu cienia, czyli wynalazek z Singapuru

“Shadow-effect energy generator” - to robocza nazwa opracowanego przez singapurskich naukowców panelu krzemowego, częściowo pokrytego cienką warstwą złota. W jaki sposób zastosowanie tego szlachetnego kruszcu wpływa na pracę konstrukcji? W momencie, w którym promienie słoneczne padają na krzem, pobudzają elektrony, a dzięki obecności złota, panel jest w stanie wytworzyć energię elektryczną nawet przy częściowym jego zacienieniu. Oprócz fragmentów pokrytych cienką warstwą kruszcu, urządzenie zbudowane jest z modułów krzemowych. W momencie, w którym tylko jedna jego część jest nasłoneczniona, a inna pozostaje w cieniu, następuje wzrost kontrastu w napięciu pomiędzy tymi strefami.

Pobudzone energią świetlną elektrony przemieszczają się z modułów krzemowych na te pokryte złotem tworząc przepływ od wysokiego do niskiego napięcia. Przeniesienie ich w następnej kolejności na zewnętrzny obwód urządzenia skutkuje wytworzeniem się prądu elektrycznego. Dotychczas z kilku takich paneli udało się naukowcom wytworzyć ilość energii niezbędną do naładowania niewielkiego urządzenia elektronicznego (zegarka). Co oczywiste, pierwsze próby sprawdzające potencjał modułu nie mogły zakończyć się uzyskaniem z niego imponującej wydajności.

Źródło: komputerswiat.pl (fot. Royal Society of Chemistry)

Jednak już na tym etapie testowania wynalazku opracowanego przez singapurskich naukowców wyodrębniono dodatkowe zastosowanie urządzenia. Może ono bowiem zostać wykorzystane jako czujnik. Jeżeli na płytkę krzemową, a właściwie zainstalowany na niej sensor padnie cień, to wytworzony w ten sposób prąd zasili diodę sygnalizującą.

Niewątpliwie najważniejszą cechą generatora energii z efektu cienia jest fakt, że najwyższe napięcie, a tym samym moc energii elektrycznej, wytwarza się w momencie największego kontrastu pomiędzy światłem i cieniem. Taki wynalazek mógłby się okazać przełomowym dla branży fotowoltaicznej, jako jednej z kluczowych w kategorii OZE, gdyż strefy zacienienia mają niezwykle istotny wpływ na wydajność instalacji PV i często decydują też o jej opłacalności.

Zacienienie paneli fotowoltaicznych - rodzaje

Rozważając wpływ cienia padającego na panele słoneczne w odniesieniu do ich ogólnej wydajności, trzeba zdawać sobie sprawę z tego, iż nie istnieją w tym obszarze zależności “zerojedynkowe”. Ważny jest bowiem stopień zacienienia, częstotliwość, miejsce i sposób padania cienia na panel fotowoltaiczny, odległość instalacji od obiektu rzucającego cień oraz choćby pora roku. Wiadomym jest, że zimą można się spodziewać większego i bardziej długotrwałego zacienienia niż latem. Ze względu na wskazane wyżej źródła zakłóceń efektywnej ekspozycji paneli fotowoltaicznych na słońce, wyróżniono następujące typy zacienienia:

Samozacienienie - jest to niestety dość powszechna sytuacja, w której błąd został popełniony już na etapie projektu lub wykonywania instalacji fotowoltaicznej. Zbyt blisko ułożone panele skutkują wzajemnym zacienianiem się stringów. Jest to zakłócenie trwałe, występujące bez względu na porę roku i mogące powodować znaczne straty w poborze mocy.

Bliskie obiekty - mogą to być elementy konstrukcyjne dachu, kominy, anteny, ale także drzewa, czy pobliska infrastruktura. W tym typie zacienienia cień pada na string paneli i przemieszcza się po nich w zależności od pory dnia. Zakłócenie efektywności jest więc w tym przypadku częściowe i przemijające.

Dalekie obiekty - z tym typem zacienienia można się spotkać w momencie, w którym słońce znajduje się nisko nad horyzontem, a cień pada wówczas na cały string paneli.

Istotnym jest, aby wiedzieć, że powodem strat w poborze energii mogą być także takie czynniki, jak zanieczyszczenia instalacji, liście, ptasie odchody, czy na przykład śnieg. Tym niemniej, nawet w przypadku występowania zacienienia, instalacja PV jest w stanie korzystać z rozproszonego, pośredniego promieniowania. Zazwyczaj jednak w takiej sytuacji występują znaczne utraty mocy, co z pewnością nie wpływa pozytywnie na redukcję kosztów energii, jaką może gwarantować fotowoltaika.

Wpływ zacienienia paneli słonecznych na ich wydajność

Głównym aspektem poruszanym podczas analizy stopnia zacienienia instalacji fotowoltaicznej, jest oczywiście oszacowanie związanej z tym jej wydajności. Okazuje się, że wpływ cienia padającego na panele słoneczne może być regulowany rodzajem zastosowanych urządzeń, ale także ich położeniem względem ewentualnego źródła zacienienia. Istotnym może się okazać na przykład to, czy panel został zainstalowany w pionie, czy w poziomie.

