Absztrakt
A modulok közötti eltérés az egyik alapvető műszaki szűk keresztmetszet, amely korlátozza a fotovoltaikus (PV) rendszer energiatermelési hatékonyságának javítását. Lényege a PV modulok inkonzisztens kimeneti áramai miatt kialakuló "vödör hatás" soros áramkörben. A Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) Fotovoltaikus Energiarendszerek Programja (PVPS) statisztikái szerint a napelemes erőművek össze nem illesztéséből adódó globális átlagos energiatermelési veszteség 5% és 15% között mozog, és akár a 20%-ot is meghaladhatja bonyolult terepviszonyokkal rendelkező, vagy rossz működésű és karbantartású erőművekben. Ezek közül a dőlésszög-különbség a legdominánsabb oka az eltéréseknek olyan összetett telepítési forgatókönyvekben, mint a hegyvidéki területek és a háztetők, ami a teljes eltérési veszteség körülbelül 40–60%-át teszi ki.
1.A PV-modul nem illeszkedésének alapelvei és fizikai mechanizmusai
1.1 A PV modulok elektromos jellemzői
A PV-modul kimeneti jellemzőit az aktuális-feszültség (I-V) és a teljesítmény-feszültség (P-V) görbéje határozza meg. Szabványos vizsgálati körülmények között (STC: 1000 W/m² besugárzás, 25 fokos cella hőmérséklet, AM1,5 spektrum) egyetlen modul egyedi Maximális teljesítményponttal (MPP) rendelkezik.
A PV-modul rövidre -áramköri árama (Isc) megközelítőleg arányos a cella felületére eső napsugárzással, amely a dőlésszög-különbségek által okozott jelenlegi eltérések alapvető fizikai alapja. A képlet a következőképpen fejeződik ki:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Ahol:
• Isc: tényleges rövidzár{0}}áram (A)
• Isc_STC: Rövidzár{1}}áram normál tesztkörülmények között (A)
• G: Tényleges beeső besugárzás (W/m²)
• G_STC: Standard vizsgálati besugárzás (1000 W/m²)
Ha több modult sorba kötnek, hogy egy karakterláncot alkossanak, Kirchhoff jelenlegi törvénye szerint,a soros áramkörben lévő összes modulnak azonos áramerősséggel kell működnie; míg a húr teljes feszültsége egyenlő az egyes modulok üzemi feszültségeinek összegével. Ez a jellemző határozza meg, hogy a soros rendszerek rendkívül érzékenyek az áramkülönbségekre.
1.2. Az össze nem illő jelenség fő mechanizmusa
A "hordóeffektus" (más néven a "leggyengébb láncszem" vagy "szűk keresztmetszet effektus") tökéletes analógiája annak, ami a sorosan{0}}kapcsolt PV-modulokban történik. Képzeljünk el egy sor hordót, amelyek láncba vannak kapcsolva, mindegyik más-más kapacitással. Az egész rendszeren átáramló víz mennyiségét a legkisebb kapacitású hordó korlátozza,-függetlenül attól, hogy mekkora a többi.
A PV-sztringben a modulok elektromosan sorba vannak kötve, vagyis mindegyiken ugyanannak az áramnak kell átfolynia. A legkisebb besugárzást kapó modul (a szuboptimális szög miatt) generálja a legkisebb áramot. Ez arra kényszeríti a teljes karakterlánc áramát, hogy megfeleljen a leggyengébb teljesítményűnek, ami miatt a jobban -teljesítő modulok potenciáljuk alatt működnek. A teljesítményveszteségek jelentősek lehetnek, messze meghaladhatják az egyedi csökkentések egyszerű összegét.
2. A PV-modul eltérésének fő okai
A modul-eltérés okai összetettek és változatosak, és két kategóriába sorolhatók: veleszületett és szerzett eltérés.
2.1 Veleszületett eltérés: A gyári paraméterek eltérései
Még az ugyanabban a tételben gyártott modulok elektromos teljesítményparaméterei is csekély eltéréseket mutatnak olyan tényezők miatt, mint a félvezető anyag tisztasága és a gyártási folyamat ingadozása. A modulgyártók általában teljesítményosztályozást (binning) hajtanak végre a modulokon, de az ugyanazon a táptálcán belüli modulok áramkülönbsége továbbra is ±2,5%-on belül lehet.
Az ilyen gyári paraméterkülönbségek által okozott mismatch veszteség általában 2%-3%, ami egy alapvető mismatch veszteség, amely nem minden napelemes rendszerben teljesen elkerülhető.
2.2 Szerzett eltérés: Működési környezet és Üzemeltetési és karbantartási tényezők
Ez a fő oka annak, hogy a tényleges rendszerhibás veszteség sokkal nagyobb, mint az alapérték, különösen a következőket tartalmazza:
• Inkonzisztens dőlésszögek és azimutszögek(az alábbiakban részletes elemzésre kerül)
• Árnyékolási eltérés: Rögzített árnyékolás a környező épületekről, fákról, hegyekről stb., valamint dinamikus árnyékolás a felhőktől, madaraktól stb.
