Abstraktné
Nesúlad modulov je jedným z hlavných technických prekážok, ktoré obmedzujú zlepšenie účinnosti výroby energie fotovoltaických (PV) systémov. Jeho podstatou je „bucket effect“ spôsobený nekonzistentnými výstupnými prúdmi FV modulov v sériovom obvode. Podľa štatistík Programu fotovoltických energetických systémov (PVPS) Medzinárodnej energetickej agentúry (IEA) sa celosvetová priemerná strata pri výrobe energie v dôsledku nesúladu vo fotovoltaických elektrárňach pohybuje od 5 % do 15 % a môže dokonca prekročiť 20 % v zariadeniach so zložitým terénom alebo zlou prevádzkou a údržbou. Medzi nimi je rozdiel uhlov sklonu najdominantnejšou príčinou nesúladu v zložitých inštalačných scenároch, ako sú horské oblasti a strechy, čo predstavuje približne 40 % až 60 % celkových strát nesúladu.
1.Základné princípy a fyzikálne mechanizmy nesúladu fotovoltických modulov
1.1 Elektrické charakteristiky FV modulov
Výstupné charakteristiky FV modulu sú určené krivkou jeho aktuálneho-napätia (I-V) a krivky výkonového-napätia (P-V). Za štandardných testovacích podmienok (STC: ožiarenie 1000 W/m², teplota článku 25 stupňov, spektrum AM1,5) má jeden modul jedinečný maximálny výkonový bod (MPP).
Skratový-prúd (Isc) fotovoltického modulu je približne úmerný slnečnému žiareniu dopadajúcemu na povrch článku, čo je základný fyzikálny základ pre nesúlad prúdu spôsobený rozdielmi uhla sklonu. Vzorec je vyjadrený ako:
Isc ≈ Isc_STC × (G/GSTC)
kde:
• Isc: Skutočný skratový-prúd (A)
• Isc_STC: Skratový-prúd za štandardných testovacích podmienok (A)
• G: Skutočná dopadajúca ožiarenosť (W/m²)
• G_STC: Štandardná testovacia ožiarenosť (1000 W/m²)
Keď sú viaceré moduly zapojené do série, aby vytvorili reťazec, podľa Kirchhoffovho súčasného zákona,všetky moduly v sériovom obvode musia pracovať pri rovnakom prúde; pričom celkové napätie reťazca sa rovná súčtu prevádzkových napätí každého modulu. Táto charakteristika určuje, že sériové systémy sú mimoriadne citlivé na rozdiely prúdu.
1.2 Základný mechanizmus javu nesúladu
„Efekt suda“ (známy aj ako „najslabší článok“ alebo „efekt úzkeho hrdla“) je dokonalou analógiou toho, čo sa deje v sériovo{0}}zapojených FV moduloch. Predstavte si sériu sudov spojených do reťaze, pričom každý má inú kapacitu. Množstvo vody, ktoré môže pretiecť celým systémom, je obmedzené sudom s najmenšou kapacitou-bez ohľadu na to, aké veľké sú ostatné.
Vo FV reťazci sú moduly elektricky zapojené do série, čo znamená, že cez všetky musí pretekať rovnaký prúd. Modul, ktorý dostane najmenšie ožiarenie (v dôsledku suboptimálneho uhla), bude generovať najnižší prúd. To prinúti celý reťazec, aby sa zhodoval s najnižším výkonom, čo spôsobí, že moduly s vyšším{2}}výkonom budú fungovať pod svojim potenciálom. Straty výkonu môžu byť značné, ďaleko presahujúce jednoduchý súčet jednotlivých znížení.
2. Hlavné príčiny nesúladu fotovoltických modulov
Príčiny nesúladu modulov sú zložité a rôznorodé a možno ich rozdeliť do dvoch kategórií: vrodený nesúlad a získaný nesúlad.
