Анотація
Невідповідність модулів є одним із основних технічних вузьких місць, які обмежують підвищення ефективності виробництва енергії фотоелектричної (PV) системи. Його суть полягає в «ефекті відра», спричиненому непостійними вихідними струмами фотоелектричних модулів у послідовному ланцюзі. Згідно зі статистичними даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА) Photovoltaic Power Systems Program (PVPS), глобальні середні втрати електроенергії через неузгодженість фотоелектричних електростанцій коливаються від 5% до 15% і можуть навіть перевищувати 20% на установках зі складним рельєфом або поганою експлуатацією та обслуговуванням. Серед них різниця кутів нахилу є найбільш домінуючою причиною неузгодженості в складних сценаріях встановлення, таких як гірські райони та дахи, на яку припадає приблизно 40%-60% загальних втрат невідповідності.
1.Основні принципи та фізичні механізми невідповідності фотоелектричних модулів
1.1 Електричні характеристики фотоелектричних модулів
Вихідні характеристики фотоелектричного модуля визначаються кривою струму-напруги (I-V) і потужності-напруги (P-V). За стандартних умов тестування (STC: опромінення 1000 Вт/м², температура комірки 25 градусів, спектр AM1,5) один модуль має унікальну точку максимальної потужності (MPP).
Струм-короткого замикання (Isc) фотоелектричного модуля приблизно пропорційний сонячному випромінюванню, що падає на поверхню клітини, що є основною фізичною основою невідповідності струму, викликаної різницею кутів нахилу. Формула виражається так:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Де:
• Isc: Фактичний струм-короткого замикання (A)
• Isc_STC: Струм-короткого замикання за стандартних умов випробування (A)
• G: Фактичне падаюче опромінення (Вт/м²)
• G_STC: стандартне тестове освітлення (1000 Вт/м²)
Коли декілька модулів з’єднані послідовно, щоб утворити рядок, відповідно до поточного закону Кірхгофа,усі модулі в послідовному ланцюзі повинні працювати з однаковим струмом; при цьому загальна напруга струни дорівнює сумі робочих напруг кожного модуля. Ця характеристика визначає, що послідовні системи надзвичайно чутливі до різниці струму.
1.2 Основний механізм явища невідповідності
«Ефект бочки» (також відомий як «найслабша ланка» або «ефект вузького місця») є ідеальною аналогією того, що відбувається в послідовно-з’єднаних фотоелектричних модулях. Уявіть серію бочок, з’єднаних у ланцюг, кожна з яких має різну місткість. Кількість води, яка може протікати через всю систему, обмежується бочкою з найменшою місткістю-незалежно від того, наскільки великі інші.
У фотоелектричній ланцюзі модулі електрично з’єднані послідовно, тобто однаковий струм повинен протікати через усі модулі. Модуль, який отримує найменше опромінення (через неоптимальний кут), генеруватиме найменший струм. Це змушує струм усього рядка відповідати найнижчому показнику, через що модулі з вищою-продуктивністю працюють нижче свого потенціалу. Втрати потужності можуть бути значними, значно перевищуючи просту суму індивідуальних скорочень.
2. Основні причини невідповідності фотоелектричного модуля
Причини невідповідності модулів складні та різноманітні, і їх можна розділити на дві категорії: вроджена невідповідність і набута невідповідність.
2.1 Вроджена невідповідність: відмінності заводських параметрів
Навіть модулі, виготовлені в одній партії, мають невеликі відмінності в параметрах електричних характеристик через такі фактори, як чистота напівпровідникового матеріалу та коливання виробничого процесу. Виробники модулів зазвичай виконують класифікацію потужності (групування) на модулях, але модулі в межах одного блоку живлення все одно можуть мати різницю струму в межах ±2,5%.
Втрата невідповідності, спричинена такими відмінностями заводських параметрів, зазвичай становить 2%-3%, що є основною втратою невідповідності, якої неможливо повністю уникнути в усіх фотоелектричних системах.
2.2 Набута невідповідність: робоче середовище та фактори експлуатації та технічного обслуговування
Це головна причина, чому фактична втрата неузгодженості системи набагато більша за базове значення, зокрема включаючи:
• Невідповідність кутів нахилу та кутів азимута(нижче буде детально проаналізовано)
• Невідповідність затінення: виправлено затінення від навколишніх будівель, дерев, гір тощо, а також динамічне затінення від хмар, птахів тощо.
