W poprzednim naszym artykule omówione zostały sposoby optymalizacji mocy w instalacjach fotowoltaicznych oraz ogólny model działania algorytmu śledzącego punkt pracy maksymalnej. W tej części przeanalizujemy dwa przypadki, w których zmniejszenie wydajności modułów fotowoltaicznych spowodowane jest przez zacienienia. Tym samym odpowiemy na pytanie czy warto optymalizować moc na poziomie pojedynczych modułów.
Najgorsze ogniwo, a dioda bocznikująca
W poprzedniej części artykułu szczegółowo wyjaśnione zostały zależności pomiędzy parametrami elektrycznymi połączonych w szereg modułów. Zgodnie z prawami fizyki moduły połączone w układ szeregowy muszą wzajemnie dopasować się prądowo. Oznacza to, że wielkość prądu układu odpowiada wielkości prądu poszczególnych modułów. Wiemy również, że wartość maksymalnego natężenia prądu wytwarzanego przez moduł fotowoltaiczny determinowana jest przez wartość natężenia promieniowania słonecznego padającego na ogniwo fotowoltaiczne. Zmniejszenie nasłonecznienia dla pojedynczego ogniwa skutkuje zatem obniżeniem wartości natężenia prądu całego łańcucha.
Do redukcji nasłonecznienia pojedynczego ogniwa dochodzi najczęściej w wyniku występowania zacienień. Produkowane obecnie moduły fotowoltaiczne są częściowo zabezpieczone przed tym niekorzystnym zjawiskiem. Każdy moduł składa się bowiem z kilkudziesięciu ogniw połączonych w szereg. Są one jednak podzielone przy tym na sekcje, z których każda zabezpieczona jest diodą bocznikującą. Dzięki temu możliwe jest odłączenie sekcji, w której znajduje się zacienione ogniwo od pozostałej części układu. W wyniku takiego odłączenia następuje wzrost wielkości natężenia prądu w łańcuchu do wartości zbliżonej do początkowej – sprzed występowania zacienienia. Odłączenie sekcji pomniejsza przy tym sumaryczne napięcie układu o wartość generowaną przez tę sekcję.
Zadziałanie diody wywołane zacienieniem dobrze przedstawia charakterystyka prądowo-napięciowa modułu przedstawiona na rysunku 1. Oznaczony został na niej punkt pracy maksymalnej z występowaniem zacienienia, którego parametry prądowe są zbliżone do wartości charakterystycznej dla pracy modułu bez zacienień. Widoczna jest również redukcja napięcia pracy o około 2/3 wartości referencyjnej. Co oznacza, że 2 z 3 sekcji ogniw zostały odłączone poprzez otwarcie dwóch diod.
Rysunek 1 Charakterystyka prądowo-napięciowa modułu silnie zacienionego (źródło: http://solaris18.blogspot.com/)
Do wyzwolenia zadziałania diody bocznikującej wymagane jest przekroczenie pewnej wartości różnicy w naświetleniu poszczególnych sekcji. Zwykle jest to około 20%. Oznacza to, że dopóki dioda nie zadziała, cały łańcuch modułów będzie pracował z parametrami prądowymi ogniwa o najmniejszym nasłonecznieniu. Sytuację taką przedstawia charakterystyka modułu zacienionego zawarta na rysunku 2. Zaznaczony na niej punkt mocy maksymalnej posiada mniejszą wartość natężenia prądu w porównaniu do warunków referencyjnych. Rzutuje to na wartość natężenia prądu wszystkich pozostałych modułów w łańcuchu, które muszą się dostosować do możliwości prądowych ogniwa zacienionego. Jest to swojego rodzaju paradoks ponieważ mniejsze zacienienie pojedynczej sekcji w module (nie powodujące zadziałania diody bocznikującej) wywołuje większe straty w produkcji energii z całego łańcucha niż w przypadku silnego zacienienie jednej sekcji, która zostałaby wyłączona z szeregu za pomocą diody.
