Περίληψη
Η αναντιστοιχία μονάδων είναι ένα από τα βασικά τεχνικά σημεία συμφόρησης που περιορίζει τη βελτίωση της απόδοσης παραγωγής ενέργειας του φωτοβολταϊκού συστήματος (ΦΒ). Η ουσία του είναι το «φαινόμενο κάδου» που προκαλείται από ασυνεπή ρεύματα εξόδου των φωτοβολταϊκών μονάδων σε ένα κύκλωμα σειράς. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του Προγράμματος Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Ισχύος του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας (IEA), η παγκόσμια μέση απώλεια παραγωγής ενέργειας λόγω αναντιστοιχίας σε φωτοβολταϊκούς σταθμούς κυμαίνεται από 5% έως 15% και μπορεί να ξεπεράσει ακόμη και το 20% σε μονάδες με πολύπλοκο έδαφος ή κακή λειτουργία και συντήρηση. Μεταξύ αυτών, η διαφορά γωνίας κλίσης είναι η πιο κυρίαρχη αιτία αναντιστοιχίας σε σύνθετα σενάρια εγκατάστασης όπως ορεινές περιοχές και στέγες, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 40%-60% των συνολικών απωλειών αναντιστοιχίας.
1.Βασικές αρχές και φυσικοί μηχανισμοί ασυμφωνίας φωτοβολταϊκών μονάδων
1.1 Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Φ/Β Μονάδων
Τα χαρακτηριστικά εξόδου μιας φωτοβολταϊκής μονάδας καθορίζονται από την καμπύλη -τάσης (I-V) ρεύματος και την καμπύλη τάσης ισχύος-(P-V). Κάτω από τις τυπικές συνθήκες δοκιμής (STC: ακτινοβολία 1000 W/m², θερμοκρασία κυψέλης 25 μοίρες, φάσμα AM1,5), μια μονάδα έχει ένα μοναδικό σημείο μέγιστης ισχύος (MPP).
Το ρεύμα βραχυκυκλώματος (Isc) μιας φωτοβολταϊκής μονάδας είναι περίπου ανάλογο με την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του στοιχείου, που είναι η βασική φυσική βάση για την τρέχουσα αναντιστοιχία που προκαλείται από διαφορές γωνίας κλίσης. Ο τύπος εκφράζεται ως:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Οπου:
• Isc: Πραγματικό ρεύμα βραχυκυκλώματος-(A)
• Isc_STC: Ρεύμα βραχυκυκλώματος-υπό τυπικές συνθήκες δοκιμής (A)
• G: Πραγματική προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m²)
• G_STC: Τυπική δοκιμαστική ακτινοβολία (1000W/m²)
Όταν πολλαπλές μονάδες συνδέονται σε σειρά για να σχηματίσουν μια συμβολοσειρά, σύμφωνα με τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff,όλες οι μονάδες σε ένα κύκλωμα σειράς πρέπει να λειτουργούν με το ίδιο ρεύμα; ενώ η συνολική τάση της χορδής είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων λειτουργίας κάθε δομοστοιχείου. Αυτό το χαρακτηριστικό καθορίζει ότι τα συστήματα σειράς είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις τρέχουσες διαφορές.
1.2 Βασικός μηχανισμός του φαινομένου της ασυμφωνίας
Το "φαινόμενο κάννης" (γνωστό και ως "πιο αδύναμος κρίκος" ή "φαινόμενο συμφόρησης") είναι μια τέλεια αναλογία για αυτό που συμβαίνει σε σειρές-συνδεδεμένες φωτοβολταϊκές μονάδες. Φανταστείτε μια σειρά από βαρέλια συνδεδεμένα σε μια αλυσίδα, το καθένα με διαφορετική χωρητικότητα. Η ποσότητα νερού που μπορεί να ρέει σε ολόκληρο το σύστημα περιορίζεται από το βαρέλι με τη μικρότερη χωρητικότητα-ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλο είναι το υπόλοιπο.
Σε μια φωτοβολταϊκή συμβολοσειρά, οι μονάδες συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά, που σημαίνει ότι το ίδιο ρεύμα πρέπει να ρέει σε όλες. Η μονάδα που λαμβάνει τη μικρότερη ακτινοβολία (λόγω της μη βέλτιστης γωνίας) θα παράγει το χαμηλότερο ρεύμα. Αυτό αναγκάζει το ρεύμα ολόκληρης της χορδής να ταιριάζει με τη χαμηλότερη απόδοση, με αποτέλεσμα οι μονάδες με υψηλότερη-απόδοση να λειτουργούν κάτω από τις δυνατότητές τους. Οι απώλειες ισχύος μπορεί να είναι σημαντικές, υπερβαίνοντας κατά πολύ το απλό άθροισμα των μεμονωμένων μειώσεων.
