Abstrakcyjny
Niedopasowanie modułów jest jednym z głównych technicznych wąskich gardeł ograniczających poprawę wydajności wytwarzania energii w systemach fotowoltaicznych (PV). Jego istotą jest „efekt kubełkowy” powodowany przez niespójne prądy wyjściowe modułów PV w połączeniu szeregowym. Według statystyk Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) w ramach programu fotowoltaicznych systemów zasilania (PVPS), średnie globalne straty w wytwarzaniu energii spowodowane niedopasowaniem w elektrowniach fotowoltaicznych wahają się od 5% do 15%, a w elektrowniach o złożonym terenie lub złej obsłudze i konserwacji mogą nawet przekroczyć 20%. Wśród nich różnica kąta nachylenia jest najczęstszą przyczyną niedopasowania w złożonych scenariuszach instalacji, takich jak obszary górskie i dachy, odpowiadając za około 40–60% całkowitych strat wynikających z niedopasowania.
1.Podstawowe zasady i mechanizmy fizyczne niedopasowania modułów fotowoltaicznych
1.1 Charakterystyka elektryczna modułów fotowoltaicznych
Charakterystyka wyjściowa modułu fotowoltaicznego jest określona przez jego krzywą prądu-napięcia (I-V) i krzywą mocy-napięcia (P-V). W standardowych warunkach testowych (STC: natężenie promieniowania 1000 W/m², temperatura ogniwa 25 stopni, widmo AM1,5) pojedynczy moduł ma unikalny maksymalny punkt mocy (MPP).
Prąd-zwarciowy (Isc) modułu fotowoltaicznego jest w przybliżeniu proporcjonalny do natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię ogniwa, co stanowi podstawową fizyczną podstawę niedopasowania prądu spowodowanego różnicami kąta pochylenia. Formuła jest wyrażona jako:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Gdzie:
• Isc: Rzeczywisty-prąd zwarciowy (A)
• Isc_STC:-prąd zwarciowy w standardowych warunkach testowych (A)
• G: Rzeczywiste padające natężenie promieniowania (W/m²)
• G_STC: Standardowe natężenie promieniowania testowego (1000 W/m²)
Kiedy wiele modułów jest połączonych szeregowo w ciąg, zgodnie z obowiązującym prawem Kirchhoffa,wszystkie moduły w obwodzie szeregowym muszą pracować przy tym samym prądzie; natomiast całkowite napięcie ciągu jest równe sumie napięć roboczych każdego modułu. Ta cecha decyduje o tym, że systemy szeregowe są niezwykle wrażliwe na różnice prądów.
1.2 Podstawowy mechanizm zjawiska niedopasowania
„Efekt beczki” (znany również jako „najsłabsze ogniwo” lub „efekt wąskiego gardła”) jest doskonałą analogią do tego, co dzieje się w-połączonych szeregowo modułach fotowoltaicznych. Wyobraź sobie serię beczek połączonych w łańcuch, każda o innej pojemności. Ilość wody, która może przepłynąć przez cały system, jest ograniczona przez beczkę o najmniejszej pojemności-niezależnie od wielkości pozostałych.
W ciągu fotowoltaicznym moduły są elektrycznie połączone szeregowo, co oznacza, że przez wszystkie musi przepływać ten sam prąd. Moduł otrzymujący najmniejsze natężenie promieniowania (ze względu na nieoptymalny kąt) będzie generował najniższy prąd. Zmusza to prąd całego łańcucha do dopasowania prądu do najniższego wydajności, powodując, że moduły o wyższej-wydajności działają poniżej swojego potencjału. Straty mocy mogą być znaczne, znacznie przekraczające prostą sumę poszczególnych redukcji.
2. Główne przyczyny niedopasowania modułów fotowoltaicznych
Przyczyny niedopasowania modułów są złożone i różnorodne i można je podzielić na dwie kategorie: niedopasowanie wrodzone i niedopasowanie nabyte.
2.1 Wrodzone niedopasowanie: różnice w parametrach fabrycznych
Nawet moduły wyprodukowane w tej samej partii wykazują niewielkie różnice w parametrach wydajności elektrycznej ze względu na takie czynniki, jak czystość materiału półprzewodnikowego i wahania procesu produkcyjnego. Producenci modułów zwykle przeprowadzają klasyfikację mocy modułów, ale w modułach w tym samym zasilaczu mogą nadal występować różnice prądów w granicach ±2,5%.
