Затенение панелей: труба, дерево и соседний дом
Ячейки в панели и панели в строке соединены последовательно, поэтому ток всей цепочки задаёт самое слабое звено. Тень от трубы на нескольких ячейках способна выключить треть панели, а без защитных диодов посадила бы всю строку. Бороться с этим нужно по порядку: сначала раскладкой уйти от тени, затем правильно разделить строки, и только потом думать об оптимизаторах и микроинверторах.
Почему тень на одной ячейке влияет на всех
Ток ячейки пропорционален свету, который на неё падает. В последовательной цепи ток у всех элементов один, как у воды в шланге: пережали в одном месте — упал поток везде. Затенённая ячейка выдаёт, скажем, 20 % тока соседей (ей достаётся только рассеянный свет), и вся цепочка вынуждена работать на этих 20 %.
Хуже того: освещённые ячейки пытаются протолкнуть свой ток через затенённую, и она из генератора превращается в нагрузку. На ней выделяется тепло — так возникает горячая точка, о которой мы писали в статье про микротрещины и горячие точки.
Что делают байпасные диоды
В распределительной коробке панели стоят три диода, каждый подключён параллельно своей трети ячеек. Когда группа затенена и мешает току, диод открывается и пускает ток в обход. Группа выключается, остальные две работают в полную силу.
Посчитаем на строке из десяти панелей по 580 Вт (5,8 кВт). Одна панель полностью в тени.
- С диодами: панель выключена, девять работают. Потеря 580 Вт из 5 800, то есть 10 %.
- Без диодов: ток строки упал бы до уровня затенённой панели — потеря около 80 %.
- Если тень закрыла только одну группу ячеек: потеря 580 ÷ 3 ≈ 190 Вт, чуть больше 3 % строки.
Диоды не возвращают энергию — они ограничивают ущерб размером затенённой группы. При этом на кривой мощности строки появляется несколько максимумов, и инвертор должен найти самый высокий. Современные инверторы умеют периодически сканировать весь диапазон напряжений; в настройках эта функция обычно называется поиском глобального максимума или режимом для затенённых массивов.
Половинчатые ячейки. Почти все современные панели собраны из двух параллельных половин — верхней и нижней, по три группы в каждой. Это меняет поведение при тени вдоль короткой нижней стороны (сугроб на карнизе, тень от переднего ряда). У вертикально стоящей панели такая тень закрывает низ всех трёх групп, но только в нижней половине: верхняя продолжает работать, и панель отдаёт около 50 %. У горизонтально лежащей панели тень вдоль нижней длинной стороны закрывает одну группу — потеря около трети. Поэтому там, где тень идёт снизу, ориентацию панели выбирают осознанно.
Какой длины тень от препятствия
Длина тени на горизонтальной плоскости равна высоте предмета, делённой на тангенс высоты солнца. Высота солнца в полдень — это 90° минус широта плюс склонение (−23,4° зимой, 0° в равноденствие, +23,4° летом).
| Момент | Москва: высота солнца | Тень от 1 м высоты | Краснодар: высота солнца | Тень от 1 м высоты |
|---|---|---|---|---|
| Полдень 21 декабря | 10,8° | 5,2 м | 21,5° | 2,5 м |
| Полдень в равноденствие | 34,3° | 1,5 м | 45,0° | 1,0 м |
| Полдень 21 июня | 57,7° | 0,6 м | 68,4° | 0,4 м |
За три часа до и после полудня солнце ниже: в равноденствие в Москве — около 23,5°, и тень от метрового препятствия вытягивается до 2,3 м, причём уходит наискось. На южном скате тень короче, чем на горизонтали, на северном — длиннее.
Практический вывод. Зимой в средней полосе тень от любой трубы накрывает полкрыши, но декабрь в Москве даёт 19,1 кВт·ч с киловатта — около 2 % годовой выработки. Раскладку рассчитывают на период с марта по октябрь: в эти восемь месяцев станция вырабатывает почти 90 % годового объёма. Труба, выступающая над плоскостью панелей на 0,8 м, в мартовский полдень даёт тень около 1,2 м, а утром и вечером — до двух метров в сторону.
Тонкие предметы. Солнце — не точка, а диск с угловым размером около полуградуса. Поэтому резкая тень от предмета исчезает на расстоянии примерно в 100 его толщин: дальше остаётся только полутень. Провод толщиной 1 см уже в метре от панели не даёт плотной тени, растяжка антенны и громоотвод в нескольких метрах почти безвредны. Труба диаметром 20 см «размывается» только за 20 метров — на крыше таких расстояний нет.
