Abstraktne
Moodulite mittevastavus on üks peamisi tehnilisi kitsaskohti, mis piirab fotogalvaanilise (PV) süsteemi energiatootmise tõhususe parandamist. Selle olemus on "ämbriefekt", mille põhjustavad PV-moodulite ebaühtlased väljundvoolud jadaahelas. Rahvusvahelise Energiaagentuuri (IEA) fotogalvaaniliste elektrisüsteemide programmi (PVPS) statistika kohaselt on PV-elektrijaamade ebakõla tõttu ülemaailmne keskmine elektritootmiskadu vahemikus 5–15% ja keerulise maastikuga või halva töö ja hooldusega jaamades võib see isegi ületada 20%. Nende hulgas on kaldenurkade erinevus kõige domineerivam mittevastavuse põhjus keeruliste paigaldusstsenaariumide puhul, nagu mägised alad ja katused, moodustades ligikaudu 40–60% kogu mittevastavuse kadudest.
1.PV-mooduli mittevastavuse põhiprintsiibid ja füüsikalised mehhanismid
1.1 PV-moodulite elektrilised omadused
PV-mooduli väljundomadused määratakse selle voolu-pinge (I-V) ja võimsus-pinge (P-V) kõveraga. Standardsetes katsetingimustes (STC: kiirgustihedus 1000 W/m², elemendi temperatuur 25 kraadi, AM1,5 spekter) on ühel moodulil ainulaadne maksimaalne võimsuspunkt (MPP).
PV-mooduli lühis{0}}vool (Isc) on ligikaudu võrdeline raku pinnale langeva päikesekiirgusega, mis on kaldenurga erinevustest põhjustatud praeguse mittevastavuse peamine füüsiline alus. Valem on väljendatud järgmiselt:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Kus:
• Isc: tegelik lühis{0}}vool (A)
• Isc_STC: lühisvool{1}}standardsetes katsetingimustes (A)
• G: tegelik langev kiirgustihedus (W/m²)
• G_STC: standardne katsekiirgustihedus (1000 W/m²)
Kui Kirchhoffi kehtiva seaduse kohaselt on mitu moodulit järjestikku ühendatud, et moodustada string,kõik jadaahela moodulid peavad töötama sama vooluga; samas kui stringi kogupinge on võrdne iga mooduli tööpingete summaga. See omadus määrab, et seeriasüsteemid on vooluerinevuste suhtes äärmiselt tundlikud.
1.2 Mittesobivuse fenomeni põhimehhanism
"Tünniefekt" (tuntud ka kui "nõrgim lüli" või "pudelikaela efekt") on täiuslik analoogia sellele, mis toimub järjestikku{0}}ühendatud PV-moodulites. Kujutage ette mitut ahelasse ühendatud tünni, millest igaüks on erineva mahutavusega. Kogu süsteemist läbi voolava vee kogust piirab väikseima mahutavusega tünn-olenemata sellest, kui suured on teised.
PV stringis on moodulid elektriliselt jadamisi ühendatud, mis tähendab, et neid kõiki peab läbima sama vool. Moodul, mis saab kõige vähem kiirgustihedust (alaoptimaalse nurga tõttu), genereerib väikseima voolu. See sunnib kogu stringi voolu ühtima kõige madalama jõudlusega, põhjustades parema -jõudlusega moodulite toimimise alla oma potentsiaali. Toitekaod võivad olla märkimisväärsed, ületades kaugelt üksikute vähenemiste lihtsa summa.
2. PV-mooduli mittevastavuse peamised põhjused
Moodulite mittevastavuse põhjused on keerulised ja mitmekesised ning need võib jagada kahte kategooriasse: kaasasündinud mittevastavus ja omandatud mittevastavus.
2.1 Kaasasündinud ebakõla: tehaseparameetrite erinevused
Isegi samas partiis toodetud moodulite elektriliste toimivusparameetrite osas on väikesed erinevused selliste tegurite tõttu nagu pooljuhtmaterjali puhtus ja tootmisprotsessi kõikumised. Moodulite tootjad teostavad tavaliselt moodulite toiteklassi (binning), kuid samas toitesalvis olevate moodulite voolude erinevus võib siiski olla ±2,5%.
Sellistest tehaseparameetrite erinevustest põhjustatud mittevastavuskadu on tavaliselt 2%-3%, mis on põhiline mittesobivuse kadu, mida ei saa kõigis PV-süsteemides täielikult vältida.
2.2 Omandatud mittevastavus: töökeskkond ning kasutus- ja hooldustegurid
See on peamine põhjus, miks tegelik süsteemi mittevastavuse kadu on palju suurem kui põhiväärtus, sealhulgas:
• Ebajärjekindlad kaldenurgad ja asimuutnurgad(allpool analüüsitakse põhjalikult)
• Varjutuse mittevastavus: fikseeritud varjutus ümbritsevate hoonete, puude, mägede jms eest ning dünaamiline varjutus pilvede, lindude jms eest.
