Η αποτελεσματική αντιμετώπιση του φαινομένου των σκιάσεων σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον για σχεδιαστές και υποψήφιους επενδυτές στην Ελλάδα, όσο αυξάνεται ο αριθμός των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε στέγες.

Στην αγορά πλέον διατίθενται αρκετές τεχνικές λύσεις για την ελαχιστοποίηση απωλειών παραγωγής ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, παραμένει ιδιαίτερα σημαντικός ο προσεκτικός σχεδιασμός που συνυπολογίζει εκ των προτέρων τις τεχνικές και ενεργειακές ιδιαιτερότητες. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι υψηλές απώλειες λόγω συνθηκών σκίασης που αναφέρονται συνήθως αφορούν γενικά σε στιγμιαίες τιμές. Mία σκίαση δεν εξαρτάται μόνο από την τοποθεσία, το μέγεθος και την αιτία που την προκαλεί αλλά και από τις καιρικές συνθήκες, την ώρα και την εποχή.

Η χρονική διάρκεια των σκιάσεων τις περισσότερες φορές είναι περιορισμένη, οι σκιάσεις δηλαδή σε καμία περίπτωση δεν επηρεάζουν συνεχώς την ενεργειακή απόδοση. Είναι βέβαιο όμως ότι με το σωστό σχεδιασμό, η απόδοση μερικώς σκιασμένων εγκαταστάσεων μπορεί να βελτιωθεί αισθητά.

Εικ. 1 Σύμφωνα με τον κανόνα Νο. 3, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια θα πρέπει να χωρισθούν σε σκιασμένες και μη-σκιασμένες και να συνδεθούν σε ξεχωριστό ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος (MPP-Tracker).
Εικ. 2 Σε συνθήκες πλευρικής σκίασης (α) συστήνεται κάθετος προσανατολισμός των πλαισίων σε συνθήκες οριζόντιας σκίασης (β) αντίστοιχα οριζόντιος προσανατολισμός.
Εικ. 3 Στο παράδειγμα (γ) σε κάθε περίπτωση είναι ενεργές και οι τρείς δίοδοι παράκαμψης. Στον τύπο πλαισίου (δ) μόνο μια. Έτσι αξιοποιείται ένα σημαντικά μεγαλύτερο ποσοστό της ισχύος.

Έξι βήματα για εξασφάλιση βέλτιστης απόδοσης

Γενικά, προκειμένου η λειτουργία μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης να είναι αποδοτική, απαιτείται η μέγιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε ώρες υψηλής ακτινοβολίας. Γι’ αυτό δεν θα πρέπει να σχεδιάζονται εγκαταστάσεις σε συνθήκες μόνιμης σκίασης.

Επιπλέον θα πρέπει να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η σκίαση κατά τις ώρες της έντονης ηλιοφάνειας (μεσημέρια, θερινοί μήνες).

Υπό αυτές τις προϋποθέσεις, η απόδοση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης μπορεί, ακολουθώντας τους επόμενους έξι κανόνες μελέτης και σχεδιασμού, να βελτιστοποιηθεί ώστε οι απώλειες λόγω σκίασης να ελαχιστοποιηθούν:

• Ένωση φωτοβολταϊκών πλαισίων με παρόμοια πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας σε στοιχειοσειρές.
• Σύνδεση των στοιχειοσειρών σε μετατροπέα που διαθέτει περισσότερους από έναν ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος (MPP Tracker).
• Κατάλληλος προσανατολισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων.
• Επιλογή ενός μετατροπέα κατάλληλου για συνθήκες σκίασης.
• Σωστός σχεδιασμός της τάσης της γεννήτριας.

1. Ανάλυση της διάρκειας σκίασης στη γεννήτρια

Κατ’ αρχήν πρέπει να εξακριβωθεί πότε, πού και με ποια ένταση εμφανίζονται οι σκιάσεις και πώς αυτές κατανέμονται κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να συνυπολογιστεί μία σειρά από παραμέτρους ενώ υπάρχουν και διάφορες μέθοδοι και εργαλεία διαθέσιμα – από έναν απλό δείκτη πορείας της ηλιακής ακτινοβολίας μέχρι μια ηλεκτρονική συσκευή ανάλυσης με GPS, πυξίδα και ενσωματωμένη ψηφιακή κάμερα για λήψεις ορίζοντα.

