Povzetek
Neusklajenost modulov je eno od glavnih tehničnih ozkih grl, ki omejuje izboljšanje učinkovitosti proizvodnje električne energije fotovoltaičnega (PV) sistema. Njegovo bistvo je "učinek vedra", ki ga povzročajo nekonsistentni izhodni tokovi PV modulov v serijskem vezju. Po statističnih podatkih Mednarodne agencije za energijo (IEA) Photovoltaic Power Systems Program (PVPS) se globalna povprečna izguba proizvodnje električne energije zaradi neusklajenosti v PV elektrarnah giblje od 5 % do 15 % in lahko celo preseže 20 % v napravah s kompleksnim terenom ali slabim delovanjem in vzdrževanjem. Med njimi je razlika v kotu nagiba najpogostejši vzrok neusklajenosti v zapletenih scenarijih namestitve, kot so gorska območja in strehe, saj predstavlja približno 40–60 % skupnih izgub neusklajenosti.
1.Osnovna načela in fizikalni mehanizmi neusklajenosti PV modulov
1.1 Električne značilnosti PV modulov
Izhodne značilnosti fotonapetostnega modula določata njegova krivulja tokovne-napetosti (I-V) in krivulje-napetosti moči (P-V). V standardnih preskusnih pogojih (STC: obsevanje 1000 W/m², temperatura celice 25 stopinj, spekter AM1,5) ima posamezen modul edinstveno točko največje moči (MPP).
Tok-kratkega stika (Isc) fotonapetostnega modula je približno sorazmeren sončnemu obsevanju, ki pada na površino celice, ki je osnovna fizična podlaga za trenutno neusklajenost, ki jo povzročajo razlike v kotih nagiba. Formula je izražena kot:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
kje:
• Isc: Dejanski tok-kratkega stika (A)
• Isc_STC: Tok-kratkega stika pri standardnih preskusnih pogojih (A)
• G: Dejanska vpadna obsevanost (W/m²)
• G_STC: Standardna preskusna obsevanost (1000 W/m²)
Ko je več modulov zaporedno povezanih v niz, v skladu s Kirchhoffovim trenutnim zakonom,vsi moduli v serijskem vezju morajo delovati z enakim tokom; medtem ko je skupna napetost niza enaka vsoti delovnih napetosti vsakega modula. Ta lastnost določa, da so serijski sistemi izjemno občutljivi na tokovne razlike.
1.2 Osnovni mehanizem pojava neusklajenosti
»Učinek soda« (znan tudi kot »najšibkejši člen« ali »učinek ozkega grla«) je popolna analogija za to, kar se zgodi v zaporedno-povezanih PV modulih. Predstavljajte si vrsto sodov, povezanih v verigo, vsak z drugačno prostornino. Količina vode, ki lahko teče skozi celoten sistem, je omejena s sodom z najmanjšo prostornino-ne glede na to, kako veliki so drugi.
V fotonapetostnem nizu so moduli električno zaporedno povezani, kar pomeni, da mora skozi vse teči isti tok. Modul, ki prejme najmanj obsevanja (zaradi neoptimalnega kota), bo ustvaril najnižji tok. To prisili tok celotnega niza, da se ujema z najslabšim, kar povzroči, da zmogljivejši-moduli delujejo pod svojim potencialom. Izgube moči so lahko znatne in daleč presegajo preprosto vsoto posameznih zmanjšanj.
2. Glavni vzroki za neusklajenost PV modula
Vzroki za neujemanje modulov so zapleteni in raznoliki in jih je mogoče razdeliti v dve kategoriji: prirojeno neujemanje in pridobljeno neujemanje.
2.1 Prirojeno neujemanje: razlike tovarniških parametrov
Tudi moduli, proizvedeni v isti seriji, imajo rahle razlike v svojih parametrih električne učinkovitosti zaradi dejavnikov, kot so čistost polprevodniškega materiala in nihanja proizvodnega procesa. Proizvajalci modulov običajno izvajajo razvrščanje moči (združevanje) na modulih, vendar imajo moduli znotraj istega predala za napajanje lahko še vedno razlike v toku znotraj ±2,5 %.
Izguba neusklajenosti, ki jo povzročijo takšne razlike v tovarniških parametrih, je običajno 2%-3%, kar je osnovna izguba neusklajenosti, ki se ji ni mogoče popolnoma izogniti v vseh PV sistemih.
2.2 Pridobljena neusklajenost: delovno okolje ter dejavniki delovanja in vzdrževanja
To je glavni razlog, zakaj je dejanska izguba neusklajenosti sistema veliko večja od osnovne vrednosti, zlasti vključno z:
• Neskladni koti nagiba in koti azimuta(poglobljeno bo analizirano spodaj)
• Neusklajenost senčenja: Fiksno senčenje okoliških zgradb, dreves, gora itd. in dinamično senčenje oblakov, ptic itd.