Rysunek 2 Charakterystyka prądowo-napięciowa modułu lekko zacienionego (źródło: http://solaris18.blogspot.com/)
Kompromis dopasowania prądów
Aby rozjaśnić sytuację warto powołać się na sytuację przedstawioną na rysunku 3. W zilustrowanych warunkach mamy do czynienia z modelowym łańcuchem modułów fotowoltaicznych, z których jeden uległ częściowemu zacienieniu. W tym przypadku zacienienie jest na tyle intensywne, że spowodowało zadziałanie diody bocznikującej w jednym z modułów. Jest to najczęściej występująca sytuacja w warunkach rzeczywistych. Jak widzimy, powoduje ona zmianę charakterystyki zacienionego modułu i spadek jego wydajności. Oddziaływanie to przełożyło się na wydajność kolejnych modułów lecz w dużo mniejszym stopniu. Gdyby zastosować przytoczone stwierdzenie o najgorszym ogniwie, cały łańcuch pracowałby z wydajnością 44%, w rzeczywistości niezacienione moduły, w wyniku niedopasowania prądowego, zmniejszą swoją wydajność jedynie o 4%.
Rysunek 3 Niedopasowanie prądowe w łańcuchu modułów fotowoltaicznych (źródło: https://solar.huawei.com/pl)
Ciekawym jest fakt, że zacieniony moduł mógłby pracować z większą wydajnością niż 44%. Wymagałoby to zmiany punktu pracy na charakterystyce prądowo-napięciowej. Nie mniej maksymalizacja wydajności modułu zacienionego skutkowałaby zmniejszeniem wydajności modułów niezacienionych. Wynika to ze sztywnego sprzężenia wartości natężenia prądu w całym łańcuchu i jej wzajemnego dopasowania. Podobnie pozostałe niezacienione moduły mogłyby pracować ze 100% wydajnością gdyby nie występowanie ograniczenia maksymalnego natężenia prądu na zacienionym module.
Wniosek jak wypływa z powyższych rozważań wskazuje na obecność kompromisu, w którym ani moduł zacieniony nie pracuje z maksymalną możliwą do osiągnięcia wydajnością, ani moduły w pełni nasłonecznione nie rozwijają całkowitego potencjału produkcji. Maksymalizacja następuje jednak w perspektywie całego szeregu.
Teoretyczne przykłady optymalizacji
Dobrym sposobem na przekazanie wiedzy jest odpowiedni przykład. Nie inaczej będzie w przypadku omawianego w niniejszym artykule zagadnienia. W dociekaniach przyjęty zostanie układ łańcucha fotowoltaicznego składającego się z 10 modułów, z których jeden jest zacieniony. Na potrzeby tego rozważania weźmiemy pod uwagę 4 przypadki, z których każdy będzie realizował inny cel maksymalizacji mocy.
1. Maksymalizacja parametrów pracy modułu zacienionego.
W tym wariancie wartość natężenia prądu łańcucha zostanie dostosowana do wartości odpowiadającej punktowi pracy maksymalnej z charakterystyki modułu zacienionego. Sytuacja ta reprezentowana jest przez rysunek 4. Wówczas moc osiągana przez moduł zacieniony wynosi 153W zaś moc generowana przez moduły niezacienione będzie wynosić 268W. Globalna produkcja łańcucha obliczana jest zgodnie z równaniem 1.
Rysunek 4 Uproszczona charakterystyka prądowo-napięciowa z punktami pracy dla kryterium maksymalizacji mocy modułu zacienionego
2. Maksymalizacja parametrów pracy modułów niezacienionych.
W tym wariancie wartość natężenia prądu łańcucha staramy się zbliżyć do poziomu odpowiadającemu punktowi pracy maksymalnej modułów niezacienionych. Nie jest to jednak możliwe, ponieważ wartość ta przekracza maksymalny prąd zwarciowy dla modułu zacienionego, co zostało przedstawione na rysunku 5. Rozpatrzymy zatem teoretyczny przypadek, dla którego natężenie prądu w łańcuchu będzie równe wartości zwarciowej dla modułu zacienionego. Wówczas moc osiągana przez moduł zacieniony wynosi 0W, z kolei moc modułów niezacienionych równa jest 280W. Podobnie jak w poprzednim przypadku moc łańcucha jest wynikiem równania 2.
