Ombreggiamento dei pannelli: l'effetto sulla stringa

Una sola ombra di un camino, di un ramo o anche gli escrementi di un uccello su un pannello possono tagliare del 50–80% la produzione di un'intera stringa. Non è una riduzione proporzionale: è un guasto a cascata imposto dalla fisica dei circuiti in serie. Capire perché accade è il primo passo per progettare un impianto capace di reggere le condizioni reali.

I pannelli di una stringa sono collegati in serie, quindi in ognuno scorre la stessa corrente. Quando un pannello finisce in ombra, non riesce più a produrre la stessa corrente dei vicini. Poiché tutti condividono lo stesso circuito, l'intera stringa è costretta a lavorare alla corrente del pannello più debole. Il risultato: la produzione di dieci pannelli in pieno sole viene trascinata giù da uno solo, all'ombra di un tubo di sfiato.

In una stringa in serie il collo di bottiglia è la corrente. Con luce uniforme ogni pannello produce più o meno la stessa corrente — per esempio 14A per un moderno pannello da 550W. Le tensioni si sommano, ma la corrente è limitata dal pannello che produce meno. Quando uno scende a 3A per l'ombra, tutti i pannelli della stringa sono costretti ad allinearsi a quei 3A, per quanto sole ricevano.

È una situazione radicalmente diversa dal collegamento in parallelo, dove ogni pannello lavora in modo indipendente. In parallelo un pannello ombreggiato perde solo la propria produzione. In serie diventa il collo di bottiglia di tutti gli altri. Ecco perché il dimensionamento della stringa e l'analisi delle ombre contano allo stesso modo quando si progetta un impianto.

Ogni pannello moderno integra diodi di bypass — di norma 3, sia che usi celle intere sia mezze celle. Funzionano come valvole di sfogo: quando un gruppo di celle finisce in ombra, il diodo lascia che la corrente lo aggiri invece di spingerla attraverso un collo di bottiglia. Senza diodi di bypass una cella ombreggiata si surriscalderebbe e potrebbe distruggere il pannello.

Quando una cella ombreggiata è costretta a condurre l'intera corrente della stringa, smette di essere un generatore e si comporta come una resistenza. L'energia elettrica degli altri pannelli si dissipa in calore in quella cella. La sua temperatura può schizzare a 150–200°C, molto oltre il limite di 85°C per cui i materiali del pannello sono qualificati. Questo si chiama punto caldo.

Un'esposizione prolungata a un punto caldo provoca danni irreversibili: l'incapsulante EVA ingiallisce e si delamina, le saldature si crepano, il retro può formare bolle e, nei casi estremi, il pannello prende fuoco. I punti caldi sono la prima causa di guasti in campo negli impianti solari. Nascono quasi sempre da un ombreggiamento localizzato e persistente: l'ombra della testa di un bullone, foglie accumulate in un angolo, o una cella fessurata che crea un punto debole permanente.

I pannelli a mezze celle (120 o 144 celle) dividono il pannello in due metà elettricamente indipendenti, superiore e inferiore. Ogni metà ha i propri diodi di bypass e lavora come una sotto-stringa semi-indipendente. Se la fila inferiore è in ombra, ne risente solo la metà bassa: la metà alta continua a piena capacità. Questo raddoppia in pratica la tolleranza del pannello all'ombreggiamento parziale rispetto ai pannelli a celle intere.

Non tutte le ombre sono uguali. L'ombra netta di un palo e un cielo coperto e velato agiscono sui pannelli in modi completamente diversi. Capire la differenza aiuta a decidere quale problema di ombra affrontare per primo.

L'elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE) risolve il problema dell'ombra lasciando che ogni pannello lavori nel proprio punto di massima potenza, indipendentemente dagli altri. Ci sono due famiglie principali: ottimizzatori di potenza e microinverter. Entrambi impediscono che un pannello ombreggiato trascini giù l'intera stringa, ma operano in modo diverso e si adattano a situazioni diverse.

