Sažetak
Neusklađenost modula jedno je od ključnih tehničkih uskih grla koja ograničavaju poboljšanje učinkovitosti proizvodnje energije fotonaponskih (PV) sustava. Njegova bit je "bucket effect" uzrokovan nedosljednim izlaznim strujama PV modula u serijskom krugu. Prema statistici Programa fotonaponskih energetskih sustava (PVPS) Međunarodne agencije za energiju (IEA), globalni prosječni gubitak proizvodnje električne energije zbog neusklađenosti u PV elektranama kreće se od 5% do 15%, a može čak premašiti 20% u postrojenjima sa složenim terenom ili lošim radom i održavanjem. Među njima, razlika u kutu nagiba je najdominantniji uzrok neusklađenosti u složenim scenarijima instalacije kao što su planinska područja i krovovi, što čini približno 40%-60% ukupnih gubitaka neusklađenosti.
1.Osnovni principi i fizički mehanizmi neusklađenosti PV modula
1.1 Električne karakteristike fotonaponskih modula
Izlazne karakteristike PV modula određene su njegovom krivuljom trenutnog-napona (I-V) i krivulje-napona snage (P-V). Pod standardnim uvjetima ispitivanja (STC: zračenje 1000 W/m², temperatura ćelije 25 stupnjeva, AM1.5 spektar), jedan modul ima jedinstvenu maksimalnu snagu (MPP).
Struja-kratkog spoja (Isc) PV modula približno je proporcionalna sunčevom zračenju koje pada na površinu ćelije, što je temeljna fizička osnova za nepoklapanje struje uzrokovano razlikama u kutovima nagiba. Formula se izražava kao:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Gdje:
• Isc: stvarna struja-kratkog spoja (A)
• Isc_STC: Struja-kratkog spoja pod standardnim uvjetima ispitivanja (A)
• G: Stvarno upadno zračenje (W/m²)
• G_STC: standardno ispitivanje zračenja (1000 W/m²)
Kada je više modula spojenih u seriju da tvore niz, prema Kirchhoffovom trenutnom zakonu,svi moduli u serijskom krugu moraju raditi s istom strujom; dok je ukupni napon stringa jednak zbroju radnih napona svakog modula. Ova karakteristika određuje da su serijski sustavi izuzetno osjetljivi na strujne razlike.
1.2 Temeljni mehanizam fenomena neusklađenosti
"Efekt bačve" (također poznat kao "najslabija karika" ili "efekt uskog grla") savršena je analogija za ono što se događa u serijski-povezanim PV modulima. Zamislite niz bačvi povezanih u lanac, svaka različitog kapaciteta. Količina vode koja može teći kroz cijeli sustav ograničena je bačvom najmanjeg kapaciteta-bez obzira na to koliko su ostale velike.
U fotonaponskom nizu, moduli su električno spojeni u seriju, što znači da ista struja mora teći kroz sve njih. Modul koji prima najmanje zračenje (zbog neoptimalnog kuta) generirat će najmanju struju. To prisiljava struju cijelog niza da se podudara s najlošijim učinkom, uzrokujući da moduli s boljim-učinkom rade ispod svog potencijala. Gubici snage mogu biti znatni, daleko premašujući jednostavan zbroj pojedinačnih smanjenja.
2. Glavni uzroci neusklađenosti PV modula
Uzroci neusklađenosti modula su složeni i raznoliki, a mogu se podijeliti u dvije kategorije: urođena neusklađenost i stečena neusklađenost.
2.1 Kongenitalna neusklađenost: razlike tvorničkih parametara
Čak i moduli proizvedeni u istoj seriji imaju male razlike u svojim parametrima električnih performansi zbog faktora kao što su čistoća poluvodičkog materijala i fluktuacije proizvodnog procesa. Proizvođači modula obično provode ocjenjivanje snage (binning) na modulima, ali moduli unutar istog spremnika snage mogu i dalje imati trenutne razlike unutar ±2,5%.
Gubitak neusklađenosti uzrokovan takvim razlikama tvorničkih parametara obično iznosi 2%-3%, što je osnovni gubitak neusklađenosti koji se ne može u potpunosti izbjeći u svim PV sustavima.
2.2 Stečena neusklađenost: radna okolina i čimbenici rada i održavanja
Ovo je glavni razlog zašto je stvarni gubitak neusklađenosti sustava mnogo veći od osnovne vrijednosti, posebno uključujući:
• Nedosljedni kutovi nagiba i kutovi azimuta(bit će detaljno analizirano u nastavku)
• Neusklađenost sjenčanja: Fiksno sjenčanje od okolnih zgrada, drveća, planina itd. i dinamičko sjenčanje od oblaka, ptica itd.
