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
Солнечные батареи
Электричество все дорожает и дорожает, известны случаи, где цены на электричество завышены в несколько десятков! раз, даже притом, что станция находится буквально в километре от населенного пункта. Уже давно многие страны развивают альтернативные источники получения энергии, ветрогенераторы, тепловые станции, солнечные панели… В данной статье пойдет речь о солнечных батареях.
За пределами земной атмосферы интенсивность солнечной радиации довольно значительна, поток энергии, падающей на поверхность перпендикулярную солнечным лучам, составляет 1340 Ватт на 1 мг. Эту энергию, а вернее, способность солнечной радиации создавать фотоэлектрические эффекты и используют в солнечных батареях.
Составная часть солнечной батареи, это фотоэлементы, внешне выглядят как полоски или квадратики. Солнечная батарея позволяет преобразовывать радиацию солнца в полезный для человека вид энергии – электричество. Кристаллический кремний используется в качестве рабочего тела в большинстве типов солнечных батарей. В используемых в настоящее время солнечных батареях один фотон солнечного света выбивает один электрон, а большая часть солнечной энергии теряется, превращаясь в тепло.
Как известно, мощность маленьких фотоэлементов очень маленькая, и в панелях их соединяют параллельно, за счет чего увеличивается мощность. Напряжение в данном случае остается неизменным. Увеличить мощность, отдаваемую солнечными панелями можно соединив эти панели последовательно-параллельно.
Корпуса у таких панелей могут быть самыми разными, могут быть изготовлены из металла, текстолита, или жесткой пластмассы.
Солнечные батареи применяют в микрокалькуляторах, зарядниках сотовых телефонов, ноутбуков, применяют для питания бытовой техники, через преобразователи напряжения и т.п. Солнечные батареи очень широко используются в тропических (и в субтропических) регионах, с большим количеством солнечных дней. Новые дома, которые строят в некоторых странах, например в Испании, оборудуются солнечными установками для электрификации домов, к 2020 году Швеция планирует полностью отказаться от углеводородного топлива, в Германии и США действуют программы «солнечные крыши». СБ прекрасно зарекомендовали себя в космосе как надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время.
Плюсы солнечной батареи:
— прост в изготовлении, простота конструкции.
— небольшой вес.
— солнечные батареи достаточно надежны, и ремонтнопригодны.
— большой срок службы.
— не загрязняют окружающую среду.
— бесшумные в работе.
— отсутствие подвижных частей, нет износостойких деталей.
— и самое главное, бесплатная электроэнергия.
Минусы солнечных батарей:
— самый главный недостаток, стоят они не дешево.
— занимают много места.
— чувствительны к загрязнениям.
— зависимость от времени суток и погоды.
— ночью солнечные батареи не работают.
— низкий КПД, от 9 до 24%.
— на солнце панели нагреваются, это очень вредно для них.
Заводы в России производящие солнечные батареи:
ООО «Хевел» (Новочебоксарск)
ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»
ОАО «Сатурн» Краснодар
ЗАО «Термотрон-завод» (Брянск)
«Телеком-СТВ» (Зеленоград)
«Солнечный ветер» (Краснодар)
«Квант» (Москва)
В России изготавливается примерно 5-6 МВт солнечных батарей, а продаётся на внутреннем рынке не более 150 кВт (данные на 2011г)
В пасмурную и облачную погоду мощность, отдаваемая солнечными батареями, снижается до 10 и более раз. В средней полосе России яркие солнечные дни бывают только летом, следовательно, в это время года СБ выдают максимальную мощность. Как уже писал, солнечные батареи не любят перегрева от солнца, поэтому их нужно охлаждать, либо вентиляторами, либо установкой, которая обрызгивает водой. Если батареи перегреются, они могут выйти из строя. Так-же с ростом температуры у СБ падает производительность.
Осенью и зимой отдаваемая мощность сильно снижается, примерно в 3-5 раз. Зимой погода почти всегда стоит пасмурная, так что в это время года они почти бесполезны. К тому же, зимой солнечные батареи покрываются снегом, чистить их просто напросто устанешь.
Солнечные панели как правило размещают на крышах домов – это кстати наиболее удобный для большинства случаев вариант, строят конструкции, ставят устройства слежения за солнцем — гелиостаты, чтобы солнечная панель шла вслед за солнцем, чем точнее такие приборы тем лучше будет результат, если солнечные панели на градус другой повернуть в сторону чем нужно (убрать из под прямых солнечных лучей) то мощность хоть и немного, но упадет. При использовании солнечных батарей необходимо стремиться к тому, чтобы они были размещены на максимально освещенном месте.
Для грамотного использования солнечных батарей нужно придерживать двух основных правил.
1) Солнечная батарея должна находиться под солнцем как можно дольше
2) Должны быть устройства, которые накапливают энергию, чтобы энергия солнечных батарей не растрачивалась попусту. Для этих целей применяют аккумуляторы.
Например, для получения мощности 1 кВт потребуется батарея, состоящая из
30 000 элементов с общим весом около 100 кг, такие батареи займут площадь более 15 м2.
Для зарядки телефонов, прослушивания радиопередач, плееров и пр… вполне хватит солнечной панели на 10-20 ватт. Мои солнечные батареи в яркую солнечную погоду выдают по 7 вольт каждая, ток 150мА.
Я их соединяю либо последовательно, либо параллельно, в зависимости от погоды на улице. В ближайшем будущем планирую еще закупить солнечные панели, летом их удобно цеплять например к вентиляторам, чтобы использовать для охлаждения и вентиляции помещений.
Солнечные батареи незаменимы на природе, особенно если у них имеется встроенный стабилизатор, контроллер заряда и аккумулятор, накапливающий электроэнергию. Днем солнечные панели заряжают аккумулятор, а ночью, мы используем его заряд, можно сказать вечный источник питания. Схема простого солнечного зарядного устройства приведена здесь
Похожие устройства уже давно продаются в магазинах, например есть девайсы для зарядки сотовых телефонов.
Такие маленькие солнечные батареи в подобных устройствах практически бесполезны, обычно это маркетинговый ход, ставят их для красоты. В таких зарядниках основную роль играет аккумулятор, он то как раз и заряжает сотовый телефон, в этих приборах всегда ставят дополнительный разъем для зарядки внутреннего АКБ от сетевого источника питания.
Солнечные панели бывают односторонние, и соответственно двухсторонние. Двусторонние обычно устанавливают на большем расстоянии от земли, 8 метров и выше, чтобы тень не была снизу панелей, а находилась далеко в стороне. Отраженный свет от поверхности земли падает и на нижнюю часть солнечных панелей, часто на землю расстилают светоотражающий материал.
Удобно и даже полезно солнечные батареи совмещать с ветрогенератором, почему, думаю и так понятно.
Источник