2. Ένωση φωτοβολταϊκών πλαισίων με παρόμοια πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας σε στοιχειοσειρές

Όταν εξακριβωθεί ο επιθυμητός αριθμός και η κατάλληλη διάταξη των φωτοβολταϊκών πλαισίων, θα πρέπει να ενωθούν σε στοιχειοσειρές τα μέρη εκείνα που δέχονται αντίστοιχη ακτινοβολία (ή αντίστοιχη σκίαση). Διότι όταν συνδέονται σε σειρά πλαίσια με διαφορετική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας, σχηματίζονται στη χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος της στοιχειοσειράς πολλά “τοπικά” σημεία μέγιστης ισχύος, ένα για κάθε κατάσταση ηλιακής ακτινοβολίας. Καθώς κάθε στοιχειοσειρά μπορεί να λειτουργήσει σε ένα μόνο σημείο μέγιστης ισχύος, ο βασικός στόχος είναι να δημιουργηθούν όσο το δυνατόν λιγότερες ανομοιογενείς στοιχειοσειρές. Στην πράξη βέβαια, θα πρέπει να προσδιοριστεί ο βαθμός σκίασης (ώρα, διάρκεια, ένταση) που κατηγοριοποιεί ένα πλαίσιο ως “σκιασμένο”. Εδώ κατά κανόνα υπάρχουν διάφορες διαβαθμίσεις. Επιπλέον καθοριστικό ρόλο παίζει και το μήκος των στοιχειοσειρών όσον αφορά στο βαθμό απόδοσης του μετατροπέα -που εξαρτάται από την τάση- αλλά και στην περιοχή του εύρους τάσης εισόδου, όπου ο ανιχνευτής MPP λειτουργεί.

3. Σύνδεση των στοιχειοσειρών σε μετατροπέα που διαθέτει περισσότερους από έναν ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος (MPP Tracker)

Ο τρίτος κανόνας βασίζεται στο δεύτερο: Εδώ πρόκειται για τη σύνδεση στοιχειοσειρών ή τμημάτων συστοιχιών με διαφορετική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας ακόμη και σε ξεχωριστές εισόδους μετατροπέων με περισσότερους από έναν ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος (MPP-Tracker). Η παράλληλη σύνδεση των στοιχειοσειρών με διαφορετική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας σε έναν κοινό ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος μπορεί να προκαλέσει σημαντικές απώλειες καθώς ένα μέρος των πλαισίων βασικά δεν θα λειτουργεί στο βέλτιστο σημείο ισχύος. Εάν όμως οι στοιχειοσειρές πρέπει να συνδεθούν παράλληλα, επειδή για παράδειγμα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μετατροπέας με περισσότερους από έναν ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος, θα πρέπει όλες να παρουσιάζουν την ίδια πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας.

4. Κατάλληλος προσανατολισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων

Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από ξεχωριστές ηλιακές κυψέλες που σχηματίζουν μια μακρά σειρά κυψελών, η οποία χωρίζεται μέσω των παρακαμπτήριων διόδων, ανάλογα με τις ανάγκες, σε αρκετά μικρότερα τμήματα στοιχειοσειρών. Και εδώ προκύπτει το πρόβλημα του διαχωρισμού των κυψελών με διαφορετική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας από τα διαφορετικά ρεύματα του σημείου μέγιστης ισχύος.

Εικ. 4 OptiTrac (μπλε βέλος) και OptiTrac Global Peak (κόκκινο βέλος): Ο ειδικός για τη σκίαση ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος έχει ένα σημαντικά μεγαλύτερο πεδίο αναζήτησης και μπορεί να βρει το μέγιστο απόδοσης και σε μερικώς σκιασμένες στοιχειοσειρές.
Εικ. 5 Σε συνθήκες σκίασης μειώνεται η τάση του σημείου μέγιστης ισχύος. Για να μπορεί να ρυθμιστεί το σημείο μέγιστης απόδοσης, η περιοχή τάσης εισόδου του μετατροπέα θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη.

Οι δίοδοι παράκαμψης διασφαλίζουν ότι σε περίπτωση που ένα τμήμα σκιάζεται, επηρεάζεται μόνο η δική του απόδοση και όχι ολόκληρου του πλαισίου. Στην περίπτωση λοιπόν που πέσει σκιά στο πλαίσιο, θα πρέπει να εξεταστεί αν αυτό το γεγονός επηρεάζει πολύ μόνο κάποια τμήματα ή λιγότερο μεν αλλά συνολικά όλα τα τμήματα του πλαισίου. Γιατί όσο μικρότερος ο αριθμός των μερικώς σκιασμένων τμημάτων της στοιχειοσειράς, τόσο λιγότερο παρακάμπτονται και τόσο υψηλότερη είναι η ενεργειακή απόδοση του πλαισίου. Ανάλογα με την ανάλυση της διάρκειας σκίασης, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια θα πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε κάθε φορά να επηρεάζονται όσο το δυνατόν λιγότερα τμήματα των στοιχειοσειρών των πλαισίων.