Strata niedopasowania spowodowana takimi różnicami parametrów fabrycznych wynosi zwykle 2% -3%, co jest podstawową stratą niedopasowania, której nie można całkowicie uniknąć we wszystkich systemach fotowoltaicznych.
2.2 Nabyta niezgodność: środowisko operacyjne oraz czynniki operacyjne i konserwacyjne
Jest to główny powód, dla którego rzeczywista strata wskutek niedopasowania systemu jest znacznie większa niż wartość podstawowa, w szczególności obejmująca:
• Niespójne kąty pochylenia i kąty azymutu(zostanie szczegółowo przeanalizowane poniżej)
• Niedopasowanie cieniowania: Naprawiono cieniowanie od otaczających budynków, drzew, gór itp. oraz dynamiczne cieniowanie od chmur, ptaków itp.
• Zabrudzenie i niedopasowanie starzenia: Nierówne zabrudzenia, takie jak kurz, śnieg, ptasie odchody na powierzchni modułu oraz różnice w szybkości starzenia po-długim okresie użytkowania
• Niedopasowanie temperatury: Nierówne temperatury spowodowane różnymi warunkami rozpraszania ciepła przez moduły
3.-Dogłębny mechanizm i analiza ilościowa niedopasowania spowodowanego różnicami kąta nachylenia
Niedopasowanie kąta nachylenia odnosi się do niespójnych kątów nachylenia instalacji (kąta między płaszczyzną modułu a płaszczyzną poziomą) różnych modułów w tym samym ciągu szeregowym, co skutkuje różną ilością promieniowania słonecznego odbieranego przez każdy moduł, a tym samym różnicami w prądzie wyjściowym. Jest to najczęstszy i najłatwiej przeoczony rodzaj niedopasowania w górskich systemach fotowoltaicznych i rozproszonych dachowych systemach fotowoltaicznych.
3.1 Główne powody, dla których różnice w kącie montażu pogłębiają ten problem:
• Zmiana natężenia promieniowania: Moduł pochylony pod innym kątem wychwytuje mniej bezpośredniego światła słonecznego, szczególnie w godzinach szczytu. Na przykład na pochyłym dachu o różnym nachyleniu moduły skierowane na południe-przy optymalnym nachyleniu mogą działać dobrze, podczas gdy inne ustawione pod mniejszymi lub bardziej stromymi kątami mogą działać gorzej.
• Wpływ dzienny i sezonowy: Kąty wpływają nie tylko na moc szczytową, ale także na wydajność w ciągu dnia. Nie-równomierne nachylenie prowadzi do niedopasowanych krzywych IV (charakterystyka-prądu, co zwiększa straty spowodowane niedopasowaniem.
• Łączenie z innymi czynnikami: Różnice kątów mogą pogorszyć efekt cieniowania lub gradienty temperatury, ponieważ moduły ustawione pod złym kątem mogą nagrzewać się inaczej.
3.2 Ilościowa korelacja pomiędzy różnicą kąta pochylenia a prądem wyjściowym modułu
Możemy określić ilościowo związek między różnicą kąta pochylenia a różnicą prądu, dokładnie obliczając całkowite natężenie napromienienia płaszczyzny przy różnych kątach pochylenia. BiorącRegion pod 30 stopniem szerokości geograficznej północnej(dorzecze rzeki Jangcy w Chinach) poniższa tabela przedstawia roczne całkowite natężenie promieniowania i-różnice prądu zwarciowego dla różnych kątów pochylenia instalacji w porównaniu z optymalnym kątem pochylenia (około 30 stopni):
Kąt nachylenia instalacji ( stopień ) | Roczne całkowite napromieniowanie (kWh/m²) | Różnica natężenia promieniowania w stosunku do optymalnego kąta pochylenia (%) | Zwarcie-Różnica prądu w obwodzie (%) |
| 10 | 1285 | -12.3 | -12.3 |
| 15 | 1352 | -7.7 | -7.7 |
| 20 | 1401 | -4.4 | -4.4 |
| 25 | 1432 | -2.3 | -2.3 |
| 30 (optymalny) | 1466 | 0 | 0 |
| 35 | 1451 | -1.0 | -1.0 |
| 40 | 1420 | -3.1 | -3.1 |
| 45 | 1373 | -6.3 | -6.3 |
| 50 | 1312 | -10.5 | -10.5 |
Kluczowe wnioski:
1. W obszarze 30 stopni szerokości geograficznej północnej na każde 5 stopni odchylenia od optymalnego kąta nachylenia roczne natężenie promieniowania zmniejsza się o około 2%-4%, co odpowiada 2%–4% spadkowi prądu zwarciowego.
