PV Sistemlerinde Gölge Kaybı ve Bunları Azaltmak için Teknikler

Gölgenin PV Çıkışı Üzerine Etkileri

PV sistemler aldıkları güneş ışığı miktarına bağlı olarak elektrik ürettikleri için, örneğin bir yakındaki ağaç tarafından bir panel üzerine bir gölge düştüğünde güç çıkışı azalır. Tabi, güçteki bu düşüş başlangıçta göründüğünden çok daha kötü de olabilir.

Şekil 1. Kısmi gölgede güneş panelleri. (Kaynak: lowcarbonlivingblog.wordpress.com)

Sezgisel olarak yorumladığımızda panelin güç çıkışı gölgeli alana orantılı olarak azalacak olsa da ancak durum tam olarak böyle değil. Stanford Üniversitesi’nden Gil Masters’ın Yenilenebilir Enerji ve Verimli Elektrik Güç Sistemleri adlı kitabında, küçük bir güneş modülündeki 36 hücreden yalnızca bir tanesinin güç çıkışını % 75’in üzerinde azaltabildiğini gösteriyor.

Su Akış Analojisi

Gölgelemenin neden bu kadar ciddi kayıplara yol açtığını kavramsallaştırmak için, akışkanlar mekaniğinin temel kanunlarından olan borularda akan suyun mantığını kullanmak faydalı olacaktır. Tıpkı borudan geçen suyun akış hızı sabit olması gibi, verilen bir ışınım seviyesi için bir hücre dizisinden geçen akım sabittir.

Şekil 2. Bir su borusunun bir dizi güneş hücresine benzetimi.

Bir güneş hücresini gölgelenmesi, bir su borusunun tıkanmasına benzer. Borudaki tıkanıklık, tüm boru boyunca suyun akışını kısıtlar. Benzer şekilde, bir güneş paneli gölgelendiğinde, tüm dize boyunca akım azalır.

Şekil 3. Gölgeli bir güneş paneli, bir su borusundaki tıkanmaya benzer.

Bu önemli çünkü hücre dizisindeki her hücre gölgeli hücre tarafından ayarlanan akımda çalışmak durumunda kalmaktadır. Bu, gölgelenmemiş hücrelerin maksimum güçte çalışmasını engeller. Bu nedenle, az miktarda gölgelendirme, bir güneş panelinin güç çıkışı üzerinde dramatik bir etkiye sahip olabilir. Benzer prensipler birbirine bağlı PV modülleri için de geçerlidir. Tek bir modülün bile gölgelenmesi durumunda, tüm modül dizisinden çıkan akım aşırı derecede azalabilir ve potansiyel olarak önemli güç çıkışı kaybına yol açar.

Gölgeleme Zararlarının Azaltılması Yaklaşımları

Neyse ki, gölgeleme kayıplarını azaltmak için PV sistem tasarımında uygulanabilecek bir dizi farklı yaklaşım bulunmaktadır. Bunlar farklı dizi(string) düzenlemeleri, baypas diyotları ve modül seviyesi güç elektroniğinin kullanımını içermekte (MLPEs).

1. Dizi Düzenlemeleri

Seri halinde bağlanan modüller dizileri oluşturur ve dizgiler bir invertere paralel olarak bağlanabilir. Bir dizinin tüm modülleri boyunca akım aynı olmalı ve paralel dizilerin voltajı aynı olmalıdır. Son bölümde gördüğümüz gibi, bir dizideki gölgeli bir modül dizinin güç çıkışını önemli ölçüde azaltabilir. Bununla birlikte, bir dizideki gölgeli bir modül paralel bir dizinin güç çıkışını azaltmaz. Bu nedenle gölgeli modülleri ayrı dizilere gruplayarak, dizinin genel güç çıkışı en üst düzeye çıkarılabilir.

Çatı eğimini veya yağmur deresini gizlemek için daha çok sanayi tipi çatılarda kullanılan parapet duvarlar örneğinde, gölge etkisinde kalan dizideki modülleri gruplayarak grup modüllerini, gölge almayan modülleri ayrı, paralel diziler halinde tutmak faydalı olabilir. Bu şekilde gölgelenmemiş diziler daha yüksek bir akım ve güç çıkışı sağlayabilir.

Şekil 4. Seri (solda) ve paralel (sağda) bağlı modüller içeren PV dizileri.

