Abstrakti
Moduulien yhteensopimattomuus on yksi tärkeimmistä teknisistä pullonkauloista, jotka rajoittavat aurinkosähköjärjestelmän (PV) tehontuotannon tehokkuuden parantamista. Sen olemus on "ämpäriefekti", joka johtuu PV-moduulien epäjohdonmukaisista lähtövirroista sarjapiirissä. Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) aurinkosähkövoimalaitosten ohjelman (PVPS) tilastojen mukaan aurinkosähkövoimaloiden yhteensopimattomuudesta johtuvat keskimääräiset sähköntuotantohäviöt vaihtelevat 5–15 % ja voivat jopa ylittää 20 % laitoksissa, joissa on monimutkainen maasto tai huono toiminta ja kunnossapito. Niistä kallistuskulmaero on hallitsevin syy yhteensopimattomuuteen monimutkaisissa asennusskenaarioissa, kuten vuoristoalueilla ja katoilla, ja niiden osuus on noin 40–60 % yhteensopimattomuuden kokonaishäviöistä.
1.PV-moduulin yhteensopimattomuuden perusperiaatteet ja fyysiset mekanismit
1.1 PV-moduulien sähköiset ominaisuudet
PV-moduulin lähtöominaisuudet määräytyvät sen nykyisen-jännite (I-V) ja teho-jännite (P-V) käyrän perusteella. Vakiotestausolosuhteissa (STC: säteilyvoimakkuus 1000 W/m², kennon lämpötila 25 astetta, AM1.5-spektri) yhdellä moduulilla on ainutlaatuinen maksimitehopiste (MPP).
PV-moduulin oikosulkuvirta (Isc) on suunnilleen verrannollinen kennon pinnalle tulevaan auringonsäteilyyn, joka on kallistuskulmaeroista johtuvan nykyisen yhteensopimattomuuden fyysinen ydin. Kaava ilmaistaan seuraavasti:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Jossa:
• Isc: todellinen oikosulkuvirta-(A)
• Isc_STC: Oikosulkuvirta tavallisissa testiolosuhteissa (A)
• G: Todellinen tuleva irradianssi (W/m²)
• G_STC: standarditestin säteilyvoimakkuus (1000 W/m²)
Kun useita moduuleja on kytketty sarjaan muodostamaan merkkijono Kirchhoffin nykyisen lain mukaan,kaikkien sarjapiirin moduulien on toimittava samalla virralla; kun taas merkkijonon kokonaisjännite on yhtä suuri kuin kunkin moduulin käyttöjännitteiden summa. Tämä ominaisuus määrittää, että sarjajärjestelmät ovat erittäin herkkiä virtaeroille.
1.2 Yhteensopimattomuusilmiön ydinmekanismi
Tynnyriefekti (tunnetaan myös nimellä "heikoin lenkki" tai "pullonkaulaefekti") on täydellinen analogia sille, mitä tapahtuu sarjaan -kytketyissä aurinkosähkömoduuleissa. Kuvittele sarja tynnyreitä yhdistettynä ketjuun, jokaisella on erilainen kapasiteetti. Koko järjestelmän läpi virtaavan veden määrää rajoittaa tynnyri, jonka tilavuus on pienin,-riippumatta siitä, kuinka suuria muut ovat.
PV-sarjassa moduulit on kytketty sähköisesti sarjaan, mikä tarkoittaa, että saman virran tulee kulkea niiden kaikkien läpi. Vähiten irradianssia vastaanottava moduuli (johtuen alioptimaalisesta kulmasta) tuottaa pienimmän virran. Tämä pakottaa koko merkkijonon virran vastaamaan heikoimmin toimivia, jolloin tehokkaammin -suorittavat moduulit toimivat alle potentiaalinsa. Tehohäviöt voivat olla huomattavia, ylittäen huomattavasti yksittäisten vähennysten yksinkertaisen summan.
2. Tärkeimmät syyt PV-moduulin yhteensopimattomuuteen
Moduulien yhteensopimattomuuden syyt ovat monimutkaisia ja erilaisia, ja ne voidaan jakaa kahteen luokkaan: synnynnäinen epäsopivuus ja hankittu epäsopivuus.
