چگونه سایه باعث کاهش تولید نیروگاه خورشیدی می‌شود؟

تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی فقط به کاهش میزان نور دریافتی پنل محدود نمی‌شود و در شرایط خاص می‌تواند عملکرد یک ماژول، استرینگ و در نهایت تولید نیروگاه را تحت تأثیر قرار دهد. نوع و محل سایه، نحوه‌ی اتصال پنل‌ها، عملکرد دیودهای بای‌پس، شرایط تابش و طراحی استرینگ همگی در میزان افت توان نقش دارند. از طرفی، سایه ممکن است تنها در ساعت‌ها یا فصل‌های مشخص ایجاد شود و با بازدید معمولی از سایت قابل تشخیص نباشد. به همین دلیل مانیتورینگ نیروگاه خورشیدی و تحلیل عملکرد استرینگ‌ها در کنار بازرسی میدانی برای شناسایی این نوع افت تولید اهمیت دارد. 

تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی چقدر است؟

برای درک تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی باید ابتدا رفتار الکتریکی پنل‌های فتوولتائیک را درنظر گرفت. سلول‌های خورشیدی در یک ماژول و ماژول‌های یک نیروگاه در قابل آرایش‌های سری و موازی به یکدیگر متصل می‌شوند. بنابراین، کاهش تابش روی یک بخش از مدار می‌تواند فقط همان قسمت را تحت تأثیر قرار ندهد و رفتار الکتریکی مجموعه را تغییر دهد. 

در سلاریس 365 بخوانید:

مانیتورینگ نیروگاه خورشیدی چیست؟ نرم‌افزار مدیریت نیروگاه خورشیدی

وقتی بخشی از یک ماژول در سایه قرار می‌گیرد، جریان تولیدی آن بخش کاهش پیدا می‌کند. اگر این ماژول با ماژول‌های دیگر در یک استرینگ قرار داشته باشد، محدودیت جریان می‌تواند روی عملکرد کل استرینگ اثر بگذارد. البته مقدار این افت به عواملی مانند محل سایه، اندازه و شکل آن، طراحی ماژول، تعداد پنل‌های استرینگ، شرایط تابش و نحوه‌ی عملکرد MPPT بستگی دارد. به همین دلیل نمی‌توان گفت مثلا ایجاد ۱۰ درصد سایه همیشه به معنای ۱۰ درصد کاهش تولید است. در برخی شرایط، یک سایه کوچک اما نامناسب می‌تواند اثر الکتریکی بسیار بیشتری از مساحت ظاهری آن ایجاد کند. 

مهم‌ترین منابع ایجاد سایه در نیروگاه خورشیدی

•     ساختمان‌ها و سازه‌های اطراف: ساختمان‌های مجاور، دیوارها و سازه‌های بلند می‌توانند به ویژه در ساعت‌های ابتدایی و پایانی روز روی پنل‌ها سایه ایجاد کنند.

•     درختان و پوشش گیاهی: رشد درختان، شاخه‌ها و سایر پوشش‌های گیاهی اطراف نیروگاه می‌تواند با گذشت زمان محدوده‌ی سایه را تغییر دهد.
•     سایه‌اندازی ردیف‌های پنل روی یکدیگر: فاصله‌ی کم بین ردیف‌ها به خصوص در زمان پایین بودن ارتفاع خورشید می‌تواند باعث ایجاد سایه بین ردیف‌های نیروگاه شود. 
•     تجهیزات و موانع داخل سایت: دکل‌ها، تابلوها، تجهیزات فنی، پایه‌ها و سایر اجزای نصب‌شده در نزدیکی پنل‌ها می‌توانند بخشی از سطح ماژول را در سایه قرار دهند.
•     پستی و بلندی و عوارض طبیعی زمین: کوه‌ّها، تپه‌ها و سایر عوارض توپوگرافی به خصوص در ساعت‌هایی که خورشید در ارتفاع پایین قرار دارد، می‌توانند مانع رسیدن تابش مستقیم به پنل‌ها شوند.
•     آلودگی، گرد و غبار و برف: تجمع گرد و غبار، برف و برخی آلودگی‌ها روی سطح ماژول می‌تواند تابش دریافتی بخش‌هایی از پنل‌ را کاهش داده و شرایطی مشابه سایه‌ی جزئی ایجاد کند.
•     موانع موقت: عواملی مانند برگ‌ها، فضولات پرندگان یا اجسام موقتی هم ممکن است بخشی از سطح ماژول را برای مدتی بپوشانند.

روش‌های تشخیص سایه در نیروگاه خورشیدی

تشخیص سایه صرفا با بازدید چشمی انجام نمی‌شود. یک روش مؤثر، ترکیب بازرسی میدانی، داده‌های مانیتورینگ نیروگاه خورشیدی و تحلیل عملکرد استرینگ‌ها است. 

