Abstraktní
Nesoulad modulů je jedním z hlavních technických překážek omezujících zlepšení účinnosti výroby energie fotovoltaických (PV) systémů. Jeho podstatou je „bucket effect“ způsobený nekonzistentními výstupními proudy FV modulů v sériovém obvodu. Podle statistik Programu fotovoltaických energetických systémů (PVPS) Mezinárodní energetické agentury (IEA) se celosvětová průměrná ztráta při výrobě elektřiny v důsledku nesouladu ve FV elektrárnách pohybuje od 5 % do 15 % a v elektrárnách se složitým terénem nebo špatným provozem a údržbou může dokonce přesáhnout 20 %. Mezi nimi je rozdíl v úhlu náklonu nejdominantnější příčinou nesouladu ve scénářích složitých instalací, jako jsou horské oblasti a střechy, představující přibližně 40 % až 60 % celkových ztrát nesouladu.
1.Základní principy a fyzikální mechanismy nesouladu FV modulů
1.1 Elektrické vlastnosti FV modulů
Výstupní charakteristiky FV modulu jsou určeny jeho křivkou proudu-napětí (I-V) a křivkou výkonu-napětí (P-V). Za standardních testovacích podmínek (STC: ozáření 1000 W/m², teplota článku 25 stupňů, spektrum AM1,5) má jeden modul jedinečný bod maximálního výkonu (MPP).
Zkrat{0}}proud (Isc) fotovoltaického modulu je přibližně úměrný slunečnímu záření dopadajícímu na povrch článku, což je základní fyzikální základ pro aktuální nesoulad způsobený rozdíly v úhlu náklonu. Vzorec je vyjádřen takto:
Isc ≈ Isc_STC × (G/GSTC)
Kde:
• Isc: Skutečný zkratový-proud (A)
• Isc_STC: Zkratový-proud za standardních testovacích podmínek (A)
• G: Skutečná dopadající ozáření (W/m²)
• G_STC: Standardní zkušební ozáření (1000 W/m²)
Když je více modulů zapojeno do série, aby vytvořily řetězec, podle Kirchhoffova současného zákona,všechny moduly v sériovém obvodu musí pracovat se stejným proudem; přičemž celkové napětí stringu se rovná součtu provozních napětí každého modulu. Tato charakteristika určuje, že sériové systémy jsou extrémně citlivé na rozdíly proudu.
1.2 Základní mechanismus fenoménu nesouladu
„Efekt sudu“ (také známý jako „nejslabší článek“ nebo „efekt úzkého hrdla“) je dokonalou analogií toho, co se děje v sériově{0}}zapojených FV modulech. Představte si řadu sudů spojených v řetězu, každý s jinou kapacitou. Množství vody, které může protékat celým systémem, je omezeno sudem s nejmenší kapacitou-bez ohledu na to, jak velké jsou ostatní.
Ve FV řetězci jsou moduly elektricky zapojeny do série, což znamená, že všemi musí protékat stejný proud. Modul, který obdrží nejmenší ozáření (v důsledku suboptimálního úhlu), bude generovat nejnižší proud. To přinutí proud celého řetězce odpovídat nejnižšímu výkonu, což způsobí, že moduly s vyšším{2}}výkonem budou pracovat pod svým potenciálem. Ztráty výkonu mohou být značné, daleko přesahující prostý součet jednotlivých snížení.
2. Hlavní příčiny nesouladu fotovoltaických modulů
Příčiny nesouladu modulů jsou složité a různorodé a lze je rozdělit do dvou kategorií: vrozená neshoda a získaná neshoda.
2.1 Vrozená neshoda: Rozdíly továrních parametrů
Dokonce i moduly vyrobené ve stejné šarži mají nepatrné rozdíly v parametrech elektrického výkonu v důsledku faktorů, jako je čistota polovodičového materiálu a kolísání výrobního procesu. Výrobci modulů obvykle provádějí třídění výkonu (binning) na modulech, ale moduly ve stejném napájecím zásobníku mohou mít stále rozdíly v proudu v rozmezí ±2,5 %.
Ztráta nesouladu způsobená takovými rozdíly továrních parametrů je obvykle 2%-3%, což je základní ztráta nesouladu, které nelze zcela zabránit ve všech FV systémech.
2.2 Získaná neshoda: Provozní prostředí a faktory provozu a údržby
To je hlavní důvod, proč je skutečná ztráta nesouladu systému mnohem větší než základní hodnota, konkrétně včetně:
• Nekonzistentní úhly náklonu a úhly azimutu(bude podrobně analyzováno níže)
• Nesoulad stínování: Pevné stínování od okolních budov, stromů, hor atd. a dynamické stínování od mraků, ptáků atd.
