Uvod
Pred nešto vremena opisali smo kako optimalno spojiti (serijski ili paralelno) dva jednaka fotonaponska modula na jedan MPPT regulator punjenja ako su oba modula jednaka, ali nejednako osunčana, tj. zasjenjena. Tamo je opisana „borba“ sa sjenama uz dva jednaka modula, ali što ako imamo samo jedan modul? Na našim malim brodicama to je čest slučaj. Kako onda smanjiti utjecaj sjena? A što ako imamo više modula u nizu ili možda više nizova u paralelnom spoju?
I ovaj puta odgovorit ćemo na ovo pitanje preko fizikalne slike i karakteristika djelovanja modula grafički i opisno, a bez formula! Na svu sreću fotonaponski modul je dovoljno poznavati na razini njegovih karakteristika, tj. kako se ponaša u strujnom krugu, a ne i što se u njemu stvarno događa. Današnji moduli proizvode se u tehnologiji raspolovljenih ćelija, ali za razumijevanje kako se tehnologija raspolovljenih ćelija bori s djelomičnim ili cjelovitim zasjenjenjem jedne ćelije modula, moramo ipak ponoviti ponešto osnova.
O diodi
Dioda je poluvodički ventil s dva energetska izvoda. Dioda se može nalaziti u stanju vođenja ili u stanju zapiranja.
Stanje vođenja. Idealna dioda u stanju vođenja predstavlja kratki spoj, a u stanju zapiranja predstavlja prekid strujnog kruga. Stvarna dioda pak počinje voditi struju u propusnom smjeru ako napon na diodi prijeđe prag vođenja. Prag vođenja je iznos za koliko mora biti anoda pozitivnija u odnosu na katodu da bi struja tekla kroz diodu od anode prema katodi. Prag vođenja možemo u pojednostavnjenoj slici s klasičnom sklopkom predstaviti da je to napon koji mora „pročistiti“ kontakte da bi struja stvarno i protekla. Ako su kontakti klasične sklopke masni, zaprljani onda mali naponi ne mogu provesti struju, no čim se napon poveća kontakti se „pročiste“ i sklopka provede. Sam simbol diode podsjeća na strelicu i upravo samo u tom smjeru, od anode prema katodi može teći struja.
Stanje zapiranja. Ako je napon na anodi negativan u odnosu na katodu onda dioda dolazi u stanje zapiranja. U tom području struja gotovo ne teče, no u stvarnoj diodi ona postoji, zanemarivo je male razine i naziva se reverzna struja ili struja zapiranja. Ako se napon na anodi sada povećava tako da je sve više negativan u odnosu na katodu doći će do proboja diode. Razina proboja je onaj napon pri kojem dioda više ne može izdržati zapiranje već probija, provede struju u zapornom smjeru i u pravilu bude uništena. U analognoj slici s običnom sklopkom, to bi mogao biti onaj prag napona kada kontakti iako razmaknuti više ne mogu izdržati da ne dođe do električnog luka među njima. Naravno da tako sklopka više nije u isklopljenom stanju, već je zaiskrila, provodi struju i općenito je neispravna. Na slici 1. prikazan je simbol diode, idealna i stvarna strujno-naponska karakteristika.
Od diode do fotonaponskog modula
Što se događa ako diodu izvedemo tako da na nju može dolaziti svjetlost? Dobiva se fotonaponska ćelija. Kada svjetlo obasja diodu, energija fotona stvara slobodne nositelje naboja. To se može predstaviti strujnim izvorom paralelno spojenim s diodom. Strujni izvor predstavlja ustaljenu struju stvorenu energijom fotona (fotoelektrična struja), koja zavisi od razine osunčanja. Što je osunčanje veće, veća je i fotoelektrična struja. Može se i ovako reći: pod djelovanjem svjetla, karakteristika diode klizi prema dolje, dakle u smjeru reverzne struje i to upravo za iznos fotoelektrične struje stvorene svjetlom, slika 2 – lijevo. Poznavajući karakteristiku diode, „osvjetljavanjem“ spoznajemo i vanjsku karakteristiku fotonaponske ćelije. U tehničkoj literaturi koristi se samo jedan kvadrant karakteristike fotonaponske ćelije, pri čemu strujna os, zbog prikaza, ali i logike trošilo/generator, mijenja predznak, slika 2 desno – crvena linija. Pozitivna struja je ona koja izlazi iz fotonaponske ćelije jer je obasjana fotonaponska ćelija u stvari izvor struje, tj. generator struje. Na slici 2. se na strujno-naponskoj karakteristici fotonaponske ćelije uočavaju dvije karakteristične vrijednosti: napon praznog hoda kao napon pri otvorenim stezaljkama fotonaponske ćelije UOC i struja kratkog spoja kao struja uz kratko spojene stezaljke fotonaponske ćelije ISC. Sve među-točke naponsko strujne karakteristike fotonaponske ćelije mogu se dobiti terećenjem ustaljeno osunčane fotonaponske ćelije uz snimanje iznosa napona i struje.