2. Βασικές αιτίες ασυμφωνίας φωτοβολταϊκών μονάδων
Οι αιτίες της ασυμφωνίας των μονάδων είναι πολύπλοκες και ποικίλες και μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τη συγγενή αναντιστοιχία και την επίκτητη αναντιστοιχία.
2.1 Συγγενής αναντιστοιχία: Διαφορές εργοστασιακών παραμέτρων
Ακόμη και οι μονάδες που παράγονται στην ίδια παρτίδα έχουν μικρές διαφορές στις παραμέτρους ηλεκτρικής τους απόδοσης λόγω παραγόντων όπως η καθαρότητα του υλικού ημιαγωγών και οι διακυμάνσεις της διαδικασίας παραγωγής. Οι κατασκευαστές μονάδων συνήθως εκτελούν βαθμολόγηση ισχύος (binning) σε μονάδες, αλλά οι μονάδες εντός του ίδιου δοχείου τροφοδοσίας ενδέχεται να εξακολουθούν να έχουν διαφορές ρεύματος εντός ±2,5%.
Η απώλεια ασυμφωνίας που προκαλείται από τέτοιες εργοστασιακές διαφορές παραμέτρων είναι συνήθως 2%-3%, που είναι μια βασική απώλεια ασυμφωνίας που δεν μπορεί να αποφευχθεί πλήρως σε όλα τα Φ/Β συστήματα.
2.2 Επίκτητη αναντιστοιχία: Λειτουργικό περιβάλλον και Παράγοντες λειτουργίας και συντήρησης
Αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο η πραγματική απώλεια ασυμφωνίας συστήματος είναι πολύ μεγαλύτερη από τη βασική τιμή, συμπεριλαμβανομένων συγκεκριμένα:
• Ασυνεπείς γωνίες κλίσης και γωνίες αζιμουθίου(θα αναλυθεί σε βάθος παρακάτω)
• Αναντιστοιχία σκίασης: Σταθερή σκίαση από γύρω κτίρια, δέντρα, βουνά κ.λπ., και δυναμική σκίαση από σύννεφα, πουλιά κ.λπ.
• Αναντιστοιχία ρύπανσης και γήρανσης: Ανώμαλη ρύπανση όπως σκόνη, χιόνι, περιττώματα πουλιών στην επιφάνεια της μονάδας και διαφορές στους ρυθμούς γήρανσης μετά από-μακροχρόνια λειτουργία
• Αναντιστοιχία θερμοκρασίας: Ανομοιόμορφες θερμοκρασίες που προκαλούνται από διαφορετικές συνθήκες απαγωγής θερμότητας των μονάδων
3.-Μηχανισμός σε βάθος και ποσοτική ανάλυση της ασυμφωνίας που προκαλείται από τις διαφορές γωνίας κλίσης
Η αναντιστοιχία γωνίας κλίσης αναφέρεται στις ασυνεπείς γωνίες κλίσης εγκατάστασης (η γωνία μεταξύ του επιπέδου της μονάδας και του οριζόντιου επιπέδου) διαφορετικών μονάδων στην ίδια σειρά σειράς, με αποτέλεσμα διαφορετικά ποσά ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνεται από κάθε μονάδα και επομένως διαφορές στο ρεύμα εξόδου. Αυτός είναι ο πιο συνηθισμένος και εύκολα παραβλέπεται τύπος αναντιστοιχίας σε ορεινά φωτοβολταϊκά και κατανεμημένα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης.
3.1 Βασικοί λόγοι για τους οποίους οι διαφορές γωνίας εγκατάστασης το επιδεινώνουν:
• Παραλλαγή ακτινοβολίας: Μια μονάδα με κλίση σε διαφορετική γωνία συλλαμβάνει λιγότερο άμεσο ηλιακό φως, ειδικά κατά τις ώρες αιχμής. Για παράδειγμα, σε μια κεκλιμένη οροφή με διαφορετικές κλίσεις, οι μονάδες με νότια{{1} όψη με βέλτιστη κλίση ενδέχεται να έχουν καλή απόδοση, ενώ άλλες σε μικρότερες ή πιο απότομες γωνίες δεν έχουν χαμηλή απόδοση.
