Резюме
Несъответствието на модула е едно от основните технически затруднения, ограничаващо подобряването на ефективността на генериране на електроенергия от фотоволтаични (PV) системи. Същността му е "ефектът на кофата", причинен от непоследователни изходни токове на фотоволтаични модули в последователна верига. Според статистиката на Програмата за фотоволтаични енергийни системи (PVPS) на Международната агенция по енергетика (IEA), средната глобална загуба на електроенергия поради несъответствие във фотоволтаичните електроцентрали варира от 5% до 15% и дори може да надхвърли 20% в централи със сложен терен или лоша експлоатация и поддръжка. Сред тях разликата в ъгъла на наклона е най-доминиращата причина за несъответствие в сложни сценарии на инсталиране, като планински райони и покриви, което представлява приблизително 40%-60% от общите загуби на несъответствие.
1.Основни принципи и физически механизми на несъответствието на фотоволтаичния модул
1.1 Електрически характеристики на фотоволтаичните модули
Изходните характеристики на фотоволтаичен модул се определят от неговата крива на текущото-напрежение (I-V) и кривата на-мощност на напрежението (P-V). При стандартни условия на изпитване (STC: облъчване 1000 W/m², температура на клетката 25 градуса, AM1.5 спектър), единичен модул има уникална точка на максимална мощност (MPP).
Токът на -късо съединение (Isc) на фотоволтаичен модул е приблизително пропорционален на падащото слънчево лъчение върху повърхността на клетката, което е основната физическа основа за текущото несъответствие, причинено от разликите в ъглите на наклона. Формулата се изразява като:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
където:
• Isc: Действителен ток-на късо съединение (A)
• Isc_STC: Ток-на късо съединение при стандартни условия на изпитване (A)
• G: Действително падащо излъчване (W/m²)
• G_STC: Стандартна тестова радиация (1000 W/m²)
Когато множество модули са свързани последователно, за да образуват низ, съгласно текущия закон на Кирхоф,всички модули в последователна верига трябва да работят с еднакъв ток; докато общото напрежение на низа е равно на сумата от работните напрежения на всеки модул. Тази характеристика определя, че серийните системи са изключително чувствителни към текущите разлики.
1.2 Основен механизъм на феномена на несъответствието
„Ефектът на варела“ (известен също като „най-слабото звено“ или „ефект на тясното място“) е перфектна аналогия на това, което се случва в последователно-свързаните фотоволтаични модули. Представете си поредица от варели, свързани във верига, всеки с различен капацитет. Количеството вода, което може да тече през цялата система, е ограничено от варела с най-малък капацитет-независимо колко големи са другите.
Във фотоволтаичната верига модулите са електрически свързани последователно, което означава, че през всички тях трябва да протича един и същ ток. Модулът, получаващ най-малко излъчване (поради неоптимален ъгъл), ще генерира най-нисък ток. Това принуждава тока на целия низ да съответства на най-слабо представящия се, карайки модулите с по-висока-производителност да работят под потенциала си. Загубите на мощност могат да бъдат значителни, далеч надхвърлящи простата сума на отделните намаления.
2. Основни причини за несъответствие на PV модула
Причините за модулно несъответствие са сложни и разнообразни и могат да бъдат разделени на две категории: вродено несъответствие и придобито несъответствие.
2.1 Вродено несъответствие: Разлики в фабричните параметри
Дори модулите, произведени в една и съща партида, имат леки разлики в параметрите на техните електрически характеристики поради фактори като чистота на полупроводниковия материал и колебания в производствения процес. Производителите на модули обикновено извършват класифициране на мощността (групиране) на модулите, но модулите в рамките на една и съща мощностна кутия все още могат да имат текущи разлики в рамките на ±2,5%.
Загубата на несъответствие, причинена от такива фабрични разлики в параметрите, обикновено е 2%-3%, което е основна загуба на несъответствие, която не може да бъде напълно избегната във всички фотоволтаични системи.
2.2 Придобито несъответствие: Работна среда и Фактори за експлоатация и поддръжка
Това е основната причина, поради която действителната загуба на системно несъответствие е много по-голяма от основната стойност, включително по-специално:
• Непостоянни ъгли на наклон и ъгли на азимут(ще бъдат анализирани в дълбочина по-долу)
• Несъответствие на оцветяването: Фиксирано засенчване от околните сгради, дървета, планини и т.н. и динамично засенчване от облаци, птици и т.н.