2. Gdy różnica kąta nachylenia osiągnie 20 stopni (np. 30 stopni w porównaniu z 10 stopniami), roczna różnica prądu może przekroczyć 12%.
3. Chwilowe różnice prądów są znacznie większe niż różnice średnioroczne. Na przykład w południe w czasie przesilenia letniego kąt wysokości Słońca wynosi około 83,5 stopnia, w którym to czasie bezpośrednie natężenie promieniowania odbierane przez moduł o kącie nachylenia 10 stopni jest o około 15% wyższe niż to odbierane przez moduł o kącie pochylenia 30 stopni; podczas gdy w południe podczas przesilenia zimowego kąt wysokości Słońca wynosi około 36,5 stopnia, a bezpośrednie natężenie promieniowania odbierane przez moduł o kącie nachylenia 10 stopni jest o około 25% niższe niż to odbierane przez moduł o kącie pochylenia 30 stopni.
4. Porównanie głównych rozwiązań dotyczących niedopasowania modułów
Mając na celu rozwiązanie problemu niedopasowania modułów, w branży opracowano różne rozwiązania, których podstawową ideą jestzłamać ograniczenie, że „prądy szeregowe muszą być spójne”Lubzminimalizować różnice prądów.
4.1 Specjalna optymalizacja projektu pod kątem niedopasowania kąta pochylenia
Jest to najbardziej podstawowe i najtańsze-rozwiązanie, a także środek, który powinien zostać zastosowany we wszystkich projektach:
1. Ściśle przestrzegaj zasady „ten sam kąt nachylenia, ten sam sznurek”.: Jest to złota zasada zapobiegania niedopasowaniu kąta pochylenia. Moduły o tym samym kącie pochylenia i kącie azymutu należy łączyć szeregowo w tym samym ciągu, natomiast modułów o różnych kątach/orientacjach pochylenia nie wolno nigdy łączyć szeregowo ze sobą.
2. Racjonalnie skróć długość łańcucha: W obszarach o dużych różnicach kąta pochylenia odpowiednie skrócenie długości sznurka (z 22-24 modułów do 18-20 modułów) może zmniejszyć zasięg oddziaływania niedopasowania.
3. Optymalizacja podziału kanałów MPPT falownika: Połącz ciągi z różnych stref kąta nachylenia z różnymi kanałami MPPT, tak aby każdy kanał MPPT śledził tylko maksymalny punkt mocy ciągów o tym samym kącie nachylenia.
4.2 Falownik stringowy: Falowniki z wieloma-MPPT
Tradycyjne falowniki centralne mają zwykle tylko 1-2 kanały MPPT, podczas gdy nowoczesne falowniki stringowe są zazwyczaj wyposażone w wiele niezależnych kanałów MPPT (6-12 lub nawet więcej). Każdy kanał MPPT może niezależnie śledzić maksymalny punkt mocy różnych ciągów, ograniczając w ten sposób wpływ niedopasowania do pojedynczego kanału MPPT.
Wpływ na niedopasowanie kąta pochylenia: Może skutecznie rozwiązać problem niedopasowania pomiędzy różnymi strefami kąta pochylenia, ale nadal nie może rozwiązać problemu różnic kąta pochylenia w ciągach znaków w tej samej strefie.