• Невідповідність забруднення та старіння: Нерівномірне забруднення, як-от пил, сніг, пташиний послід на поверхні модуля, і відмінності у швидкості старіння після тривалої-експлуатації
• Невідповідність температур: Нерівномірні температури, викликані різними умовами тепловіддачі модулів
3. Поглиблений-механізм і кількісний аналіз невідповідності, спричиненої різницею кутів нахилу
Невідповідність кутів нахилу відноситься до неузгоджених кутів нахилу встановлення (кут між площиною модуля та горизонтальною площиною) різних модулів в одній серії, що призводить до різної кількості сонячного випромінювання, отриманого кожним модулем, і, отже, різниці у вихідному струмі. Це найпоширеніший тип невідповідності, який легко пропустити в гірських фотоелектричних системах і розподілених на дахах фотоелектричних системах.
3.1 Основні причини, чому різниця в кутах установки посилює це:
• Варіація опромінення: Модуль, нахилений під іншим кутом, вловлює менше прямого сонячного світла, особливо в години пік. Наприклад, на похилому даху з різним нахилом модулі, спрямовані на південь-з оптимальним нахилом, можуть працювати добре, тоді як інші з меншими або крутішими кутами — нижчими.
• Щоденний і сезонний вплив: кути впливають не лише на максимальну продуктивність, але й на продуктивність протягом дня. Не-рівномірні нахили призводять до неузгодженості кривих IV (характеристики струму-напруги), збільшуючи втрати невідповідності.
• Поєднання з іншими факторами: відмінності кутів можуть погіршити ефект затінення або температурні градієнти, оскільки неправильно розташовані модулі можуть нагріватися по-різному.
3.2 Кількісна кореляція між різницею кутів нахилу та вихідним струмом модуля
Ми можемо кількісно визначити залежність між різницею кутів нахилу та різницею струму, точно розрахувавши загальну площину опромінення під різними кутами нахилу. Беручи30 градусів північної широти(басейн річки Янцзи в Китаї), як приклад, у наведеній нижче таблиці показано річну загальну опроміненість і різницю -струму короткого замикання для різних кутів нахилу установки відносно оптимального кута нахилу (приблизно 30 градусів):
Кут нахилу установки ( ступінь ) | Річне загальне опромінення (кВт-год/м²) | Різниця опромінення відносно оптимального кута нахилу (%) | Різниця -струму короткого замикання (%) |
| 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 (оптимальний) | 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 |
Ключові висновки:
1. У регіоні північної широти 30 градусів на кожні 5 градусів відхилення від оптимального кута нахилу річне опромінення зменшується приблизно на 2%-4%, що відповідає зменшенню струму короткого замикання на 2%-4%.
2. Коли різниця кутів нахилу досягає 20 градусів (наприклад, 30 градусів проти 10 градусів), річна різниця струму може перевищувати 12%.
3. Миттєві різниці струму набагато більші, ніж середньорічні різниці. Наприклад, опівдні в день літнього сонцестояння кут висоти Сонця становить приблизно 83,5 градуса, і в цей час пряме опромінення, отримане модулем з кутом нахилу 10 градусів, приблизно на 15% вище, ніж отримане модулем з кутом нахилу 30 градусів; тоді як опівдні в день зимового сонцестояння кут сонячної висоти становить приблизно 36,5 градусів, а пряме опромінення, отримане модулем з кутом нахилу 10 градусів, приблизно на 25% менше, ніж одержане модулем з кутом нахилу 30 градусів.
4. Порівняння основних рішень для невідповідності модулів
Для вирішення проблеми невідповідності модулів у галузі були розроблені різні рішення, основна ідея яких полягає впорушити обмеження, що "послідовні струми повинні бути послідовними"абомінімізувати поточні відмінності.
4.1 Спеціальна оптимізація конструкції для невідповідності кута нахилу
Це найпростіше та найнижче-вартісне рішення, а також міра, яку слід спочатку застосувати в усіх проектах:
1. Суворо дотримуйтеся принципу «однаковий кут нахилу — та сама струна».: це золоте правило запобігання невідповідності кутів нахилу. Модулі з однаковим кутом нахилу та азимутальним кутом повинні бути з’єднані послідовно в одну ланцюжок, а модулі з різними кутами нахилу/орієнтацією ніколи не повинні з’єднуватися послідовно разом.
2. Розумно скоротити довжину струни: У зонах із великою різницею кутів нахилу відповідне скорочення довжини рядка (з 22-24 модулів до 18-20 модулів) може зменшити діапазон впливу невідповідності.