Rysunek 5 Uproszczona charakterystyka prądowo-napięciowa z punktami pracy dla kryterium maksymalizacji mocy modułów odsłoniętych
3. Maksymalizacja globalnych parametrów pracy łańcucha
Dla tego przypadku odwzorowane zostanie działanie standardowego systemu optymalizacji mocy na poziomie całego łańcucha. Jest to zatem wspomniany kompromis, w którym wartość prądu zostanie wysterowana w taki sposób by całkowita moc generowana przez łańcuch osiągnęłam maksimum. Dla przyjętej konfiguracji moc modułu zacienionego będzie równa 125W zaś moc modułów odsłoniętych wyniesie 271W tak jak zostało to przedstawione na rysunku 6.
Rysunek 6 Uproszczona charakterystyka prądowo-napięciowa z punktami pracy dla kryterium maksymalizacji mocy całego łańcucha
4. Maksymalizacja indywidualnych parametrów modułów
Jest to przypadek, w którym zastosowanie znajdują optymalizatory mocy instalowane na pojedynczych modułach. Korzyścią w tym układzie jest możliwość niezależnego wysterowania wartości prądu i napięcia dla każdego z modułów. W związku z czym następuje maksymalizacja wydajności każdego z modułów. Dla przyjętej konfiguracji, moc modułu zacienionego będzie równa 153W zaś moc modułów niezacienionych wyniesie 282W. Na rysunku 7. możemy zauważyć, że parametry prądowe dla modułów zacienionych i niezacienionych są różne. Oznacza to, że dzięki indywidualnej optymalizacji modułów jesteśmy w stanie rozprzęgnąć ich charakterystyki pracy. Daje nam to najwyższy wynik sumarycznej mocy łańcucha wyrażony równaniem 4.
Rysunek 7 Uproszczona charakterystyka prądowo-napięciowa z punktami pracy dla kryterium maksymalizacji mocy całego łańcucha
Czy warto optymalizować moc na poziomie pojedynczych modułów?
Pewnym jest, że stosując indywidualne optymalizatory mocy dla pojedynczych modułów uzyskamy więcej energii elektrycznej z każdej instalacji. Niezależnie od tego, czy generator narażony jest na występowanie zacienień, czy jedynie na fabryczne niedopasowanie parametrów elektrycznych modułów. Niemniej instalacja z pojedynczymi optymalizatorami jest droższa od standardowej konfiguracji. Dla przedstawionego w artykule teoretycznego przypadku łańcucha składającego się z 10 modułów wzrost wydajności z optymalizatorami wynosi 5% podczas występowania zacienienia. Odpowiadając na pytanie „Czy warto…?” należy odnieść tę korzyść do kosztów jakie musimy ponieść na zastosowanie systemu optymalizacji. W szacunkach trzeba wziąć pod uwagę czas występowania zacieniania jak i jego zasięg. Ponadto znaczenie ma długość łańcucha modułów - im dłuższy łańcuch tym większe korzyści. W przypadku rozwiązań rezydencjalnych bardzo często jest to opłacalne rozwiązanie, które umożliwia wykorzystanie powierzchni dachowych o częściowym zacienieniu. Ciężko jest jednak wykazać rentowność dopłaty do technologii pojedynczych optymalizatorów dla instalacji gruntowych, na których możemy uniknąć zacienień odpowiednie je lokalizując.
Bibliografia:
„Instalacje fotowoltaiczne” - Bogdan Szymański
„Optymalizatory mocy Huawei. Odkryj z nami nowe rozwiązania dla PV” https://solar.huawei.com/pl
„Skutki słabego i silnego zacienienia modułu fotowoltaicznego” http://solaris18.blogspot.com/2013/07/skutki-sabego-i-silnego-zacienienia.html