I sistemi solari fotovoltaici comprendono un numero di pannelli solari cablati in array a seconda della richiesta di energia elettrica da ciascuno di questi pannelli, che a loro volta sono composti da molte celle fotovoltaiche che sono le unità essenziali coinvolte nell'acquisizione di energia dal sole e nella loro conversione in elettricità. Ora, se un'ombra cade anche solo su una parte del pannello solare nel tuo array, l'uscita dall'intero sistema potrebbe essere potenzialmente compromessa, questo può essere definito come l'ombreggiamento dei pannelli fotovoltaici.

Immagine che mostra la differenza di uscita dal pannello solare ombreggiato e non ombreggiato

Per una migliore comprensione

Considera una serie di pannelli come un pezzo di tubo, e l'energia solare è come l'acqua che scorre attraverso quel tubo. Corde solari non convenzionali, un'ombra è qualcosa che blocca quel flusso. Se, ad esempio, l'ombra di un albero o di un camino cade una sola volta in tutti i pannelli all'interno della corda, l'uscita dell'intera corda si riduce a quasi zero per tutto il tempo in cui l'ombra vi risiede. Se c'è una stringa separata e non ombreggiata, tuttavia, questa stringa può ancora essere più potente come al solito.

Rappresentazione grafica dell'effetto dell'ombreggiamento sul sistema solare

Quali sono i fattori che causano l'ombreggiatura?

Ombreggiamento, tipicamente causato da nuvole, ostacoli ambientali come alberi o edifici vicini, auto-ombreggiamento tra pannelli in file parallele, sporcizia, polvere e altri rifiuti simili a escrementi di uccelli, ecc. Questi effetti di ombreggiatura sono anche statici a causa della posizione dell'ostacolo o in alcuni casi dinamici, ad esempio nuvole in movimento.

In che modo influisce sulle prestazioni del sistema di energia solare?

I pannelli solari sono collegati in una combinazione serie-parallelo a seconda dell'intervallo di tensione di ingresso dell'inverter. Se l'ombra di un albero o di un camino cade anche su un pannello della stringa, l'uscita dell'intera stringa sarà quasi zero per il periodo dell'ombra. Questo perché i pannelli sono cablati insieme in modo tale che l'uscita sia ridotta a un livello di corrente che passa attraverso il pannello più debole. Se c'è una stringa separata e non ombreggiata, la potenza di uscita verrà comunque attivata come al solito. L'impatto dell'ombra sull'intero sistema dipende dal modo in cui i pannelli vengono cablati insieme.

Come affrontare il problema dell'ombreggiatura?

• Posizionamento degli impianti fotovoltaici

Prima di installare un impianto solare fotovoltaico è necessario fare un'attenta analisi del sito considerando tutte le ore del giorno per tutte le stagioni dell'anno per evitare l'ombra. Anche un albero o un edificio in crescita nelle vicinanze che potrebbero sorgere in futuro devono essere considerati prima di finalizzare la posizione per il sistema fotovoltaico.

• Diodo di bypass

Bypassare i diodi per ridurre l'effetto dell'ombreggiatura

Gli effetti distruttivi del riscaldamento del punto caldo possono essere aggirati mediante l'uso di un diodo di bypass. Un diodo di bypass è collegato in parallelo, ma con polarità opposta, a una cella solare come mostrato di seguito. Durante il normale funzionamento, ogni cella solare sarà polarizzata in avanti e quindi il diodo di bypass sarà polarizzato inversamente e sarà effettivamente un circuito aperto. Tuttavia, se una cella solare è polarizzata inversamente a causa di una mancata corrispondenza della corrente di cortocircuito tra diverse celle collegate in serie, il diodo di bypass conduce, consentendo così alla corrente delle celle solari buone di fluire nel circuito esterno anziché polarizzare in avanti ciascuna buona cella. La massima polarizzazione inversa attraverso la cella scadente è ridotta a circa una singola caduta di diodo, limitando così la corrente e prevenendo il riscaldamento del punto caldo. Il funzionamento di un diodo di bypass e l'effetto su una curva IV sono mostrati nell'animazione sottostante.

Flusso di corrente per due celle in serie ed effetto di un diodo di bypass. L'animazione avanza automaticamente da una condizione all'altra.

L'effetto di un diodo di bypass su una curva IV può essere determinato prima trovando la curva IV di una singola cella solare con un diodo di bypass e quindi combinando questa curva con altre curve IV della cella solare. Il diodo di bypass agisce sulla cella solare solo in polarizzazione inversa. Se la polarizzazione inversa è maggiore della tensione al ginocchio della cella solare, il diodo si accende e conduce corrente. La curva IV combinata è mostrata nella figura seguente.