بررسی الگوهای تولید استرینگ‌ها

اگر چند استرینگ مشابه در یک آرایه تحت شرایط تقریبا یکسان کار کنند، می‌توان عملکرد آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کرد. برای مثال، اگر بیشتر استرینگ‌ها در یک ساعت مشخص افزایش تولید مشابهی داشته باشند اما یک استرینگ، افت یا رفتار متفاوتی نشان دهد، این اختلاف می‌تواند نشانه‌ای برای بررسی بیشتر باشد. البته اختلاف تولید الزاما به معنی سایه نیست و عواملی مانند خرابی تجهیزات، کثیفی، mismatch، اتصالات و خطاهای اندازه‌گیری هم باید بررسی شوند.

بررسی افت تولید در ساعت‌های مشخص

یکی از نشانه‌های مهم سایه، تکرار افت تولید در یک بازه‌ی زمانی مشخص است. فرض کنید یک استرینگ در ساعت‌های ابتدایی صبح عملکرد طبیعی دارد، در حوالی ظهر هم با استرینگ‌های مجاور هماهنگ است، اما هر روز در یک بازه‌ی مشخص دچار افت می‌شود. اگر این الگو با موقعیت خورشید و هندسه‌ی موانع سازگار باشد، احتمال وجود سایه باید بررسی شود. این روش به‌خصوص برای سایه‌هایی مفید است که فقط در بخش محدودی از روز اتفاق می‌افتند.

مقایسه‌ی داده‌ها در روزها و فصل‌های مختلف

سایه‌های ناشی از ساختمان یا عوارض ثابت ممکن است در زمستان و تابستان الگوی متفاوتی داشته باشند. بنابراین یک مشکل ممکن است در یک فصل بسیار واضح باشد و در فصل دیگری تقریبا دیده نشود. پایش بلندمدت داده‌های نیروگاه می‌تواند چنین الگوهایی را آشکار کند.

در سلاریس 365 بخوانید:

مانیتورینگ نیروگاه خورشیدی برای شرکت‌های مجری نیروگاه

استفاده از I-V Curve Tracing

اندازه‌گیری منحنی I-V یکی از روش‌های دقیق‌تر برای بررسی رفتار الکتریکی ماژول و استرینگ است. تغییر شکل منحنی I-V یا P-V می‌تواند اطلاعاتی درباره‌ی عدم تطابق، سایه و وضعیت دیودهای بای‌پس ارائه کند. در شرایط سایه‌ی جزئی، چند نقطه‌ی بیشینه روی منحنی P-V هم ممکن است ایجاد شود که اهمیت تحلیل عملکرد MPPT را پررنگ می‌کند.

بازرسی حرارتی

تصویربرداری حرارتی می‌تواند برای شناسایی نقاط داغ و اختلاف دمای غیرعادی روی ماژول‌ها مورداستفاده قرار گیرد. این روش به خصوص زمانی اهمیت دارد که افت تولید در داده‌های مانیتورینگ نیروگاه خورشیدی مشاهده شده اما علت آن از طریق بازرسی چشمی مشخص نیست.

راهکارهای کاهش تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی

•     تحلیل سایه پیش از احداث نیروگاه: بررسی مسیر حرکت خورشید، موانع اطراف و میزان سایه‌اندازی در ساعت‌ها و فصل‌های مختلف پیش از تعیین محل و آرایش پنل‌ها. 

