Abstract
Nepotrivirea modulelor este una dintre principalele blocaje tehnice care limitează îmbunătățirea eficienței de generare a energiei sistemului fotovoltaic (PV). Esența sa este „efectul de găleată” cauzat de curenții de ieșire inconsecvenți ai modulelor fotovoltaice într-un circuit în serie. Potrivit statisticilor Programului de Sisteme de Energie Fotovoltaică (PVPS) al Agenției Internaționale pentru Energie (IEA), pierderea medie globală de generare de energie din cauza nepotrivirii centralelor fotovoltaice variază de la 5% la 15% și poate depăși chiar 20% în centralele cu teren complex sau funcționare și întreținere slabe. Dintre acestea, diferența de unghi de înclinare este cea mai dominantă cauză a nepotrivirii în scenarii complexe de instalare, cum ar fi zonele muntoase și acoperișurile, reprezentând aproximativ 40%-60% din pierderile totale de nepotrivire.
1.Principii de bază și mecanisme fizice ale nepotrivirii modulelor fotovoltaice
1.1 Caracteristicile electrice ale modulelor fotovoltaice
Caracteristicile de ieșire ale unui modul fotovoltaic sunt determinate de curba sa de curent-tensiune (I-V) și curba de putere-tensiune (P{-V). În condiții standard de testare (STC: iradiere 1000 W/m², temperatura celulei 25 de grade, spectru AM1.5), un singur modul are un punct de putere maximă (MPP) unic.
Curentul de scurt-circuit (Isc) al unui modul fotovoltaic este aproximativ proporțional cu iradierea solară incidentă pe suprafața celulei, care este baza fizică de bază pentru nepotrivirea curentului cauzată de diferențele de unghi de înclinare. Formula se exprimă astfel:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Unde:
• Isc: curent real de scurt{0}circuit (A)
• Isc_STC: Curent de scurt-circuit în condiții standard de testare (A)
• G: Iradierea incidentă reală (W/m²)
• G_STC: iradiere de testare standard (1000 W/m²)
Când mai multe module sunt conectate în serie pentru a forma un șir, conform Legii curente a lui Kirchhoff,toate modulele dintr-un circuit în serie trebuie să funcționeze la același curent; în timp ce tensiunea totală a șirului este egală cu suma tensiunilor de funcționare ale fiecărui modul. Această caracteristică determină că sistemele în serie sunt extrem de sensibile la diferențele de curent.
1.2 Mecanismul de bază al fenomenului de nepotrivire
„Efectul de butoi” (cunoscut și ca „cea mai slabă verigă” sau „efectul de gât de sticlă”) este o analogie perfectă pentru ceea ce se întâmplă în modulele fotovoltaice-conectate în serie. Imaginează-ți o serie de butoaie conectate într-un lanț, fiecare cu o capacitate diferită. Cantitatea de apă care poate curge prin întregul sistem este limitată de butoiul cu cea mai mică capacitate-indiferent de cât de mari sunt celelalte.
Într-un șir fotovoltaic, modulele sunt conectate electric în serie, ceea ce înseamnă că același curent trebuie să circule prin toate. Modulul care primește cea mai mică iradiere (din cauza unui unghi suboptim) va genera cel mai mic curent. Acest lucru forțează curentul întregului șir să se potrivească cu cel mai slab performanță, ceea ce face ca modulele-performante mai mari să funcționeze sub potențialul lor. Pierderile de putere pot fi substanțiale, depășind cu mult suma simplă a reducerilor individuale.
2. Principalele cauze ale nepotrivirii modulelor fotovoltaice
Cauzele nepotrivirii modulelor sunt complexe și diverse și pot fi împărțite în două categorii: nepotrivire congenitală și nepotrivire dobândită.
2.1 Nepotrivire congenitală: diferențe ale parametrilor din fabrică
Chiar și modulele produse în același lot au ușoare diferențe în parametrii lor de performanță electrică din cauza unor factori precum puritatea materialului semiconductor și fluctuațiile procesului de producție. Producătorii de module efectuează de obicei gradarea puterii (binning) pe module, dar modulele din același compartiment de alimentare pot avea totuși diferențe de curent cu ±2,5%.
Pierderea de nepotrivire cauzată de astfel de diferențe ale parametrilor din fabrică este de obicei de 2%-3%, ceea ce este o pierdere de nepotrivire de bază care nu poate fi evitată complet în toate sistemele fotovoltaice.
2.2 Nepotrivire dobândită: mediu de operare și factori de operare și întreținere
Acesta este motivul principal pentru care pierderea reală a nepotrivirii sistemului este mult mai mare decât valoarea de bază, incluzând în special:
• Unghiuri de înclinare și unghiuri de azimut inconsecvente(va fi analizat în profunzime mai jos)
• Nepotrivire de umbrire: Umbrire fixă de la clădirile din jur, copaci, munți etc. și umbrire dinamică de la nori, păsări etc.