• Määrdumise ja vananemise mittevastavus: ebaühtlane mustus, nagu tolm, lumi, lindude väljaheited mooduli pinnal ja vananemiskiiruste erinevused pärast pikaajalist{0}}kasutust
• Temperatuuri mittevastavus: moodulite erinevatest soojuseraldustingimustest põhjustatud ebaühtlased temperatuurid
3. Kaldenurkade erinevustest põhjustatud mittevastavuse põhjalik-mehhanism ja kvantitatiivne analüüs
Kaldenurga ebakõla viitab sama seeria stringi erinevate moodulite paigaldamise ebaühtlasele kaldenurkadele (nurk mooduli tasapinna ja horisontaaltasapinna vahel), mille tulemuseks on iga mooduli poolt vastuvõetav päikesekiirguse erinev kogus ja seega ka väljundvoolu erinevus. See on kõige levinum ja kergesti tähelepanuta jäetud mittevastavus mägistes fotoelektrilistes ja hajutatud katusel asuvates PV süsteemides.
3.1 Peamised põhjused, miks paigaldusnurga erinevused seda süvendavad:
• Kiirgustugevuse varieeruvus: erineva nurga all kallutatud moodul püüab vähem otsest päikesevalgust, eriti tipptundidel. Näiteks erineva kaldega kaldkatusel võivad optimaalse kaldega-lõunasuunalised moodulid hästi toimida, samas kui teised madalama või järsema nurga all olevad moodulid ei toimi.
• Igapäevane ja hooajaline mõju: Nurgad ei mõjuta mitte ainult tippvõimsust, vaid ka jõudlust kogu päeva jooksul. Ebaühtlased kalded põhjustavad IV kõveraid (voolu-pinge karakteristikud), mis suurendavad mittevastavuse kadusid.
• Ühendamine muude teguritega: nurkade erinevused võivad halvendada varjuefekte või temperatuuri gradiente, kuna halva nurga all olevad moodulid võivad kuumeneda erinevalt.
3.2 Kvantitatiivne korrelatsioon kaldenurga erinevuse ja mooduli väljundvoolu vahel
Kaldenurga erinevuse ja voolu erinevuse vahelist seost saame kvantifitseerida, arvutades täpselt erinevate kaldenurkade korral tasapinna kogukiirgustiheduse. Võttes30 kraadi põhjalaiuskraadi piirkond(Jangtse jõgikond Hiinas) näitena näitab järgmine tabel aastase summaarse kiirgustiheduse ja
Paigaldus Kaldenurk (kraad) | Aastane kogukiirgusintensiivsus (kWh/m²) | Kiirituse erinevus optimaalse kaldenurga suhtes (%) | Lühi-voolude vahe (%) |
| 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 (optimaalne) | 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 |
Peamised järeldused:
1. 30. N laiuskraadi piirkonnas väheneb iga 5 kraadise kõrvalekalde korral optimaalsest kaldenurgast aastane kiirgustihedus ligikaudu 2%-4%, mis vastab lühisvoolu 2%-4% vähenemisele.
2. Kui kaldenurga erinevus jõuab 20 kraadini (nt 30 kraadi vs 10 kraadi), võib aastane voolu erinevus ületada 12%.
3. Hetkelised voolude erinevused on palju suuremad kui aasta keskmised erinevused. Näiteks suvise pööripäeva keskpäeval on päikese kõrgusnurk ligikaudu 83,5 kraadi, sel ajal on 10-kraadise kaldenurgaga mooduli otsene kiirgustihedus ligikaudu 15% suurem kui 30-kraadise kaldenurgaga mooduli poolt saadav otsene kiirgustihedus; talvise pööripäeva keskpäeval on päikese kõrguse nurk ligikaudu 36,5 kraadi ja 10-kraadise kaldenurgaga mooduli otsene kiirgustihedus on umbes 25% madalam kui 30-kraadise kaldenurgaga mooduli kiirgustihedus.
4. Moodulite mittevastavuse peamiste lahenduste võrdlus
Moodulite mittevastavuse probleemile sihiks on tööstuses välja töötatud erinevaid lahendusi, mille põhiidee onmurda piirang, et "jadavoolud peavad olema järjepidevad"võiminimeerida voolu erinevusi.
4.1 Spetsiaalne disaini optimeerimine kaldenurga mittevastavuse jaoks
See on kõige elementaarsem ja madalaima{0}}kuluga lahendus ning ka meede, mille kõik projektid peaksid esmalt kasutusele võtma.
1. Rakendage rangelt põhimõtet "sama kaldenurk, sama nöör".: See on kuldreegel kaldenurga mittevastavuse vältimiseks. Sama kaldenurga ja asimuutnurgaga moodulid tuleks ühendada järjestikku samasse stringi ning erineva kaldenurga/suunaga mooduleid ei tohi kunagi omavahel järjestikku ühendada.
2. Lühendage nööri pikkust mõistlikult: Suurte kaldenurga erinevustega piirkondades võib nööri pikkuse sobiv lühendamine (22–24 moodulilt 18–20 moodulile) vähendada ebakõla löögivahemikku.
3. Optimeerige inverteri MPPT kanali jaotust: ühendage stringid erinevatest kaldenurga tsoonidest erinevate MPPT kanalitega, nii et iga MPPT kanal jälgib ainult sama kaldenurgaga stringide maksimaalset võimsuspunkti.