• A szennyeződés és az öregedés eltérése: Egyenetlen szennyeződések, például por, hó, madárürülék a modul felületén, valamint az öregedési sebesség eltérései a hosszú távú{0}}használat után
• Hőmérséklet eltérés: Egyenetlen hőmérséklet, amelyet a modulok eltérő hőleadási feltételei okoznak
3. A dőlésszög-különbségek által okozott eltérések részletes mechanizmusa és mennyiségi elemzése
A dőlésszög eltérése az azonos sorozatban lévő különböző modulok inkonzisztens beépítési dőlésszögeire (a modulsík és a vízszintes sík közötti szögre) utal, aminek következtében az egyes modulok eltérő mennyiségű napsugárzást kapnak, és így különbségek vannak a kimeneti áramban. Ez a leggyakoribb és könnyen figyelmen kívül hagyható eltérés a hegyvidéki napelemes és az elosztott tetőtéri napelemes rendszerekben.
3.1 A telepítési szögkülönbségek fő okai ezt súlyosbítják:
• Besugárzottság variáció: A más szögben megdöntött modul kevésbé veszi fel a közvetlen napfényt, különösen csúcsidőben. Például egy változó hajlásszögű lejtős tetőn a déli fekvésű,
• Napi és szezonális hatás: A szögek nemcsak a csúcsteljesítményt, hanem a napi teljesítményt is befolyásolják. Az egyenetlen dőlések nem illeszkednek az IV görbékhez (áram-feszültségjellemzők), növelve az illesztési veszteségeket.
• Összetétel más tényezőkkel: A szögkülönbségek ronthatják az árnyékolási hatásokat vagy a hőmérsékleti gradienseket, mivel a rosszul beállított modulok eltérően melegedhetnek.
3.2 Kvantitatív korreláció a dőlésszög-különbség és a modul kimeneti árama között
A dőlésszög-különbség és az áramkülönbség közötti összefüggést számszerűsíthetjük úgy, hogy pontosan kiszámítjuk a teljes sík besugárzást különböző dőlésszögeknél. Fogadva a30 fokos északi szélességi körzetben(a Jangce-folyó medencéje Kínában) példaként a következő táblázat mutatja az éves teljes besugárzási teljesítményt és a rövidzárási áram-különbséget a különböző telepítési dőlésszögeknél az optimális dőlésszöghez (körülbelül 30 fok) viszonyítva:
Beépítési dőlésszög ( diploma ) | Éves teljes besugárzás (kWh/m²) | Besugárzási különbség az optimális dőlésszöghez viszonyítva (%) | Rövid-áramköri különbség (%) |
| 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 (Optimális) | 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 |
Főbb következtetések:
1. Az északi szélesség 30. fokán az optimális dőlésszögtől való minden 5 fokos eltérés esetén az éves besugárzás körülbelül 2%-4%-kal csökken, ami a rövidzárlati áram 2%-4%-os csökkenésének felel meg.
2. Amikor a dőlésszög-különbség eléri a 20 fokot (pl. 30 fok vs 10 fok), az éves áramkülönbség meghaladhatja a 12%-ot.
3. A pillanatnyi áramkülönbségek sokkal nagyobbak, mint az éves átlagos különbségek. Például a nyári napforduló délben a nap magassági szöge körülbelül 83,5 fok, ekkor a 10 fokos dőlésszögű modul által kapott közvetlen besugárzás körülbelül 15%-kal nagyobb, mint a 30 fokos dőlésszögű modulé; míg a téli napfordulón délben a nap magassági szöge körülbelül 36,5 fok, és a 10 fokos dőlésszögű modul által kapott közvetlen besugárzás körülbelül 25%-kal alacsonyabb, mint a 30 fokos dőlésszögű modulé.
4. A főáramú megoldások összehasonlítása a modulhibákra
A modulhibák problémáját megcélozva különféle megoldásokat fejlesztettek ki az iparban, amelyek lényege az, hogytörje meg azt a korlátozást, hogy "a soros áramoknak konzisztensnek kell lenniük"vagyminimalizálja az áramkülönbségeket.
4.1 Speciális tervezési optimalizálás a dőlésszög eltérésére
Ez a legalapvetőbb és a legalacsonyabb{0}}költségű megoldás, valamint az az intézkedés, amelyet minden projektnek először alkalmaznia kell:
1. Szigorúan alkalmazza az "ugyanaz a dőlésszög, ugyanaz a húr" elvet: Ez az aranyszabály a dőlésszög eltérésének megelőzésére. Az azonos dőlésszögű és azimutszögű modulokat ugyanabban a láncban kell sorba kötni, és a különböző dőlésszögű/-irányú modulokat soha nem szabad sorba kötni egymással.
2. Ésszerűen rövidítse le a húr hosszát: Azokon a területeken, ahol nagy a dőlésszög-különbség, a húr hosszának megfelelő lerövidítése (22-24 modulról 18-20 modulra) csökkentheti az eltérések ütközési tartományát.
3. Optimalizálja az inverter MPPT csatornaosztását: Csatlakoztassa a különböző dőlésszögű zónákból származó húrokat különböző MPPT csatornákhoz, így minden MPPT csatorna csak az azonos dőlésszögű húrok maximális teljesítménypontját követi.
