تأثیر سایه بر عملکرد پنل خورشیدی

تأثیر سایه بر عملکرد پنل خورشیدی همیشه متناسب با مساحت قسمت سایه خورده نیست. در برخی شرایط، سایه ای کوچک روی یک بخش مشخص از سلول ها می تواند افت توان قابل توجهی ایجاد کند؛ زیرا سلول های یک ماژول معمولاً به صورت سری با یکدیگر کار می کنند. به همین دلیل، شناخت نحوه ایجاد سایه، زمان وقوع آن و چگونگی مدیریت اثرات آن، بخش مهمی از طراحی و نصب یک سیستم خورشیدی محسوب می شود.

نحوه اثرگذاری سایه بر عملکرد پنل خورشیدی

سلول های خورشیدی برای تبدیل تابش خورشید به انرژی الکتریکی به نور کافی نیاز دارند. هنگامی که بخشی از سطح یک ماژول در سایه قرار می گیرد، میزان جریان تولیدی آن بخش کاهش پیدا می کند. در یک آرایش سری، این کاهش جریان می تواند عملکرد سایر سلول های متصل به آن را نیز تحت تأثیر قرار دهد.

به همین دلیل، کاهش توان ناشی از سایه را نمی توان صرفاً بر اساس درصد سطح پوشیده شده محاسبه کرد. یک سایه کوچک اما نامناسب ممکن است افت توان بیشتری نسبت به سایه ای با مساحت مشابه در نقطه ای دیگر ایجاد کند. پژوهش های فنی نیز نشان داده اند که حتی سایه محدود روی سطح ماژول می تواند باعث کاهش قابل توجه توان خروجی شود.

شدت سایه، شکل آن، محل قرارگیری روی ماژول، تعداد سلول های درگیر و مدت زمان سایه افتادن از جمله عوامل مؤثر بر میزان کاهش تولید هستند. بنابراین در ارزیابی اثر سایه باید علاوه بر مساحت، الگوی سایه و زمان وقوع آن نیز بررسی شود.

علت کاهش تولید برق در اثر سایه

برای درک علت افت تولید، باید به نحوه اتصال سلول های خورشیدی توجه کرد. بخشی از سلول های یک ماژول معمولاً به صورت سری به یکدیگر متصل هستند و جریان عبوری از این سلول ها به یکدیگر وابسته است. وقتی یکی از سلول ها تابش کمتری دریافت می کند، توانایی آن برای تولید جریان نیز کاهش می یابد.

در این شرایط، سلول سایه خورده می تواند به یک نقطه محدودکننده در مسیر جریان تبدیل شود. در صورت شدت گرفتن سایه، دیود بای پس وارد مدار می شود تا جریان از مسیر جایگزین عبور کند. این عملکرد از آسیب حرارتی سلول های سایه خورده جلوگیری می کند، اما در عین حال بخشی از ظرفیت تولید همان بخش از ماژول را کنار می گذارد.

بنابراین وجود دیود بای پس به معنای حذف کامل افت تولید ناشی از سایه نیست؛ بلکه هدف اصلی آن کاهش اثرات منفی سایه و محافظت از سلول ها در برابر شرایط نامطلوب است.

انواع سایه های مؤثر بر پنل خورشیدی

منشأ سایه در هر پروژه می تواند متفاوت باشد و شناخت آن برای طراحی مناسب محل نصب اهمیت زیادی دارد.

سایه ساختمان و دیوار

ساختمان های مجاور، دیوارهای بلند، دودکش ها و سازه های اطراف می توانند در ساعات مشخصی از روز روی سطح ماژول سایه ایجاد کنند. ارتفاع و فاصله مانع نسبت به پنل و همچنین موقعیت خورشید در فصل های مختلف، الگوی این سایه را تغییر می دهد.

سایه درختان و پوشش گیاهی

درختان یکی از منابع رایج سایه در پروژه های پشت بامی و زمینی هستند. علاوه بر تغییر سایه در طول روز، رشد شاخه ها و تغییر موقعیت خورشید در فصل های مختلف باعث می شود شرایط سایه در طول سال ثابت نباشد.

سایه تجهیزات نصب شده در اطراف پنل

تجهیزاتی مانند پایه ها، مخازن، داکت ها، تجهیزات تهویه و سایر سازه های روی بام ممکن است سایه های موضعی ایجاد کنند. به همین دلیل محل نصب تجهیزات جانبی باید پیش از اجرای آرایه خورشیدی مشخص شود.

سایه پنل های مجاور

اگر فاصله میان ردیف های پنل به درستی تعیین نشود، یک ردیف می تواند در ساعات مشخصی از روز روی ردیف بعدی سایه بیندازد. این مسئله به خصوص در پروژه هایی که پنل ها با زاویه نصب می شوند اهمیت دارد.

