Una foglia, il montante della ringhiera, l’angolo del balcone del piano di sopra. Sul fotovoltaico l’ombra si comporta in un modo che sorprende quasi tutti: coprire il cinque per cento della superficie può togliere molto più del cinque per cento della potenza. Il motivo sta nel modo in cui le celle sono collegate fra loro, e conoscerlo cambia il punto in cui monterai il pannello.
Perché una cella in ombra ferma tutta la stringa
Dentro un modulo fotovoltaico le celle sono collegate in serie, una dopo l’altra, come i vagoni di un treno. In un circuito in serie la corrente che scorre è la stessa in ogni punto, quindi la cella che produce meno impone il proprio valore a tutte le altre.
Una cella in ombra riceve meno luce e genera meno corrente. Le celle illuminate accanto a lei vorrebbero far passare la loro corrente piena, la cella coperta non la lascia passare, e il risultato è che l’intera catena si allinea verso il basso. La conseguenza pratica è quella che sorprende: coprire una cella su settantadue non toglie un settantaduesimo della potenza, ne toglie una frazione molto più grande.
C’è un secondo effetto, più insidioso. La cella coperta smette di generare e si trova percorsa dalla corrente delle altre, che la polarizza al contrario. In quella condizione si comporta come una resistenza che dissipa energia sotto forma di calore. Secondo la trattazione del PVCDROM dell’Arizona State University, la potenza massima che una cella completamente in ombra può dover dissipare corrisponde all’intera capacità di generazione del gruppo di celle a cui appartiene. È l’origine del fenomeno chiamato hotspot, il punto caldo che nei casi gravi danneggia l’incapsulante.
I diodi di bypass e cosa fanno davvero
La soluzione a entrambi i problemi sta nella scatola di giunzione dietro il modulo, ed è un componente da pochi centesimi: il diodo di bypass.
Il diodo è collegato in parallelo a un gruppo di celle, con la polarità invertita rispetto alla loro. In condizioni normali resta polarizzato inversamente e si comporta come un interruttore aperto, quindi non fa nulla. Quando il gruppo va in ombra e la tensione ai suoi capi si inverte, il diodo conduce e offre alla corrente una strada che aggira le celle in difficoltà.
Un modulo attuale da 144 mezze celle, come il Trina TSM-NEG9R28 da 440 W, monta tre diodi di bypass, uno per ciascuna sottostringa. Ogni diodo copre quindi un terzo delle celle. La letteratura tecnica indica in circa quindici celle per diodo il limite oltre il quale il rischio termico torna a farsi sentire, e i moduli commerciali stanno in quell’ordine di grandezza.
Il bilancio dell’intervento è chiaro e ha un prezzo:
| Situazione | Cosa accade | Potenza residua indicativa |
|---|---|---|
| Nessuna ombra | i tre diodi restano inattivi | 100 % |
| Una sottostringa in ombra | un diodo conduce, quella parte esce dal circuito | circa 66 % |
| Due sottostringhe in ombra | due diodi conducono | circa 33 % |
| Ombra su tutte e tre | il modulo lavora sotto tensione minima | prossima a zero |
Il diodo che conduce limita il danno e non lo annulla: il contributo delle celle escluse è perso per intero e la tensione del modulo cala della quota corrispondente, con una caduta di qualche decimo di volt sul diodo stesso. Un modulo con Voc dichiarata di 52,2 V che perde una sottostringa scende nell’ordine dei 35 V, e l’inverter deve restare in grado di lavorare con quel valore.
Ombra orizzontale e ombra verticale non costano uguale
Qui entra in gioco la tecnologia che ha cambiato il quadro negli ultimi anni: le mezze celle, in inglese half-cut. Le celle vengono tagliate a metà e il modulo viene diviso in due sezioni sovrapposte, collegate fra loro in parallelo. Ogni sezione ha le sue tre sottostringhe, e i tre diodi lavorano sulle coppie.
Un’ombra orizzontale che copre la fascia bassa del modulo tocca tutte e tre le sottostringhe della metà inferiore. Grazie al collegamento in parallelo la metà superiore continua a lavorare indisturbata, e la produzione si assesta intorno al cinquanta per cento. Su un modulo a celle intere lo stesso scenario spegnerebbe tutte e tre le sottostringhe, con perdita quasi totale.
