Kam yra reikalingi galios optimizatoriai? Ar būtina juos įrenginėti ant kiekvieno saulės modulio? Kam permokėti už optimizatorius, jeigu saulės moduliai turi diodus, saugančius nuo šešėlių? Dažnas užduoda šiuos klausimus vertinant rangovų pasiūlymus ir besirenkant saulės jėgainės įrangą. Šiame straipsnyje rasite atsakymus į minėtus klausimus ir sužinosite galios optimizatorių veikimo principą bei bypass diodų paskirtį.

Saulės elektrinės efektyvumą įtakoja saulės modulių kampas horizonto atžvilgiu, stogo orientacija ir galimi šešėliai. Jeigu sąlygos nėra idealios, kas dažnai paaiškėja tik saulės jėgainės įrengimo metu – patyręs montuotojas turi įvertinti situaciją ir pasiūlyti tinkamą sprendimą.

Kam yra reikalingi galios optimizatoriai?

Optimizatorius – tai galios keitiklis, veikiantis saulės modulio lygmenyje. Jeigu prie saulės modulio yra prijungtas galios optimizatorius, toks modulis, veikiant nevienodomis sąlygomis su kitais moduliais, sudaro minimalią įtaką likusiems saulės moduliams. Galios optimizatoriaus dėka yra mažinami galios skirtumai, kurie atsiranda dėl skirtingo saulės spinduliuotės lygio ant atskirų modulių paviršiaus. Tie skirtumai atsiranda dėl šešėlių, skirtingų saulės modulių kampų ar atskirų modulių degradacijos.

Netgi mažas šešėlis gali sumažinti visos saulės jėgainės efektyvumą. Kadangi saulės moduliai yra jungiami nuosekliai, šešėlio paveiktas modulis veikia tarytum čiaupas ant vandens žarnos, mažinantis likusių saulės modulių gaminamą galią.

Saulės modulių bypass diodai

Sprendžiant pagal pavyzdį su vandens žarna, jeigu turime pvz. kelis nuosekliai sujungtus 300 W saulės modulius ir vienas iš jų pradėjo gaminti tik pusę savo galios, tai suminė gaminama galia turėtų sumažėti iki 150 W. Laimei taip nėra, kadangi saulės moduliuose yra įrengti bypass diodai.

Patyręs specialistas žino, kokiais atvejais galios optimizatoriai gali būti panaudoti, o kokiais jie tiesiog didins saulės jėgainės nuostolius ir taps nepagrįstomis išlaidomis. O nepatyręs montuotojas gali iš viso nežinoti, kas tai yra galios optimizatorius arba pasiūlys juos įrengti ant visų saulės modulių. Galios optimizatoriai neišspręs visų problemų, todėl būtina apsvarstyti, ar toks sprendimas atneš ekonominės naudos.

Jeigu saulės modulio dalis yra ženkliai užtemdyta, atsidarys diodas ir sukurs savotišką tiltą per šešėlyje atsiradusią saulės modulio dalį. Užtemdytas ruožas negamins elektros energijos, tačiau likusios saulės modulio celės tęs elektros energijos gamybą.

Tikriausiai atkreipėte dėmesį į paryškintą žodį “ženkliai”. Teoriškai viskas skamba logiškai ir suprantamai, tačiau realybė yra šiek tiek kitokia.

Kai atsidaro vienas iš trijų diodų, saulės modulio galia sumažėja trečdaliu. Tačiau, kokio reikia šešėlio, kad atsidarytų diodas?

Pirmame paveiksle pavaizduotas šešėlis, nuo kurio diodas neatsidarė, ko pasekoje sumažėjo visos nuosekliai sujungtų saulės modulių grandinės galia. Antrame paveiksle atvaizduotas šešėlis aktyvavo diodą ir šio vieno saulės modulio galia sumažėjo trečdaliu.

Trečiame paveiksle pavaizduotas dalinis šešėlis, uždengęs septynias fotovoltines celes, aktyvavo bypass diodą, todėl elektros energijos gamyba sumažėjo trečdaliu. Ketvirtame paveiksle matome horizontalų šešėlį, dengiantį visas tris fotovoltinių celių grupes, bet neatsidarė nei vienas diodas ir elektros energijos gamyba sumažėjo visoje nuosekliai sujungtų saulės modulių grandinėje. Iš karto kyla klausimas, kodėl neatsidarė diodai, nors tikrai turėjo atsidaryti. O atsakymą rasite toliau, skaitant apie tai, kodėl bypass diodai suveikia ne visada.

