Bypass zacienionych paneli fotowoltaicznych w stringu – diody, optymalizatory, mikroinwertery

Pytanie

Jak lub czym odciąć zacienione panele które są połączone szeregowo w jeden string Nie można podzielić bo napięcie będzie za slabe

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Zacienionego panelu w szeregowym stringu nie „odetniesz” przez rozłączenie, bo przerwa zatrzyma cały obwód. Jedynym praktycznym sposobem jest jego BYPASS, czyli stworzenie alternatywnej ścieżki dla prądu.
• Robi się to:
  1. pasywnie – diodą bocznikującą (często już wbudowaną w moduł),
  2. aktywnie – modułowym optymalizatorem mocy (MLPE) albo mikro-inwerterem.
• Rozwiązanie pasywne jest najtańsze, aktywne najmniej traci energii i utrzymuje wymagane napięcie falownika.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zjawisko „wąskiego gardła”
   • W stringu szeregowym ten sam prąd płynie przez wszystkie moduły. Zacieniony panel wymusza mniejszy prąd → spada moc całego łańcucha.
   • Dodatkowo zacienione ogniwa mogą wejść w tryb polaryzacji wstecznej (hot-spot).
2. Wbudowane diody bocznikujące
   • Typowy panel 60/120 ogniw ma 3 diody Schottky’ego. Każda sekcja ≈ 1/3 panelu.
   • Przy silnym zacienieniu dioda danej sekcji zaczyna przewodzić, „omijając” 20-25 V tej sekcji (Voc-sekcji). Strata mocy ↘, bezpieczeństwo ↗.
   • Jeżeli zacieniony jest cały panel, wszystkie trzy diody przewodzą – panel staje się praktycznie zwarciem o spadku ≈ 3 × 0,4 V ≈ 1,2 V. Napięcie stringu spada tylko o Vmp panelu, a obwód nadal przewodzi.
3. Zewnętrzna dioda bypass całego panelu
   • Można dosztukować diodę Schottky’ego równolegle (anoda-, katoda+ modułu).
   • Parametry: If ≥ 1,3 × Isc, VRRM ≥ Voc panelu + 20 % marginesu, Tj=150 °C.
   • Strata ok. 0,4-0,5 V na diodzie, ale eliminuje ryzyko hot-spotu przy całkowitym zacienieniu.
   • Montaż w puszce przyłączeniowej lub w dedykowanej silikonowej obudowie IP68.
4. Optymalizatory mocy (ang. Power Optimizers / MLPE)
   • DC-DC buck-boost lub buck konfigurowany tak, by każdy panel miał własny MPPT.
   • Typowe modele: SolarEdge S440/S500, Tigo TS4-A-O/F/2F, Huawei SUN2000-450W-P.
   • W trybie ciężkiego cienia optymalizator może obniżyć napięcie modułu do kilku woltów i pozwolić na przepływ prądu zadany przez resztę stringu. Falownik nadal widzi wymagane napięcie.
   • Efekty: +5…25 % produkcji rocznej przy częściowym zacienieniu, monitoring na poziomie modułu, diagnostyka hot-spotów i łuku DC (SolarEdge S-Series).
5. Mikro-inwertery
   • Zamiana DC/AC na dachu (Enphase IQ8+, HOYMILES HMS-xxx, TSUN).
   • Zacieniony panel nie wpływa na pozostałe. Brak problemu napięcia MPPT falownika.
   • Wada: wyższy CAPEX, więcej elementów aktywnych na dachu, nie zawsze ekonomicznie uzasadnione przy niewielkim zacienieniu.

Aktualne informacje i trendy

• 2023-2024: szybki wzrost MLPE; optymalizatory Huawei i TS4-A-Flex można dokładać selektywnie, bez wymiany falownika.
• Inwertery stringowe z algorytmem „shade-tolerant” (SMA ShadeFix, Fronius Dynamic Peak) zmniejszają straty nawet bez MLPE, ale nie chronią przed hot-spot.
• Pojawiają się „smart-module” z wbudowanym układem per-string (np. Maxim Integrated) – eliminują diody i poprawiają tolerancję cienia o ~8-10 %.

Wspierające wyjaśnienia i detale

Przybliżone spadki napięcia stringu (przykład, Vmp_panel = 34 V):
• brak zacienienia: 15 paneli × 34 V = 510 V
• jeden panel całkowicie zacieniony, bypass diod: 14 × 34 V + 1,2 V ≈ 480 V
→ nadal powyżej typowego progu MPPT 200-250 V.

Aspekty etyczne i prawne

• Modyfikacje DC > 120 V podlegają wymogom PN-EN 62446-1, 62548 i normom ochrony przeciwłukowej.
• Dodając MLPE, zachowaj certyfikację (CE, T-mark, IEC 62109-1/-2) i nie łam gwarancji producenta modułów (część producentów akceptuje tylko określone typy optymalizatorów).
• Serwis pracujący przy napięciach do 1000 V DC musi stosować procedury LOTO i prace pod napięciem zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki w sprawie bhp przy urządzeniach energetycznych.

Praktyczne wskazówki

1. Najpierw zweryfikuj stan fabrycznych diod bocznikujących kamerą termowizyjną – hot-spot = uszkodzona dioda.
2. Jeżeli zacienienie dotyczy 1-3 modułów przez < 2 h dziennie, zwykle wystarczą diody.
3. Gdy cień dynamicznie „wędruje” po kilku modułach albo jest permanentny – załóż optymalizatory tylko na te panele (np. Tigo TS4-A-O).
4. Przy dużej różnorodności kątów i ekspozycji rozważ przejście na mikro-inwertery.
5. Wybierając diodę zewnętrzną: STPS20H100CT (2×10 A/100 V) lub MBR40H150CT (2×20 A/150 V) – montaż na radiatorze aluminiowym 1 K/W, zalanie silikonem PV.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Optymalizatory podnoszą liczbę elementów aktywnych → większe ryzyko awarii po 10-15 latach; dobieraj urządzenia z min. 25-letnią gwarancją.
• Montaż dodatkowych diod = prace na puszce przyłączeniowej → utrata gwarancji modułu, jeżeli producent zastrzegł integralność puszki.
• Przy > 600 V DC zwróć uwagę na prąd wsteczny podczas bypassu (≥ 2×Isc) – sprawdź max. prąd wsteczny modułów wg IEC 61730.

Sugestie dalszych badań

• Analiza ekonomiczna: LCOE i NPV dla trzech scenariuszy (same diody / selektywne MLPE / mikro-inwerter).
• Test A+B: rejestracja danych z logera falownika przez sezon przed i po instalacji optymalizatorów.
• Śledzenie trendu „cell-string level optimizer” (Enphase IQ8D, APsystems DS3) – możliwa rewolucja w tolerancji cienia.

Krótkie podsumowanie

Najbezpieczniej „odcina” się zacienione panele poprzez ich bocznikowanie, a nie rozłączanie. Pierwszą linią obrony są fabryczne diody bypass; jeśli cień jest znaczny i powtarzalny – zastosuj modułowe optymalizatory mocy albo mikro-inwertery. Rozwiązania te utrzymują wymagane napięcie stringu, minimalizują straty energii i ryzyko termiczne, a przy prawidłowym doborze zapewniają najlepszy koszt-efekt w typowych instalacjach prosumenckich.