سایه ناشی از آلودگی و تجمع گردوغبار

گردوغبار، فضولات پرندگان، برگ و سایر آلودگی ها نیز می توانند بخشی از سطح دریافت کننده نور را مسدود کنند. این وضعیت از نظر فنی دقیقاً مشابه سایه یک جسم خارجی نیست، اما می تواند باعث کاهش تابش دریافتی و ایجاد عدم یکنواختی در سطح ماژول شود.

تأثیر سایه جزئی و سایه کامل بر تولید انرژی

سایه کامل و سایه جزئی رفتار یکسانی ندارند. در سایه کامل، تابش مستقیم به قسمت موردنظر تقریباً قطع می شود؛ در حالی که در سایه جزئی بخشی از تابش مستقیم کاهش یافته و ممکن است همچنان مقداری نور پراکنده به سطح سلول برسد. نکته مهم این است که اثر سایه الزاماً با درصد سطح سایه خورده برابر نیست. اگر سایه روی بخشی قرار گیرد که مجموعه ای از سلول های سری را تحت تأثیر قرار می دهد، عملکرد آن زیرمجموعه می تواند به شکل محسوسی کاهش پیدا کند.

در برخی آزمایش های فنی، سایه روی بخش بسیار کوچکی از یک سلول نیز توانسته است عملکرد گروه بزرگ تری از سلول های متصل را تحت تأثیر قرار دهد. دلیل این مسئله نحوه اتصال سری سلول ها و عملکرد دیودهای بای پس است. به همین علت، هنگام تحلیل سایه نباید تنها پرسید چه درصدی از پنل در سایه قرار دارد؟؛ بلکه باید مشخص شود کدام قسمت پنل، چه نوع سایه ای و برای چه مدت تحت سایه قرار می گیرد.

نقش دیود بای پس در کاهش اثر سایه

دیود بای پس یکی از اجزای مهم در طراحی ماژول های فتوولتائیک است که برای کاهش اثر سایه و جلوگیری از شرایط نامطلوب در سلول ها مورد استفاده قرار می گیرد.

در یک ماژول، تعدادی سلول به صورت گروهی تحت پوشش دیود بای پس قرار می گیرند. هنگامی که شرایط الکتریکی ناشی از سایه باعث ایجاد محدودیت در آن بخش شود، دیود می تواند مسیر جایگزینی برای عبور جریان فراهم کند. در نتیجه، جریان می تواند از بخش مشکل دار عبور کند و احتمال ایجاد نقاط داغ کاهش یابد.

با این حال، فعال شدن دیود بای پس معمولاً به این معناست که بخشی از سلول های آن گروه عملاً از فرآیند تولید توان کنار گذاشته شده اند. بنابراین دیود بای پس اثر سایه را مدیریت می کند، اما تولید از دست رفته را به طور کامل بازیابی نمی کند.

در شرایط سایه جزئی، منحنی های جریان و توان آرایه نیز می توانند پیچیده تر شوند و حتی چند نقطه بیشینه توان ایجاد شود. به همین دلیل، نحوه عملکرد تجهیزات مدیریت توان و MPPT نیز در چنین شرایطی اهمیت پیدا می کند.

سایه در آرایه خورشیدی چه اثری دارد؟

اثر سایه در یک آرایه خورشیدی به نحوه اتصال ماژول ها نیز وابسته است. وقتی چند ماژول در یک رشته سری قرار می گیرند، شرایط یک ماژول می تواند بر رفتار الکتریکی کل رشته اثر بگذارد.

برای مثال، اگر یک ماژول به طور قابل توجهی سایه خورده باشد اما سایر ماژول های رشته تابش مناسبی دریافت کنند، عدم تطابق میان ماژول ها ایجاد می شود. این عدم تطابق می تواند توان قابل استخراج از رشته را کاهش دهد.

آرایش پنل ها، تعداد رشته ها، نحوه اتصال به ورودی های MPPT و نوع سایه از عوامل تعیین کننده در میزان این افت هستند. نرم افزارهای تخصصی شبیه سازی نیز برای مدل سازی سایه از اطلاعاتی مانند نوع سلول، چیدمان سلول ها و پیکربندی دیودهای بای پس استفاده می کنند.

به همین دلیل، در پروژه هایی که احتمال سایه وجود دارد، طراحی آرایه باید متناسب با شرایط واقعی محل انجام شود و نمی توان تنها بر اساس ظرفیت نامی ماژول ها درباره تولید نهایی تصمیم گرفت.

روش های کاهش اثر سایه بر پنل خورشیدی

کاهش اثر سایه بیش از آنکه به یک راهکار واحد وابسته باشد، به طراحی صحیح محل نصب و آرایش سیستم مربوط است.

·       انتخاب محل مناسب نصب: پیش از نصب باید موانع اطراف مانند ساختمان ها، دیوارها، درختان و تجهیزات بررسی شوند. محلی که در بیشتر ساعات تولید، تابش مستقیم دریافت کند، شرایط مناسب تری برای نصب خواهد داشت.