Slika 3. prikazuje dvije ćelije spojene jednom serijski, a drugi puta paralelno. Za ovaj trenutak pretpostavljamo da su obje ćelije jednako osunčane. Crtkanom crvenom linijom označena je strujno-naponska karakteristika jedne ćelije. U serijskom spoju kroz obje ćelije prolazi ista struja, a naponi se zbrajaju i tako se dobiva strujno-naponska karakteristika serijski spojenih ćelija – puna crvena linija na slici 3 (gore). U paralelnom spoju obje ćelije imaju isti napon, a struje im se zbrajaju. Strujno-naponska karakteristika paralelno spojenih ćelija nacrtana je i u ovom slučaju punom crvenom linijom (slika 3 dolje).
Zasjenjenje fotonaponske ćelije
Strujno-naponska karakteristika fotonaponske ćelije mijenja se pri promjeni razine osunčanja uslijed pojave oblaka ili sjene, slika 4. (dolje lijevo). No zasjenjenje već samo jedne fotonaponske ćelije u nizu serijski spojenih ćelija djelovat će na ponašanje cijelog niza, slika 4. (gore). Na toj slici za primjer spojeno je 36 ćelija u niz pri čemu je 36. ćelija djelomično zasjenjena. Zasjenjena ćelija će biti „usko grlo“ za struju ne zasjenjenih ćelija, tj. ograničit će struju svih u niz serijski spojenih ćelija. Crtkanom strelicom se prikazuje struja koja bi mogla teći da nema sjene na 36. ćeliji, dok je punom strelicom označena struja koju propušta zasjenjena ćelija i koja postaje struja cijelog niza. Zamislite sliku crijeva za zalijevanje vrta sastavljenog iz n komada. Sve dok su svi komadi jednako protočni voda prolazi kroz crijevo nesmetano. Stanemo li na jedan segment smanjit će se protok kroz taj segment, ali i kroz cijelo crijevo. Ograničenje struje znači ograničenje snage, a promatrano u vremenu to je ograničenje proizvedene energije. Uočite još jednom, samo jedna djelomično zasjenjena ćelija može „zakočiti“ proizvodnju serijski spojenog niza fotonaponskih ćelija.
Kako je u uvodu objašnjeno, pri potpunom zasjenjenju jedne ćelije, primjerice 36. ćelije, ta ćelija više ne proizvodi fotoelektričnu struju već postaje obična dioda, slika 5. Zbog jednostavnosti neka se pretpostavi da je izlaz tog niza ćelija kratko spojen kako je i nacrtano na slici 5.(dolje). „Obična dioda“ C36, nastala potpunim zasjenjenjem 36. fotonaponske ćelije, na anodi ima negativan napon u odnosu na katodu i to sumu napona svih 35 ne zasjenjenih ćelija spojenih u seriju. To daje UAK = – (35 * 0,6) = – 21 V. Reverzni napon od 21 V na diodi C36 (potpuno zasjenjenoj fotonaponskoj ćeliji!) je veći od probojne razine diode pa će ta ćelija, sada dioda, probiti! Nakon proboja struja nastavlja nesmetano teći i sva snaga proizvedena u 35 ćelija predaje se u 36. ćeliju koja postaje trošilo u tom strujnom krugu. Probijanje fotonaponske ćelije dogodit će se najprije u jednoj točki. Kroz tu točku će prolaziti sva struja modula i ta će se točka grijati, taliti i širiti. Ta pojava točkastog grijanja i taljenja ćelije se naziva i „hot-spot efekt“. Jednom probijena fotonaponska ćelija više nije u funkciji proizvodnje fotoelektrične struje (neispravna je!) već predstavlja nepoželjno mjesto zagrijavanja, a na kraju mjesto prekida (što je zapravo dobro!) ili zapaljenja (što naravno nije dobro!) u strujnom krugu niza ćelija.