• Ημερήσια και εποχιακή επίδραση: Οι γωνίες επηρεάζουν όχι μόνο τη μέγιστη απόδοση αλλά και την απόδοση καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας. Οι μη ομοιόμορφες κλίσεις οδηγούν σε αταίριαστες καμπύλες IV (χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης), αυξάνοντας τις απώλειες αναντιστοιχίας.
• Σύνθεση με άλλους παράγοντες: Οι διαφορές γωνίας μπορεί να επιδεινώσουν τα φαινόμενα σκίασης ή τις κλίσεις θερμοκρασίας, καθώς οι μονάδες με κακή γωνία ενδέχεται να θερμαίνονται διαφορετικά.
3.2 Ποσοτική συσχέτιση μεταξύ διαφοράς γωνίας κλίσης και ρεύματος εξόδου μονάδας
Μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε τη σχέση μεταξύ της διαφοράς γωνίας κλίσης και της διαφοράς ρεύματος υπολογίζοντας με ακρίβεια τη συνολική επίπεδη ακτινοβολία σε διαφορετικές γωνίες κλίσης. Λαμβάνοντας τοΠεριοχή γεωγραφικού πλάτους 30 μοιρών Β(η λεκάνη του ποταμού Yangtze στην Κίνα) για παράδειγμα, ο ακόλουθος πίνακας δείχνει τις ετήσιες ολικές διαφορές ακτινοβολίας και ρεύματος βραχυκυκλώματος-για διαφορετικές γωνίες κλίσης εγκατάστασης σε σχέση με τη βέλτιστη γωνία κλίσης (περίπου 30 μοίρες ):
Γωνία κλίσης εγκατάστασης (πτυχίο) | Ετήσια συνολική ακτινοβολία (kWh/m²) | Διαφορά ακτινοβολίας σε σχέση με τη βέλτιστη γωνία κλίσης (%) | Βραχυκύκλωμα-Διαφορά ρεύματος (%) |
| 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 (Βέλτιστη) | 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 |
Βασικά συμπεράσματα:
1. Στην περιοχή γεωγραφικού πλάτους 30 μοιρών Β, για κάθε απόκλιση 5 μοιρών από τη βέλτιστη γωνία κλίσης, η ετήσια ακτινοβολία μειώνεται κατά περίπου 2%-4%, που αντιστοιχεί σε μείωση 2%-4% στο ρεύμα βραχυκυκλώματος.
2. Όταν η διαφορά γωνίας κλίσης φτάσει τις 20 μοίρες (π.χ. 30 μοίρες έναντι 10 μοίρες), η ετήσια διαφορά ρεύματος μπορεί να υπερβεί το 12%.
3. Οι στιγμιαίες διαφορές ρεύματος είναι πολύ μεγαλύτερες από τις μέσες ετήσιες διαφορές. Για παράδειγμα, το μεσημέρι στο θερινό ηλιοστάσιο, η γωνία ηλιακού υψομέτρου είναι περίπου 83,5 μοίρες, οπότε η άμεση ακτινοβολία που λαμβάνεται από μια μονάδα με γωνία κλίσης 10 μοιρών είναι περίπου 15% υψηλότερη από αυτήν που λαμβάνεται από μια μονάδα με γωνία κλίσης 30 μοιρών. ενώ το μεσημέρι στο χειμερινό ηλιοστάσιο, η γωνία ηλιακού υψομέτρου είναι περίπου 36,5 μοίρες και η άμεση ακτινοβολία που λαμβάνεται από μια μονάδα με γωνία κλίσης 10 μοιρών είναι περίπου 25% χαμηλότερη από αυτή που λαμβάνεται από μια μονάδα με γωνία κλίσης 30 μοιρών.
4. Σύγκριση βασικών λύσεων για ασυμφωνία μονάδων
Με στόχο το πρόβλημα ασυμφωνίας μονάδων, έχουν αναπτυχθεί διάφορες λύσεις στον κλάδο, των οποίων η βασική ιδέα είναι νασπάστε τον περιορισμό ότι "τα ρεύματα σειράς πρέπει να είναι συνεπή"ήελαχιστοποιήστε τις τρέχουσες διαφορές.