2.1 Vrodená nezhoda: Rozdiely v parametroch továrne
Dokonca aj moduly vyrobené v rovnakej šarži majú mierne rozdiely v parametroch elektrického výkonu v dôsledku faktorov, ako je čistota polovodičového materiálu a kolísanie výrobného procesu. Výrobcovia modulov zvyčajne vykonávajú triedenie výkonu (binning) modulov, ale moduly v rámci rovnakého zásobníka môžu mať stále rozdiely v prúde v rozmedzí ±2,5 %.
Strata nesúladu spôsobená takýmito rozdielmi továrenských parametrov je zvyčajne 2%-3%, čo je základná strata nesúladu, ktorej sa nedá úplne vyhnúť vo všetkých FV systémoch.
2.2 Získaný nesúlad: prevádzkové prostredie a faktory prevádzky a údržby
Toto je hlavný dôvod, prečo je skutočná strata nesúladu systému oveľa väčšia ako základná hodnota, konkrétne vrátane:
• Nekonzistentné uhly sklonu a uhly azimutu(budú podrobnejšie analyzované nižšie)
• Nesúlad tieňovania: Pevné tienenie od okolitých budov, stromov, hôr atď. a dynamické tienenie od mrakov, vtákov atď.
• Nesúlad znečistenia a starnutia: Nerovnomerné znečistenie, ako je prach, sneh, vtáčí trus na povrchu modulu a rozdiely v rýchlosti starnutia po-dlhodobej prevádzke
• Teplotný nesúlad: Nerovnomerné teploty spôsobené rôznymi podmienkami rozptylu tepla modulov
3.-Hĺbkový mechanizmus a kvantitatívna analýza nesúladu spôsobeného rozdielmi uhla naklonenia
Nesúlad uhla naklonenia sa týka nekonzistentných uhlov sklonu inštalácie (uhol medzi rovinou modulu a horizontálnou rovinou) rôznych modulov v rovnakom sériovom reťazci, čo vedie k rôznym množstvám slnečného žiarenia prijímaného každým modulom, a tým k rozdielom vo výstupnom prúde. Toto je najbežnejší a ľahko prehliadnuteľný typ nesúladu v horských fotovoltaických systémoch a distribuovaných strešných fotovoltaických systémoch.
3.1 Hlavné dôvody, prečo rozdiely uhlov inštalácie zhoršujú:
• Variácia ožiarenia: Modul naklonený pod iným uhlom zachytáva menej priameho slnečného svetla, najmä počas špičkových hodín. Napríklad na šikmej streche s rôznym sklonom môžu moduly orientované na juh-s optimálnym sklonom fungovať dobre, zatiaľ čo iné moduly s plytším alebo strmším uhlom dosahujú nižšiu výkonnosť.
• Denný a sezónny vplyv: Uhly ovplyvňujú nielen špičkový výkon, ale aj výkon počas dňa. Nerovnomerné náklony vedú k nezhodným IV krivkám (aktuálne-charakteristiky napätia), čo zvyšuje straty v dôsledku nesúladu.
• Zlúčenie s inými faktormi: Rozdiely uhlov môžu zhoršiť efekty tieňovania alebo teplotné gradienty, pretože moduly so zlým uhlom sa môžu zahrievať odlišne.
3.2 Kvantitatívna korelácia medzi rozdielom uhla naklonenia a výstupným prúdom modulu
Vzťah medzi rozdielom uhla sklonu a rozdielom prúdu môžeme kvantifikovať presným výpočtom celkovej ožiarenosti roviny pri rôznych uhloch sklonu. PrijímanieOblasť 30 stupňov severnej zemepisnej šírky(povodie rieky Jang-c'-ťiang v Číne) ako príklad uvádza nasledujúca tabuľka ročné rozdiely celkového ožiarenia a skratového{0}}prúdu pre rôzne uhly sklonu inštalácie vzhľadom na optimálny uhol sklonu (približne 30 stupňov):
Uhol naklonenia inštalácie ( stupeň ) | Ročná celková ožiarenosť (kWh/m²) | Rozdiel ožiarenia vo vzťahu k optimálnemu uhlu naklonenia (%) | Rozdiel prúdu v skrate-(%) |
| 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 (optimálne) | 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 |
Kľúčové závery:
1. V oblasti 30 stupňov severnej zemepisnej šírky sa na každých 5 stupňov odchýlky od optimálneho uhla sklonu zníži ročná ožiarenosť približne o 2 %-4 %, čo zodpovedá zníženiu skratového prúdu o 2 % až 4 %.