Gli ottimizzatori di potenza (SolarEdge, Tigo) si montano su ogni pannello e condizionano l'uscita DC prima che arrivi a un inverter di stringa centrale. Costano tipicamente il 25–35% in meno dei microinverter e funzionano bene sui tetti parzialmente ombreggiati dove la maggior parte dei pannelli riceve buon sole. I microinverter (Enphase, Hoymiles) convertono DC in AC su ciascun pannello ed eliminano del tutto le stringhe. Sono la scelta migliore per tetti complessi con più orientamenti o con ombra pesante, ma costano di più per watt.

L'alternativa economica è un inverter di stringa multi-MPPT. Distribuendo i pannelli su ingressi MPPT separati puoi isolare quelli ombreggiati su un ingresso e tenere quelli al sole su un altro. Questo non aiuta i singoli pannelli all'interno della stessa stringa, ma evita il contagio tra stringhe. Per il residenziale con ombra parziale, la maggior parte degli inverter moderni con 2–3 MPPT è sufficiente.

1. Rileva il percorso delle ombre durante la giornata

   Vai sul posto alle 9, a mezzogiorno e alle 15 di una giornata di sole. Le ombre si muovono: un ostacolo innocuo a mezzogiorno può proiettare un'ombra lunga sul campo al mattino o alla sera. Scatta foto dalle posizioni previste dei pannelli e annota ogni oggetto entro una distanza pari a 3 volte la sua altezza.

2. Metti i pannelli più ombreggiati su un MPPT dedicato

   Se il tuo inverter ha 2 o più ingressi MPPT, raggruppa sullo stesso ingresso i pannelli con esposizione solare simile. Riunisci su un MPPT quelli che con più probabilità finiranno in ombra e lascia su un altro quelli liberi. Così l'ombra su un gruppo non tocca gli altri.

3. Vicino agli ostacoli monta in verticale

   Un pannello montato in verticale (alto e stretto) ha meno probabilità di avere tutti e tre i gruppi di diodi in ombra contemporaneamente. In orizzontale (largo e basso) un'ombra orizzontale può attraversare tutti e tre i gruppi in una volta. Vicino al bordo del tetto o a un muretto, il montaggio verticale può ridurre le perdite da ombra del 30–50% rispetto all'orizzontale.

4. Mantieni una distanza adeguata tra le file

   Negli impianti a terra o su tetto piano rispetta un rapporto minimo tra inclinazione e distanza che impedisca alla prima fila di ombreggiare quella dietro con il sole più basso dell'inverno. Una regola comune è una distanza pari a 2–3 volte l'altezza del pannello per latitudini tra 30° e 55°.

5. Pota la vegetazione regolarmente

   Gli alberi crescono. Un ramo che al momento del montaggio era a 1 metro dai pannelli dopo due anni può toccarli. Programma una potatura annuale e mantieni una zona libera di almeno 2 metri attorno al campo. Anche le foglie cadute e i nidi di uccelli sono fonti di ombra localizzata che si accumulano nel tempo.

6. Pulisci i pannelli almeno due volte l'anno

   Polvere, polline, escrementi di uccelli e licheni creano ombra diffusa che riduce la produzione in modo uniforme, ma dove il deposito è spesso possono generare punti caldi. Pulisci con acqua e una spazzola morbida in primavera e in autunno. Evita detergenti abrasivi e idropulitrici ad alta pressione, che possono danneggiare il trattamento del vetro.

Il calcolatore di Solar Stack confronta la configurazione della tua stringa con i limiti di tensione e corrente dell'inverter a temperature estreme reali. Non modella l'ombreggiamento in sé (per quello servono strumenti legati al sito come PVsyst o Aurora), ma garantisce che la stringa sia elettricamente valida prima di aggiungere ottimizzatori o dividerla. Insieme alla nostra guida sulla distribuzione degli MPPT ti permette di progettare dal primo giorno un impianto che digerisce bene l'ombra parziale.