• Neusklađenost prljanja i starenja: Neravnomjerno zaprljanje kao što je prašina, snijeg, ptičji izmet na površini modula i razlike u stopama starenja nakon dugotrajnog rada-
• Neusklađenost temperature: Nejednake temperature uzrokovane različitim uvjetima disipacije topline modula
3. Detaljan-mehanizam i kvantitativna analiza neusklađenosti uzrokovane razlikama kutova nagiba
Neusklađenost kuta nagiba odnosi se na nedosljedne kutove nagiba instalacije (kut između ravnine modula i vodoravne ravnine) različitih modula u istom nizu serija, što rezultira različitim količinama sunčevog zračenja koje prima svaki modul, a time i razlikama u izlaznoj struji. Ovo je najčešća i lako zanemarena vrsta neusklađenosti u planinskim PV sustavima i distribuiranim krovnim PV sustavima.
3.1 Ključni razlozi zbog kojih razlike u kutovima ugradnje pogoršavaju ovo:
• Varijacija zračenja: Modul nagnut pod drugim kutom hvata manje izravne sunčeve svjetlosti, posebno tijekom sati najvećeg opterećenja. Na primjer, na kosom krovu s različitim nagibima, južno-moduli s optimalnim nagibom mogu imati dobre rezultate, dok drugi s plićim ili strmijim kutovima imaju slabije rezultate.
• Dnevni i sezonski utjecaj: Kutovi ne utječu samo na vršni učinak, već i na učinak tijekom dana. Ne-jednolični nagibi dovode do neusklađenih IV krivulja (karakteristike strujnog-napona), povećavajući gubitke neusklađenosti.
• Slaganje s drugim čimbenicima: Razlike u kutovima mogu pogoršati učinke sjenčanja ili temperaturne gradijente, budući da se moduli pod lošim kutom mogu grijati drugačije.
3.2 Kvantitativna korelacija između razlike kuta nagiba i izlazne struje modula
Možemo kvantificirati odnos između razlike kuta nagiba i trenutne razlike točnim izračunavanjem ukupne radijancije u ravnini pri različitim kutovima nagiba. UzimanjeRegija geografske širine 30 stupnjeva N(sliv rijeke Yangtze u Kini) kao primjer, sljedeća tablica prikazuje godišnju ukupnu radijaciju i razlike struje kratkog-spoja za različite kutove nagiba instalacije u odnosu na optimalni kut nagiba (približno 30 stupnjeva):
Kut nagiba instalacije ( stupanj ) | Godišnje ukupno zračenje (kWh/m²) | Razlika u zračenju u odnosu na optimalni kut nagiba (%) | Razlika struje-kratkog spoja (%) |
| 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 (optimalno) | 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 |
Ključni zaključci:
1. U području geografske širine od 30 stupnjeva N, za svakih 5 stupnjeva odstupanja od optimalnog kuta nagiba, godišnje zračenje se smanjuje za približno 2%-4%, što odgovara smanjenju struje kratkog spoja od 2%-4%.
2. Kada razlika kuta nagiba dosegne 20 stupnjeva (npr. 30 stupnjeva naspram 10 stupnjeva), godišnja strujna razlika može premašiti 12%.
3. Trenutne razlike struje mnogo su veće od godišnjih prosječnih razlika. Na primjer, u podne na ljetni solsticij, kut solarne visine je približno 83,5 stupnjeva, u koje vrijeme je izravno zračenje koje prima modul s kutom nagiba od 10 stupnjeva oko 15% veće od onog koje prima modul s kutom nagiba od 30 stupnjeva; dok je u podne na zimski solsticij kut solarne visine približno 36,5 stupnjeva, a izravno zračenje koje prima modul s kutom nagiba od 10 stupnjeva je oko 25% niže od onog koje prima modul s kutom nagiba od 30 stupnjeva.
4. Usporedba glavnih rješenja za neusklađenost modula
S ciljem rješavanja problema neusklađenosti modula, u industriji su razvijena različita rješenja čija je temeljna idejaprekinuti ograničenje da "redne struje moraju biti dosljedne"iliminimizirati trenutne razlike.
4.1 Posebna optimizacija dizajna za neusklađenost kuta nagiba
Ovo je najosnovnije i najjeftinije-rješenje, a također i mjera koju bi svi projekti prvo trebali usvojiti:
1. Strogo provodite načelo "isti kut nagiba, ista žica".: Ovo je zlatno pravilo za sprječavanje neusklađenosti kuta nagiba. Moduli s istim kutom nagiba i kutom azimuta trebaju biti povezani u seriju u istom nizu, a moduli s različitim kutovima/orijentacijama nagiba nikada se ne smiju spajati zajedno u seriju.
2. Razumno skratite duljinu žice: U područjima s velikim razlikama u kutovima nagiba, odgovarajuće skraćivanje duljine niza (s 22-24 modula na 18-20 modula) može smanjiti raspon utjecaja neusklađenosti.