Un’ombra verticale attraversa entrambe le metà nella stessa colonna. In quel caso il vantaggio del parallelo sparisce, il diodo della sottostringa colpita entra in funzione e resta circa il sessantasei per cento.
Da qui esce una regola operativa che vale i pochi minuti che costa applicarla: guarda da che parte arriva l’ombra sul tuo balcone e orienta il modulo di conseguenza. Il balcone del piano superiore proietta una linea orizzontale che scende con il sole alto, e in quel caso il modulo montato in orizzontale, con la divisione fra le due metà parallela al bordo dell’ombra, si difende molto meglio.
Le ombre tipiche di un balcone
Il tetto di casa ha un nemico solo, il camino. Un balcone ne ha molti di più, e quasi tutti sono vicini.
I montanti della ringhiera. Se il modulo è appoggiato al parapetto, i ferri verticali proiettano strisce nette e strette che si spostano durante la giornata. Sono verticali per costruzione, quindi colpiscono le sottostringhe una alla volta.
Il balcone del piano di sopra. Produce una linea orizzontale che d’estate scende bassa, quando il sole è alto, e d’inverno risale o sparisce. È l’ombra che il montaggio orizzontale del modulo affronta meglio.
Il muro laterale e le persiane. Danno un’ombra ampia nelle prime o nelle ultime ore, secondo l’esposizione, e restano fuori dalla finestra centrale della giornata.
Gli oggetti temporanei. Stendibiancheria, vasi, tende da sole, antenne. Sono i più sottovalutati, perché quando pianifichi l’installazione spesso non ci sono, e poi tornano a tutte le stagioni.
Gli edifici di fronte. Su questi non si può fare nulla se non contarli prima. La loro ombra arriva a fine giornata d’inverno e può togliere l’intera fascia produttiva pomeridiana nei mesi in cui il sole tramonta presto.
L’ombra vicina è peggiore di quella lontana
Questa è la parte contro-intuitiva, e ha una spiegazione geometrica pulita. Il Sole non è un punto: dalla Terra lo vediamo come un disco di circa mezzo grado di ampiezza. Ogni ostacolo produce quindi due zone, un’ombra piena al centro e una penombra ai bordi, che si allarga con la distanza di circa 9 millimetri per ogni metro.
Le conseguenze pratiche sono tre:
| Distanza dell’ostacolo | Penombra ai bordi | Effetto su un montante da 2 cm |
|---|---|---|
| 5 cm | meno di 1 mm | ombra piena e netta |
| 50 cm | circa 5 mm | ombra piena ancora larga 1 cm |
| 2,2 m | circa 2 cm | l’ombra piena scompare |
| 5 m | circa 4,5 cm | solo una leggera velatura |
Un montante largo due centimetri smette di proiettare ombra piena oltre i due metri circa di distanza. Da lì in poi lascia solo una riduzione diffusa dell’irraggiamento, che il modulo assorbe con una perdita proporzionale e senza far intervenire i diodi.
La traduzione operativa è semplice: staccare il modulo dagli ostacoli vicini vale più che allontanare quelli lontani. Qualche centimetro di distanziale fra pannello e ringhiera, dove le staffe lo permettono, cambia il regime dell’ombra da netta a diffusa. Le possibilità di montaggio e i loro limiti stanno nella guida alle staffe per il fotovoltaico da balcone.
Quanto pesa un’ombra in kilowattora all’anno
Il conto dipende da due fattori che vanno stimati separatamente: quanta potenza manca e per quante ore delle ore giuste.
La produzione di una giornata serena si concentra molto: la finestra fra le 11 e le 15 porta circa la metà del totale giornaliero, mentre le due ore dopo l’alba e le due prima del tramonto insieme valgono pochi punti percentuali.
Prendiamo un kit da 800 W che rende 800 kWh l’anno, con un’ombra che spegne una sottostringa di un modulo fra le 11 e le 15 nei mesi da aprile a settembre. Un terzo di un modulo su due significa un sesto della potenza dell’impianto; su una finestra che pesa la metà della giornata, per metà dell’anno, l’ordine di grandezza della perdita si colloca fra i 40 e i 70 kWh l’anno, cioè fra 10 e 18 euro a 0,25 €/kWh.
