Проблема:Засенчване

[Solarex]

Здравейте,

Предлагам да отворим една темичка по въпроса за засенчването на модулите. При проектирането на една ФЕЦ да кажем със поддържаща конструкция под ъгъл 30 най-добрия вариант е да няма наоколо обекти, които да хвърлят сянка. Ако това е изпълнено следва да се разположат модулите.
Тука ми е въпроса:
На какво разстояние трябва да се разпологат стойките с модулите спрямо съседните по колона и редица.
За г-н Матеев, който представяше PVSol дали има такава опция за разполагане на модулите в програмата.

[Mateev]

Засенчването е една много сериозна тема и по нея трябва да са основните обсъждания. Затова ще започна с малко информация:

Най-важното нещо, което трябва да се знае е, че всички клетки (диоди) в един стринг СА СВЪРЗАНИ ПОСЛЕДОВАТЕЛНО !!!
А при последователното свързване тока през всичките клетки е равен на тока през най-лошата от тях.

От този факт произтича следното:

Ако в стринга участвуват модули с разброс на мощностите (а то винаги е така), то тока през стринга ще е ограничен от най-лошия модул и целият стринг ще се държи така, сякаш е съставен само от най-лоши модули. И съгласно теорията на вероятностите се получава точно така. Винаги в комплекта ще има поне един слаб модул. Например купувате модули от 180 Wp. Но те са с разброс на мощностите и са в диапазона от 177.5 до 182.5 W. Свръзвате ги последователно и цялата ви централа ще даде такава мощност, щото все едно е изградена само от слаби модули, а именно - от по 177.5 W.

Другият ефект от последователното свързване е следният:

Достатъчно е засенчването дори и на само една клетка, за да се ограничи тока през всички останали. Наистина има байпас диоди, които би трябвало при засенчване на дадена клетка да изключат само модула, а не целия стринг. Но на практика това не проработи. Направих експеримент с PV06. И засенчих само една единствена клетка. Мощността практически не се промени. Явно се е задействал байпас диода. Но след това засенчих шестте най-долни клетки на модула. И за мое най-голямо учудване мощността спадна на около 60 вата (от около 800 преди засенчването). Не можах да направя по-подробни изследвания, защото времето беше с променлива облачност и радиацията непрекъснато се променяше, като по този начин ми объркваше измерванията. Но в плановите ми е да изчакам някой хубав слънчев ден и да направя подробни експерименти със записване на резултатите. Но и от сега едно е ясно - засенчването е критично и само 2-3 засенчени клетки тотално изключват целия инвертор.

Какво се получава?
Засенчваме 5-10% от 1 модул. Това е еквивалентно на по-малко от 1% от целия стринг (централа). И ефекта е загуба на 95% от мощността !!!

Следователно засенчването, даже и най-минималното, е тотален враг на слънчевите електроцентрали.
И с него не трябва да има никакви компромиси. И даже най-малката грешка в проектирането на централата може да даде плачевни резултати в бъдещата работа.

Затова основната препоръка към всички инвеститори е следната:

Хора, подбирайте си проектантите. И искайте гаранции за качеството на проекта. Особенно за сметките на засенчването.

Всички други проектантски грешки нанасят щети на възвръщаемостта, но всички те са сравнително малки (няколко процента). Но грешка в планирането на засенчванията (дори и най-минималната) НАНАСЯ ТОТАЛНИ ЩЕТИ на възвръщаемостта.

[Mateev]

Продължаваме с видовете засенчвания.
Според размера и формата на сянката можем да разделим засенчванията на два вида - вертикални и хоризонтални. Под вертикално засенчване разбираме тънка и висока сянка. Например от стълб на ограда или на далекопровод. Сянката засенчва част от модула по цялата му височина и плавно се движи през него. Хоризонтална сянка имаме когато се засенчва цялата основа на модула и плавно се придвижва нагоре. Хоризонтални сенки се получават от хоризонта (далечни планини или сгради) или от предната редица модули при големите централи.

Защо делим сенките на хоризонтални и вертикални?
При моно и поли-кристалните модули няма никакво значение каква е сянката. Засенчваш 1% от модула и губиш целия модул. Засенчваш 2-3% и губиш целия стринг. При тънкослойните модули обаче това не е така. При тях клетките са разположени на тесни ивици по цялата височина. Това означава, че една тясна вертикална сянка също ще изключи целия модул. Но една хоризонтална сянка ще засенчи само процент от площта на всички клетки. И тока ще се намали със същия процент.

Следователно:
Тънкослойните модули са устойчиви на хоризонтални сенки. Колкото процента от площта на модула е засенчена, точно толкова процента е и загубата на енергия. Даже и малко по-малко заради допълнителната дифузна радиация.