Kada atsidaro bypass diodai?

Diodai yra įrengiami lygiagrečiai fotovoltinėms celėms, tačiau atvirkštiniu poliškumu, t.y. diodo anodas yra prijungiamas prie fotovoltinės celės neigiamo poliaus, o katodas prie teigiamo. Normaliomis sąlygomis, kuomet visos fotovoltinės celės yra tinkamai apšviestos, srovė teka nuo vienos fotovoltinės celės minuso, prie kitos pliuso ir diodas yra uždarytas. Šešėlyje atsidūrusios fotovoltinės celės generuojama srovė sumažėja, ko pasekoje tinkamai apšviestų fotovoltinių celių atviros grandinės įtampa padidėja. Dėl pasikeitusios likusių celių volt-amperinės charakteristikos, per užtemdytą celę pradeda tekėti atbulinė srovė (pasikeičia srovės tekėjimo kryptis) ir celė tampa ne elektros energijos gamintoju, o vartotoju. Tačiau, kadangi lygiagrečiai celei yra įrengtas bypass diodas, dėl pasikeitusios srovės krypties jis atsidaro ir per jį pradeda tekėti srovė, taip saugant užtemdytą celę nuo atbulinės srovės. Tekant elektros srovei diode įvyksta įtampos kritimas, kuris yra praktiškai proporcingas atbulinei įtampai, kurią generuoja užtemdyta fotovoltinė celė. Tokiu būdu šešėlio paveikta celė yra apsaugoma nuo perkaitimo ir gedimo.

Bet kodėl bypass diodai suveikia ne visada?

Inverterio paskirtis yra pastoviai sekti saulės modulių maksimalią galią ir reguliuoti volt-amperinę charakteristiką. Vienu atveju inverteris mažina visos grandinės srovę ir todėl nesuveikia bypass diodai, o kitu atveju – atvirkščiai, srovė yra didinama tiek, kad diodai atsidaro nuo menkiausio šešėlio. Daugumoje atveju bypass diodai, kurie yra pagrinde skirti saugoti fotovoltines celes nuo gedimo, pakankamai efektyviai mažina šešėlio įtaką elektros energijos gamybai. Ir šioje vietoje visi galios optimizatorių skeptikai pašoks iš laimės ir pasakys, kad jie yra teisūs, jog galios optimizatorių naudojimas yra pinigų švaistymas. Bet mes, galios optimizatorių ginėjai, taip greitai nepasiduosime, tad skaitykite toliau…

Kaip veikia galios optimizatoriai?

Skirtingų gamintojų galios optimizatorių veikimo principai šiek tiek skiriasi. Mes nagrinėsime Tigo galios optimizatorius, kadangi juos plačiai naudojame savo projektuose. Taigi, Tigo optimizatoriai veikia impedancijos suderinamumo principu. Plačiau apie tai skaitykite oficialiame Tigo straipsnyje, o čia mes trumpai aptarsime šio principo esmę. Impedancija reiškia praktiškai tą patį, kaip ir varža elektros grandinėse. Impedancija apriboja srovės tekėjimą elektros grandinėje. Šešėlis sukuria impedanciją saulės modulyje.

Šešėlio paveikto saulės modulio, turinčio galios optimizatorių, bypass diodai nespėja atsidaryti, kadangi galios optimizatorius sukuria savotišką elektrinį tunelį, kuriuo nevaržomai teka šešėlio nepaveiktų saulės modulių srovė, kurią riboja užtemdyto saulės modulio impedancija. Tai leidžia inverteriui veikti aukštesne srove, nuo kurios neatsidaro diodai, jie nekaista, visa sistema veikia didesniu efektyvumu ir pailgėja saulės modulių tarnavimo laikas. Tačiau, atsiranda ir tokių skeptikų, kurie sako, jog diodai visai negenda, nes neva jie ir skirti tam, kad atsidarinėtų ir praleidinėti per save nuosekliai sujungtų saulės modulių grandinės srovę be jokių neigiamų pasekmių ir galų gale jie atlieka praktiškai tą patį, ką ir galios optimizatoriai. Jeigu taip ir toliau manote, skaitykite toliau…