• Neskladje med umazanijo in staranjem: Neenakomerna umazanija, kot so prah, sneg, ptičji iztrebki na površini modula in razlike v stopnjah staranja po dolgotrajnem-delovanju
• Neusklajenost temperature: Neenakomerne temperature, ki jih povzročajo različni pogoji odvajanja toplote modulov
3. Po-poglobljen mehanizem in kvantitativna analiza neusklajenosti, ki jo povzročajo razlike v kotih nagiba
Neusklajenost kota nagiba se nanaša na nedosledne kote nagiba namestitve (kot med ravnino modula in vodoravno ravnino) različnih modulov v istem serijskem nizu, kar ima za posledico različne količine sončnega obsevanja, ki jih prejme vsak modul, in s tem razlike v izhodnem toku. To je najpogostejša in zlahka spregledana vrsta neusklajenosti v gorskih PV in porazdeljenih strešnih PV sistemih.
3.1 Ključni razlogi, zaradi katerih razlike v kotih namestitve to poslabšajo:
• Variacija obsevanja: Modul, nagnjen pod drugačnim kotom, zajame manj neposredne sončne svetlobe, zlasti v urah največje obremenitve. Na primer, na nagnjeni strehi z različnimi nakloni lahko južno-moduli z optimalnim nagibom delujejo dobro, medtem ko drugi s plitvejšimi ali strmejšimi koti delujejo slabše.
• Dnevni in sezonski vpliv: Koti ne vplivajo le na najvišjo učinkovitost, ampak tudi na učinkovitost čez dan. Ne-enakomerni nagibi vodijo do neusklajenih IV krivulj (karakteristike tokovne-napetosti), kar povečuje izgube zaradi neusklajenosti.
• Sestavljanje z drugimi dejavniki: Razlike v kotih lahko poslabšajo učinke senčenja ali temperaturne gradiente, saj se lahko slabo nagnjeni moduli različno segrejejo.
3.2 Kvantitativna korelacija med razliko kota nagiba in izhodnim tokom modula
Razmerje med razliko kota nagiba in razliko toka lahko kvantificiramo z natančnim izračunom skupne obsevanosti ravnine pri različnih kotih nagiba. JemanjeObmočje zemljepisne širine 30 stopinj(porečje reke Jangce na Kitajskem) kot primer naslednja tabela prikazuje letno skupno obsevanost in razlike v toku kratkega-toka za različne kote nagiba namestitve glede na optimalen kot nagiba (približno 30 stopinj):
Nagibni kot namestitve (stopnja) | Skupna letna obsevanost (kWh/m²) | Razlika obsevanosti glede na optimalni kot nagiba (%) | Tokovna razlika-kratkega stika (%) |
| 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 (optimalno) | 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 |
Ključni sklepi:
1. V območju zemljepisne širine 30 stopinj se za vsakih 5 stopinj odstopanja od optimalnega kota nagiba letna obsevanost zmanjša za približno 2%-4%, kar ustreza 2%-4% zmanjšanju toka kratkega stika.
2. Ko razlika kota nagiba doseže 20 stopinj (npr. 30 stopinj v primerjavi z 10 stopinjami), lahko letna trenutna razlika preseže 12 %.
3. Trenutne tokovne razlike so veliko večje od letnih povprečnih razlik. Na primer, opoldne na poletni solsticij je sončni višinski kot približno 83,5 stopinj, takrat je neposredno obsevanje, ki ga prejme modul z 10-stopinjskim kotom nagiba, približno 15 % višje od tistega, ki ga prejme modul s 30-stopinjskim kotom nagiba; medtem ko je opoldne na zimski solsticij kot sončne višine približno 36,5 stopinj, neposredno obsevanje, ki ga prejme modul z nagibnim kotom 10 stopinj, pa je približno 25 % nižje od tistega, ki ga prejme modul s kotom nagiba 30 stopinj.
4. Primerjava glavnih rešitev za neujemanje modulov
Za reševanje problema neusklajenosti modulov so bile v industriji razvite različne rešitve, katerih glavna ideja jeprekinite omejitev, da "morajo biti serijski tokovi konsistentni"ozzmanjšati trenutne razlike.
4.1 Posebna optimizacija zasnove za neusklajenost kota nagiba
To je najosnovnejša in najcenejša-rešitev ter tudi ukrep, ki bi ga morali najprej sprejeti vsi projekti:
1. Strogo upoštevajte načelo "isti kot nagiba, ista struna".: To je zlato pravilo za preprečevanje neusklajenosti kotov nagiba. Moduli z enakim kotom nagiba in kotom azimuta morajo biti zaporedno povezani v istem nizu, moduli z različnimi koti/usmerjenostmi nagiba pa nikoli ne smejo biti zaporedno povezani skupaj.
2. Razumno skrajšajte dolžino strune: Na območjih z velikimi razlikami v kotih nagiba lahko ustrezno skrajšanje dolžine niza (z 22-24 modulov na 18-20 modulov) zmanjša obseg vpliva neusklajenosti.