La stessa ombra spostata alle prime ore del mattino costa una frazione di quel valore. È il momento della giornata a decidere il conto, molto più della superficie coperta. Il metodo per stimare la resa di partenza del tuo balcone sta nella guida su quanto produce il fotovoltaico da balcone.
Due ingressi MPPT: il dettaglio che salva il secondo modulo
Un kit da balcone tipico ha due moduli e un microinverter. Il modo in cui i due moduli arrivano all’inverter decide quanto l’ombra su uno pesa sull’altro.
Con un inverter a due ingressi MPPT indipendenti, ciascun modulo ha il suo inseguitore del punto di massima potenza. Il modulo in ombra lavora al meglio delle sue possibilità ridotte, l’altro continua a rendere pieno, e la perdita resta confinata.
Con un solo inseguitore per due moduli in serie, la corrente comune viene fissata dal modulo più debole e la perdita si applica a entrambi. Su un balcone dove l’ombra arriva di lato e tocca un pannello alla volta, la differenza fra le due configurazioni è concreta.
Quasi tutti i microinverter da 800 W venduti oggi in Italia dichiarano due MPPT, ed è una specifica che vale la pena verificare sulla scheda prima dell’acquisto. Il ruolo del componente e le differenze fra le famiglie stanno nella guida all’inverter fotovoltaico.
Come misurare l’ombra prima di comprare
Il modo più economico costa una giornata serena e nessun attrezzo.
- Scegli il punto in cui pensi di montare il pannello e appoggia un cartone della stessa dimensione, oppure segna il perimetro con del nastro.
- Scatta una fotografia dallo stesso punto alle 9, alle 11, alle 13, alle 15 e alle 17.
- Guarda le cinque immagini in sequenza: vedi dove passa l’ombra, quanto è larga e in quale direzione si muove.
- Ripeti in una stagione diversa, se puoi aspettare. D’inverno il sole resta basso e le ombre degli edifici vicini si allungano di molto.
Chi vuole un dato più solido può affiancare alle fotografie una verifica sul portale PVGIS della Commissione europea, che permette di inserire un profilo di orizzonte e restituisce la resa già corretta. Per gli ostacoli vicini, però, la fotografia resta lo strumento migliore, perché nessun modello di orizzonte conosce il tuo stendibiancheria.
Cosa si può fare e cosa resta fuori portata
Spostare il modulo di mezzo metro. È l’intervento che rende di più e costa meno, e spesso basta per uscire dalla striscia d’ombra delle ore centrali.
Ruotare l’orientamento del pannello. Mettere il lato lungo parallelo al bordo dell’ombra, dove l’ombra è orizzontale, sfrutta il parallelo fra le due metà del modulo half-cut.
Distanziare il modulo dalla ringhiera. Anche pochi centimetri trasformano un’ombra netta in una velatura, e la velatura costa proporzionalmente molto meno.
Verificare i due MPPT. Prima dell’acquisto, sulla scheda tecnica del microinverter.
Restano invece fuori portata gli ottimizzatori di potenza per singolo modulo, che nel mondo degli impianti da tetto risolvono situazioni di questo tipo: sui kit plug and play da 800 W l’elettronica è già integrata nel microinverter e l’aggiunta non è prevista. E resta fuori portata l’edificio di fronte, che va semplicemente contato prima di ordinare.
Un ultimo controllo che vale la pena fare ogni tanto riguarda la superficie del vetro. Polvere, polline e depositi di smog agiscono come un’ombra diffusa distribuita su tutto il modulo, con perdite reali e recuperabili in mezz’ora: il metodo corretto sta nella guida alla pulizia dei pannelli solari.
Il verdetto
L’ombra su un impianto da balcone è quasi sempre gestibile, a patto di guardarla prima di comprare invece che dopo. Le tre cose da portare a casa sono poche.
La prima: il danno non è proporzionale alla superficie coperta. Una striscia sottile che attraversa il modulo nel verso sbagliato può togliere un terzo della potenza, e i diodi di bypass contengono il danno senza cancellarlo.