• Несъответствие между замърсяване и стареене: Неравномерно замърсяване като прах, сняг, птичи изпражнения по повърхността на модула и разлики в скоростта на стареене след дългосрочна-работа
• Температурно несъответствие: Неравномерни температури, причинени от различни условия на разсейване на топлината на модулите
3.-Задълбочен механизъм и количествен анализ на несъответствието, причинено от разликите в ъгъла на наклона
Несъответствието на ъгъла на наклона се отнася до непоследователните ъгли на наклон на инсталацията (ъгълът между равнината на модула и хоризонталната равнина) на различни модули в една и съща поредица от серии, което води до различни количества слънчева радиация, получени от всеки модул, и по този начин разлики в изходния ток. Това е най-често срещаният и лесно пренебрегван тип несъответствие в планински фотоволтаични системи и разпределени покривни фотоволтаични системи.
3.1 Основни причини разликите в ъглите на монтаж влошават това:
• Вариация на излъчване: Модул, наклонен под различен ъгъл, улавя по-малко пряка слънчева светлина, особено в пиковите часове. Например, на скатен покрив с различни наклони, южните-модули с оптимален наклон може да се представят добре, докато други с по-плитки или по-стръмни ъгли се представят по-слабо.
• Ежедневно и сезонно въздействие: Ъглите влияят не само на пиковата производителност, но и на ефективността през целия ден. Не-равномерните наклони водят до несъответстващи IV криви (характеристики на текущо-напрежение), увеличавайки загубите при несъответствие.
• Смесване с други фактори: Разликите в ъглите могат да влошат ефектите на засенчване или температурните градиенти, тъй като модулите с лош ъгъл могат да се нагряват по различен начин.
3.2 Количествена корелация между разликата в ъгъла на наклона и изходния ток на модула
Можем да определим количествено връзката между разликата в ъгъла на наклона и текущата разлика чрез точно изчисляване на общата равнинна радиация при различни ъгли на наклон. Вземане наРегион на 30 градуса северна ширина(басейна на река Яндзъ в Китай) като пример следната таблица показва общото годишно облъчване и разликите в тока на късо- съединение за различни ъгли на наклон на инсталацията спрямо оптималния ъгъл на наклон (приблизително 30 градуса):
Ъгъл на наклона на инсталацията ( степен ) | Общо годишно облъчване (kWh/m²) | Разлика в излъчването спрямо оптималния ъгъл на наклон (%) | Разлика в тока-на късо съединение (%) |
| 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 (оптимално) | 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 |
Ключови заключения:
1. В района на 30 градуса северна ширина, за всеки 5 градуса отклонение от оптималния ъгъл на наклон, годишното облъчване намалява с приблизително 2%-4%, съответстващо на 2%-4% намаление на тока на късо съединение.
2. Когато разликата в ъгъла на наклона достигне 20 градуса (напр. 30 градуса срещу 10 градуса), годишната текуща разлика може да надхвърли 12%.
3. Моментните текущи разлики са много по-големи от средните годишни разлики. Например, по обяд на лятното слънцестоене ъгълът на слънчевата надморска височина е приблизително 83,5 градуса, по което време директното излъчване, получено от модул с ъгъл на наклон от 10 градуса, е с около 15% по-високо от това, получено от модул с ъгъл на наклон от 30 градуса; докато по обяд на зимното слънцестоене ъгълът на слънчевата надморска височина е приблизително 36,5 градуса, а директното излъчване, получено от модул с ъгъл на наклон от 10 градуса, е с около 25% по-ниско от това, получено от модул с ъгъл на наклон от 30 градуса.
4. Сравнение на основните решения за несъответствие на модули
Насочени към проблема с несъответствието на модулите, в индустрията са разработени различни решения, чиято основна идея е данарушете ограничението, че "последователните токове трябва да са последователни"илиминимизиране на текущите разлики.
4.1 Специална оптимизация на дизайна за несъответствие на ъгъла на наклона
Това е най-основното и най-ниско-ценово решение, а също и мярката, която всички проекти трябва първо да приемат:
1. Прилагайте стриктно принципа „един и същ ъгъл на наклон, същата струна“.: Това е златното правило за предотвратяване на несъответствие на ъгъла на наклон. Модули с еднакъв ъгъл на наклон и ъгъл на азимут трябва да се свързват последователно в един и същ низ, а модули с различни ъгли на наклон/ориентации никога не трябва да се свързват последователно заедно.
2. Разумно скъсете дължината на низа: В области с големи разлики в ъглите на наклона, подходящото скъсяване на дължината на низа (от 22-24 модула на 18-20 модула) може да намали обхвата на въздействието на несъответствието.
3. Оптимизирайте разделянето на инверторни MPPT канали: Свържете струни от различни зони на ъгъл на наклон към различни MPPT канали, така че всеки MPPT канал да проследява само максималната мощност на струните със същия ъгъл на наклон.