2. Keď rozdiel uhla sklonu dosiahne 20 stupňov (napr. 30 stupňov vs 10 stupňov), ročný rozdiel prúdu môže presiahnuť 12 %.
3. Okamžité prúdové rozdiely sú oveľa väčšie ako ročné priemerné rozdiely. Napríklad na poludnie letného slnovratu je uhol slnečnej nadmorskej výšky približne 83,5 stupňa, v tomto čase je priame ožarovanie prijímané modulom s uhlom sklonu 10 stupňov asi o 15 % vyššie ako žiarenie prijímané modulom s uhlom sklonu 30 stupňov; zatiaľ čo na poludnie zimného slnovratu je uhol slnečnej nadmorskej výšky približne 36,5 stupňa a priame ožiarenie prijímané modulom s uhlom naklonenia 10 stupňov je asi o 25 % nižšie ako to, ktoré dostáva modul s uhlom sklonu 30 stupňov.
4. Porovnanie mainstreamových riešení pre nesúlad modulov
S cieľom vyriešiť problém nesúladu modulov boli v tomto odvetví vyvinuté rôzne riešenia, ktorých hlavnou myšlienkou jeprelomiť obmedzenie, že „sériové prúdy musia byť konzistentné“alebominimalizovať prúdové rozdiely.
4.1 Špeciálna optimalizácia dizajnu pre nesúlad uhla naklonenia
Toto je najzákladnejšie a najnižšie{0}}nákladové riešenie a tiež opatrenie, ktoré by všetky projekty mali najskôr prijať:
1. Prísne implementujte princíp „rovnaký uhol sklonu, rovnaký reťazec“.: Toto je zlaté pravidlo na predchádzanie nesúladu uhla naklonenia. Moduly s rovnakým uhlom sklonu a azimutovým uhlom by mali byť zapojené do série v rovnakom reťazci a moduly s rôznymi uhlami/orientáciami sklonu sa nikdy nesmú spájať do série.
2. Rozumne skráťte dĺžku šnúrky: V oblastiach s veľkými rozdielmi uhla sklonu môže vhodné skrátenie dĺžky struny (z 22-24 modulov na 18-20 modulov) znížiť dosah nesúladu nárazu.
3. Optimalizujte rozdelenie kanálov MPPT meniča: Pripojte struny z rôznych zón uhla sklonu k rôznym kanálom MPPT, takže každý kanál MPPT sleduje iba maximálny výkon strún s rovnakým uhlom sklonu.
4.2 Strunový invertor: Viac{0}}invertorov MPPT
Tradičné centrálne invertory majú zvyčajne len 1-2 MPPT kanály, zatiaľ čo moderné reťazcové invertory sú vo všeobecnosti vybavené viacerými nezávislými MPPT kanálmi (6-12 alebo aj viac). Každý kanál MPPT môže nezávisle sledovať bod maximálneho výkonu rôznych reťazcov, čím sa obmedzuje vplyv nesúladu na jeden kanál MPPT.
Vplyv na nesúlad uhla sklonu: Dokáže efektívne vyriešiť problém nesúladu medzi rôznymi zónami uhla sklonu, ale stále nedokáže vyriešiť rozdiely uhlov sklonu v rámci strún v rovnakej zóne.