• Nesoulad znečištění a stárnutí: Nerovnoměrné znečištění, jako je prach, sníh, ptačí trus na povrchu modulu a rozdíly v rychlosti stárnutí po dlouhodobém-provozu
• Nesoulad teploty: Nerovnoměrné teploty způsobené různými podmínkami rozptylu tepla modulů
3.-Hloubkový mechanismus a kvantitativní analýza nesouladu způsobeného rozdíly v úhlu náklonu
Nesoulad úhlu náklonu se týká nekonzistentních úhlů náklonu instalace (úhel mezi rovinou modulu a vodorovnou rovinou) různých modulů ve stejném sériovém řetězci, což má za následek různá množství slunečního záření přijímaného každým modulem, a tedy rozdíly ve výstupním proudu. Toto je nejběžnější a snadno přehlédnutelný typ nesouladu v horských fotovoltaických systémech a distribuovaných střešních fotovoltaických systémech.
3.1 Hlavní důvody, proč rozdíly instalačních úhlů toto zhoršují:
• Variace záření: Modul nakloněný pod jiným úhlem zachycuje méně přímého slunečního světla, zejména ve špičce. Například na šikmé střeše s proměnlivým sklonem mohou moduly orientované na jih-s optimálním sklonem fungovat dobře, zatímco jiné s mělčími nebo strmějšími úhly mají nižší výkon.
• Denní a sezónní dopad: Úhly ovlivňují nejen špičkový výkon, ale i výkon během dne. Nerovnoměrné náklony vedou k nesprávným křivkám IV (aktuální-charakteristiky napětí), což zvyšuje ztráty při nesouladu.
• Slučování s jinými faktory: Úhlové rozdíly mohou zhoršit efekty stínování nebo teplotní gradienty, protože špatně nakloněné moduly se mohou zahřívat odlišně.
3.2 Kvantitativní korelace mezi rozdílem úhlu náklonu a výstupním proudem modulu
Vztah mezi rozdílem úhlu náklonu a rozdílem proudu můžeme kvantifikovat přesným výpočtem celkové ozáření roviny při různých úhlech náklonu. PřijímáníOblast 30 stupňů severní šířky(povodí řeky Jang-c'-ťiang v Číně) jako příklad uvádí následující tabulka roční rozdíly celkového ozáření a zkratových{0}}proudů pro různé úhly sklonu instalace vzhledem k optimálnímu úhlu naklonění (přibližně 30 stupňů):
Instalace Úhel náklonu ( stupeň ) | Roční celkové ozáření (kWh/m²) | Rozdíl ozáření vzhledem k optimálnímu úhlu náklonu (%) | Rozdíl zkratového-proudu (%) |
| 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 (optimální) | 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 |
Klíčové závěry:
1. V oblasti 30 stupňů severní šířky se na každých 5 stupňů odchylky od optimálního úhlu náklonu roční ozáření sníží přibližně o 2 %-4 %, což odpovídá 2 % až 4 % poklesu zkratového proudu.
2. Když rozdíl úhlu sklonu dosáhne 20 stupňů (např. 30 stupňů vs 10 stupňů), může roční rozdíl proudu přesáhnout 12 %.
3. Okamžité rozdíly proudu jsou mnohem větší než roční průměrné rozdíly. Například v poledne o letním slunovratu je úhel sluneční nadmořské výšky přibližně 83,5 stupně, v tomto okamžiku je přímé záření přijímané modulem s úhlem naklonění 10 stupňů asi o 15 % vyšší než to, které přijímá modul s úhlem naklonění 30 stupňů; zatímco v poledne o zimním slunovratu je úhel sluneční nadmořské výšky přibližně 36,5 stupně a přímé záření přijímané modulem s úhlem naklonění 10 stupňů je asi o 25 % nižší než to, které přijímá modul s úhlem naklonění 30 stupňů.
4. Porovnání mainstreamových řešení pro nesoulad modulů
S cílem vyřešit problém nesouladu modulů byla v tomto odvětví vyvinuta různá řešení, jejichž hlavní myšlenkou jeprolomit omezení, že „sériové proudy musí být konzistentní“nebominimalizovat proudové rozdíly.
4.1 Speciální optimalizace návrhu pro nesoulad úhlu náklonu
Toto je nejzákladnější a nejnižší{0}}nákladové řešení a také opatření, které by měly všechny projekty nejprve přijmout:
1. Přísně implementujte zásadu „stejný úhel náklonu, stejný řetězec“.: Toto je zlaté pravidlo pro zabránění nesouladu úhlu náklonu. Moduly se stejným úhlem náklonu a azimutovým úhlem by měly být zapojeny do série ve stejném řetězci a moduly s různými úhly náklonu/orientací nesmí být nikdy spojeny do série dohromady.
2. Rozumně zkraťte délku struny: V oblastech s velkými rozdíly v úhlech náklonu může vhodné zkrácení délky struny (z 22-24 modulů na 18-20 modulů) snížit rozsah nesouladu dopadu.