Neželjena pojava zagrijavanja i konačno proboja fotonaponskih ćelija zbog zasjenjenja sprječava se u izvedbi fotonaponskih modula ugradnjom premosnih (engl. bypass) dioda. Idealno bi bilo svakoj fotonaponskoj ćeliji spojiti premosnu diodu, ali to se u praksi ne radi jer je u komercijalnim modulima 60 ili više ćelija spojeno serijski. U našem primjeru paralelno s 18 fotonaponskih ćelije spaja se po jedna premosna dioda, slika 6. Današnji moduli najvećih snaga tako imaju najčešće 3 premosne diode. U našem primjeru kroz ne zasjenjenje ćelije 1 do 18 i kroz premosnu diodu može nesmetano teći struja koju ćelije 1 do 18 mogu proizvesti. Premosna dioda koja premošćuje dio niza ćelija 19 do 36 (u kojem se nalazi potpuno zasjenjena ćelija) je propusno polarizirana, anoda je pozitivnija od katode zbog napona koji stvara ispravni dio fotonaponskog modula tj. ćelije 1 do 18. Nadalje, zasjenjena 36. ćelija više nema na sebi reverzni napon svih 35 ćelija već samo 17 ćelija, a razina tog napona više nije dovoljna da 36. ćelija, sada dioda, probije! Zasjenjenjem jedne ćelije došlo je do smanjenja snage jer premošteni dio (u našem slučaju polovica ćelija!) više ne proizvodi energiju, no spriječeno je razaranje modula. Čim sjena nestane, sve ćelije opet mogu nesmetano nastaviti punu proizvodnju. Premosne diode smještaju se uobičajeno u spojnu kutiju na poleđini fotonaponskog modula.
Tehnologija raspolovljenih ćelija (engl. half-cut cell)
Tehnologija raspolovljenih ćelija (engl. half-cut cell) primjenjuje, kako sama riječ kaže, raspolovljene ćelije, slika 7. Na „tržištu“ se pojavila daleke 2014. godine. Komercijalni fotonaponski moduli obično imaju 60 do 72 ćelije, pa ako se te ćelije prepolove imaju 120 do 144 polovica ćelije. Ali polovica ćelije je i opet ćelija i ima sva svojstva ćelije! Cjelovite ćelije se režu na polovice laserom. Smanjenjem izmjera polovice ćelije prema cjelovitoj ćeliji smanjuje se i struja u polovici ćelije. Struja u polovici ćelije se prepolovi u odnosu na struju cjelovite ćelije. Tako se smanjuju i gubici pri prolazu struje kroz polovice ćelija i kroz sabirnice jer oni ovise o kvadratu iznosa struje. Smanjenje gubitaka znači povećanje učinkovitosti. U istim izmjerama ćelije tehnologija raspolovljene ćelije ima 2 do 3% bolju učinkovitost od tehnologije cjelovite ćelije. Zbog manjih izmjera polovice ćelija imaju veću mehaničku otpornost. U tehnologiji cjelovitih ćelija stalno se povećavaju izmjere ćelije tako da se već došlo i do 210 x 210 mm po ćeliji. Upravo za ovako velike ćelije rezanje na pola posebno povoljno utječe na mehanička svojstva fotonaponskih modula.
Fotonaponski modul na slici 8 ima 60 ćelija, tj 120 polovica ćelija. Te se polovice ćelija ne spajaju u seriju čime bi se napon takvog modula udvostručio, već se po 60 polovica spaja u seriju, a onda dva takva niza u paralelu. Time se zadržao napon modula kao i kod modula s cjelovitom ćelijom, ali se u istom kućištu dobivaju dva paralelno spojena fotonaponska modula, slika 8.