•     بهینه‌سازی فاصله و چیدمان ردیف‌های پنل: تنظیم فاصله بین ریدف‌ها و زاویه‌ی نصب به گونه‌ای که سایه‌ ردیف‌ها روی یکدیگر به حداقل برسد.
•     کنترل پوشش گیاهی اطراف نیروگاه: هرس منظم درختان و مدیریت پوشش گیاهی برای جلوگیری از ایجاد سایه در طول زمان
•     جلوگیری از ایجاد موانع جدید در سایت: محل نصب تجهیزات، دکل‌ها، تابلوها و سازه‌های جدید باید از نظر سایه‌اندازی روی پنل‌ها بررسی شود. 
•     طراحی مناسب استرینگ‌ها: آرایش پنل‌ها و تقسیم‌بندی استرینگ‌ها باید با توجه به شرایط سایه در سایت انجام شود تا اثر یک بخش سایه‌دار تا حد امکان به سایر پنل‌ها منتقل نشود.
•     استفاده‌ی صحیح از دیودهای بای‌پس: دیودهای بای‌پس می‌توانند در شرایط سایه‌ی جزئی از ایجاد برخی شرایط نامطلوب مانند بایاس معکوس و نقاط داغ جلوگیری کنند، هرچند افت توان ناشی از سایه را به طور کامل حذف نمی‌کنند. 
•     استفاده‌ی از بهینه‌سازی توان یا میکرواینورترها در پروژه‌های مناسب: این تجهیزات می‌توانند وابستگی عملکرد پنل‌های تحت سایه به سایر پنل‌ها را کاهش دهند و در برخی معماری‌ها به مدیریت بهتر عدم تطابق کمک کنند.
•     پایش مداوم عملکرد استرینگ‌ها: مقایسه‌ی تولید استرینگ‌های مشابه می‌تواند افت‌های غیرعادی و الگوهای تکرارشونده‌ی ناشی از سایه را سریع‌تر آشکار کند.
•     بازرسی دوره‌ای و تصویربرداری حرارتی: بررسی ظاهری پنل‌ها و استفاده از ترموگرافی می‌تواند به شناسایی سایه‌های موضعی و شرایط مرتبط با Hot Spot کمک کند.
•     تحلیل داده‌های مانیتورینگ در ساعت‌ها و فصل‌های مختلف: بررسی تغییرات تولید در طول روز و سال کمک می‌کند سایه‌هایی که فقط در زمان‌های مشخص ایجاد می‌شوند، شناسایی شوند.
•     بازنگری دوره‌ای مدل سایه‌ی نیروگاه: با تغییر محیط اطراف،‌ رشد پوشش گیاهی یا اضافه شدن سازه‌ها، تحلیل سایه باید به روزرسانی شود تا شرایط واقعی سایت با طراحی اولیه مقایسه شود.

 
 بررسی تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی

مطالعات میدانی انجام‌شده روی سیستم‌های فتوولتائیک نشان داده‌اند که اثر سایه به شدت به محل قرارگیری آن روی ماژول و نحوه‌ی اتصال الکتریکی پنل‌ها وابسته است. در یک مطالعه‌ی تجربی انجام‌شده در Solar Tech Lab پلی‌تکنیک میلان‌، اثر سایه‌ی جزئی روی ماژول‌های مونوکریستال و پلی‌کریستال بررسی شد. این مجموعه شامل ۲۱ ماژول بود و آزمایش‌ها در شرایط واقعی فضای باز انجام شدند. در آزمایش‌ها، سایه با الگوهای مختلف روی یک سلول یا بخش‌هایی از ماژول اعمال شد و منحنی‌های I-V و P-V در شرایط بدون سایه و سایه‌ی جزئی اندازه‌گیری شدند. نتایج نشان داد که اثر سایه به هندسه‌ی سایه، میزان پوشش و ساختار الکتریکی ماژول وابسته است و دیودهای بای‌پس نقش مهمی در محدود کردن اثر سایه دارند. اهمیت مطالعه‌ی فوق برای بهره‌برداران این است که نشان می‌دهد نمی‌توان صرفا بر اساس درصد سطح سایه‌خورده، میزان افت توان را تخمین زد.

مطالعه موردی دوم؛ اثر سایه روی استرینگ

در یک مطالعه‌ی آزمایشگاهی- میدانی دیگر، اثر سایه روی آرایه‌های متصل به صورت سری بررسی شد. در این آزمایش، استرینگ‌هایی شامل دو، سه و چهار ماژول ایجاد و در هر حالت یکی از ماژول‌ها به طور کامل پوشانده شد. جریان، ولتاژ و منحنی‌های I-V استرینگ در شرایط مختلف اندازه‌گیری شدند. نتایج نشان داد که سایه یک ماژول می‌تواند رفتار الکتریکی کل استرینگ را تغییر دهد و اثر آن به ساختار استرینگ و وضعیت ماژول‌ها وابسته است. 

