Как тень влияет на работу солнечной панели?
При бешеных темпах развития солнечной энергетики, очень важный вопрос до сих пор продолжает витать в воздухе – как тень влияет на работу солнечной панели. В таком случае все, как один, заявляют, что влияет негативно и чревато существенной потерей энергии. Но это просто определить лишь на первый взгляд, на практике всё немного сложнее. И в этом щекотливом вопросе мы сейчас постараемся разобраться.
По исследованиям британских учёных. Наши исследования показали, что в данном вопросе фигурируют два вида теней: «жёсткая» и «мягкая». В случае если твёрдый объект или препятствие с точно определяемой формой и размером, отбрасывает тень, её называют «жёсткой». «Мягкая» тень представляет собой снижение интенсивности солнечного освещения. К примеру, из-за тумана, пасмурной погоды или смога.
Важно понимать разницу между типами теней. Разные типы тени оказывают различное влияние на работу солнечной панели.
На первый взгляд, всё проще некуда. Однако есть нюансы.
«Мягкая» тень, закрывающая одну ячейку солнечной панели, понижает ее силу выработки электрического тока прямо пропорционально снижению освещения. Несмотря на снижение освещения, до тех пор, пока присутствует достаточное количество света (
50 Ватт/м 2 ), напряжение остаётся неизменным. Напряжение в фотоэлементе зависит больше от температуры и ширины запрещенной зоны материала, нежели от самого света.
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 узкие участки, ток собирался в узких участках, создавая участки с очень высокой температурой. Эти точки называют «hot spot» (горячая точка). 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 перестаёт течь через ячейку и её напряжение падает. Это производит эффект «открытия» электросхемы, в связи с тем, что энергия больше не проходит через ячейку. Большинство современных солнечных панелей содержит в себе 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 создаются иным способом и могут собирать больше солнечного света. В этих солнечных батареях ставка сделана на возможность собирать больше энергии солнца, но в данной технологии имеются и минусы — любое количество тени полностью остановит производство энергии.
На самом деле все еще сложнее
На уровне модулей, несколько солнечных панелей последовательно соединены. Это способствует увеличению производимого напряжения. «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 приведёт к снижению вырабатываемого напряжения. В современных солнечных батареях имеется специальный компонент — шунтирующий диод (Bypass diode).
Данные диоды позволяют проводить электрический ток через затененные участки. Солнечные панели соединены последовательно, а это означает, что сила тока должна быть одинаковой во всех компонентах. Соответственно, без шунтирующих диодов любая тень будет просто останавливать производство электричества всеми соединенными солнечными панелями. Шунтирующие диоды устроены и расположены 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)
Каждая батарея имеет высшую точку графика «мощность-напряжение». Это очень важный момент, так как контроллер заряда пытается подобраться к этой точке как можно ближе, чтобы выдавать максимальную мощность. Графики выше показывают, что разные типы тени по-разному оказывают влияние на производственную мощность.
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.
Гораздо сложнее…
Ранее мы говорили только об одном модуле. Но из этого вытекает следующий вопрос: как эти 2 типа тени взаимодействуют со всей солнечной батарее? Тени очень редко распределяются равномерно по всей площади солнечной панели. Следовательно, разные модули в цепях и разные цепи производят различное количество энергии. Различные виды тени приводят к различным последствиям.
«Мягкая» тень, которая падает только на некоторые модули в цепи, вызовет эффект «несоответствия силы тока» (так как модули генерируют различную силу тока). Ввиду того, что 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). Этот эффект происходит тогда, 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.
Тут следует отметить, что несоответствие напряжений невозможно в солнечных батареях, которые состоят из одной цепи (потому что она не соединена параллельно с другими цепями). В солнечной панели, 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.
Источник
Солнечная батарея: устройство и принцип работы
Совсем недавно, когда мы ещё ходили в школу, солнечная батарея для выработки электричества казалась чем-то фантастическим. Нам казалось, что их можно использовать только на космических кораблях. Но прошло 20─25 лет и солнечные батарейки не только появились в часах и калькуляторах, но и уже способны обеспечивать электроэнергией частные дома и дачи. А современные солнечные электростанции могут обеспечивать электроэнергией небольшие городки. Широкое распространение солнечные батареи получили европейских странах, США, Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. И их использование уже даёт существенную экономию электроэнергии и горячего водоснабжения.