Kako djeluje zasjenjenje u tehnologiji raspolovljenih ćelija
U slučaju zasjenjenja jedne ćelije u modulu s cjelovitim ćelijama ispada iz proizvodnje cijeli niz ćelija koji je pokriven premosnom diodom. Na modulu sa 60 ćelija to je 20 ćelija, naime 20 ćelija pokriva jedna premosna dioda. Snaga modula pada na dvije trećine, slika 9. gore. Primijetite da su premosne diode u modulu s raspolovljenim ćelijama zajedničke za obje polovice modula, slika 9 dolje. U slučaju zasjenjenja jedne ćelije u modulu s raspolovljenim ćelijama ispada iz proizvodnje cijeli niz polovica ćelija koji je pokriven premosnom diodom, a to je opet 20 polovica ćelija, tj snaga modula pada na pet šestina pune snage, slika 9. dolje. Jasno je za uočiti da druga polovica modula s raspolovljenim ćelijama pri zasjenjenju samo jedne ćelije nesmetano i dalje proizvodi. Zasjenjenje jedne ćelije na modulu s cjelovitim ćelijama je „koštalo“ jednu trećinu snage modula, a zasjenjenje jedne ćelije na modulu s raspolovljenim ćelijama tek jednu šestinu snage modula. Tko želi i dodatno produbiti fizikalnu sliku, može potražiti i već spomenuti članak „Kako spojiti dva modula: serijski ili paralelno“. Tamo je detaljno objašnjeno paralelno spajanje dva modula od kojih je jedan djelomično zasjenjen, a drugi potpuno osunčan. Upravo to je slučaj sa slike 9. dolje jer, kako smo naučili u tehnologiji raspolovljenih ćelija u jednom mehaničkom kućištu smještena su dva paralelno spojena fotonaponska modula!
Ako se pak radi o sjeni koja zahvaća cijelu širinu modula, tada modul s cjelovitim ćelijama više ne proizvodi energiju, dok modul s raspolovljenim ćelijama proizvodi s polovicom snage sve dok sjena ne prijeđe polovicu modula, slika 10.
Spoj dva paralelna modula u tehnologiji raspolovljenih ćelija je na sredini zajedničkog kućišta pri čemu su premosne diode zajedničke, slika 9. Svaka premosna dioda je u svom posebnom kućištu na poleđini modula čime se značajno smanjuje toplinsko opterećenje ćelije ispod koje je kućište s premosnom diodom, slika 11. Na modulu s cjelovitim ćelijama spojna kutija sadrži sve tri premosne diode pa je time izvor topline „točkast“ što može dovesti do kvara na ćeliji iznad spojne kutije, a onda i do hot spot efekta. U tehnologiji raspolovljenih ćelija opasnost od hot spot efekta iznad spojne kutije je značajno smanjena jer su diode u svojim kućištima međusobno razmaknute.
Optimizator u serijski spojenom nizu fotonaponskih modula
U slučaju serijskog spoja nekoliko fotonaponskih modula, modul s najmanjom proizvodnjom (zasjenjeni modul) ograničit će proizvodnju svih serijski spojenih modula, na sličan način kako je opisano za niz fotonaponskih ćelija. I ovdje vrijedi analogija s crijevom za zalijevanje vrta. Stanemo li na jednom mjestu crijeva smanjit će se protok kroz cijelo crijevo. Ako se u jednom modulu serijski spojenog niza modula, primjerice zbog zasjenjenja tog modula smanji struja s 5 A na 2 A, to će se i u svim modulima tog serijski spojenog niza smanjiti struja na 2 A. Time će se smanjiti i proizvodnja cijelog niza, premda su svi ostali moduli osunčani i mogli bi davati očekivanih 5 A, slika 12. gore!
Do neizbježnog razlikovanja proizvodnje električne energije jednog modula od ostalih može doći zbog:
- promjene u osunčanju uslijed pomicanja oblaka ili predmeta iznad modula. Oblaci i predmeti zaustavljaju sunčevu svjetlost, ali isto tako mogu i reflektirati dodatnu svjetlost tako da se osim pada proizvodnje može dogoditi i porast proizvodnje u odnosu na druge module.