4.3 Moduł-Technologia Level Power Electronics (MLPE).
Jest to obecnie najskuteczniejsze rozwiązanie techniczne pozwalające rozwiązać problem niedopasowania kąta pochylenia, obejmujące głównie optymalizatory mocy i mikroinwertery:
1. Optymalizator mocy
Optymalizatory mocy są zainstalowane z tyłu każdego modułu, odpowiednio-do- modułów. Może niezależnie regulować napięcie robocze i prąd każdego modułu, dzięki czemu każdy moduł pracuje z własnym maksymalnym punktem mocy, a następnie wyprowadza prąd stały do obwodu szeregowego.
Wpływ na niedopasowanie kąta pochylenia: Może całkowicie wyeliminować niedopasowanie prądu spowodowane różnicą kąta pochylenia ciągu, umożliwiając każdemu modułowi generowanie maksymalnego prądu. Zmierzone dane pokazują, że w elektrowniach górskich, w których występują duże różnice kąta pochylenia, zastosowanie optymalizatorów mocy może zwiększyć wytwarzaną moc o 15%-20%.
2. Mikroinwerter
Mikroinwertery są instalowane bezpośrednio z tyłu każdego modułu, przekształcając prąd stały wychodzący z modułu bezpośrednio na prąd przemienny, który następnie jest podłączony równolegle do sieci. Każdy moduł stanowi niezależną jednostkę wytwarzającą energię, całkowicie wolną od ograniczeń prądu szeregowego.
Wpływ na niedopasowanie kąta pochylenia: Całkowicie rozwiązuje wszystkie problemy niedopasowania kąta pochylenia, a każdy moduł może pracować niezależnie, niezależnie od różnicy kąta pochylenia.
Nasza firma jest w stanie dostarczyć wszystkie wymienione powyżej rozwiązania i kompletne systemy. Jeśli ich potrzebujesz, skontaktuj się z nami!
Wraz z ciągłym rozwojem technologii PV, rozwiązania problemu niedopasowania modułów również podlegają ciągłym innowacjom i rozwojowi:
1. Wyższa wydajność technologii MLPE: Sprawność konwersji optymalizatorów mocy i mikroinwerterów nowej-generacji przekroczyła 99%, przy dalszym zmniejszonym własnym-zużyciu energii i stale spadających kosztach.
2. Inteligentna technologia modułowa: Integracja optymalizatorów mocy lub mikroinwerterów z modułami w celu utworzenia inteligentnych modułów, upraszczająca proces instalacji i poprawiająca niezawodność systemu.
3. Technologia cyfrowego bliźniaka: Wykorzystanie technologii cyfrowych bliźniaków do zbudowania wirtualnego modelu elektrowni fotowoltaicznej, dokładnej symulacji strat wynikających z niedopasowania w różnych warunkach pracy oraz zapewnienia wczesnego ostrzegania i optymalnej kontroli.
4. Nowa technologia akumulatorów: takie jak moduły kryte gontem, moduły-przycięte na pół, moduły krojone itp. redukują wpływ cieniowania i niedopasowania dzięki segmentacji komórek i zoptymalizowanym metodom łączenia. Na przykład moduły-przycięte na pół mogą zmniejszyć straty mocy spowodowane zacienieniem o około 50%.
Niedopasowanie modułów jest zjawiskiem nieuniknionym w systemach PV,wśród których różnica kąta nachylenia jest główną przyczyną niedopasowania w złożonych scenariuszach instalacji, a wynikające z tego straty w wytwarzaniu energii mogą osiągnąć ponad 15%. Różnice kąta nachylenia bezpośrednio prowadzą do niespójnych prądów wyjściowych modułów, wpływając na ilość promieniowania słonecznego odbieranego przez moduły, a następnie ograniczają wytwarzanie energii przez cały ciąg poprzez „efekt kubła” obwodu szeregowego.
W przypadku różnych typów elektrowni fotowoltaicznych należy wybrać najbardziej odpowiednie rozwiązanie niedopasowania, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak warunki terenowe, wielkość różnicy kątów pochylenia i budżet inwestycyjny. Elektrownie-montowane na ziemi mogą dawać pierwszeństwo falownikom szeregowym z wieloma-MPPT; w przypadku złożonych scenariuszy, takich jak obszary górskie i dachy z dużymi różnicami kąta nachylenia, technologia energoelektroniki na poziomie-modułów zapewni znaczną poprawę wytwarzania energii i zwrot inwestycji.