مانیتورینگ چگونه به تشخیص سایه در نیروگاه خورشیدی کمک می‌کند؟

•     مقایسه عملکرد استرینگ‌ها: تولید استرینگ‌های مشابه با یکدیگر مقایسه می‌شود تا افت غیرعادی در یک استرینگ شناسایی شود.
•     شناسایی افت تولید در ساعت‌های مشخص: اگر سایه فقط در ساعت‌های خاصی ایجاد شود، داده‌های مانیتورینگ می‌توانند الگوی تکرارشونده‌ی افت تولید را نشان دهند.
•     بررسی تغییرات تولید در فصل‌های مختلف: مقایسه‌ی داده‌های روزانه و فصلی به شناسایی سایه‌هایی کمک می‌کند که به دلیل تغییر زاویه‌ی خورشید فقط در دوره‌های خاصی ظاهر می‌شوند.
•     تشخیص افت توان استرینگ: کاهش مداوم یا تکرارشونده‌ی توان یک استرینگ نسبت به استرینگ‌های مشابه می‌تواند نشانه‌ای برای بررسی احتمال سایه باشد.
•     تحلیل همزمان جریان و ولتاژ: بررسی تغییرات جریان و ولتاژ می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره‌ی نوع افت عملکرد و احتمال وجود عدم تطابق ناشی از سایه ارائه دهد.
•     بررسی داده‌های تاریخی: نگهداری سوابق تولید امکان مقایسه‌ی عملکرد فعلی با دوره‌های گذشته را فراهم می‌کند و می‌تواند تغییرات جدید، مانند رشد پوشش گیاهی یا ایجاد یک مانع را آشکار کند.
•     هشداردهی برای ناهنجاری‌های عملکردی: سیستم مانیتورینگ می‌تواند در صورت مشاهده‌ی افت غیرعادی یا اختلاف عملکرد بین بخش‌های مختلف نیروگاه، هشدار ایجاد کند تا بررسی میدانی سریع‌تر انجام شود. 
•     کمک به تشخیص زودهنگام مشکل: مانیتورینگ باعث می‌شود افت تولید فقط در بازدیدهای دوره‌ای کشف نشود و تغییرات عملکردی در فاصله‌ی بین دو بازدید هم قابل پیگیری باشد. 
•     ترکیب داده‌های مانیتورینگ با بازرسی میدانی: داده‌های نرم‌افزار به تنهایی اثبات‌کننده وجود سایه نیستند؛ می‌توان از آن‌ها برای مشخص کردن زمان و بخش مشکوک و سپس بررسی پنل‌ّ‌ها، مسیر حرکت سایه و تجهیزات سایت استفاده کرد. 

 جمع‌بندی

تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشید به یک عامل واحد محدود نیست و به محل سایه، شدت و مدت آن، طراحی ماژول و استرینگ، شرایط تابش و تجهیزات الکتریکی وابسته است. سایه‌ی جزئی حتی در سطح یک بخش از پنل می‌تواند رفتار الکتریکی ماژول و استرینگ را تغییر دهد و در شرایط خاص، زمینه‌ی ایجاد Hot Spot فراهم کند. 

از طرف دیگر، همه‌ی سایه‌ها با چشم قابل تشخیص نیستند. برخی مشکلات فقط در ساعت‌های مشخص یا فصل‌های خاص ظاهر می‌شوند. به همین دلیل، ترکیب بازدید میدانی با پایش استرینگ خورشیدی، مانیتورینگ نیروگاه، تحلیل الگوی تولید و ابزارهای تشخیصی مانند I-V Tracing و ترموگرافی می‌تواند شناسایی افت تولید را سریع‌تر کند و مانع از ادامه یافتن یک مشکل ناشناخته در طول زمان شود.

پرسش‌های متداول

آیا تأثیر سایه بر تولید نیروگاه خورشیدی متناسب با مساحت سایه است؟

خیر لزوما چنین نیست. سایه روی بخش کوچکی از یک ماژول می‌تواند به دلیل اتصال سری سلول‌ها و عملکرد دیودهای بای‌پس، اثر قابل توجهی بر رفتار الکتریکی پنل یا استرینگ داشته باشد. بنابراین نمی‌توان یک درصد ثابت از سطح سایه را به همان درصد کاهش تولید نسبت داد.

چگونه سایه در نیروگاه خورشیدی تشخیص داده می‌شود؟

برای تشخیص سایه می‌توان از ترکیب داده‌های مانیتورنیگ، مقایسه‌ی عملکرد استرینگ‌ها، بررسی افت تولید در ساعت‌های مشخص، تحلیل عملکرد در فصل‌های مختلف، بازرسی چشمی، ردیابی منحنی I-V و تصویربرداری حرارتی استفاده کرد. 

آیا سایه‌ی جزئی می‌تواند باعث Hot Spot در پنل خورشیدی شود؟

سایه‌ی جزئی در شرایط خاص می‌تواند زمینه‌ی ایجاد Hot Spot را فراهم کند، اما هر سایه‌ای الزاما باعث ایجاد نقطه‌ی داغ نمی‌شود. نوع و شدت سایه، شرایط کاری پنل، طراحی ماژول و عملکرد دیودهای بای‌پس در این موضوع مؤثر هستند.

دیود بای‌پس پنل خورشیدی چه نقشی در برابر سایه دارد؟

دیود بای‌پس می‌تواند در شرایط سایه، مسیر جریان را از بخشی از ماژول که تحت تأثیر قرار گرفته منحرف کند. این عملکرد به کاهش بخری تنش‌های الکتریکی و احتمال ایجاد Hot Spot کمک می‌کند، اما افت توان ناشی از سایه را به طور کامل از بین نمی‌برد.
 

منبع: AASolar