Tradycyjne moduły słoneczne zbudowane są zazwyczaj z 60 do 72 połączonych szeregowo ogniw krzemowych. Wszystkie panele składające się na całość instalacji PV, są także połączone szeregowo, a co za tym idzie wartość wytworzonej przez nią energii elektrycznej będzie równa tej wytworzonej przez najsłabsze ogniwo. W omawianym przypadku będzie nim panel (string), na który pada cień. Celem zminimalizowania negatywnego wpływu zacienienia na wydajność instalacji fotowoltaicznej, coraz częściej stosuje się panele w połączeniu z diodami bocznikowymi, czyli tzw. bypass.

Jak działają moduły wyposażone w diody bocznikowe? Wykorzystują one od 20 do 24 ogniw połączonych równolegle, gdzie każdy element pracuje niezależnie umożliwiając przepływ prądu z pominięciem zacienionego fragmentu. Diody bocznikujące zostają włączone w momencie, w którym na podłączony do nich fragment panelu pada cień. Przy zastosowaniu najbardziej popularnych obecnie modułów 3-diodowych, zacienie elementu połączonego z jedną z nich powoduje spadek mocy panelu o 33,3%. Pozostałe dwa fragmenty pracują bowiem niezależnie.

Opracowanie: enerad.pl na podstawie teplo.pl

Pozycja panelu słonecznego z diodami bocznikującymi a jego wydajność

Z zamieszczonego powyżej schematu jasno wynika, jak istotne dla funkcjonowania instalacji PV wyposażonej w diody bocznikujące, może być położenie samego panelu. Trzeci rysunek odzwierciedla bowiem sytuację, w której cień padający na dolną część modułu, wyłącza go całkowicie z funkcjonowania. Gdyby ten sam panel został obrócony o 90%, nastąpiłby spadek mocy jedynie o jedną trzecią w stosunku do całości, gdyż zacieniony byłby tylko jeden fragment z przyporządkowaną mu jedną diodą.

Prawidłowa ocena stref zacienienia i dokładna analiza wpływających na nią czynników pozwala zatem na takie zaprojektowanie ułożenia paneli, aby koszt instalacji fotowoltaicznej miał szansę się zwrócić.

Jak zwiększyć tolerancję instalacji PV na cień?

Kontrola nad pracą paneli na poziomie jednego stringu w module, czy choćby fotowoltaika na trackerach, to tylko niektóre i z pewnością nadal jedne z bardziej kosztownych rozwiązań zwiększających tolerancję instalacji PV na zacienienia. Celem wypracowania możliwie największej efektywności paneli słonecznych, odpowiednie analizy, symulacje i przewidywania powinny mieć miejsce już na etapie projektowania instalacji fotowoltaicznej. Pomocne mogą się tu okazać wszelkie programy i symulatory, z których korzystają na co dzień projektanci. Tym niemniej jednymi z najczęściej stosowanych zabiegów w celu zwiększenia tolerancji modułów fotowoltaicznych na zacienienie są:

Dokonanie pogrupowania paneli na częściej i rzadziej zacienione - taki zabieg pozwala na wyróżnienie swoistego rodzaju grupy kontrolnej w postaci paneli niezacienionych. Porównywanie kilka razy w roku wydajności paneli we wszystkich grupach pozwala na oszacowanie opłacalności instalowania modułów pozostających w cieniu. Dzięki takim obliczeniom można dużo skutecznej oszacować tolerancję zacienienia.

Odpowiednie skonfigurowanie systemu - w tym rozwiązaniu można wyróżnić kilka zabiegów, takich jak np.: zastąpienie jednego inwertera centralnego kilkoma lub kilkunastoma o mniejszej mocy, zwiększenie ilości układów śledzących punkt największej mocy, zastosowanie paneli cienkowarstwowych lub po prostu taka instalacja paneli, aby znajdowały się przez większą część czasu w tej samej pozycji, co cień podłużny, a nie poprzeczny.

Czy energia z kontrastu pomiędzy światłem i cieniem, to przyszłość fotowoltaiki?

Wynalazek naukowców z Singapuru może sprawić, że wszystkie opisane wyżej zabiegi i obostrzenia stracą na znaczeniu podczas projektowania instalacji pobierającej energię ze słońca. Oczywiście, odpowiednia konfiguracja generatorów energii z efektu cienia będzie w tym momencie kluczowa. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę potencjał kontrastu pomiędzy światłem i cieniem oraz wygenerowanego w ten sposób napięcia. Przy zastosowaniu tej technologii na dużą skalę konieczna będzie także optymalizacja pozwalająca na efektywność wykorzystania przepływającego przez obwód prądu.

Należy też przypuszczać, że wielkopowierzchniowe zastosowanie paneli zbudowanych po części ze złotych elementów, będzie przynajmniej na początku znacznie bardziej kosztowne niż tradycyjna technologia. Warto jednak wiedzieć, że przyszłość fotowoltaiki rysuje się w jasnych barwach, a kolejne ograniczenia paneli fotowoltaicznych, takie jak praca w cieniu, są sukcesywnie eliminowane dzięki pracy naukowców.