• Nepotrivire murdărire și îmbătrânire: murdărie neuniformă, cum ar fi praful, zăpada, excrementele de păsări de pe suprafața modulului și diferențele în ratele de îmbătrânire după funcționare pe termen lung-
• Nepotrivire de temperatură: Temperaturi neuniforme cauzate de diferitele condiții de disipare a căldurii ale modulelor
3.-Mecanismul aprofundat și analiza cantitativă a nepotrivirii cauzate de diferențele de unghi de înclinare
Nepotrivirea unghiului de înclinare se referă la unghiurile de înclinare ale instalației inconsecvente (unghiul dintre planul modulului și planul orizontal) ale diferitelor module din același șir de serie, rezultând cantități diferite de iradiere solară primită de fiecare modul și, astfel, diferențe de curent de ieșire. Acesta este cel mai comun și ușor de trecut cu vederea tipul de nepotrivire în sistemele fotovoltaice montane și pe acoperișuri distribuite.
3.1 Principalele motive pentru care diferențele de unghi de instalare exacerba acest lucru:
• Variația de iradiere: Un modul înclinat la un unghi diferit captează mai puțin lumina directă a soarelui, mai ales în orele de vârf. De exemplu, pe un acoperiș înclinat cu înclinații diferite, modulele orientate spre sud-la înclinare optimă ar putea funcționa bine, în timp ce altele la unghiuri mai puțin adânci sau mai abrupte au performanțe slabe.
• Impact zilnic și sezonier: Unghiurile afectează nu doar puterea maximă, ci și performanța pe parcursul zilei. Înclinările ne-uniforme duc la curbe IV nepotrivite (caracteristicile de-tensiuni curente), crescând pierderile de nepotrivire.
• Combinarea cu alți factori: Diferențele de unghi pot înrăutăți efectele de umbrire sau gradienții de temperatură, deoarece modulele slab înclinate se pot încălzi diferit.
3.2 Corelația cantitativă între diferența de unghi de înclinare și curentul de ieșire al modulului
Putem cuantifica relația dintre diferența de unghi de înclinare și diferența de curent calculând cu precizie iradința totală a planului la diferite unghiuri de înclinare. LuândRegiunea de latitudine de 30 de grade N(bazinul râului Yangtze din China), ca exemplu, următorul tabel arată diferențele anuale de iradiere totală și de curent de scurt{0}}circuit pentru diferite unghiuri de înclinare a instalației în raport cu unghiul de înclinare optim (aproximativ 30 de grade ):
Unghi de înclinare de instalare (grad) | Iradierea totală anuală (kWh/m²) | Diferența de iradiere în raport cu unghiul optim de înclinare (%) | Diferența de curent-de scurtcircuit (%) |
| 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 (optimal) | 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 |
Concluzii cheie:
1. În regiunea de latitudine de 30 de grade N, pentru fiecare abatere de 5 grade de la unghiul optim de înclinare, iradierea anuală scade cu aproximativ 2%-4%, corespunzătoare unei scăderi de 2%-4% a curentului de scurtcircuit.
2. Când diferența de unghi de înclinare atinge 20 de grade (de exemplu, 30 de grade față de 10 grade), diferența anuală de curent poate depăși 12%.
3. Diferențele de curent instantanee sunt mult mai mari decât diferențele medii anuale. De exemplu, la prânz la solstițiul de vară, unghiul de altitudine solară este de aproximativ 83,5 grade, moment în care iradierea directă primită de un modul cu un unghi de înclinare de 10 grade este cu aproximativ 15% mai mare decât cea primită de un modul cu un unghi de înclinare de 30 de grade; în timp ce la prânz la solstițiul de iarnă, unghiul de altitudine solară este de aproximativ 36,5 grade, iar iradierea directă primită de un modul cu un unghi de înclinare de 10 grade este cu aproximativ 25% mai mică decât cea primită de un modul cu un unghi de înclinare de 30 de grade.
4. Comparație a soluțiilor principale pentru nepotrivirea modulelor
Vizând problema nepotrivirii modulelor, în industrie au fost dezvoltate diverse soluții, a căror idee de bază este săîncalcă restricția potrivit căreia „curenții în serie trebuie să fie consecvenți”sauminimizați diferențele de curent.
4.1 Optimizare specială a designului pentru nepotrivirea unghiului de înclinare
Aceasta este soluția cea mai de bază și cu cel mai mic{0}}cost și, de asemenea, măsura pe care toate proiectele ar trebui să o adopte mai întâi:
1. Implementați cu strictețe principiul „același unghi de înclinare, același șir”.: Aceasta este regula de aur pentru prevenirea nepotrivirii unghiului de înclinare. Modulele cu același unghi de înclinare și unghi de azimut trebuie conectate în serie în același șir, iar modulele cu unghiuri/orientări diferite de înclinare nu trebuie niciodată conectate în serie împreună.
2. Scurtați în mod rezonabil lungimea șirului: În zonele cu diferențe mari de unghi de înclinare, scurtarea adecvată a lungimii șirului (de la 22-24 module la 18-20 module) poate reduce intervalul de impact al nepotrivirii.