Источники тени и что с ними делать
| Источник | Характер тени | Решение |
|---|---|---|
| Дымоход, вентиляционный выход | узкая, движется по скату в течение дня | оставить пустую зону с северной стороны и по бокам от трубы |
| Мансардное окно, слуховое окно | низкая, короткая | отступ на длину тени при весеннем солнце |
| Дерево | растёт с каждым годом; летом плотная, зимой сквозная | обрезка или отказ от затенённой части ската; учитывать рост на 10–15 лет вперёд |
| Соседний дом, собственный второй этаж | закрывает утро или вечер целиком | затенённые панели — в отдельную строку на свой вход MPPT |
| Передний ряд панелей на плоской кровле | полоса по нижнему краю зимой и осенью | расчёт шага рядов, горизонтальная раскладка |
| Провода, антенна, громоотвод | полутень | обычно ничего; не ставить панели вплотную |
| Птичий помёт, листья, полоса снега внизу | плотная, точечная | мойка и осмотр |
Шаг рядов для плоских кровель рассчитывается в статье про балласт, угол и ряды, уход — в материале о том, нужно ли мыть панели.
Как раскладывать строки
- Не ставить панель туда, где тень бывает с 9 до 16 часов в тёплое полугодие. Иногда станция из 14 панелей вырабатывает больше, чем из 16, две из которых тянут строку вниз и греются.
- Собирать панели с одинаковыми условиями в одну строку. Те, что затеняются утром, — на один вход MPPT, чистые — на другой. Тогда тень портит только свою строку.
- Не смешивать в одной строке разные скаты и углы. Восток и запад — на разные входы. Подробнее — в статье про угол и ориентацию.
- Не соединять параллельно на один вход строки, одна из которых затеняется. У затенённой строки напряжение ниже, и чистая строка будет работать не в своей точке максимума.
- Включить в инверторе поиск глобального максимума, если тени избежать не удалось.
У большинства бытовых инверторов два независимых входа MPPT, у моделей мощнее — больше; выбрать можно в разделе солнечных инверторов.
Оптимизаторы и микроинверторы: когда они помогают
Оптимизатор — это преобразователь под каждой панелью, который позволяет ей работать в своей точке максимума независимо от соседей. Микроинвертор делает то же самое и сразу выдаёт переменный ток. Оба решения дают каждой панели собственный MPPT.
Помогают они, когда тень частичная и разная на разных панелях: сложная крыша с несколькими трубами и окнами, деревья с южной стороны, много коротких скатов разной ориентации. Каждая панель отдаёт своё, и слабая не тянет сильных.
Не помогают они в двух случаях. Первый — тени нет: строчный инвертор с чистыми строками работает почти так же, а электроники на крыше меньше. Второй — тень сплошная: если света нет, никакая электроника его не создаст.
У решения есть цена: это дополнительное устройство под каждой панелью, которое работает на жаре и морозе и при отказе требует подъёма на крышу и снятия панели. Некоторые системы позволяют ставить оптимизаторы только на затенённые панели — это зависит от производителя. Микроинверторы уместны на малых станциях из одной — четырёх панелей; о таком формате — в статье про балконную станцию.
Как оценить тень до покупки
Данные PVGIS, на которых построены расчёты выработки, учитывают только дальний горизонт — рельеф местности. Трубу, дерево и дом соседа они не видят, поэтому оценку делает человек.
- Сфотографируйте скат в 9, 12, 15 и 17 часов в ясный день. Лучшее время — март или сентябрь: в равноденствие тени «средние» за год.
- Повторите в июне и декабре, если есть возможность, — получите крайние положения.
- Отметьте на схеме крыши высоту и положение всех выступов.
- Оцените деревья: их нынешнюю высоту и то, какими они станут через десять лет.
Что ещё осмотреть на крыше, перечислено в чек-листе осмотра.
Частые вопросы
Что хуже — тень утром или в полдень?
В полдень. Основная выработка приходится на часы вокруг полудня, а утром и вечером солнце низко и мощность мала. Тень до 9 и после 17 часов обходится в единицы процентов годовой выработки, тень с 11 до 14 — в десятки.
Можно ли поднять панели выше трубы?
Технически можно, но высокая конструкция на скате резко увеличивает ветровую нагрузку и стоимость крепежа. Обычно дешевле и надёжнее оставить за трубой пустое место или перенести туда панель с другого края.
Снег на нижней кромке панели — это тоже тень?
Да, и плотная. Полоса снега в 10–15 см по нижнему краю вертикально стоящей панели выключает её нижнюю половину. Зимой это небольшая потеря в абсолютных цифрах, но в марте, когда солнца уже много, а снег ещё сползает, она заметна.
Горизонтальная или вертикальная раскладка лучше при тени?
Зависит от того, откуда тень. Если она идёт снизу ровной полосой — выгоднее горизонтальная. Если тень от трубы или дерева движется сбоку — выгоднее вертикальная: полоса тени закрывает меньше групп ячеек одновременно. Универсального ответа нет, нужно смотреть на конкретный скат.