- međusobnih proizvodnih razlika modula. Ne postoji dva jednaka modula, proizvođači daju toleranciju snage modula do + 5 % u snazi. Ovo se može izbjeći ako bi se prije ugradnje moduli još jednom izmjerili i međusobno uskladili prije ugradnje u niz, ali to se u praksi ne radi.
- temperaturnih razlika mjesta ugradnje. Na različitim montažnim pozicijama, primjerice modul na krovu kabine i modul na krmi koji je hlađen zrakom imaju različite temperature okoline. Zbog koeficijenta promjene napona modula uslijed temperature od najčešće 0,44 % / °C temperaturna razlika od 20 °C može dovesti do 9 % razlike u snazi.
- neprimijećenih kvarova premosnih dioda. Neispravna premosna dioda ponaša se kao kratki spoj i sprječava doprinos naponu i do trećine ćelija jednog modula s cjelovitim ćelijama. Na razini mjerenja napona niza kod velikih nizova to može biti 2 do 3 % napona niza, što po iznosu odgovara točnosti mjernog instrumenta kojim se mjeri napon niza, stoga kvar jedne premosne diode može ostati trajno neprimijećen. Kvarovi dioda se mogu otkriti samo ako se nadzire i mjeri napon svakog modula.
- neravnomjernog zaprljanja modula u nizu. Neravnomjerno zaprljanje (list, ptičji izmet, nakupljena prašina uz rub zbog ne ispiranja kišom pri malim nagibima…) je očekivano stanje. Točkasto zaprljanje može dovesti i do stvaranja „hot spot“ mjesta na nekom modulu. Tipični gubici zbog zaprljanja mogu iznositi i do 4 % snage modula.
- razlike u naponu niza zbog različite duljine i/ili presjeka spojnih kabela između modula i opreme. Pri paralelnom spajanju nizova, manje razlike u naponu niza ne djeluju izraženo, ali djeluju.
- promjenjive i različite brzine starenja. Moduli starenjem gube snagu, približno oko 1 % godišnje. Međusobne razlike snage modula uslijed starenja mogu biti i od 1 do 4 % zbog različite brzine starenja svakog pojedinog modula.
- različitog redovnog trošenja. Moguća su lokalna veća ili manja mehanička oštećenja ili ogrebotine površine modula za vrijeme višegodišnjeg rada.
Ako se prati rad svakog u seriju spojenog modula na njegovim stezaljkama kroz vrijeme, moguće je primijetiti električne razlike impedancije na primjerice zasjenjenom modulu u odnosu na druge ne zasjenjene module ili na impedanciju u proteklom vremenu. Te uočene razlike mogu otvoriti „elektronički upravljanu premosnu sklopku“ tog zasjenjenog modula i to upravo za razliku struje od one koju proizvodi zasjenjeni modul do pune struje nezasjenjenog modula. Tako svi nezasjenjeni moduli mogu propuštati svoju punu struju i nisu više kočeni zasjenjenim modulom, a i taj zasjenjeni modul doprinosi koliko može. Uređaj koji ovo omogućuje je optimizator (engl. optimizer), slika 12. Optimizatore je moguće spojiti na svaki modul serijskog niza modula ili samo na one koji su očekivano pogođeni većim zasjenjenjem tijekom dana. Polazeći od načela djelovanja optimizator je nezamjenjiv uređaj za sve instalacije koje imaju serijski spojene fotonaponske module!
Zaključak
Polazeći od jednostavnih fizikalnih slika opisano je kako tehnologija raspolovljenih ćelija može doprinijeti povećanju učinkovitosti fotonaponskih modula uz značajno smanjenje ovisnosti proizvodnje o sjenama. Zasjenjenje samo jedne ćelije na fotonaponskom modulu s raspolovljenim ćelijama utječe pola manje nego na modulu s cjelovitim ćelijama. Zasjenjenje po cijeloj širini modula isključuje proizvodnju na modulu s cjelovitim ćelijama, dok modul s raspolovljenim ćelijama proizvodi sve dok sjena ne prijeđe polovicu modula. Ako su sjene neizbježne, nepredvidive i dinamične, a fotonaponski moduli su spojeni u niz tada je primjena optimizatora najbolje tehničko rješenje da se utjecaj zasjenjenja jednog modula ne prenese na cijeli niz.