3. Optimizarea diviziunii canalelor MPPT a invertorului: Conectați șiruri din diferite zone cu unghi de înclinare la diferite canale MPPT, astfel încât fiecare canal MPPT să urmărească doar punctul de putere maximă al șirurilor cu același unghi de înclinare.
4.2 Invertor de șiruri: Invertoare multi-MPPT
Invertoarele centrale tradiționale au de obicei doar 1-2 canale MPPT, în timp ce invertoarele moderne cu șir sunt în general echipate cu mai multe canale MPPT independente (6-12 sau chiar mai mult). Fiecare canal MPPT poate urmări în mod independent punctul de putere maximă al diferitelor șiruri, limitând astfel impactul nepotrivirii la un singur canal MPPT.
Efect asupra nepotrivirii unghiului de înclinare: Poate rezolva în mod eficient problema nepotrivirii dintre diferitele zone de unghi de înclinare, dar tot nu poate rezolva diferențele de unghi de înclinare în cadrul șirurilor din aceeași zonă.
4.3 Module-Tehnologia electronică de putere la nivel (MLPE).
Aceasta este în prezent cea mai eficientă soluție tehnică pentru rezolvarea nepotrivirii unghiului de înclinare, incluzând în principal optimizatoare de putere și microinvertoare:
1. Optimizator de putere
Optimizatoarele de putere sunt instalate pe partea din spate a fiecărui modul, corespunzând unu-la-unu cu modulele. Poate regla în mod independent tensiunea de funcționare și curentul fiecărui modul, făcând ca fiecare modul să funcționeze la propriul punct de putere maximă și apoi să iasă curent continuu în circuitul serie.
Efect asupra nepotrivirii unghiului de înclinare: Poate elimina complet nepotrivirea curentului cauzată de orice diferență de unghi de înclinare din cadrul șirului, permițând fiecărui modul să iasă curentul maxim. Datele măsurate arată că în centralele electrice montane cu diferențe mari de unghi de înclinare, utilizarea optimizatoarelor de putere poate crește generarea de energie cu 15%-20%.
2. Microinvertor
Microinvertoarele sunt instalate direct pe spatele fiecărui modul, transformând curentul continuu de ieșire de către modul direct în curent alternativ, care este apoi conectat în paralel la rețea. Fiecare modul este o unitate independentă de generare a energiei, complet lipsită de restricții de curent în serie.
Efect asupra nepotrivirii unghiului de înclinare: Rezolvă complet toate problemele de nepotrivire a unghiului de înclinare și fiecare modul poate funcționa independent, indiferent de diferența de unghi de înclinare.
Compania noastră poate oferi toate soluțiile și sistemele complete menționate mai sus. Dacă aveți nevoie de ele, vă rugăm să ne contactați!
7. Tendințe viitoare de dezvoltare
Odată cu progresul continuu al tehnologiei fotovoltaice, soluțiile la problema nepotrivirii modulelor inovează și se dezvoltă constant:
1. Tehnologie MLPE cu eficiență mai mare: Eficiența de conversie a optimizatoarelor de putere și a microinvertoarelor de nouă-generație a depășit 99%, cu un consum de energie propriu mai redus-și cu costuri în continuă scădere.
2. Tehnologia modulului inteligent: Integrarea optimizatoarelor de putere sau microinvertoarelor cu module pentru a forma module inteligente, simplificând procesul de instalare și îmbunătățind fiabilitatea sistemului.
3. Tehnologia digitala gemene: Folosind tehnologia digitală dublă pentru a construi un model virtual al centralei fotovoltaice, simulând cu acuratețe pierderile de nepotrivire în diferite condiții de lucru și realizând avertizare timpurie și control optim.
4. Noua tehnologie a bateriei: cum ar fi modulele cu șindrilă, modulele jumătate-tăiate, modulele tăiate etc., reduc impactul umbririi și nepotrivirii prin segmentarea celulelor și metodele de conectare optimizate. De exemplu, modulele-taiate pe jumătate pot reduce pierderile de putere cauzate de umbrire cu aproximativ 50%.
Nepotrivirea modulelor este un fenomen inevitabil în sistemele fotovoltaice,printre care diferența de unghi de înclinare este principala cauză a nepotrivirii în scenariile complexe de instalare, iar pierderea rezultată din generarea de energie poate ajunge la mai mult de 15%. Diferențele de unghi de înclinare duc direct la curenți de ieșire inconsecvenți ai modulelor prin afectarea cantității de iradiere solară primită de module și apoi limitează generarea de energie a întregului șir prin „efectul de găleată” al circuitului în serie.
Pentru diferite tipuri de centrale fotovoltaice, cea mai potrivită soluție de nepotrivire ar trebui să fie selectată în funcție de factori precum condițiile terenului, dimensiunea diferenței unghiului de înclinare și bugetul de investiții. Centralele electrice montate la sol-poate acorda prioritate invertoarelor multi-MPPT șir; pentru scenarii complexe, cum ar fi zonele muntoase și acoperișurile cu diferențe mari de unghi de înclinare, tehnologia electronică de putere la nivel de modul-va aduce îmbunătățiri semnificative în generarea de energie și rentabilitate a investițiilor.