La seconda: la direzione dell’ombra conta quanto la sua estensione. Con i moduli a mezze celle di oggi, un’ombra orizzontale lascia lavorare metà pannello, una verticale spegne una sottostringa intera.
La terza: conta l’orario. Due ore d’ombra alle 8 del mattino sono un dettaglio, due ore a mezzogiorno sono il motivo per cui l’impianto rende meno del previsto. Cinque fotografie in una giornata di sole rispondono alla domanda meglio di qualunque calcolo teorico.
Domande frequenti
Quanto produce un pannello fotovoltaico in ombra?
Dipende da quanta parte del modulo è coperta e da come è disposta l'ombra. Una macchia che copre poche celle di una sola sottostringa fa intervenire il diodo di bypass e spegne quel terzo di modulo, quindi restano circa due terzi della potenza. Un'ombra che attraversa tutte e tre le sottostringhe di un modulo tradizionale può azzerare quasi del tutto la produzione, anche coprendo una superficie piccola.
A cosa servono i diodi di bypass di un pannello solare?
Servono a deviare la corrente attorno al gruppo di celle che produce meno, così le celle sane continuano a lavorare. Un modulo da 144 mezze celle ne monta tre nella scatola di giunzione, una per sottostringa. Senza diodi la cella in ombra si troverebbe polarizzata al contrario e dovrebbe dissipare la potenza di tutte le altre, con il rischio di surriscaldamento localizzato.
Un'ombra parziale può danneggiare il pannello?
Il rischio si chiama hotspot e riguarda i moduli senza protezione o con un diodo guasto. La cella coperta smette di generare e si comporta come una resistenza che assorbe la potenza delle celle in serie con lei, scaldandosi molto oltre la temperatura di esercizio. I diodi di bypass esistono proprio per interrompere questo meccanismo, e su un modulo integro l'ombra costa energia senza fare danni.
Le mezze celle si comportano meglio in ombra?
Sì, quando l'ombra ha un andamento orizzontale. In un modulo half-cut le due metà lavorano in parallelo, quindi un'ombra che copre la fascia bassa lascia lavorare la metà alta e la produzione scende intorno al 50 per cento. Nello stesso scenario un modulo a celle intere perderebbe quasi tutto. Con un'ombra verticale il vantaggio sparisce, perché la striscia attraversa entrambe le metà.
I ferri della ringhiera fanno ombra sul pannello?
Se il modulo è montato aderente alla ringhiera, sì, e sono il caso peggiore. Un montante distante pochi centimetri proietta un'ombra netta e stretta, perché a quella distanza il disco solare non riesce ad aggirarlo. Lo stesso montante a due metri e mezzo di distanza produce solo un'attenuazione diffusa. La regola pratica è tenere il modulo staccato dagli ostacoli il più possibile.
Meglio due moduli su due ingressi MPPT separati?
Sì, se uno dei due riceve ombra in momenti diversi dall'altro. Un microinverter con due ingressi MPPT indipendenti insegue il punto di massima potenza di ciascun modulo separatamente, quindi il modulo in ombra non trascina l'altro. Con un solo inseguitore per due moduli in serie la corrente del più debole limita entrambi, e la perdita si somma.
A che ora del giorno l'ombra costa di più?
Fra le 11 e le 15, che è la finestra in cui si concentra circa la metà della produzione giornaliera. Un'ombra che passa sul modulo alle 8 del mattino o alle 18 tocca ore in cui l'irraggiamento è basso e incide poco sul totale annuo. La stessa ombra a mezzogiorno vale molte volte tanto, ed è il primo controllo da fare prima di scegliere il punto di montaggio.
Come faccio a sapere se il mio balcone ha troppa ombra?
Il metodo più semplice richiede una giornata serena e tre fotografie della parete o della ringhiera scattate dallo stesso punto alle 9, alle 13 e alle 16. Le tre immagini mostrano dove passa l'ombra nelle ore che contano e quanto è larga. Chi vuole un dato più solido può ripetere il controllo in due stagioni diverse, perché in inverno il sole resta basso e le ombre si allungano molto.