Galios optimizatorių privalumai, lyginant su bypass diodais

Tarkime, prie vieno iš inverterio MPPT įėjimų yra prijungti 6 nuosekliai sujungti saulės moduliai ir 3 iš jų atsidūrė stipraus šešėlio zonoje. Suveikus bypass diodams sumažės įtampa ir inverterio kanalas atsijungs nuo žemos įtampos. Todėl inverteris sumažins srovę, diodai liks uždaryti ir visos grandinės generuojama galia sumažės 80-90%. Esant įrengtiems galios optimizatoriams likę 3 saulės moduliai nevaržomai gamins elektros energiją ir bendras galios nuostolis sudarys 40-50%. Svarbu paminėti tai, kad inverteriuose, kurių nominali galia yra >= 5kW, šeši saulės moduliai yra minimalus skaičius vienam inverterio įėjimui, nes karštą vasarą, esant mažesniam modulių skaičiui, kanalas gali atsijungti dėl žemos įtampos. Taip pat, atsijungimas nuo žemos įtampos gali įvykti ir esant didesniam saulės modulių skaičiui. Tai priklauso nuo šešėlio dydžio, aplinkos temperatūros, saulės spinduliuotės, saulės modulių pasvirimo kampo.

Esant tokiam šešėliui, dėl kurio atsidaro visi 3 bypass diodai, saulės modulis be optimizatorių bus pilnai išeliminuotas iš grandinės, o saulės modulis su optimizatoriais įdės savo 10-20% įnašą į bendrą visos grandinės gaminamą galią. Šį faktą puikiai atspindi šis paveiksliukas:

Kairėje pusėje pavaizduotas saulės modulis, turintis optimizatorių, o dešinėje – modulis be optimizatoriaus, kuriame atsidarė visi 3 bypass diodai. Optimizuotas saulės modulis labai stipriai sumažins elektros energijos gamybą, tačiau gebės perduoti į grandinę tą energijos kiekį, kurį bus pajėgus pagaminti. Neoptimizuotas saulės modulis, bypass diodų dėka, bus visiškai išeliminuotas iš grandinės. Atkreipkite dėmesį į tai, kad aukščiau buvo aptariamas identiškai paveiksliukas, kaip ir šis iš dešinės, tik ten nagrinėjome atvejį, kuomet diodai neatsidarė dėl inverterio žemos įtampos.

Kaip jau buvo paminėta anksčiau, bypass diodai nėra skirti galios optimizavimui, o fotovoltinių celių apsaugai nuo karštų taškų ir visiško gedimo. Diodai yra puslaidininkiniai elementai, turintys ribotą atsidarymų – užsidarymų ciklų skaičių. Kuo dažniau jie suveikia, o tiksliau kuo dažniau jie per save praleidžia didelę srovę ir įkaista, tuo trumpesnis jų tarnavimo laikas. Jeigu neįrengsite galios optimizatorių tiems moduliams, kurie patenka į ženklų šešėlį, anksčiau ar vėliau diodai suges ir saulės modulis nebe bus apsaugotas nuo karštų taškų.

Tai ar verta naudoti galios optimizatorius?

Šiame straipsnyje išnagrinėjome techninius ir ekonominius galios optimizatorių taikymo aspektus. Supratome, kad bypass diodai, nors ir prisideda prie didesnės elektros energijos gamybos šešėlių atveju, tačiau yra įrenginėjami tam, kad apsaugotų saulės modulius nuo karštų taškų. Išsiaiškinome, kad diodas gali ir neatsidaryti ir kad jo veikimą valdo inverteris. Palyginome atvejus, kaip šešėlis įtakoja optimizuotus ir neoptimizuotus saulės modulius. O dabar Jūsų dėmesiui pateikiame realų pavyzdį, kuomet pirminis saulės jėgainės įrengimo projektas buvo atliktas be galios optimizatorių, o vėliau septyniems saulės moduliams įrengti Tigo galios optimizatoriai.