2.1 Synnynnäinen yhteensopimattomuus: Tehdasparametrien erot
Jopa samassa erässä valmistetuilla moduuleilla on pieniä eroja sähköisissä suoritusarvoissaan esimerkiksi puolijohdemateriaalin puhtaudesta ja tuotantoprosessin vaihteluista johtuen. Moduulivalmistajat suorittavat yleensä teholuokituksen (binning) moduuleille, mutta saman tehoalustan sisällä olevilla moduuleilla voi silti olla virtaeroja ±2,5 %:n sisällä.
Tällaisten tehdasparametrierojen aiheuttama epäsovitushäviö on yleensä 2–3 %, mikä on perushäiriö, jota ei voida täysin välttää kaikissa aurinkosähköjärjestelmissä.
2.2 Hankittu epäsuhta: käyttöympäristö ja käyttö- ja huoltotekijät
Tämä on tärkein syy siihen, miksi todellinen järjestelmän epäsopivuushäviö on paljon suurempi kuin perusarvo, mukaan lukien erityisesti:
• Epäjohdonmukaiset kallistuskulmat ja atsimuuttikulmat(analysoidaan perusteellisesti alla)
• Varjostuksen epäsuhta: Kiinteä varjostus ympäröiviltä rakennuksilta, puilta, vuorilta jne. ja dynaaminen varjostus pilviltä, linnuilta jne.
• Likaisuus ja ikääntyminen eivät täsmää: Epätasainen likaantuminen, kuten pöly, lumi, lintujen ulosteet moduulin pinnalla ja erot ikääntymisasteessa pitkän{0}}käytön jälkeen
• Lämpötilan epäsuhta: Epätasaiset lämpötilat, jotka johtuvat moduulien erilaisista lämmönpoistoolosuhteista
3. Kallistuskulmaerojen aiheuttaman yhteensopimattomuuden perusteellinen-mekanismi ja kvantitatiivinen analyysi
Kallistuskulman yhteensopimattomuus viittaa saman sarjan eri moduulien epäjohdonmukaisiin asennuskallistuksiin (moduulitason ja vaakatason välinen kulma), mikä johtaa kunkin moduulin vastaanottamaan eri määriin auringonsäteilyä ja siten eroja lähtövirrassa. Tämä on yleisin ja helposti huomiotta jäävä yhteensopimattomuus vuoristoisissa aurinkosähköjärjestelmissä ja hajautetuissa kattosähköjärjestelmissä.
3.1 Tärkeimmät syyt asennuskulmaeroihin pahentavat tätä:
• Säteilyvoiman vaihtelu: Eri kulmaan kallistettu moduuli sieppaa vähemmän suoraa auringonvaloa, etenkin ruuhka-aikoina. Esimerkiksi kaltevalla katolla, jonka kaltevuus vaihtelee, etelään -päin optimaalisen kallistuksen omaavat moduulit voivat toimia hyvin, kun taas toiset matalammissa tai jyrkemmissä kulmissa toimivat huonommin.
• Päivittäinen ja kausiluonteinen vaikutus: Kulmat eivät vaikuta pelkästään huipputehoon vaan suorituskykyyn koko päivän ajan. Epätasaiset kallistukset johtavat yhteensopimattomiin IV-käyriin (virta-jännitteen ominaisuudet), mikä lisää epäsovitushäviöitä.
• Yhdistäminen muiden tekijöiden kanssa: Kulmaerot voivat pahentaa varjostusvaikutuksia tai lämpötilagradientteja, koska huonosti kulmassa olevat moduulit voivat lämmetä eri tavalla.
3.2 Kvantitatiivinen korrelaatio kallistuskulmaeron ja moduulin lähtövirran välillä
Voimme kvantifioida kallistuskulmaeron ja virtaeron välisen suhteen laskemalla tarkasti kokonaistason irradianssin eri kallistuskulmissa. Ottamalla30 asteen pohjoista leveyttä alue(Jangtse-joen valuma-alue Kiinassa) esimerkkinä, seuraava taulukko näyttää vuotuiset kokonaisirradianssin ja-oikosulkuvirran erot eri asennuksen kallistuskulmissa suhteessa optimaaliseen kallistuskulmaan (noin 30 astetta):
Asennus kallistuskulma ( tutkinto ) | Vuotuinen kokonaissäteilyvoimakkuus (kWh/m²) | Säteilyvoimakkuuden ero suhteessa optimaaliseen kallistuskulmaan (%) | Lyhyt-virtapiirin ero (%) |
| 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 (Optimaalinen) | 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 |
Keskeiset johtopäätökset:
1. 30 asteen pohjoista leveysastetta kohti jokaista 5 asteen poikkeamaa optimaalisesta kallistuskulmasta vuotuinen säteilyvoimakkuus laskee noin 2 %-4 %, mikä vastaa 2 % - 4 %:n laskua oikosulkuvirrassa.