4.2 Stringi inverter: mitu{0}}MPPT-muundurit
Traditsioonilistel keskinverteritel on tavaliselt ainult 1-2 MPPT-kanalit, samas kui kaasaegsed stringinverterid on üldiselt varustatud mitme sõltumatu MPPT-kanaliga (6-12 või isegi rohkem). Iga MPPT kanal saab iseseisvalt jälgida erinevate stringide maksimaalset võimsuspunkti, piirates seega mittevastavuse mõju ühele MPPT kanalile.
Mõju kaldenurga mittevastavusele: suudab tõhusalt lahendada erinevate kaldenurga tsoonide mittevastavuse probleemi, kuid siiski ei suuda lahendada kaldenurga erinevusi sama tsooni stringide sees.
4.3 Moodul-Level Power Electronics (MLPE) tehnoloogia
See on praegu kõige tõhusam tehniline lahendus kaldenurga mittevastavuse lahendamiseks, hõlmates peamiselt võimsuse optimeerijaid ja mikroinvertereid:
1. Võimsuse optimeerija
Iga mooduli tagaküljele on paigaldatud võimsuse optimeerijad, mis vastavad moodulitele-ühele-. See suudab iseseisvalt reguleerida iga mooduli tööpinget ja voolu, pannes iga mooduli töötama oma maksimaalsel võimsuspunktil ning väljastada seejärel alalisvoolu jadaahelasse.
Mõju kaldenurga mittevastavusele: suudab täielikult kõrvaldada voolu mittevastavuse, mis on põhjustatud kaldenurga erinevusest stringis, võimaldades igal moodulil väljastada maksimaalset voolu. Mõõdetud andmed näitavad, et suurte kaldenurkade erinevustega mägistes elektrijaamades võib võimsuse optimeerijate kasutamine suurendada elektritootmist 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinverterid paigaldatakse otse iga mooduli tagaküljele, muutes mooduli alalisvoolu otse vahelduvvooluks, mis seejärel ühendatakse paralleelselt võrguga. Iga moodul on iseseisev energiatootmisseade, mis on täiesti vaba jadavoolupiirangutest.
Mõju kaldenurga mittevastavusele: lahendab täielikult kõik kaldenurga ebakõla probleemid ja iga moodul võib töötada iseseisvalt, sõltumata kaldenurga erinevusest.
Meie ettevõte suudab pakkuda kõiki ülalmainitud lahendusi ja terviklikke süsteeme. Kui vajate neid, võtke meiega ühendust!
PV-tehnoloogia pideva arenguga uuendatakse ja arendatakse pidevalt ka lahendusi moodulite mittevastavuse probleemile:
1. Suurema efektiivsusega MLPE tehnoloogia: uue -põlvkonna võimsuse optimeerijate ja mikroinverterite konversioonitõhusus on ületanud 99%, mis on veelgi vähenenud oma-energiatarbimise ja pidevalt vähenevate kulude juures.
2. Nutika mooduli tehnoloogia: võimsuse optimeerijate või mikroinverterite integreerimine moodulitega, et moodustada nutikaid mooduleid, lihtsustades paigaldusprotsessi ja parandades süsteemi töökindlust.
3. Digitaalne kaksiktehnoloogia: Digitaalse kaksiktehnoloogia kasutamine fotoelektrijaama virtuaalse mudeli koostamiseks, simuleerides täpselt erinevatel töötingimustel tekkivaid mittevastavuskadusid ning realiseerides varajase hoiatamise ja optimaalse juhtimise.
4. Uus aku tehnoloogia: näiteks katusesindliga moodulid, pool{0}}lõigatud moodulid, viilutatud moodulid jne vähendavad lahtri segmenteerimise ja optimeeritud ühendusmeetodite abil varjutuse ja mittevastavuse mõju. Näiteks võivad pooleks-lõigatud moodulid vähendada varjutusest põhjustatud voolukadu ligikaudu 50%.
Moodulite mittevastavus on PV-süsteemides vältimatu nähtus,mille hulgas kaldenurga erinevus on keeruliste paigaldusstsenaariumide mittevastavuse peamine põhjusja sellest tulenev energiakadu võib ulatuda üle 15%. Kaldenurga erinevused viivad otseselt moodulite ebaühtlaste väljundvooludeni, mõjutades moodulite poolt vastuvõetava päikesekiirguse hulka, ja piiravad seejärel kogu stringi energiatootmist jadaahela "ämbriefekti" kaudu.
Erinevat tüüpi PV-elektrijaamade jaoks tuleks valida kõige sobivam mittesobivuse lahendus selliste tegurite alusel nagu maastikutingimused, kaldenurga erinevuse suurus ja investeeringute eelarve. Maa-paigaldatud elektrijaamad võivad eelistada multi-MPPT stringinverterit; keeruliste stsenaariumide puhul, nagu mägised alad ja suurte kaldenurkade erinevustega katused, toob mooduli-tasemel jõuelektroonika tehnoloogia märkimisväärselt kaasa energiatootmise ja investeeringutasuvuse.
