Perdite da ombreggiamento: perché poca ombra costa molto.

Le celle di un modulo sono in serie e condividono la stessa corrente. Una cella in ombra produce meno corrente delle altre e, senza protezione, è costretta a condurre la corrente in polarizzazione inversa. Diventa così un carico che si riscalda: il cosiddetto hot spot.

Il diodo di bypass è collegato in parallelo a un gruppo di celle. Quando il gruppo va in polarizzazione inversa, il diodo entra in conduzione e la corrente scavalca il gruppo, la cui tensione si limita a circa una caduta di diodo. PVEducation indica circa 15 celle al silicio come limite superiore per diodo, ed è per questo che un modulo è diviso in più sottostringhe, ciascuna con il proprio diodo.

Lo svantaggio è che si esclude l’intera sottostringa. In un modulo con tre sottostringhe un’ombra su poche celle può costare un terzo della potenza, e un’ombra trasversale su tutte e tre quasi tutta.

In una stringa senza ottimizzatori tutti i moduli condividono la stessa corrente. L’inverter cerca il punto di lavoro che dà la massima potenza per l’intera stringa: o la stringa porta la corrente del modulo più debole, o le sue sottostringhe vengono escluse e la tensione della stringa scende. La curva di potenza presenta più picchi, e la differenza rispetto alla somma delle potenze massime dei singoli moduli è la perdita per mismatch.

In un modulo standard con tre sottostringhe, queste corrono parallele al lato lungo. Un’ombra lungo il bordo inferiore del modulo, dalla fila davanti su un tetto piano o dalla neve che resta, raggiunge quindi tutte e tre le sottostringhe in un modulo posato in verticale, ma solo quella inferiore in un modulo posato in orizzontale. È un motivo per posare i moduli in orizzontale nelle file. Il numero di diodi di bypass si verifica nella scheda tecnica del modulo.

Italia: a Roma il sole di dicembre sale a mezzogiorno a circa 25°, e novembre–gennaio vale circa il 17 % della produzione annua. Il quadro è simile a quello di Madrid. Nelle valli e vicino ai rilievi l’orizzonte conta spesso più dell’altezza del sole.

Svezia: a Stoccolma, a dicembre, il sole a mezzogiorno è poco più di 7° sopra l’orizzonte, quindi un camino alto un metro proietta un’ombra lunga quasi otto metri. Novembre–gennaio dà solo il 5 % circa della produzione annua, perciò le lunghe ombre invernali costano poca energia. A decidere il totale annuo è l’ombra da marzo a ottobre.

Germania: a Monaco di Baviera l’altezza del sole è di 18° e novembre–gennaio dà poco più del 13 % dell’anno. Un’ombra che raggiunge i moduli solo in inverno si vede nel totale annuo.

Spagna: a Madrid il sole è a 26° sopra l’orizzonte e l’inverno dà quasi un quinto della produzione. Le ombre invernali pesano più che al nord, mentre una distanza tra le file calcolata sul sole d’inverno costa meno superficie, perché l’ombra per metro è più corta.

Il calcolo segue il sole nel corso dell’anno. Per ogni istante si stabilisce se la radiazione diretta raggiunge un punto del modulo o è schermata, e la perdita viene pesata con l’irraggiamento di quel momento. Un’ombra in una mattina di dicembre pesa quindi poco, un’ombra a mezzogiorno di giugno molto.

La radiazione diffusa arriva da tutta la volta celeste. Il fattore di vista del cielo (sky view factor) è la porzione di cielo che un punto del modulo vede, pesata rispetto all’inclinazione del modulo. Un abbaino o una parete vicina sottrae una parte di cielo anche quando non copre il sole, e riduce quindi anche la radiazione diffusa.

L’orizzonte si aggiunge come profilo intorno al sito: quando il sole è sotto il profilo, la radiazione diretta si considera schermata. Lo strumento di calcolo europeo PVGIS ricava questo profilo da un modello del terreno.

Infine si calcola la stringa dal punto di vista elettrico. L’ombra su ogni sottostringa dà la curva del modulo, e il punto di lavoro della stringa determina quanta energia va persa. È la differenza tra una quota d’ombra geometrica e la reale perdita di potenza.

Con un ottimizzatore o un microinverter per modulo, ogni modulo lavora nel proprio punto di massima potenza. Il mismatch tra i moduli di una stringa si riduce, ma le sottostringhe di un modulo in ombra vengono comunque escluse dai diodi di bypass. Questi componenti hanno perdite e costi propri, e il beneficio dipende da quanto spesso e quanto in modo disomogeneo i moduli sono in ombra. Conviene calcolare la produzione con e senza e confrontare la differenza con il costo aggiuntivo.