3. Optimizirajte podjelu MPPT kanala pretvarača: Povežite žice iz različitih zona kuta nagiba na različite MPPT kanale, tako da svaki MPPT kanal prati samo maksimalnu točku snage žica s istim kutom nagiba.
4.2 Inverter žica: Multi-MPPT pretvarači
Tradicionalni središnji pretvarači obično imaju samo 1-2 MPPT kanala, dok su moderni string pretvarači općenito opremljeni s više neovisnih MPPT kanala (6-12 ili čak i više). Svaki MPPT kanal može neovisno pratiti maksimalnu točku snage različitih žica, čime se ograničava utjecaj neusklađenosti na jedan MPPT kanal.
Utjecaj na neusklađenost kuta nagiba: Može učinkovito riješiti problem neusklađenosti između različitih zona kuta nagiba, ali još uvijek ne može riješiti razlike kuta nagiba unutar žica u istoj zoni.
4.3 Module-Tehnologija energetske elektronike (MLPE).
Ovo je trenutno najučinkovitije tehničko rješenje za rješavanje neusklađenosti kuta nagiba, uglavnom uključujući optimizatore snage i mikroinvertere:
1. Power Optimizer
Optimizatori snage instalirani su na poleđini svakog modula, odgovarajući-na-jedan s modulima. Može neovisno prilagoditi radni napon i struju svakog modula, čineći da svaki modul radi na vlastitoj maksimalnoj točki snage, a zatim daje istosmjernu struju u serijski krug.
Utjecaj na neusklađenost kuta nagiba: Može u potpunosti eliminirati strujnu neusklađenost uzrokovanu bilo kojom razlikom kuta nagiba unutar niza, dopuštajući svakom modulu da emitira svoju maksimalnu struju. Podaci mjerenja pokazuju da u planinskim elektranama s velikim razlikama u kutovima nagiba, korištenje optimizatora snage može povećati proizvodnju električne energije za 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinverteri su izravno instalirani na stražnjoj strani svakog modula, pretvarajući izlaznu istosmjernu struju modula izravno u izmjeničnu struju, koja se potom spaja paralelno na mrežu. Svaki modul je neovisna jedinica za proizvodnju električne energije, potpuno oslobođena serijskih strujnih ograničenja.
Utjecaj na neusklađenost kuta nagiba: Potpuno rješava sve probleme neusklađenosti kuta nagiba, a svaki modul može raditi neovisno bez obzira na razliku kuta nagiba.
Naša tvrtka može ponuditi sva gore navedena rješenja i kompletne sustave. Ako ih trebate, kontaktirajte nas!
Uz kontinuirani napredak PV tehnologije, rješenja za problem neusklađenosti modula također se stalno inoviraju i razvijaju:
1. MLPE tehnologija veće učinkovitosti: Učinkovitost pretvorbe nove-generacije optimizatora snage i mikroinvertora premašila je 99%, uz daljnju smanjenu vlastitu-potrošnju energije i kontinuirano opadajuće troškove.
2. Tehnologija pametnih modula: Integracija optimizatora snage ili mikroinvertera s modulima za formiranje pametnih modula, pojednostavljujući proces instalacije i poboljšavajući pouzdanost sustava.
3. Tehnologija digitalnih blizanaca: Korištenje tehnologije digitalnog blizanaca za izradu virtualnog modela fotonaponske elektrane, preciznu simulaciju gubitaka neusklađenosti u različitim radnim uvjetima i ostvarivanje ranog upozorenja i optimalne kontrole.
4. Nova baterijska tehnologija: Kao što su moduli pokriveni šindrom, polu{0}}odrezani moduli, rezani moduli itd., smanjuju utjecaj sjenčanja i neusklađenosti putem segmentacije ćelija i optimiziranih metoda spajanja. Na primjer, polu{3}}sječeni moduli mogu smanjiti gubitak snage uzrokovan zasjenjivanjem za približno 50%.
Neusklađenost modula je neizbježna pojava u PV sustavima,među kojima je razlika u kutu nagiba glavni uzrok neusklađenosti u složenim scenarijima instalacije, a rezultirajući gubitak proizvodnje električne energije može doseći više od 15%. Razlike u kutovima nagiba izravno dovode do nekonzistentnih izlaznih struja modula utječući na količinu sunčevog zračenja koje primaju moduli, a zatim ograničavaju proizvodnju energije cijelog niza kroz "učinak kante" serijskog kruga.
Za različite tipove fotonaponskih elektrana, najprikladnije rješenje neusklađenosti treba odabrati prema čimbenicima kao što su uvjeti terena, veličina razlike kuta nagiba i proračun ulaganja. Nazemne-elektrane mogu dati prednost multi-MPPT strujnim pretvaračima; za složene scenarije kao što su planinska područja i krovovi s velikim razlikama u kutovima nagiba, tehnologija energetske elektronike na razini modula- donijet će značajna poboljšanja proizvodnje električne energije i povrat ulaganja.