4.1 Ειδική βελτιστοποίηση σχεδίασης για ασυμφωνία γωνίας κλίσης
Αυτή είναι η πιο βασική και{0}}λύση χαμηλότερου κόστους, καθώς και το μέτρο που πρέπει πρώτα να υιοθετήσουν όλα τα έργα:
1. Εφαρμόστε αυστηρά την αρχή "ίδια γωνία κλίσης, ίδια χορδή".: Αυτός είναι ο χρυσός κανόνας για την αποφυγή αναντιστοιχίας γωνίας κλίσης. Οι μονάδες με την ίδια γωνία κλίσης και γωνία αζιμουθίου θα πρέπει να συνδέονται σε σειρά στην ίδια σειρά και οι μονάδες με διαφορετικές γωνίες/προσανατολισμούς κλίσης δεν πρέπει ποτέ να συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους.
2. Μειώστε λογικά το μήκος της χορδής: Σε περιοχές με μεγάλες διαφορές γωνίας κλίσης, η κατάλληλη συντόμευση του μήκους της χορδής (από 22-24 μονάδες σε 18-20 μονάδες) μπορεί να μειώσει το εύρος πρόσκρουσης της αναντιστοιχίας.
3. Βελτιστοποιήστε τη διαίρεση καναλιών MPPT μετατροπέα: Συνδέστε χορδές από διαφορετικές ζώνες γωνίας κλίσης σε διαφορετικά κανάλια MPPT, έτσι ώστε κάθε κανάλι MPPT να παρακολουθεί μόνο το σημείο μέγιστης ισχύος των χορδών με την ίδια γωνία κλίσης.
4.2 Μετατροπέας χορδών: Πολλαπλοί-Μετατροπείς MPPT
Οι παραδοσιακοί κεντρικοί μετατροπείς έχουν συνήθως μόνο 1-2 κανάλια MPPT, ενώ οι σύγχρονοι μετατροπείς στοιχειοσειρών είναι γενικά εξοπλισμένοι με πολλαπλά ανεξάρτητα κανάλια MPPT (6-12 ή και περισσότερο). Κάθε κανάλι MPPT μπορεί ανεξάρτητα να παρακολουθεί το σημείο μέγιστης ισχύος διαφορετικών στοιχειοσειρών, περιορίζοντας έτσι τον αντίκτυπο της αναντιστοιχίας σε ένα μόνο κανάλι MPPT.
Επίδραση στην αναντιστοιχία γωνίας κλίσης: Μπορεί να λύσει αποτελεσματικά το πρόβλημα αναντιστοιχίας μεταξύ διαφορετικών ζωνών γωνίας κλίσης, αλλά εξακολουθεί να μην μπορεί να λύσει τις διαφορές γωνίας κλίσης μέσα σε χορδές στην ίδια ζώνη.
4.3 Module-Τεχνολογία Level Power Electronics (MLPE).
Αυτή είναι επί του παρόντος η πιο αποτελεσματική τεχνική λύση για την επίλυση αναντιστοιχίας γωνίας κλίσης, κυρίως συμπεριλαμβανομένων των βελτιστοποιητών ισχύος και των μικρομετατροπέων:
1. Power Optimizer
Στο πίσω μέρος κάθε λειτουργικής μονάδας εγκαθίστανται βελτιστοποιητές ισχύος, που αντιστοιχούν-σε-μία με τις μονάδες. Μπορεί να ρυθμίσει ανεξάρτητα την τάση και το ρεύμα λειτουργίας κάθε μονάδας, κάνοντας κάθε μονάδα να λειτουργεί στο δικό της σημείο μέγιστης ισχύος και στη συνέχεια να εξάγει συνεχές ρεύμα στο κύκλωμα σειράς.
Επίδραση στην αναντιστοιχία γωνίας κλίσης: Μπορεί να εξαλείψει εντελώς την αναντιστοιχία ρεύματος που προκαλείται από οποιαδήποτε διαφορά γωνίας κλίσης εντός της συμβολοσειράς, επιτρέποντας σε κάθε μονάδα να εξάγει το μέγιστο ρεύμα της. Τα δεδομένα μέτρησης δείχνουν ότι σε ορεινούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με μεγάλες διαφορές γωνίας κλίσης, η χρήση βελτιστοποιητών ισχύος μπορεί να αυξήσει την παραγωγή ενέργειας κατά 15%-20%.