Как стои въпроса с вертикалните сенки. Вярно е, че една вертикална сянка изключва модула и стринга, но при тънкослойните модули има една екстра. Ако например вземем един 6 киловатов инвертор, то той ще поеме 100 модула Канека К60. И тези модули ще са разположени в 20 стринга от по 5 модула. И една тънка вертикална сянка (например от кол на ограда) ще изключи един от модулите, а с него и целия стринг от 5 модула. Но останалите 19 стринга ще продължат да си работят безпроблемно. Следователно загубата от частични вертикални засенчвания при тънкослойните модули е само 5%.

Ако същия 6 киловатов инвертор го заредим с моно или поликристални модули, то тогава ще имаме например 2 стринга от по 33 модула от по 180 вата. И частично засенчване от 2-3%, ще изключи единия от двата стринга. Следователно загубата от частични вертикални засенчвания при моно и поли-кристалните модули е 50%.

Основни изводи от написаното по-горе:
1. Засенчванията са основен враг на слънчевите електроцентрали, но само ако са изградени от моно или поли-кристални модули. При тях минимално засенчване нанася ТОТАЛНИ щети.
2. Тънкослойните модули са устойчиви на засенчвания. Загубата на мощност е пропорционална на процента на засенчване.

[Mateev]

Продължаваме нататък:

Възможно ли е засенчванията да се избегнат напълно с подходящо разположение на модулите ?

Отговора е много кратък: НЕ !!!

Засенчванията не могат да бъдат избегнати на 100%. Това е така, защото зимно време слънцето изгрява пред модулите. Това означава, че в първите минути след изгрева височината на слънцето над хоризонта е само няколко градуса, което предизвиква сенки до 50 пъти по-дълги от височината на модулите над земята. При това положение се огрява само първата редица модули, а всички останали са засенчени.

Ясно е, че не може да оставяме по 50 метра разстояние между отделните редици модули. Това ще глътне колосално количество земя и кабели. Следователно разстоянията между редиците трябва да се намалят. С намаляването на тези разстояния намалява както количеството използвана земя, така и общата дължина на кабелите. Следователно намалява и цената на централата. В същото време нарастват загубите от засенчване, което пък води до по-малко произведена електроенергия. С две думи - имаме два фактора, които действуват в противоположни посоки.

Въпроса е: Има ли оптимум?

И отговора отново е кратък: ДА !!!

Винаги, когато имаме два фактора, действащи в противоположни посоки и зависещи от 1 параметър, то тогава винаги имаме екстремум (минимум или максимум). В случая със засенчванията имаме минимум на общите разходи по изграждане и експлоатация, пряко зависещи от разстоянието между редиците модули. И ако това разстояние не е в оптимума, общите разходи нарастват. Няма значение дали е по-голямо или по-малко.

Следователно произволна грешка в планирането на засенчването и разстоянието между редиците модули ВИНАГИ води до увеличаване на общите разходи.

[Mateev]

Начинаещия инвеститор все пак задава важния от негова гледна точка въпрос:
Колко все пак трябва да бъде разстоянието между редиците модули?
Все пак искам някаква груба оценка, за да планирам количеството земя, което трябва да закупя.

Мисля, че на този въпрос може да се отговори. Но все пак не забравяйте, че това ще е един много груб и неточен отговор.
За база можем да вземем централа с модули Канека К60. Спирам се на тях, защото размерите им са приблизително метър на метър и сметките ще са по-прости. Приемаме, че модулите са разположени в редици с по един модул във височина. Следователно се образува правоъгълен триъгълник с хипотенуза от 1 метър и наклон от 30 градуса. При такъв триъгълник височината на задната част спрямо предната ще е 45 сантиметра. След това образуваме втори правоъгълен триъгълник, като единия катет е с височина 45 сантиметра, а ъгъла при основата е 15 градуса. Защо точно 15 градуса? Ами зимно време по обяд за района на България слънцето е с височина от около 21-22 градуса. Но ние искаме да хванем по-голяма част от деня, независимо че енергията е малко. Ако сметнем този триъгълник, получава се, че другия катет трябва да е 3.73 пъти по-дълъг. Това прави отстояние между редиците от 1.60 м. Прибавяме 0.8 м от първия катет и получаваме 2.4 м отстояние между коловете на редиците.
Следователно за централата е необходима около 2.4 пъти повече земя, отколкото е площта на модулите. Но като добавите отстояние от оградата и няколкометрови просеки между групите модули, заформя се около 3 пъти повече земя, отколкото е площта на модулите.

Извод:
При многоредови централи със статични конструкции е необходима земя с площ, около 3 пъти по-голяма от площта на модулите.

За да можете по-лесно да си правите сметка, преизчисляваме необходимата земя в квадратни метри на киловат и в киловати на декар:
1. За модули Kaneka - 50 кв.м. на kWp или 20 kWp на декар.
2. За моно и поли-кристални модули - 22-25 кв.м. на kWp или 40-45 kWp на декар.
3. За хибридни модули - 17-19 кв.м. на kWp или 52-59 kWp на декар.

[Mateev]

Как стои въпроса с покривите?

Там модулите са само в един ред и необходимата площ на покрива е равна на площта на модулите + още малко по периферията с цел обслужване.