3. Optimalizujte rozdělení kanálů MPPT měniče: Připojte struny z různých úhlových zón náklonu k různým kanálům MPPT, takže každý kanál MPPT sleduje pouze maximální výkon strun se stejným úhlem náklonu.
4.2 Stringový měnič: Více-invertory MPPT
Tradiční centrální invertory mají obvykle pouze 1-2 MPPT kanály, zatímco moderní stringové invertory jsou obecně vybaveny více nezávislými MPPT kanály (6-12 nebo i více). Každý kanál MPPT může nezávisle sledovat bod maximálního výkonu různých řetězců, čímž se omezuje dopad nesouladu na jeden kanál MPPT.
Vliv na nesoulad úhlu náklonu: Dokáže efektivně vyřešit problém nesouladu mezi různými zónami úhlu náklonu, ale stále nedokáže vyřešit rozdíly v úhlu náklonu v rámci strun ve stejné zóně.
4.3 Modul-Technologie Power Electronics (MLPE).
Toto je v současnosti nejúčinnější technické řešení pro řešení nesouladu úhlu náklonu, včetně optimalizátorů výkonu a mikroinvertorů:
1. Optimalizátor napájení
Na zadní straně každého modulu jsou nainstalovány optimalizátory napájení, které odpovídají -k-jednomu s moduly. Může nezávisle upravovat provozní napětí a proud každého modulu, takže každý modul pracuje na svém vlastním maximálním výkonovém bodu, a poté vysílá stejnosměrný proud do sériového obvodu.
Vliv na nesoulad úhlu náklonu: Může zcela eliminovat nesoulad proudu způsobený jakýmkoli rozdílem úhlu náklonu v řetězci, což umožňuje každému modulu vydávat svůj maximální proud. Naměřená data ukazují, že v horských elektrárnách s velkými rozdíly v úhlech náklonu může použití výkonových optimalizátorů zvýšit výrobu energie o 15%-20%.
2. Mikroinvertor
Mikroinvertory jsou přímo instalovány na zadní straně každého modulu, převádějící stejnosměrný proud z modulu přímo na střídavý proud, který je pak připojen paralelně k síti. Každý modul je nezávislá jednotka na výrobu energie, zcela bez omezení sériového proudu.
Vliv na nesoulad úhlu náklonu: Kompletně řeší všechny problémy s nesouladem úhlu náklonu a každý modul může pracovat nezávisle bez ohledu na rozdíl v úhlu náklonu.
Naše společnost může poskytnout všechna výše uvedená řešení a kompletní systémy. Pokud je potřebujete, kontaktujte nás!
S neustálým pokrokem ve fotovoltaické technologii se také neustále inovují a vyvíjejí řešení problému nesouladu modulů:
1. Technologie MLPE s vyšší účinností: Účinnost konverze nové{0}}generace optimalizátorů energie a mikroinvertorů přesáhla 99 %, s dalším snížením vlastní-spotřeby energie a trvale klesajícími náklady.
2. Technologie inteligentních modulů: Integrace optimalizátorů napájení nebo mikroinvertorů s moduly za účelem vytvoření inteligentních modulů, zjednodušení procesu instalace a zlepšení spolehlivosti systému.
3. Technologie digitálního dvojčete: Použití technologie digitálního dvojčete k vytvoření virtuálního modelu FV elektrárny, přesné simulace ztrát nesouladu za různých pracovních podmínek a realizace včasného varování a optimálního řízení.
4. Nová technologie baterií: Jako jsou šindelové moduly, polo{0}}řezané moduly, dělené moduly atd., snižují dopad stínování a nesouladu prostřednictvím segmentace buněk a optimalizovaných metod připojení. Například poloviční-moduly mohou snížit ztráty energie způsobené zastíněním přibližně o 50 %.
Nesoulad modulů je nevyhnutelným jevem ve fotovoltaických systémech,mezi nimiž je rozdíl v úhlu sklonu hlavní příčinou nesouladu ve scénářích složitých instalacía výsledná ztráta při výrobě energie může dosáhnout více než 15 %. Rozdíly v úhlech náklonu přímo vedou k nekonzistentním výstupním proudům modulů ovlivněním množství slunečního záření přijímaného moduly, a pak omezují výrobu energie celého řetězce prostřednictvím „kbelíkového efektu“ sériového obvodu.
Pro různé typy FV elektráren by mělo být vybráno nejvhodnější řešení nesouladu podle faktorů, jako jsou terénní podmínky, velikost rozdílu úhlu sklonu a investiční rozpočet. Pozemní-elektrárny mohou upřednostňovat více-MPPT řetězcové invertory; u složitých scénářů, jako jsou horské oblasti a střechy s velkými rozdíly v úhlech náklonu, přinese technologie výkonové elektroniky-úrovně modulů významná zlepšení výroby energie a návratnost investic.