Что потребуется для преобразования солнечной энергии?
Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования солнечной энергии – это преобразование её в электричество.
В этом материале речь у нас пойдёт о получении электричества с помощью солнечных батарей. Для этого используются фотоэлектрические элементы. Это полупроводники на основе кремния, которые вырабатывают постоянный электрический ток под действием света. В качестве материала для фотоэлементов используются соединения кремния с кадмием, медью, индием. Кроме того, они могут отличаться технологией изготовления.
- Монокристаллические;
- Поликристаллические;
- Аморфные.
Фотоэлементы в солнечной батарее
Фотоэлектрические элементы объединяются в солнечную батарею. Как правило, число фотоэлементов в батарее кратно 36, но есть и другие варианты. Помимо солнечной батареи в состав гелиосистем входят и другие устройства для того, чтобы накапливать и распределять электроэнергию. В частности, это:
- Аккумулятор (один или несколько);
- Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
- Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.
Принцип работы солнечной батареи
Как работает солнечная батарея?
Солнечная энергия преобразуется в последовательно подключённых фотоэлементах. Рассмотрим принцип работы солнечной батареи на уровне фотоэлектрических элементов. Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Соединения кремния очень распространены в природе. Самый известный – это оксид кремния или песок. Кристалл кремния можно упрощенно назвать большой песчинкой. Кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон. Это в 3─4 раза толще волоса человека.
Принцип работы фотоэлемента
При попадании солнечного света на фотоэлементы батареи их поверхность бомбардируется фотонами. Они выбивают избыточные электроны на границе с фосфором, и они начинают движение к «дыркам» на границе с бором. Таким образом, возникает электрический ток, являющийся упорядоченным движением электронов. К фотоэлементу подводятся металлические дорожки, через которые и собирается ток. В этом и выражается принцип работы кремниевого фотоэлемента.
Мощность одного фотоэлектрического элемента маленькая, а напряжение составляет около 0,5 вольта. Поэтому их последовательно объединяют в батареи по 36 штук, чтобы получить на выходе 18 вольт. Это хватит для того, чтобы зарядить аккумулятор 12 вольт. Здесь ещё нужно учесть, что заявленное напряжение и мощность будут только при работе батареи с максимальной отдачей, что в реальных условиях редкость. Собранная батарея помещается подложку, закрывается стеклом и герметизируется. Используемое стекло должно пропускать ультрафиолет, поскольку солнечная батарея также преобразует и эту часть спектра. Собранные батареи могут объединяться друг с другом в последовательные и параллельные цепочки. Получается небольшая солнечная электростанция.
Сегодня солнечные батареи устанавливаются в своих домах и на дачах для экономии электроэнергии. Такие миниатюрные гелиосистемы работают круглый год. Главное, чтобы поверхность панелей была чистой и светило солнце. В ряде случаев их эффективность выше в морозный солнечный день, чем в летний. Это объясняется тем, что разогрев солнечных модулей несколько снижает эффективность их работы.
Гелиосистема: солнечные батареи и коллекторы
В центральных регионах России гелиосистема окупается примерно за 5 лет. В южных регионах срок окупаемости значительно сокращается. Часто вместе с солнечными батареями устанавливаются коллекторы для отопления дома. Сейчас есть фабричные солнечные коллекторы, которые могут подогревать воду круглый год.
Что касается установки солнечных батарей, то здесь следует отметить следующие моменты:
- Устанавливать панели нужно на южной стороне крыши, фасада или на участке стороной на юг;
- Угол наклона соответствует значению широты вашего региона;
- Рядом не должно быть объектов, отбрасывающих тень на солнечные батареи;
- Поверхность панелей нужно регулярно очищать от грязи и пыли;
- Желательно использовать системы с отслеживанием положения солнца.
Источник