3. Optimizirajte razdelitev kanalov inverterja MPPT: Povežite strune iz različnih območij kota nagiba na različne kanale MPPT, tako da vsak kanal MPPT sledi le največji moči strun z enakim kotom nagiba.
4.2 Inverter strun: Več-MPPT pretvorniki
Tradicionalni centralni razsmerniki imajo običajno le 1-2 MPPT kanala, medtem ko so sodobni nizni pretvorniki običajno opremljeni z več neodvisnimi MPPT kanali (6-12 ali celo več). Vsak kanal MPPT lahko neodvisno sledi največji točki moči različnih strun, s čimer omeji vpliv neujemanja na en sam kanal MPPT.
Vpliv na neusklajenost kota nagiba: Lahko učinkovito reši problem neusklajenosti med različnimi območji kotov nagiba, vendar še vedno ne more rešiti razlik v kotih nagiba znotraj nizov v istem območju.
4.3 Module-Tehnologija močnostne elektronike (MLPE).
To je trenutno najučinkovitejša tehnična rešitev za reševanje neusklajenosti kotov nagiba, ki vključuje predvsem optimizatorje moči in mikroinverterje:
1. Power Optimizer
Optimizatorji porabe energije so nameščeni na zadnji strani vsakega modula, tako da ustrezajo-ena-ena z moduli. Lahko neodvisno prilagodi delovno napetost in tok vsakega modula, tako da vsak modul deluje na svoji največji točki moči, nato pa oddaja enosmerni tok v serijsko vezje.
Vpliv na neusklajenost kota nagiba: Lahko popolnoma odpravi tokovno neusklajenost, ki jo povzroči kakršna koli razlika v kotu nagiba znotraj niza, kar omogoča vsakemu modulu, da oddaja svoj največji tok. Izmerjeni podatki kažejo, da lahko v gorskih elektrarnah z velikimi razlikami kotov nagiba uporaba optimizatorjev moči poveča proizvodnjo električne energije za 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinverterji so neposredno nameščeni na hrbtni strani vsakega modula in pretvarjajo enosmerni izhodni tok modula neposredno v izmenični tok, ki je nato priključen vzporedno na omrežje. Vsak modul je neodvisna enota za proizvodnjo električne energije, popolnoma brez serijskih tokovnih omejitev.
Vpliv na neusklajenost kota nagiba: Popolnoma reši vse težave z neusklajenostjo kota nagiba in vsak modul lahko deluje neodvisno ne glede na razliko kota nagiba.
Naše podjetje lahko zagotovi vse zgoraj navedene rešitve in celotne sisteme. Če jih potrebujete, nas kontaktirajte!
Z nenehnim napredkom PV tehnologije se tudi rešitve za problem neusklajenosti modulov nenehno inovirajo in razvijajo:
1. Tehnologija MLPE z večjo učinkovitostjo: Učinkovitost pretvorbe nove-generacije optimizatorjev moči in mikropretvornikov je presegla 99 % z dodatno zmanjšano lastno-porabo energije in nenehnim padanjem stroškov.
2. Tehnologija pametnega modula: Integracija optimizatorjev moči ali mikropretvornikov z moduli za oblikovanje pametnih modulov, poenostavitev postopka namestitve in izboljšanje zanesljivosti sistema.
3. Tehnologija digitalnih dvojčkov: Uporaba tehnologije digitalnega dvojčka za izdelavo virtualnega modela fotonapetostne elektrarne, natančno simulacijo izgub neusklajenosti v različnih delovnih pogojih ter realizacijo zgodnjega opozarjanja in optimalnega nadzora.
4. Nova baterijska tehnologija: kot so moduli s skodlami, napol-rezani moduli, narezani moduli itd., zmanjšajo vpliv senčenja in neujemanja s segmentacijo celic in optimiziranimi metodami povezovanja. Pol-rezni moduli lahko na primer zmanjšajo izgubo moči zaradi senčenja za približno 50 %.
Neusklajenost modulov je neizogiben pojav v PV sistemih,med katerimi je razlika kota nagiba glavni vzrok neusklajenosti v zapletenih scenarijih namestitve, posledična izguba proizvodnje električne energije pa lahko doseže več kot 15 %. Razlike v kotih nagiba neposredno vodijo do nedoslednih izhodnih tokov modulov, tako da vplivajo na količino sončnega obsevanja, ki ga prejmejo moduli, in nato omejijo proizvodnjo električne energije celotnega niza z "učinkom vedra" serijskega vezja.
Za različne vrste fotonapetostnih elektrarn je treba izbrati najprimernejšo rešitev neusklajenosti glede na dejavnike, kot so razmere na terenu, velikost razlike kota nagiba in proračun naložbe. Nazemne-elektrarne lahko dajo prednost več-razsmernikom nizov MPPT; za zapletene scenarije, kot so gorska območja in strehe z velikimi razlikami kotov nagiba, bo tehnologija močnostne elektronike na nivoju modul- prinesla znatne izboljšave pri proizvodnji energije in povrnitev naložbe.