3. Оптимізація поділу каналів інвертора MPPT: Підключіть струни з різних зон кута нахилу до різних каналів MPPT, щоб кожен канал MPPT відстежував лише максимальну точку потужності струн із однаковим кутом нахилу.
4.2 Струнний інвертор: Мульти-інвертори MPPT
Традиційні центральні інвертори зазвичай мають лише 1-2 канали MPPT, тоді як сучасні струнні інвертори зазвичай оснащені декількома незалежними каналами MPPT (6-12 або навіть більше). Кожен канал MPPT може незалежно відстежувати максимальну точку потужності різних рядків, таким чином обмежуючи вплив невідповідності до одного каналу MPPT.
Вплив на невідповідність кута нахилу: може ефективно вирішити проблему невідповідності між різними зонами кута нахилу, але все ще не може вирішити різницю кутів нахилу в межах струн в одній зоні.
4.3 Модуль-Технологія силової електроніки (MLPE).
Наразі це найефективніше технічне рішення для вирішення невідповідності кутів нахилу, в основному включаючи оптимізатори потужності та мікроінвертори:
1. Оптимізатор живлення
Оптимізатори живлення встановлено на задній частині кожного модуля, відповідаючи один--один із модулями. Він може незалежно регулювати робочу напругу та струм кожного модуля, змушуючи кожен модуль працювати на своїй власній точці максимальної потужності, а потім видавати постійний струм у послідовну схему.
Вплив на невідповідність кута нахилу: Може повністю усунути невідповідність струму, спричинену будь-якою різницею кутів нахилу всередині струни, дозволяючи кожному модулю видавати максимальний струм. Дані вимірювань показують, що на гірських електростанціях із великою різницею кутів нахилу використання оптимізаторів потужності може збільшити виробництво електроенергії на 15%-20%.
2. Мікроінвертор
Мікроінвертори встановлюються безпосередньо на задній частині кожного модуля, перетворюючи вихідний постійний струм модуля безпосередньо в змінний струм, який потім підключається паралельно до мережі. Кожен модуль є незалежною генеруючою установкою, повністю вільною від обмежень послідовного струму.
Вплив на невідповідність кута нахилу: повністю вирішує всі проблеми невідповідності кутів нахилу, і кожен модуль може працювати незалежно незалежно від різниці кутів нахилу.
Наша компанія може надати всі рішення та комплексні системи, згадані вище. Якщо вони вам потрібні, будь ласка, зв'яжіться з нами!
7. Майбутні тенденції розвитку
З безперервним прогресом фотоелектричних технологій рішення проблеми невідповідності модулів також постійно вдосконалюються та розвиваються:
1. Більш ефективна технологія MLPE: Ефективність перетворення оптимізаторів потужності та мікроінверторів-нового покоління перевищила 99%, із подальшим зниженням-споживання електроенергії та постійним зниженням витрат.
2. Технологія смарт-модуля: Інтеграція оптимізаторів потужності або мікроінверторів з модулями для формування інтелектуальних модулів, спрощення процесу встановлення та підвищення надійності системи.
3. Технологія цифрового близнюка: Використання технології цифрових подвійників для побудови віртуальної моделі фотоелектричної електростанції, точного моделювання втрат неузгодженості за різних умов роботи та реалізації раннього попередження та оптимального керування.
4. Нова технологія акумулятора: Такі, як черепичні модулі, наполовину-розрізані модулі, нарізані модулі тощо, зменшують вплив затінення та невідповідності завдяки сегментації комірок і оптимізованим методам з’єднання. Наприклад, полу-зрізані модулі можуть зменшити втрати потужності, спричинені затіненням, приблизно на 50%.
Невідповідність модулів є неминучим явищем у фотоелектричних системах,серед яких різниця кутів нахилу є основною причиною невідповідності в складних сценаріях встановлення, а результуючі втрати електроенергії можуть досягати понад 15%. Різниця в кутах нахилу безпосередньо призводить до неузгодженості вихідних струмів модулів, впливаючи на кількість сонячного випромінювання, яке отримують модулі, а потім обмежує генерацію електроенергії всієї ланцюга через «ефект ковша» послідовної схеми.
Для різних типів фотоелектричних електростанцій слід вибирати найбільш відповідне рішення невідповідності відповідно до таких факторів, як умови місцевості, величина різниці кутів нахилу та інвестиційний бюджет. Наземні-електростанції можуть надавати пріоритет багато-струнним інверторам MPPT; для складних сценаріїв, таких як гірські райони та дахи з великою різницею кутів нахилу, технологія силової електроніки на рівні модуля- значно покращить виробництво електроенергії та окупить інвестиції.