2. Baypas Diyotları

Baypas diyotları, modülün akımın modülün gölgeli bölgelerini “atlamasını” sağlayan bir modüldür. Bypass diyotları kullanılarak, gölgelenmemiş hücre dizilerinin yüksek akımı gölgeli hücre dizisi etrafında akabilir. Bununla birlikte, bu, atlanan hücrelerin çıktısını kaybetme anlamına gelmekte. Her bir güneş hücresi için bir bypass diyotuna sahip olmak teorik olarak ideal olmakla birlikte, maliyet nedenlerinden ötürü tipik bir güneş modülünün hücreleri üç seri hücre dizisine etkin bir şekilde gruplandırarak üç bypass diyotuna sahip olması mantıklı olacaktır. Örnek olarak, bir 60 hücre modülü tipik olarak her 20 hücre için bir bypass diyotuna sahip olacaktır.

Şekil 5. Seri olarak her biri paralel bypass diyotlu üç hücre dizisi içeren PV modülü.

3. Modül Seviyesi Güç Elektroniği (MLPE)

MLPE’ler, gölgeli koşullar altında performansı artırmak için münferit modüllere bağlı olan cihazlardır (uyumsuzluk azaltma ve modül düzeyinde izleme gibi başka faydaları olsa da). Bu, modül seviyesinde maksimum güç noktası takibi yapılarak yapılır. MLPE’ler DC optimize edicileri ve mikro invertörleri içerir.

      i. DC Optimize Ediciler:

Bir DC optimizer, diğer modüllerin performansından ödün vermeden maksimum gücü korumak için çıkış voltajını ve akımını ayarlar. Örneğin, gölgeli bir modül daha düşük bir akıma sahip elektrik ürettiğinde, DC optimizer, gölge etkisinde olmayan modülden akan akımla eşleşmesi için çıkıştaki akımı artıracak; optimizer, çıkış voltajının akım seviyesini aynı oranda azaltarak dengeleyecektir. Bu, gölgeli modülün diğer modüllerin çıkışını engellemeden aynı miktarda elektrik gücü üretmesini sağlamaktadır. DC optimizer kullanan bir sistemin, DC’den AC’ye elektriği dönüştürmek için hala bir invertöre ihtiyacı bulunmaktadır;

     ii. Mikro İnvertörler: 

Tüm panellere tek bir invertöre sahip olmak yerine, her bir panel, çıkışını doğru akımdan (DC) alternatif akıma (AC) dönüştürmek için ona bağlı küçük bir invertöre sahip olabilir. Her bir mikro invertör bir MPPT’ye sahip olduğundan ve çıkışları paralel bağlandığından, her panel diğer panelleri etkilemeden maksimum güç noktasında çalışacaktır.

Şekil 6. Mikro invertörler (üstte) kullanan bir FV sisteminin ve DC optimize edicilerden yararlanılan bir PV sisteminin basitleştirilmiş şeması (altta).

 MLPE’lerin PV Sistem Performansı Üzerindeki Etkileri

 Önemli ölçüde gölgelenmeye maruz kalan üç farklı PV sisteminin performansını karşılaştırdığımız Şekil 7’de görüldüğü gibi, çatının kenarına yakın bir yüksekliğe sahip ağaçların olduğu 3.12 kW’lık bir sistem yerleştirdik. Atlamayalım, optimal ya da pratik bir tasarım olmasa bile bu tasarımın gölgeli koşullarda bu sistem, topolojilerinin performans farkını etkin bir şekilde sergilemekte;

Şekil 7. Bu vaka çalışması için analiz edilen sistem, ağaçların kısmen gölgelediği 3.12 kW bir sistem.

Tablo 1. Farklı MLPE bileşenlerini kullanan bir evdeki PV sisteminin performans simülasyonlarından elde edilen sonuçlar.

Elde edilen sonuçlara baktığımızda, MLPE’lerin bu koşullar altında kullanılmasının, sistem çıktısını yıllık olarak% 17.3 artırdığını ve bu bileşenleri gölge azaltma için kullanmanın yararını gösterdiğini göstermektedir. Buna ek olarak, bir sistemin bir mikro-invertörü veya bir DC optimizer kullanılarak etki verimi yaklaşık olarak aynı, ancak bazı durumlar nedeniyle verimlilik eğrilerinde küçük farklılıklar (% 1 mertebesinde) olabilir. Aynı sebepten dolayı, modül çıktısını ayırarak gölge kayıpları azalıtabilir, MLPE’ler modül-modül uyumsuzluk kayıplarını ortadan kaldırabilir. Bu kayıplar tipik olarak, aynı tipteki iki modülün elektriksel özelliklerinde küçük farklılıklara yol açan üretim varyasyonlarından kaynaklanır. MLPE’ler modüllerin birbirinden bağımsız olarak çalışmasına izin vermesiyle, bu varyasyonlar sistemin genel performansını etkilemez.

Vural Cantuğ Akkaş

Enerji Sistemleri ve Makine Mühendisi, MBA

cantugakkas1@gmail.com

vcantugakkas.wordpress.com