Curva IV della cella solare con diodo di bypass.

Prevenzione del riscaldamento del punto caldo con un diodo di bypass. Per chiarezza, l'esempio utilizza un totale di 10 celle con 9 non ombreggiate e 1 ombreggiata. Un modulo tipico contiene 36 celle e gli effetti del disadattamento di corrente sono ancora peggiori senza il diodo di bypass, ma sono meno importanti con il diodo di bypass. L'animazione si sposta automaticamente. Non è necessario fare clic per continuare.

In pratica, tuttavia, un diodo di bypass per cella solare è generalmente troppo costoso e invece i diodi di bypass sono generalmente posizionati tra gruppi di celle solari. La tensione attraverso la cella solare ombreggiata o a bassa corrente è uguale alla tensione di polarizzazione diretta delle altre celle in serie che condividono lo stesso diodo di bypass più la tensione del diodo di bypass. Questo è mostrato nella figura sottostante. La tensione attraverso le celle solari non ombreggiate dipende dal grado di ombra sulla cella a bassa corrente. Ad esempio, se la cella è completamente ombreggiata, le celle solari non ombreggiate saranno polarizzate in avanti dalla loro corrente di cortocircuito e la tensione sarà di circa 0,6 V. Se la cella scadente è solo parzialmente ombreggiata, una parte della corrente proveniente dalle celle buone può fluire attraverso il circuito e il resto viene utilizzato per polarizzare in avanti ciascuna giunzione della cella solare, causando una tensione di polarizzazione diretta inferiore su ciascuna cella. La massima dissipazione di potenza nella cella ombreggiata è approssimativamente uguale alla capacità di generazione di tutte le celle del gruppo. La dimensione massima del gruppo per diodo, senza causare danni, è di circa 15 celle/diodo di bypass, per celle al silicio. Per un normale modulo a 36 celle, quindi, vengono utilizzati 2 diodi di bypass per garantire che il modulo non sia vulnerabile a"hot-spot" danno.

Bypass diodi attraverso gruppi di celle solari. La tensione attraverso le celle solari non ombreggiate dipende dal grado di ombreggiatura della cella povera. Nella figura sopra, 0,5 V è mostrato arbitrariamente.

• Inverter di stringa con capacità di tracciamento MPP

La tecnologia di monitoraggio del punto di massima potenza (MPP Tracking o MPPT) è ora uno standard tra i produttori di inverter di stringa. Gli inverter di stringa con MPP Tracker sono in grado di spremere la massima energia possibile da una stringa di pannelli solari (anche in ombra) regolando la tensione di ingresso. In poche parole, un tracker MPP aiuta a ridurre al minimo le perdite di output associate all'ombreggiatura parziale e ad altri disallineamenti di output. Gli inverter senza tecnologia MPPT perdono l'output dalla stringa più debole quando passa al di sotto della soglia di output desiderata.

• Micro inverter e ottimizzatori di potenza

Sia i Microinverter che gli ottimizzatori di potenza vengono utilizzati per superare il problema dell'ombreggiamento parziale. Consente a ogni pannello solare di funzionare individualmente in modo che la produzione di energia del sistema non sia influenzata in modo sproporzionato da uno o due pannelli ombreggiati.

Diversi tipi di schermature solari

Esistono diversi tipi di schermature solari, a seconda degli oggetti che creano l'ombra.

Ombreggiatura temporanea

L'ombreggiatura temporanea include l'ombreggiatura che è il risultato di nuvole, escrementi di uccelli, polvere o foglie cadute.

Ombreggiamento derivante dall'edificio

Le ombreggiature risultanti dall'edificio sono critiche in quanto implicano ombre dirette. Esempi di questo tipo di ombreggiamento sono i camini, i conduttori di illuminazione, le antenne paraboliche, le antenne, le sporgenze del tetto e della facciata, la struttura dell'edificio sfalsata, la sovrastruttura del tetto solo per citarne alcuni.

Ombreggiamento dalla posizione

L'ombreggiatura della posizione proviene dall'ambiente circostante l'edificio. Potrebbero esserci alberi o cespugli, cavi che corrono sugli edifici, edifici vicini o edifici lontani che potrebbero ugualmente causare l'oscuramento dell'orizzonte.

Auto-ombreggiatura

Con i sistemi di montaggio a rack, l'autoombreggiamento dei moduli può essere causato dalla fila dei moduli. In questi casi è necessario ottimizzare l'inclinazione e la separazione tra le file dei moduli.

Ombreggiatura diretta

L'ombreggiatura diretta può causare elevate perdite di energia poiché la vicinanza all'oggetto che proietta l'ombra impedisce al pannello solare fotovoltaico di catturare la luce.