• Πλευρική σκίαση: Κάθετος προσανατολισμός πλαισίων (α).
• Σκίαση από πάνω ή από κάτω: Οριζόντιος προσανατολισμός πλαισίων (b).
• Εάν η κατεύθυνση της συναρμολόγησης των πλαισίων δε δέχεται επιλογές, θα πρέπει, εάν γίνεται, να χρησιμοποιηθούν πλαίσια με άλλη διάταξη κυψελών και διόδων παράκαμψης (c) και (d).

5. Επιλογή ενός μετατροπέα κατάλληλου για συνθήκες σκίασης

Κάθε μετατροπέας με περισσότερους από ένα ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος (MPP Tracker), δεν είναι και ο κατάλληλος για μερικώς σκιασμένες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Διότι ακόμη και εάν τα μη σκιασμένα και σκιασμένα πλαίσια, σύμφωνα με τον κανόνα 1, συνδεθούν σε διαφορετικούς ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος, ο ανιχνευτής στη δεύτερη περίπτωση θα πρέπει να μπορεί να διαχειριστεί διαφορετικά μέγιστα ισχύος. Αυτό συμβαίνει γιατί η σκίαση δεν εμφανίζεται σχεδόν ποτέ σε όλα τα πλαίσια ταυτόχρονα και με την ίδια ένταση.

Γι’ αυτό το λόγο, στην καμπύλη απόδοσης των μερικώς σκιασμένων στοιχειοσειρών δεν δημιουργείται μόνο ένα, αλλά κατά κανόνα περισσότερα μέγιστα, τα οποία επιπλέον μπορεί να βρίσκονται σε σημαντικά διαφορετικές τάσεις. Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος υπολογίζει το πραγματικό, δηλαδή το καθολικό σημείο μέγιστης ισχύος.

Οι συμβατικοί ανιχνευτές δεν είναι πάντα κατάλληλοι αφού, προκειμένου να μην προκαλέσουν άσκοπες απώλειες λόγω αναζήτησης στις μη σκιασμένες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, τις περισσότερες φορές έχουν περιορισμένο πεδίο αναζήτησης. Έτσι, μπορεί ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος να μη βρίσκει το βέλτιστο σημείο ισχύος της στοιχειοσειράς γιατί αυτό βρίσκεται εκτός του πραγματικού πεδίου αναζήτησής του. Σε ανιχνευτές ειδικούς για σκιάσεις, το πεδίο αναζήτησής τους μπορεί να επεκταθεί σημαντικά για να μη διατρέχουν τον κίνδυνο να “κολλήσουν” σε ένα τυχόν τοπικό μέγιστο.

Ένας τέτοιος ειδικός ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος είναι ο Opti-Trac-Global-Peak της SMA, ο οποίος διατίθεται σε όλους τους νέους μετατροπείς της SMA και μπορεί να ενεργοποιηθεί από το μενού. Μία επιπλέον ιδιαιτερότητα του OptiTrac-Global-Peak: Παρά το ευρύ πεδίο αναζήτησης προκύπτει μία ετήσια απώλεια απόδοσης που δεν ξεπερνάει τις 0.2 ποσοστιαίες μονάδες. Αντίθετα, το κέρδος απόδοσης από τη συνεχή λειτουργία σε καθολικό σημείο μέγιστης ισχύος μπορεί να ανέλθει σε περίπου 20% ανάλογα με τις συνθήκες σκίασης.

6. Σωστός σχεδιασμός της τάσης της γεννήτριας

Τέλος, θα πρέπει να ληφθεί υπ’ όψιν η δυνητικά χαμηλότερη τάση των μερικώς σκιασμένων στοιχειοσειρών και κατά τον υπολογισμό της τάσης ολόκληρης της εγκατάστασης. Ο “κλασικός” υπολογισμός της τάσης της γεννήτριας στο κατώτατο όριο τάσης εισόδου του μετατροπέα (UMPP (70°C) μπορεί να μην είναι κατάλληλος και να οδηγήσει σε πτώση κάτω από την ελάχιστη τάση σημείου μέγιστης ισχύος του μετατροπέα. Ως αποτέλεσμα δεν θα μπορεί να ρυθμιστεί το σημείο μέγιστης ισχύος που θα βρίσκεται εκεί.

Συμπέρασμα: Η υλοποίηση μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων αποτελεί ένα έργο με αρκετές προκλήσεις. Η πρόκληση όμως μπορεί να αντιμετωπιστεί με επιτυχία με το σωστό σχεδιασμό, τις απαραίτητες τεχνικές γνώσεις και τους σωστούς μετατροπείς.

[the_magazine2 id=”249″]