Turbina wiatrowa rzuca cień na fotowoltaikę – ciemne strony współdzielenia przyłącza

"Współdzielenie przyłącza przez generatory energii wiatrowej i słonecznej w różnych kombinacjach i w różnych lokalizacjach poprawia profil całkowitej mocy wyjściowej połączonej instalacji” - czytamy w opracowaniu naukowym - A review on the complementarity between grid-connected solar and wind power systems, Franciele Weschenfelder i inni, tłumaczenie nasze

Jak każde inne rozwiązanie techniczne - jeden problem rozwiązuje, ale rzadko samo w sobie pozbawione jest wad, czy raczej ograniczeń. Turbiny wiatrowe są ważną przyczyną zacienienia. Jaki ma to wpływ na zyski z instalacji fotowoltaicznej? Sprawdźmy!

Turbiny wiatrowe i cień

Turbiny wiatrowe rzucają dwa rodzaje cienia:

• cień „statyczny”, rzucany przez wieżę i poruszający się powoli
• cień dynamiczny, rzucany przez obracające się łopaty i bardzo szybki

Przegląd literatury naukowej wskazuje na częstotliwość padania dynamicznego cienia w zakresie 0,25-1,2 Hz, najczęściej 0,65-0,8 Hz. Działanie cienia statycznego jest dobrze znane. Wpływ cienia dynamicznego pozostaje przedmiotem badań. Cień dynamiczny dotyka większej powierzchni niż cień statyczny.

Fotowoltaika i cień

Cień w fotowoltaice powoduje dwa rodzaje problemów, spadek produkcji energii oraz szybsze zużycie zacienianych modułów fotowoltaicznych. Tych zjawisk nie sposób całkowicie wyeliminować, można jednak ograniczyć ich wpływ. Znane w branży rozwiązania techniczne to odpowiedni falownik oraz stosowane modułów z wieloma diodami bocznikującymi.

Inwerter z algorytmem szukania punktu mocy maksymalnej (MPPT) optymalizuje działanie częściowo zacienionej instalacji fotowoltaicznej. Istnieje wiele sposobów, na jaki inwertery realizują MPPT. Każdy sposób ma swoje wady i zalety, jednak wszystkie dość dobrze radzą sobie z cieniem „statycznym” i dość słabo z cieniem dynamicznym. Czas odpowiedzi inwertera jest dużo dłuższy niż częstotliwość zmian zacienienia.

Diody bocznikowe chronią moduły fotowoltaiczne przed szybszym zużyciem, spowodowanym przez cień statyczny. Niestety, diody zupełnie nie mają czasu zareagować na szybko zmieniający się cień dynamiczny. 

Wyniki badań

W niedawno opublikowanym artykule Dynamiczne zacienienie turbin wiatrowych: Skutki dla współdzielonej instalacji fotowoltaicznej i wiatrowej (ang. Wind turbine dynamic shading: The effects on combined solar and wind farms) przedstawiono wyniki badań polowych wpływu dynamicznego cienia na pracę instalacji fotowoltaicznej.

Instalacja OZE składająca się z instalacji fotowoltaicznej o mocy 38 MWp oraz trzech turbin wiatrowych o wysokości całkowitej 150m była monitorowana w okresie od 14 sierpnia 2022 do 2 lutego 2023. Instalacja fotowoltaiczna położona była na planie prostokąta, którego każdy róg był skierowany w jedną ze stron świata. Jedna z turbin znajdowała się w północnym rogu instalacji i nie powodowała żadnego zacienienia instalacji. Druga z turbin znajdowała się na w połowie wschodniego boku instalacji i powodowała okazjonalne zacienienie. Trzecia z turin umiejscowiona była w pobliżu wschodniego rogu instalacji i rzucała cień na instalację. Celem badania było porównanie wydajności szeregów modułów zacienianych oraz niezacienianych.

Wybrane wyniki badań:

• Straty zależą od pogody. W pochmurne dni różnice w uzysku między szeregami zacienianymi i niezacienianymi była nieznaczna, zbliżając się do 0%, w dni wietrzne i słoneczne zacieniane moduły były o 13% słabsze.
• W sierpniu i wrześniu zacieniane szeregi wyprodukowały 6% mniej energii DC i 5,7% energii AC niż szeregi niezacieniane.
• W okresie jesienno-zimowym zacieniane szeregi wyprodukowały 5,3% mniej energii DC i 5,8% energii AC niż szeregi niezacieniane.
• Poprawa działania algorytmów MPPT może ograniczyć straty spowodowane przez cień dynamiczny.
• Cień dynamiczny wyraźnie przyspiesza rozwój hot-spotów w modułach fotowoltaicznych.

Zalecenia

Powyższe straty są właściwe jedynie dla tej konkretnej instalacji. Wynik zależny jest od orientacji instalacji PV, rozmieszczenia turbin wiatrowych, ich wysokości, długości łopat, rodzaju inwerterów, ustawień itp. Na podstawie powyższych badań należy rozważyć następujące działania:

• Odpowiednio rozplanuj instalację OZE - turbiny wiatrowe w północnej części instalacji nie będą rzucać wiele cienia na instalację PV. Jeśli instalacja na plan czworokąta z północnym bokiem, wówczas na tym boku można postawić kilka turbin. Te turbiny będą wzajemnie sobie przeszkadzać (wiatry zwykle płyną z zachodu na wschód), jednak te straty zapewne będą mniejsze niż straty spowodowane cieniem.
• Rozważ użycie małych modułów fotowoltaicznych z 60 ogniwami na tereny zacieniane - płyną przez nie mniejsze prądy, zatem cień będzie dla nich mniej szkodliwy.
• Zainwestuj w dobrej klasy falowniki i spytaj sprzedawcę, jak radzą sobie z zacienieniem dynamicznym.
• Zaplanuj częstsze badania kamerą IR zacienianych modułów PV.

Podsumowując, współdzielenie przyłącza między turbinami wiatrowymi i instalacją fotowoltaiczną pozwala na zmaksymalizowanie zysków, każdorazowo powinno jednak być poprzedzone dokładną analizą w celu znalezienia optymalnego rozwiązania. Należy unikać sytuacji, w której turbiny wiatrowe rzucają cień na moduły fotowoltaiczne, pewne straty można jednak uznać za akceptowalne. 

Źródła

Dekker, Sloof, Jansen, Graaf, Hovious, Jonkman, Zuurbier, Pronk,Wind turbine dynamic shading: The effects on combined solar and wind farms, J. Renewable Sustainable Energy 15, 063703 (2023)