Объяснить влияние «жесткой» тени немного сложнее. Пока существует непрерывная полоса освещенного материала между электродами двух ячеек, определенное количество силы тока будет присутствовать в панели. Сила тока будет пропорциональна освещенной площади солнечной панели. Форма тени не имеет значения. Однако, когда мы создавали более узкие и широкие участки, ток собирался в узких участках, создавая участки с очень высокой температурой. Эти точки называют “hot spot” (горячая точка, прим. переводчика). Hot spot’ы, в редких случаях приводили к возгоранию модуля. Например, когда сила тока всей цепи собирается в маленькой по площади точке солнечной батареи.
Если же между электродами нет полностью освещенного пути или вся ячейка находится в тени, ток перестанет течь через ячейку и ее напряжение упадет. Это производит эффект “открытия” электросхемы, так как энергия больше не проходит через ячейку. В большинстве современных солнечных панелей встроены серебряные нити, которые упрощают прохождение заряда через силикон, так же как скоростные магистрали ускоряют передвижение через густонаселенный город. Получается, что пока ячейки с использованием серебра освещены, они будут производить энергию. Единственная компания, которая не использует серебряные нити, как мне известно, это Sunpower, так как их солнечные ячейки сделаны по другому принципу и могут собирать больше солнечного света. В этих солнечных батареях ставка сделана на возможность собирать больше энергии. Риск - любое количество тени полностью остановит производство энергии.
На самом деле все еще сложнее
На уровне модулей, несколько солнечных панелей последовательно соединены. Это увеличивает производимое напряжение. «Мягкая» тень, падающая на модуль, не прекратит выработку напряжения, но сократит силу тока, производимую модулем. «Жесткая» тень, падающая на часть модуля, вызовет разрыв цепи, что снизит вырабатываемое напряжение. Современные солнечные батареи имеют специальный компонент - “шунтирующий диод” (Bypass diode). Эти диоды позволяют току проходить через затененные участки. Солнечные панели соединены последовательно, а значит, что сила тока должна быть одинаковой во всех компонентах. Это значит, что без шунтирующих диодов любая тень будет просто останавливать производство электричества всех соединенных солнечных панелей. Шунтирующие диоды установлены таким образом, что ток может проходить через них только когда ячейка, которую эти диоды обходят, находится в тени. Так как диоды не имеют большого влияния на напряжение, все потери от тени с использованием шунтирующих диодов сводятся только к напряжению, которое производили ячейки, находящиеся сейчас в тени.
Эту информацию можно визуализировать на графике напряжения-силы тока.
График соотношения мощности и напряжения (ТМП - Точка Максимальной Производительности)
Для каждой батареи существует высшая точка графика мощность-напряжение. Это важно, потому что контроллер заряда пытается подобраться к этой точке, как можно ближе, чтобы выдавать максимальную мощность. Графики выше показывают, что разные типы тени влияют на производственную мощность по-разному.
В итоге, как только любая тень падает на солнечную панель, контроллер заряда не может извлекать из панели оптимальную мощность и начинает менять напряжение чтобы найти новую точку высшей мощности. Это вызывает потерю подаваемой солнечными панелями энергии на несколько минут.
Еще сложнее…
До этого мы говорили только об одном модуле. Но как эти 2 типа тени взаимодействуют со всей солнечной батареей? Тени почти никогда не распределяются по всей площади солнечной панели равномерно. Следовательно, разные модули в цепях и разные цепи производят различное количество энергии. Различные виды тени приводят к различным последствиям.
«Мягкая» тень, падающая только на некоторые модули в цепи, вызовет эффект “несоответствия силы тока” (модули производят различную силу тока). Так как в любой последовательной цепи сила тока должна быть одинакова во всех модулях, вся цепь принимает самую слабую силу тока. Этот эффект происходит во всех цепях панели (независимо, так как цепи соединены параллельно). Несмотря на независимость цепей, несоответствие напряжений в одной цепи может негативно повлиять на другие цепи за счет взаимодействия всех цепей с инвертором или контроллером заряда.
«Жесткая» тень вызывает снижение напряжения в затененных ячейках. Однако, благодаря инвертору или контроллеру заряда и шунтирующим диодам сила тока остается неизменной в большинстве случаев (если, конечно же, все модули не находятся в тени). Когда тень падает на две параллельно соединенные цепи неравномерно, происходит эффект “несоответствия напряжений” (voltage mismatch). Это происходит когда две цепи, соединенные параллельно, производят различное напряжение (при независимом измерении каждой отдельной цепи). Это может сбить инвертор или контроллер заряда с толку, вызывая нескончаемые поправки в работу батарей для достижения оптимальной производительности.
Хочу заметить, что несоответствие напряжений невозможно в солнечных батареях состоящих из одной цепи (потому что она не соединена параллельно с другими цепями).В солнечной батарее состоящей из одной цепи можно наблюдать лишь эффект несоответствия силы тока. Если «жесткая» тень закроет одну из цепей, напряжение упадет. Инвертор/контроллер заряда отреагирует на это и приведет панель на максимальную мощность в изменившихся условиях.
Графики ниже иллюстрируют результат частичного затенения солнечной панели:
Так как высшие точки PV графика, которые видит инвертор/контроллер заряда, меняются с движением тени, инвертор/контроллер заряда может ошибаться и выбирать напряжение не соответствующее оптимальной мощности и работать в таком режиме продолжительное время. Это может сильно повлиять на количество производимой энергии, как в краткосрочной перспективе так и в годовом выражении. Сейчас инверторы/контроллеры заряда становятся более технологически продвинутыми и могут легче справляться с выбором высшей точки производительности в условиях тени.
Микро-инверторы устанавливаются в каждый отдельный модуль солнечной батареи, позволяя каждому модулю производить переменный ток на оптимальном уровне., несмотря на условия, в которых находятся соседние модули. Однако, микро-инверторы обходятся очень дорого и относительно неэффективны. Сейчас, технология микро-инверторов развивается в направлении конкурентоспособности, а значит, в будущем можно ожидать, что во всех солнечных модулях будут установлены инверторы.
Оптимизаторы мощности были разработаны, как нишевое решение проблемы тени, но их стоимость и сложность завышают цену таких устройств за грань практичности. Принцип их работы схож с микро-инвертором. Они так же контролируют мощность каждого отдельного модуля. Но не делают ток переменным. Оптимизаторы мощности рекомендуется устанавливать только в тех случаях, когда отдельные модули солнечной панели оказываются в тени. Из-за высокой стоимости их рекомендуется устанавливать только на маленькое количество модулей.
Многие панели используют системы “Восток-Запад” или двух осей. Такие системы поворачивают панели в течение дня, чтобы избежать затенения солнечных панелей другими солнечными панелями при движении солнца.
Перевод: Александр Труфанов