4.2 String Inverter: Több-MPPT-inverter
A hagyományos központi inverterek általában csak 1-2 MPPT csatornával rendelkeznek, míg a modern sztringinverterek általában több független MPPT csatornával rendelkeznek (6-12 vagy még több). Minden MPPT csatorna függetlenül képes nyomon követni a különböző karakterláncok maximális teljesítménypontját, így korlátozva az eltérés hatását egyetlen MPPT csatornára.
Hatás a dőlésszög eltérésére: Hatékonyan megoldja a különböző dőlésszögű zónák közötti eltérési problémát, de mégsem tudja megoldani az azonos zónában lévő húrokon belüli dőlésszög-különbségeket.
4.3 Modul-Level Power Electronics (MLPE) technológia
Jelenleg ez a leghatékonyabb műszaki megoldás a dőlésszög eltérésének megoldására, elsősorban teljesítményoptimalizálókat és mikroinvertereket foglal magában:
1. Teljesítményoptimalizáló
Az energiaoptimalizálók mindegyik modul hátuljára vannak telepítve, a modulokhoz tartozó-az-egynek megfelelően. Függetlenül be tudja állítani az egyes modulok üzemi feszültségét és áramát, így minden modul a saját maximális teljesítménypontján működik, majd egyenáramot ad ki a soros áramkörbe.
Hatás a dőlésszög eltérésére: Teljesen kiküszöböli az áramerősség-eltérést, amelyet a húron belüli dőlésszög-különbség okoz, lehetővé téve, hogy minden modul a maximális áramot adja ki. A mért adatok azt mutatják, hogy a nagy dőlésszög-különbséggel rendelkező hegyvidéki erőművekben a teljesítményoptimalizálók alkalmazása 15%-20%-kal növelheti az energiatermelést.
2. Mikroinverter
A mikroinverterek közvetlenül az egyes modulok hátuljára vannak felszerelve, amelyek a modul által kibocsátott egyenáramot közvetlenül váltakozó árammá alakítják, amelyet azután párhuzamosan csatlakoztatnak a hálózathoz. Mindegyik modul független áramtermelő egység, teljesen mentes a soros áramkorlátozásoktól.
Hatás a dőlésszög eltérésére: Teljesen megoldja az összes dőlésszög eltérési problémát, és minden modul függetlenül működhet a dőlésszög különbségétől függetlenül.
Cégünk az összes fent említett megoldást és komplett rendszert tudja biztosítani. Ha szüksége van rájuk, forduljon hozzánk!
A PV-technológia folyamatos fejlődésével a modul-nem illesztési probléma megoldásai is folyamatosan újulnak és fejlődnek:
1. Nagyobb hatékonyságú MLPE technológia: Az új -generációs energiaoptimalizálók és mikroinverterek konverziós hatékonysága meghaladta a 99%-ot, tovább csökkent az ön-energiafogyasztás és folyamatosan csökkennek a költségek.
2. Intelligens modul technológia: Teljesítményoptimalizálók vagy mikroinverterek integrálása modulokkal intelligens modulok kialakításához, egyszerűsítve a telepítési folyamatot és javítva a rendszer megbízhatóságát.
3. Digitális iker technológia: Digitális ikertechnológia felhasználásával a napelemes erőmű virtuális modelljének felépítése, a különböző munkakörülmények közötti eltérések közötti pontos szimuláció, valamint a korai figyelmeztetés és az optimális vezérlés megvalósítása.
4. Új akkumulátor technológia: Például a zsindelyes modulok, a félbevágott modulok, a szeletelt modulok stb. csökkentik az árnyékolás és az eltérés hatását a cellaszegmentáció és az optimalizált csatlakozási módszerek révén. Például a félbevágott modulok körülbelül 50%-kal csökkenthetik az árnyékolás okozta áramveszteséget.
A modulok közötti eltérés elkerülhetetlen jelenség a fotovoltaikus rendszerekben,amelyek között a dőlésszög-különbség a fő oka az eltéréseknek az összetett telepítési forgatókönyvekben, és az ebből eredő energiatermelési veszteség elérheti a 15%-ot is. A dőlésszög-különbségek közvetlenül a modulok inkonzisztens kimenő áramaihoz vezetnek azáltal, hogy befolyásolják a modulok által kapott napsugárzás mennyiségét, majd korlátozzák a teljes szál áramtermelését a soros áramkör "vödör-effektusa" révén.
A különböző típusú napelemes erőművek esetében a legmegfelelőbb eltérési megoldást kell kiválasztani olyan tényezők alapján, mint a terepviszonyok, a dőlésszög-különbség mérete és a beruházási költségvetés. A földre szerelt-erőművek előnyben részesíthetik a több-MPPT string invertereket; összetett forgatókönyvek esetén, például hegyvidéki területeken és nagy dőlésszög-különbséggel rendelkező háztetők esetén a modulszintű teljesítményelektronikai technológia jelentős energiatermelési javulást és befektetési megtérülést eredményez.