1. За модули Kaneka - 17-18 кв.м. на kWp
2. За моно и поли-кристални модули - 7-8 кв.м. на kWp
3. За хибридни модули - 6-7 кв.м. на kWp

[Mateev]

И последно. Как стои въпроса с позиционерите?

Тука освен разстоянието между редиците позиционери (което е същото като между редиците модули), трябва да предвидим и разстояние между позиционерите в рамките на една редица. Но тука ситуацията е много по-тежка. При определяне на разстоянието между редиците се съобразявахме с височината на зимното слънце. Но зимно време енергията и без това си е малко. Но за разстоянията в рамките на редицата ще имаме загуби от лятното слънце. При това всеки божи ден. И то както по време на изгрева, така и по време на залеза. И 15-те градуса височина на слънцето ще се наложи да ги свалим до 10, че даже и до по-малко. При 10 градуса загубата на земя ще е 5 пъти в рамките на редовете и 3 пъти от междуредията. Тоест земята ще е 15 пъти повече от площта на модулите. И въпреки това ще имаме около 5% загуби от засенчвания. При 15 градуса загубите от засенчвания нарастват на 10%, но земята намалява на 3 пъти по хоризонтала и 3 пъти по вертикала. Или общо 9 пъти.

За да са ви по-лесни сметките, предлагам да приемете, че земята, необходима за централа с позиционери е 10 пъти повече, отколкото площта на модулите, или:

1. За модули Kaneka - не си и помисляйте да ги слагате на позиционер.
2. За моно и поли-кристални модули - 80 кв.м. на kWp или 12 kWp на декар.
3. За хибридни модули - 60 кв.м. на kWp или 17 kWp на декар.

[Mateev]

Само остана недоизяснен въпроса дали можем лесно да си изчислим оптимума на разстоянията между редовете и респективно в рамките на реда, ако използуваме позиционер?

Отговора е НЕ !!!

Формулите са сравнително прости. Смятат се само 2 триъгълника и се използуват само тригонометрични функции. Но тези сметки се правят хиляди и милиони пъти. Небето се дели на сектори от по 1 градус. След това се смята пътя на слънцето и количеството енергия, която се излъчва от всеки един сектор. И след това сектор по сектор се изчисляват тези триъгълници и се проверява дали някой модул не е засенчен, дори и частично. И ако модула е моно или поли-кристален - приема се, че целия стринг е засенчен и му се присвоява само дифузната радиация. Ако модула е тънкослоен - смята се площта на засенчване и на тази площ се присвоява дифузната радиация, а на останалата площ - пълната радиация. И така сектор по сектор и минута по минута се извърта цялата средностатистическа година. И се получава сумарното количество енергия. И всичко описано до тук е само един цикъл. След това се прави друг цикъл с други разстояния между модулите. След това трети и т.н. Използува се дихотомично търсене с цел да се намали общия брой на циклите. И цялата тази олелия от милиарди сметки отнема на един съвременен компютър от 10 секунди до 10 минути, в зависимост от сложността на хоризонта и дискретата на изчисление.

Всичко това, което описах до момета, е част от алгоритъма на програма, разработвана от СТС Софт и финансирана от СТС Солар. Наложи се да разработим такава програма за оптимизации по простата причина, че не успяхме да намерим да си купим готова. По света се предлагат няколко програми, но всичките изчисляват сенки по зададени ъгли или по зададени координати и часово време. Но нито една от тях не прави пълни оптимизации с търсене на най-добрата точка и отчитане на всички засенчващи фактори. Програмата PV*SOL смята засенчванията по лесния начин - в най-високата точка на най-късия зимен ден (21 декември). Другите програми и това не правят. Най-доброто, което съм виждал е една диаграма, в която грубо (и визуално) преценяваш кое отстояние какви загуби причинява. Но кое е най-оптималното от инвестиционна гледна точка - това не се смята от никой. Защото в сметките се намесват даже и цената на модулите, инверторите и кабелите. И групирането на модули по стрингове и разпределението на стринговете по редици. И въобще задачата става много сложна. Но ние сме се заели да я разрешим и даже сме с амбиции да направим програмен продукт, който ще се продава в целия свят и ще се цели в лидерските позиции в областта на изчисленията на засенчванията.

[Solarex]

Темата наистина е сериозна и това, което аз открих е ето този линк:
http://pvresources.com/en/shading.php
http://pvresources.com/en/location.php

Искам да добавя за наземните централи, че трябва да има около 0,6-0,75 метра между самите колони. Да не забравяме и площадката, където трябва да паркира пожарната кола в случай на пожар(12x12 metra) и открит водоем 110 м3.
КТП е малко, но общо взето това са нещата. Ако някой има да добави нещо да добави.

[Solarex]

Ако се ръководим от тази формула: за наземни централи

w=D x tan (Ф - Y)

Where is: w - geometry of vertical shading device (see pictures above), Φ - solar azimuth, Ψ - plane azimuth

Въпроса ми е какви ще са стойностите за България:
Φ - solar azimuth, Ψ - plane azimuth