4.3 Modul-Technológia MLPE (Level Power Electronics).
Toto je v súčasnosti najefektívnejšie technické riešenie na riešenie nesúladu uhla sklonu, vrátane optimalizátorov výkonu a mikroinvertorov:
1. Optimalizátor výkonu
Na zadnej strane každého modulu sú nainštalované optimalizátory výkonu, ktoré zodpovedajú -k-jednomu s modulmi. Môže nezávisle upravovať prevádzkové napätie a prúd každého modulu, vďaka čomu každý modul pracuje na svojom vlastnom maximálnom výkonovom bode a potom vydáva jednosmerný prúd do sériového obvodu.
Vplyv na nesúlad uhla sklonu: Môže úplne eliminovať nesúlad prúdu spôsobený akýmkoľvek rozdielom uhla sklonu v reťazci, čo umožňuje každému modulu vydávať maximálny prúd. Namerané údaje ukazujú, že v horských elektrárňach s veľkými rozdielmi uhlov sklonu môže použitie optimalizátorov výkonu zvýšiť produkciu energie o 15 % až 20 %.
2. Mikroinvertor
Mikroinvertory sú priamo inštalované na zadnej strane každého modulu a premieňajú výstup jednosmerného prúdu modulu priamo na striedavý prúd, ktorý je potom pripojený paralelne k rozvodnej sieti. Každý modul je nezávislá jednotka na výrobu energie, úplne bez obmedzenia sériového prúdu.
Vplyv na nesúlad uhla sklonu: Kompletne rieši všetky problémy s nesúladom uhla naklonenia a každý modul môže pracovať nezávisle bez ohľadu na rozdiel uhla naklonenia.
Naša spoločnosť môže poskytnúť všetky vyššie uvedené riešenia a kompletné systémy. Ak ich potrebujete, kontaktujte nás!
S neustálym pokrokom vo fotovoltaickej technológii sa neustále inovujú a vyvíjajú aj riešenia problému nesúladu modulov:
1. Vyššia účinnosť technológie MLPE: Účinnosť konverzie novej{0}}generácie optimalizátorov energie a mikroinvertorov prekročila 99 %, pričom sa ďalej znížila vlastná spotreba energie-a neustále klesajúce náklady.
2. Technológia inteligentných modulov: Integrácia optimalizátorov napájania alebo mikroinvertorov s modulmi na vytvorenie inteligentných modulov, zjednodušenie procesu inštalácie a zlepšenie spoľahlivosti systému.
3. Technológia digitálneho dvojčaťa: Použitie technológie digitálneho dvojčaťa na vytvorenie virtuálneho modelu FV elektrárne, presná simulácia strát nesúladu pri rôznych pracovných podmienkach a realizácia včasného varovania a optimálneho riadenia.
4. Nová technológia batérií: Ako sú šindľové moduly, polovičné{0}}moduly, rezané moduly atď., znižujú vplyv tieňovania a nesúladu prostredníctvom segmentácie buniek a optimalizovaných metód pripojenia. Napríklad polovičné-moduly môžu znížiť stratu energie spôsobenú tienením približne o 50 %.
Nesúlad modulov je nevyhnutným javom vo fotovoltaických systémoch,medzi ktorými je rozdiel uhlov sklonu hlavnou príčinou nesúladu v zložitých scenároch inštaláciea výsledná strata pri výrobe energie môže dosiahnuť viac ako 15 %. Rozdiely v uhloch naklonenia priamo vedú k nekonzistentným výstupným prúdom modulov tým, že ovplyvňujú množstvo slnečného žiarenia prijímaného modulmi, a potom obmedzujú generovanie energie celého reťazca prostredníctvom "bucket effect" sériového obvodu.
Pre rôzne typy FV elektrární by sa malo zvoliť najvhodnejšie riešenie nesúladu podľa faktorov, ako sú terénne podmienky, veľkosť rozdielu uhla sklonu a investičný rozpočet. Pozemné-elektrárne môžu uprednostniť viac-reťazcové invertory MPPT; v prípade zložitých scenárov, ako sú horské oblasti a strechy s veľkými rozdielmi v uhloch sklonu, prinesie technológia výkonovej elektroniky na úrovni modulov-výrazné zlepšenie výroby energie a návratnosť investícií.