2. Kun kallistuskulman ero saavuttaa 20 astetta (esim. 30 astetta vs 10 astetta), vuotuinen virtaero voi ylittää 12 %.
3. Hetkelliset virtaerot ovat paljon suurempia kuin vuosittaiset keskimääräiset erot. Esimerkiksi keskipäivällä kesäpäivänseisauksena auringon korkeuskulma on noin 83,5 astetta, jolloin 10 asteen kallistuskulman moduulin vastaanottama suora säteily on noin 15 % suurempi kuin 30 asteen kallistuskulman omaavan moduulin vastaanottama suora säteily; kun taas talvipäivänseisauksen keskipäivällä auringon korkeuskulma on noin 36,5 astetta ja 10 asteen kallistuskulman moduulin vastaanottama suora säteily on noin 25 % pienempi kuin 30 asteen kallistuskulman moduulin vastaanottama suora säteilytys.
4. Valtavirran ratkaisujen vertailu moduulien yhteensopimattomuuteen
Moduuliepäsopivuusongelmaan tähtäävällä alalla on kehitetty erilaisia ratkaisuja, joiden ydinajatus onrikkoa rajoitus, jonka mukaan "sarjavirtojen on oltava johdonmukaisia"taiminimoi virtaerot.
4.1 Erityinen suunnitteluoptimointi kallistuskulman epäsopivuuden vuoksi
Tämä on alkeellisin ja edullisin{0}}ratkaisu, ja myös toimenpide, joka kaikkien projektien tulisi ensin ottaa käyttöön:
1. Käytä tiukasti "sama kallistuskulma, sama merkkijono" -periaatetta: Tämä on kultainen sääntö kallistuskulman yhteensopimattomuuden estämiseksi. Moduulit, joilla on sama kallistuskulma ja atsimuuttikulma, tulee kytkeä sarjaan samaan ketjuun, eikä moduuleja, joilla on eri kallistuskulmat/suuntaukset, saa koskaan kytkeä sarjaan yhteen.
2. Lyhennä langan pituutta kohtuullisesti: Alueilla, joilla on suuret kallistuskulmaerot, langan pituuden asianmukainen lyhentäminen (22-24 moduulista 18-20 moduuliin) voi vähentää yhteensopimattomuuden vaikutusaluetta.
3. Optimoi invertterin MPPT-kanavajako: Yhdistä kielet eri kallistuskulmavyöhykkeistä eri MPPT-kanaviin, jotta jokainen MPPT-kanava seuraa vain samalla kallistuskulmalla olevien merkkijonojen maksimitehopistettä.
4.2 String Invertteri: Multi-MPPT-invertterit
Perinteisissä keskusinverttereissä on yleensä vain 1-2 MPPT-kanavaa, kun taas nykyaikaiset merkkijonoinvertterit on yleensä varustettu useilla itsenäisillä MPPT-kanavilla (6-12 tai jopa enemmän). Jokainen MPPT-kanava voi itsenäisesti seurata eri merkkijonojen maksimitehopistettä, mikä rajoittaa yhteensopimattomuuden vaikutusta yhteen MPPT-kanavaan.
Vaikutus kallistuskulman yhteensopimattomuuteen: Voi tehokkaasti ratkaista epäsopivuusongelman eri kallistuskulmavyöhykkeiden välillä, mutta ei silti pysty ratkaisemaan kallistuskulmaeroja merkkijonojen sisällä samalla vyöhykkeellä.
4.3 Moduuli-Level Power Electronics (MLPE) -tekniikka
Tämä on tällä hetkellä tehokkain tekninen ratkaisu kallistuskulman epäsopivuuden ratkaisemiseen, mukaan lukien pääasiassa tehonoptimoijat ja mikroinvertterit:
1. Tehon optimoija
Tehonoptimoijat on asennettu kunkin moduulin takaosaan, vastaavasti yksi-to-moduulien kanssa. Se voi itsenäisesti säätää kunkin moduulin käyttöjännitettä ja virtaa, jolloin jokainen moduuli toimii omalla maksimitehopistellään ja antaa sitten tasavirran sarjapiiriin.