2. Microinverter
Οι μικρομετατροπείς εγκαθίστανται απευθείας στο πίσω μέρος κάθε μονάδας, μετατρέποντας την έξοδο συνεχούς ρεύματος από τη μονάδα απευθείας σε εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο στη συνέχεια συνδέεται παράλληλα με το δίκτυο. Κάθε μονάδα είναι μια ανεξάρτητη μονάδα παραγωγής ενέργειας, εντελώς απαλλαγμένη από περιορισμούς ρεύματος σειράς.
Επίδραση στην αναντιστοιχία γωνίας κλίσης: Επιλύει πλήρως όλα τα προβλήματα αναντιστοιχίας γωνίας κλίσης και κάθε μονάδα μπορεί να λειτουργήσει ανεξάρτητα ανεξάρτητα από τη διαφορά γωνίας κλίσης.
Η εταιρεία μας μπορεί να παρέχει όλες τις λύσεις και ολοκληρωμένα συστήματα που αναφέρονται παραπάνω. Εάν τα χρειάζεστε, επικοινωνήστε μαζί μας!
7. Μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης
Με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών, οι λύσεις στο πρόβλημα της ασυμφωνίας μονάδων καινοτομούν και αναπτύσσονται συνεχώς:
1. Τεχνολογία MLPE υψηλότερης απόδοσης: Η απόδοση μετατροπής των νέων-βελτιστοποιητών ισχύος και μικρομετατροπέων παραγωγής έχει ξεπεράσει το 99%, με περαιτέρω μειωμένη αυτο-κατανάλωση ρεύματος και συνεχώς μειωμένο κόστος.
2. Τεχνολογία έξυπνης μονάδας: Ενσωμάτωση βελτιστοποιητών ισχύος ή μικρομετατροπέων με μονάδες για τη δημιουργία έξυπνων μονάδων, απλοποιώντας τη διαδικασία εγκατάστασης και βελτιώνοντας την αξιοπιστία του συστήματος.
3. Ψηφιακή δίδυμη τεχνολογία: Χρήση ψηφιακής διπλής τεχνολογίας για την κατασκευή ενός εικονικού μοντέλου της φωτοβολταϊκής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, προσομοίωσης με ακρίβεια απωλειών αναντιστοιχίας υπό διαφορετικές συνθήκες εργασίας και πραγματοποίησης έγκαιρης προειδοποίησης και βέλτιστου ελέγχου.
4. Νέα τεχνολογία μπαταρίας: Όπως οι μονάδες με βότσαλα, οι μισές-κομμένες μονάδες, οι μονάδες σε φέτες, κ.λπ., μειώνουν τον αντίκτυπο της σκίασης και της αναντιστοιχίας μέσω της τμηματοποίησης κελιών και των βελτιστοποιημένων μεθόδων σύνδεσης. Για παράδειγμα, οι μονάδες μισής-κομμένης μπορούν να μειώσουν την απώλεια ισχύος που προκαλείται από τη σκίαση κατά περίπου 50%.
Η αναντιστοιχία μονάδων είναι ένα αναπόφευκτο φαινόμενο στα φωτοβολταϊκά συστήματα,μεταξύ των οποίων η διαφορά γωνίας κλίσης είναι η κύρια αιτία αναντιστοιχίας σε σύνθετα σενάρια εγκατάστασης, και η προκύπτουσα απώλεια παραγωγής ενέργειας μπορεί να φτάσει περισσότερο από 15%. Οι διαφορές γωνίας κλίσης οδηγούν άμεσα σε ασυνεπή ρεύματα εξόδου των μονάδων επηρεάζοντας την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνουν οι μονάδες και στη συνέχεια περιορίζουν την παραγωγή ενέργειας ολόκληρης της σειράς μέσω του "φαινόμενου κάδου" του κυκλώματος σειράς.
Για διαφορετικούς τύπους φωτοβολταϊκών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, η πιο κατάλληλη λύση αναντιστοιχίας θα πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με παράγοντες όπως οι συνθήκες εδάφους, το μέγεθος διαφοράς γωνίας κλίσης και ο προϋπολογισμός επένδυσης. Οι επίγειοι-σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής μπορούν να δώσουν προτεραιότητα σε μετατροπείς πολλαπλών-MPPT στοιχειοσειρών. για πολύπλοκα σενάρια όπως ορεινές περιοχές και στέγες με μεγάλες διαφορές γωνίας κλίσης, η τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος σε επίπεδο μονάδας-θα φέρει σημαντικές βελτιώσεις στην παραγωγή ενέργειας και αποδόσεις επένδυσης.