·       بررسی مسیر حرکت خورشید: موقعیت خورشید در طول روز و فصل های مختلف تغییر می کند. بنابراین سایه ای که در ساعت ۹ صبح وجود ندارد ممکن است در ساعت ۴ عصر ایجاد شود. بررسی مسیر خورشید کمک می کند الگوی سایه در طول سال بهتر پیش بینی شود.

·       فاصله گذاری صحیح بین پنل ها: در آرایه های چندردیفه، فاصله بین ردیف ها باید به گونه ای تعیین شود که سایه اندازی متقابل تا حد امکان کنترل شود. زاویه نصب، ارتفاع سازه و موقعیت جغرافیایی در این محاسبه اهمیت دارند.

·       هرس و کنترل پوشش گیاهی: درختانی که در نزدیکی آرایه قرار دارند باید از نظر رشد آینده نیز بررسی شوند. کنترل شاخه ها می تواند از ایجاد سایه های ناخواسته جلوگیری کند.

·       جلوگیری از نصب تجهیزات سایه انداز: تجهیزات جدید نباید بدون بررسی اثر سایه در مجاورت ماژول ها نصب شوند. حتی یک سازه کوچک نیز در شرایط خاص می تواند سایه موضعی ایجاد کند.

·       استفاده از تجهیزات و طراحی مناسب سیستم: در سایت هایی که سایه اجتناب ناپذیر است، طراحی آرایه و انتخاب تجهیزات مدیریت توان باید با توجه به شرایط سایه انجام شود. هدف این است که اثر عدم تطابق میان بخش های مختلف سیستم تا حد امکان محدود شود.

·       بررسی سایه در ساعات مختلف سال: ارزیابی تنها در یک ساعت یا یک روز نمی تواند تصویر کاملی از سایه ارائه دهد. تحلیل باید ساعات مختلف روز و تغییرات فصلی را نیز در نظر بگیرد.

بررسی سایه قبل از نصب پنل های خورشیدی

بررسی سایه یکی از مراحل مهم پیش از طراحی سیستم است. ابتدا باید تمام موانع اطراف محل نصب شناسایی شوند و ارتفاع، فاصله و موقعیت آن ها نسبت به آرایه مشخص شود. در مرحله بعد، مسیر حرکت خورشید در ساعات مختلف روز و فصل های مختلف بررسی می شود. در پروژه های حرفه ای می توان از ابزارهای تحلیل سایه و نرم افزارهای شبیه سازی برای برآورد کاهش تابش و انرژی استفاده کرد. مدل های تخصصی حتی می توانند کاهش تولید ناشی از سایه آرایه های چندردیفه را بر اساس شرایط هندسی محاسبه کنند. نکته مهم دیگر، توجه به تغییرات آینده محیط است. برای مثال، درختی که امروز سایه قابل توجهی ایجاد نمی کند ممکن است طی چند سال آینده به یک مانع جدی تبدیل شود.

تأثیر سایه بر عملکرد سالانه سیستم خورشیدی

اثر سایه را نباید فقط بر اساس افت توان در یک لحظه ارزیابی کرد. برای تصمیم گیری دقیق تر باید مشخص شود سایه در چه ساعاتی ایجاد می شود و این وضعیت در چه تعداد روز از سال تکرار خواهد شد. برای مثال، سایه ای که تنها نزدیک طلوع یا غروب ایجاد می شود ممکن است از نظر انرژی سالانه اثر متفاوتی نسبت به سایه ای داشته باشد که در ساعات دارای تابش بالا اتفاق می افتد. همچنین شرایط تابش مستقیم و پراکنده در طول سال یکسان نیست.

به همین دلیل، ارزیابی سالانه سایه می تواند تصویر دقیق تری از اثر واقعی آن بر انرژی تولیدشده ارائه دهد. ابزارهای مدل سازی تخصصی نیز برای برآورد تلفات سایه در مقیاس سالانه استفاده می شوند.

نکات مهم برای جلوگیری از افت راندمان ناشی از سایه

برای کنترل اثر سایه بر عملکرد پنل خورشیدی، رعایت چند نکته مهم است:

• محل نصب پیش از اجرای پروژه از نظر موانع اطراف بررسی شود.
• مسیر حرکت خورشید در فصل های مختلف در نظر گرفته شود.
• فاصله مناسب بین ردیف های پنل محاسبه شود.
• رشد آینده درختان و پوشش گیاهی بررسی شود.
• تجهیزات جدید در محدوده سایه اندازی پنل ها قرار نگیرند.
• آرایش رشته ها با توجه به شرایط سایه طراحی شود.
• عملکرد سیستم پس از نصب به صورت دوره ای پایش شود.
• کاهش غیرعادی تولید یک بخش از آرایه بررسی و علت آن شناسایی شود.
• وضعیت دیودهای بای پس و سایر اجزای مرتبط در زمان سرویس سیستم بررسی شود.