Vaikutus kallistuskulman yhteensopimattomuuteen: Pystyy täysin eliminoimaan virran epäsopivuuden, joka johtuu mistä tahansa kallistuskulmaerosta merkkijonossa, jolloin jokainen moduuli voi tuottaa maksimivirtansa. Mitatut tiedot osoittavat, että vuoristoisissa voimalaitoksissa, joissa on suuret kallistuskulmaerot, tehonoptimointilaitteiden käyttö voi lisätä sähköntuotantoa 15-20 %.
2. Mikroinvertteri
Mikroinvertterit asennetaan suoraan kunkin moduulin takaosaan, mikä muuntaa moduulin tasavirran suoraan vaihtovirraksi, joka sitten kytketään rinnan verkkoon. Jokainen moduuli on itsenäinen voimantuotantoyksikkö, joka on täysin vapaa sarjavirtarajoituksista.
Vaikutus kallistuskulman yhteensopimattomuuteen: Ratkaisee täysin kaikki kallistuskulman epäsopivuusongelmat, ja jokainen moduuli voi toimia itsenäisesti kallistuskulmaerosta riippumatta.
Yrityksemme pystyy tarjoamaan kaikki edellä mainitut ratkaisut ja kokonaiset järjestelmät. Jos tarvitset niitä, ota yhteyttä!
7. Tulevaisuuden kehitystrendit
PV-tekniikan jatkuvan kehityksen myötä myös moduulien yhteensopivuusongelman ratkaisuja innovoidaan ja kehitetään jatkuvasti:
1. Tehokkaampi MLPE-tekniikka: Uuden -sukupolven virranoptimoijien ja mikroinvertterien muunnostehokkuus on ylittänyt 99 %, mikä vähentää entisestään omaa-virrankulutusta ja jatkuvasti laskevia kustannuksia.
2. Älykäs moduulitekniikka: Tehonoptimoijien tai mikroinvertterien integrointi moduuleilla älykkäiden moduulien muodostamiseksi, mikä yksinkertaistaa asennusprosessia ja parantaa järjestelmän luotettavuutta.
3. Digitaalinen kaksoistekniikka: Digitaalisen kaksoistekniikan käyttäminen aurinkovoimalaitoksen virtuaalisen mallin rakentamiseen, simuloimalla tarkasti epäsopivuushäviöitä eri työolosuhteissa ja toteuttamalla varhaisvaroituksen ja optimaalisen hallinnan.
4. Uusi akkutekniikka: Kuten shingled-moduulit, puoli{0}}leikatut moduulit, viipaloidut moduulit jne., vähentävät varjostuksen ja epäsopivuuden vaikutusta solusegmentoinnin ja optimoitujen yhteysmenetelmien avulla. Esimerkiksi puoli-leikatut moduulit voivat vähentää varjostuksen aiheuttamaa tehohäviötä noin 50 %.
Moduulien yhteensopimattomuus on väistämätön ilmiö aurinkosähköjärjestelmissä,joista kallistuskulmaerot ovat pääasiallinen syy epäsuhtaisuuteen monimutkaisissa asennusskenaarioissa, ja tuloksena oleva sähköntuotannon menetys voi olla yli 15 %. Kallistuskulmaerot johtavat suoraan moduulien epäjohdonmukaisiin lähtövirtoihin vaikuttamalla moduulien vastaanottamaan auringonsäteilyn määrään ja rajoittavat sitten koko merkkijonon tehontuotantoa sarjapiirin "ämpärivaikutuksen" kautta.
Erityyppisille aurinkovoimalaitoksille sopivin yhteensopimattomuusratkaisu tulee valita maasto-olosuhteiden, kallistuskulmaeron koon ja investointibudjetin mukaan. Maahan-asennetut voimalaitokset voivat antaa etusijalle useat-MPPT-invertterit; Monimutkaisissa skenaarioissa, kuten vuoristoalueilla ja kattojen suurilla kallistuskulmaeroilla, moduulitason-tehoelektroniikkatekniikka parantaa merkittävästi tehontuotantoa ja tuo investointeja.