4.2 Струнен инвертор: Мулти-MPPT инвертори
Традиционните централни инвертори обикновено имат само 1-2 MPPT канала, докато модерните низови инвертори обикновено са оборудвани с множество независими MPPT канали (6-12 или дори повече). Всеки MPPT канал може независимо да проследява максималната мощност на различни низове, като по този начин ограничава въздействието на несъответствието до един MPPT канал.
Ефект върху несъответствието на ъгъла на наклона: Може ефективно да реши проблема с несъответствието между различни зони на ъгъл на наклон, но все още не може да реши разликите в ъгъла на наклон в рамките на струни в една и съща зона.
4.3 Module-Level Power Electronics (MLPE) технология
Понастоящем това е най-ефективното техническо решение за разрешаване на несъответствието на ъгъла на наклон, включващо главно оптимизатори на мощността и микроинвертори:
1. Оптимизатор на мощността
Оптимизаторите на мощността са инсталирани на гърба на всеки модул, съответстващи един-към-един с модулите. Той може независимо да регулира работното напрежение и ток на всеки модул, карайки всеки модул да работи в своя собствена точка на максимална мощност и след това да извежда постоянен ток към серийната верига.
Ефект върху несъответствието на ъгъла на наклона: Може напълно да елиминира несъответствието на тока, причинено от всякаква разлика в ъгъла на наклона в рамките на низа, позволявайки на всеки модул да изведе своя максимален ток. Измерените данни показват, че в планински електроцентрали с големи разлики в ъглите на наклон, използването на оптимизатори на мощността може да увеличи производството на електроенергия с 15%-20%.
2. Микроинвертор
Микроинверторите са директно инсталирани на гърба на всеки модул, преобразувайки изходния постоянен ток от модула директно в променлив ток, който след това се свързва паралелно към мрежата. Всеки модул е независима единица за генериране на електроенергия, напълно освободена от ограничения на серийния ток.
Ефект върху несъответствието на ъгъла на наклона: Напълно решава всички проблеми с несъответствието на ъгъла на наклона и всеки модул може да работи независимо независимо от разликата в ъгъла на наклона.
Нашата компания може да предостави всички решения и цялостни системи, споменати по-горе. Ако имате нужда от тях, моля свържете се с нас!
7. Бъдещи тенденции на развитие
С непрекъснатия напредък на фотоволтаичната технология, решенията на проблема с несъответствието на модулите също постоянно се обновяват и развиват:
1. Технология MLPE с по-висока ефективност: Ефективността на преобразуване на оптимизаторите на енергия от ново-генерация и микроинверторите е надхвърлила 99%, с допълнително намалена собствена-консумация на енергия и непрекъснато намаляващи разходи.
2. Интелигентна модулна технология: Интегриране на оптимизатори на мощността или микроинвертори с модули за формиране на интелигентни модули, опростяване на процеса на инсталиране и подобряване на надеждността на системата.
3. Цифрова двойна технология: Използване на цифрова двойна технология за изграждане на виртуален модел на фотоволтаичната електроцентрала, точно симулиране на загуби от несъответствие при различни работни условия и реализиране на ранно предупреждение и оптимален контрол.
4. Нова технология за батерии: Като облицовани модули, полу{0}}изрязани модули, нарязани модули и т.н., намаляват въздействието на засенчването и несъответствието чрез сегментиране на клетките и оптимизирани методи за свързване. Например половин{3}}изрязаните модули могат да намалят загубата на мощност, причинена от засенчване, с приблизително 50%.
Несъответствието на модула е неизбежно явление във фотоволтаичните системи,сред които разликата в ъгъла на наклона е основната причина за несъответствие при сложни сценарии на инсталиране, а получената загуба на електроенергия може да достигне повече от 15%. Разликите в ъглите на наклон водят директно до непоследователни изходни токове на модулите, като влияят на количеството слънчево излъчване, получено от модулите, и след това ограничават генерирането на енергия на целия низ чрез „ефекта на кофата“ на серийната верига.
За различните видове фотоволтаични електроцентрали трябва да се избере най-подходящото решение за несъответствие според фактори като условия на терена, размер на разликата в ъгъла на наклона и инвестиционен бюджет. Наземните-електрически централи могат да дадат приоритет на мулти-MPPT стрингови инвертори; за сложни сценарии като планински райони и покриви с големи разлики в ъглите на наклона, технологията за силова електроника на ниво модул- ще доведе до значителни подобрения в производството на електроенергия и възвращаемост на инвестициите.
